Динамические нагрузки возникают во всех точках крана и определяются в каждый момент времени произведением массы на соответствующее ускорение.

Данные измерений показывают, что эти нагрузки вызывают в элементах крана напряжения, меняющиеся в широких пределах и часто превосходящие напряжение от веса груза. Поэтому метод расчета, основанный на использовании динамического коэффициента, на который умножался вес груза, оказался малопригодным, так как не отражал физической сущности явления. Взамен нормирования коэффициента было предложено вычислять его для каждого элемента конструкции с учетом упруго-динамических свойств крана. Однако это не устраняло основного недостатка метода и создавало значительные трудности для расчетов.

Поэтому, на наш взгляд, правильнее учитывать динамические нагрузки отдельно от статических, определяя их в зависимости от характера переходного процесса, распределения масс и упругости системы.

Экспериментальные исследования кранов, проводившиеся во ВНИИСтройдормаше, начиная с 1950 г., а также расчеты на электронных вычислительных машинах моделей кранов — многомассных систем, выполненные Г. Фрацкевичем и В. П. Черенковым, показывают, что с вполне достаточной для практических целей точностью металлоконструкции башенного крана можно представить как двухмассную упругую систему с двумя степенями свободы. В переходных процессах пуска и торможения эта система оказывается под внешним воздействием двигателя или тормоза, вызывающим ускорение груза и движущихся частей крана.

В нормально выполненном и правильно эксплуатируемом кране зазоры, имеющиеся в сочленениях отдельных звеньев системы, не оказывают существенного влияния на его колебания. Если в конструкции крана не предусмотрены специальные устройства для гашения колебаний, то можно считать, что