Динамика кранов с жестким подвесом груза

им. Н.Э. Баумана
МГТУ

ИЗДАТЕЛЬСТВО

УДК 524(075.8) 
ББК 39.9 
  С727 
 
Рецензенты:  
канд. техн. наук И.И. Абрамович; 
д-р техн. наук Г.Я. Пановко 
 
 
Спицына Д.Н., Поликарпов К.В. 
Динамика кранов с жестким подвесом груза: Учеб. 
пособие / Под ред. О.С. Нарайкина: – М.: Изд-во МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, 2009. – 184 с.: ил.  

ISBN 978-5-7038-3172-4 

Изложены методы расчета металлических конструкций кранов с жестким подвесом груза при различных динамических воздействиях. Основное внимание уделено уточнению динамических моделей кранов, позволяющих вычислять как действующие 
нагрузки, так соответствующие им напряжения, изменяющиеся с 
течением времени. Проанализированы способы защиты этих кранов от аварий. Рассмотрено влияние различных факторов на боковые силы, действующие на ходовые колеса кранов, установленных в балансирных тележках. Проведена оценка средних 
квадратичных и максимальных значений напряжений, возникающих при движении крана по подкрановым путям, имеющим 
случайные отклонения в вертикальной плоскости. 
Учебное пособие написано по материалам исследований, 
проводившихся в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов старших курсов технических вузов. Может 
быть полезно инженерам-конструкторам и научным работникам 
в области подъемно-транспортного машиностроения. 

УДК 524(075.8) 
ББК 39.9 
 
 
 
© Спицына Д.Н., Поликарпов К.В., 2009 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009 
© Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3172-4                                 им. Н.Э. Баумана, 2009 

С727 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

При расчетах металлических конструкций кранов учитывают 
как статические, так и динамические нагрузки. В настоящее время 
для определения напряжений и перемещений, вызываемых статическими нагрузками, используют различные программные комплексы, основанные на методе конечных элементов (МКЭ). Динамические нагрузки, действующие на металлические конструкции, 
зависят от различных процессов движения кранов и упругих перемещений их элементов.  
Настоящее учебное пособие посвящено исследованию динамики кранов с жестким подвесом груза. 
Теоретические и экспериментальные исследования колодцевого и стрипперного кранов, проведенные ВНИИПТМАШ в 1958 г. 
[37], позволили установить характерные случаи возникновения 
динамических нагрузок, связанных с процессами разгона или торможения, наездом на буфера, наездом на препятствие нижнего 
конца жесткого подвеса груза. 
Последний случай нагружения является наиболее опасным, 
поскольку при этом возможно возникновение аварийных ситуаций, для избежания которых как у нас, так и за рубежом, были 
предложены различные конструктивные способы.  
Для различных случаев нагружения кранов приводятся соответствующие системы дифференциальных уравнений движения 
приведенных масс. Системы уравнений представляются в матричной форме. Численными методами с помощью ЭВМ определяются 
векторы динамических перемещений, нагрузок и напряжений в 
различных сечениях моста крана. Аналогично оценивается целесообразность использования различных конструктивных способов, 
служащих для избежания аварий при наезде нижнего конца жесткого подвеса крана на препятствие. 
В учебном пособии рассмотрены и другие случаи нагружения 
кранов.  

Предисловие 

 
4 

Показано, что при движении кранов с жестким подвесом груза 
с постоянной скоростью по подкрановым путям, имеющим случайные отклонения в вертикальной плоскости, возможно возникновение случайных колебаний, при которых происходит дополнительное нагружение моста крана. 
Краны с жестким подвесом груза обычно имеют тяжелые грузовую тележку и металлическую конструкцию моста. Их выполняют многоколесными, а ходовые колеса устанавливают в балансирных тележках. В учебном пособии приведена методика определения боковых сил для кранов такого типа. 
В качестве примеров использования разработанных методик 
приводятся расчеты для двух кранов завода СИБТЯЖМАШ. 
Предложенные в учебном пособии расчетные методики, позволяющие оценить влияние различных динамических нагрузок на 
напряженно-деформированное состояние металлических конструкций кранов с жестким подвесом груза, выполнены в МГТУ 
им. Н.Э. Баумана на кафедре «Прикладная механика». 

ВВЕДЕНИЕ 

Все многообразие существующих мостовых кранов по способу 
подвеса груза можно подразделить на два вида: краны общего назначения с гибким подвесом груза и специальные краны с жестким 
подвесом груза. Краны общего назначения с гибким подвесом груза 
более просты в изготовлении и их используют при проведении различных работ, связанных с подъемом и транспортировкой грузов. 
Однако из-за раскачивания груза на гибком подвесе скорость передвижения таких кранов лимитируют. У кранов с жестким подвесом 
груза амплитуда этих колебаний существенно меньше, что приводит к увеличению скорости их передвижения и, следовательно, к 
росту их производительности. Использование жесткого подвеса 
груза позволяет эксплуатировать этот вид кранов при выполнении 
таких операций, как перемещение раскаленных предметов, складирование грузов на высотных стеллажах, т. е. где невозможно использовать труд стропальщиков, а также в опасных для человека 
условиях. Краны с жестким подвесом груза применяют в мартеновском, прокатном, кузнечно-прессовом, медеплавильном производствах; на атомных электростанциях и складах. К числу кранов с жестким подвесом груза относятся: колодцевые (клещевые) (рис. В.1), 
стрипперные, посадочные, завалочные, краны штабелеры, мостовые 
краны с подхватами (рис. В.2) и др. 
Краны с жестким подвесом груза, используемые в металлургической промышленности, конструктивно более сложны, так как 
они выполняют большее количество рабочих движений. Их типичными представителями являются колодцевые и стрипперные 
краны. Колодцевые краны предназначены для посадки стальных 
слитков в специальные нагревательные колодцевые печи, а также 
для подачи слитков, нагретых до температуры прокатки, на слитковоз или на приемный рольганг прокатного стана (слябинга или 
блюминга).  

Введение 

 
6 

 

Рис. В.1. Колодцевый кран 
 
Кроме основных работ по транспортировке слитков колодцевые краны выполняют различные подъемно-транспортные операции при ремонте и чистке колодцев, при ремонте слитковоза, а 
также работы по уборке территории цеха. Краны для раздевания 
слитков устанавливают в специальных (стрипперных) отделениях 
мартеновских цехов для осуществления технологических операций, которые связаны с раздеванием стальных слитков, отлитых с 
уширением кверху, и с отрывом от поддонов слитков, отлитых 
с уширением книзу. 
На мостовые краны действуют статические нагрузки от массы 
металлических конструкций, грузовой тележки и поднимаемого 

Введение 

 
7

груза. Особенность металлургических кранов заключается в том, 
что масса поднимаемого ими груза во много раз меньше массы 
тележки. 
Существенное нагружение металлических конструкций кранов 
обусловлено динамическими нагрузками, определению которых в 
мостовых кранах с гибким подвесом груза посвящены работы 
В.П. Балашова, [2–8], Н.А. Лобова [26–31], С.А. Казака [23, 24] 
и других. Следует отметить, что динамические нагрузки, действующие на металлические конструкции кранов с жестким подвесом груза, нельзя определить с помощью зависимостей, полученных для кранов с гибким подвесом груза. 
Для кранов с жестким подвесом груза характерным является 
наличие на их грузовых тележках шахт и колонн, опускающихся 
между главными балками моста, на которых крепятся отдельные 

 

Рис. В.2. Мостовой кран с подхватами

Введение 

 
8 

узлы механизмов, кабины управления, клещи и др. В периоды неустановившегося движения (при разгоне или торможении моста крана) происходит раскачивание шахт и колонн, за счет чего появляются дополнительные вертикальные и горизонтальные динамические 
нагрузки, которые могут возникать и при неблагоприятном состоянии подкрановых путей. Эти нагрузки действуют на металлические 
конструкции рассматриваемых кранов в периоды нормальной эксплуатации и определяют напряжения, используемые при расчете 
металлических конструкций на прочность и выносливость. 
Помимо этих нагрузок в кранах с жестким подвесом груза могут возникать случайные нагрузки, способные привести к аварии, 
например нагрузки при наезде крана на буферные упоры или при 
наезде нижнего конца колонны на жесткий упор. 
Исследованием динамических нагрузок в кранах с жестким 
подвесом груза в России занимались В.Н. Суторихин [56–59], 
Д.Н. Спицына [44–55], С.А. Казак [36], А.И. Зерцалов [20, 21] и 
другие. 
В нашей стране и за рубежом на практике применяют различные конструктивные способы защиты кранов от аварий, которые 
могут произойти при наездах кранов на упоры. Так, на кранах отечественного производства используют предохранительные ролики 
(рис. В.3, а), которые при наклонах шахты контактируют с нижними 
поясами главных балок и предохраняют тележку от опрокидывания 
[11, 17]. За рубежом осуществляют подрессоривание колонны, закрепленной на нижнем конце шахты (рис. В.3, б) [64, 65] или упругое соединение части грузовой тележки с шахтой с рамой грузовой 
тележки, опирающейся на главные балки (рис. В.3, г) [63]. Позднее 
в нашей стране было предложено использовать упругое соединение 
шахты со всей верхней частью грузовой тележки (рис. В.3, в) [19]. 
Целесообразность использования указанных конструктивных 
способов защиты кранов от аварий можно определить путем исследования процессов, происходящих при перемещениях подрессоренных частей каждой конструкции. Следует подчеркнуть, что 
динамические нагрузки, которые могут возникать в этих конструкциях, как и те, что появляются при отрыве колес грузовой тележки от одного из рельсов, нельзя получить экспериментально. 
Исследование процессов динамического нагружения можно проводить только с помощью динамических моделей на ЭВМ. 

Введение 

 
9

Существенные динамические нагрузки передаются на металлические конструкции рассматриваемых кранов и при наезде на 
буферные упоры. В этом случае нагружения также возможен отрыв колес грузовой тележки от одного рельса.  
В настоящем учебном пособии приведены методики и результаты расчетов на ЭВМ, позволяющие ответить на поставленные 
выше вопросы. 
Влиянию случайных неровностей подкрановых путей в горизонтальной плоскости на боковые силы, действующие на ходовые 
колеса мостовых кранов, посвящена работа [9]. Исследования, связанные с оценкой влияния случайных неровностей подкрановых 
путей в вертикальной плоскости на возможность возникновения 
случайных колебаний кранов при передвижении их вдоль путей с 
постоянной скоростью, не проводились, несмотря на то, что в автомобилестроении и авиационной промышленности подобные задачи рассматривались. В краностроении такие исследования не 
проводили, вероятно, по двум причинам: 
1) случайные колебания, возникающие при движении транспортного средства, существенно зависят от скорости его передвижения, которая у кранов мала; 
2) до 1980 г. не проводилась специальная обработка замеров 
неровностей подкрановых путей в вертикальной плоскости, 

 

Рис. В.3. Конструктивные способы уменьшения динамических нагрузок 
при наезде нижнего конца жесткого подвеса крана на упор 

Введение 

 
10

т. е. не определялись их корреляционные функции и спектральные плотности. 
Согласно проведенному в [15] анализу замеров неровностей 
подкрановых путей частотный интервал значений спектральных 
плотностей находится в пределах от 0,01 до 10 рад/с, причем в 
большинстве случаев максимальная энергия спектра отклонений 
содержится на низких частотах. 
Частота основного тона колебаний мостовых кранов с гибким 
подвесом груза изменяется в интервале значений 15…25 рад/с 
[43], в связи с чем при их движении по подкрановым путям, имеющим случайные неровности, не происходит колебаний металлических конструкций. В кранах с жестким подвесом груза основные 
частоты колебаний существенно ниже, так как они определяются 
парциальными частотами колебаний шахты и колонны с грузом, 
поворачивающимися относительно продольной оси моста крана за 
счет вертикальных прогибов главных балок. При движении этих 
кранов по подкрановым путям, имеющим неблагоприятные отклонения в вертикальной плоскости, могут возникать случайные колебания и соответствующие им напряжения в балках моста.  
В работе [31] показано, что при наличии перекосов осей ходовых колес в случае движения крана с постоянной скоростью возникают удары реборд ходовых колес о рельсы, которые вместе с 
подкрановыми путями принимались абсолютно жесткими. В этой 
работе рассматривались только четырехколесные краны. 
В связи с тем, что краны с жестким подвесом груза часто обладают большой массой, их устанавливают на балансирных тележках, 
в которых крепятся оси ходовых колес. В учебном пособии рассмотрено влияние перекосов осей как ходовых колес, так и балансиров. При этом учитывается податливость подкрановых путей.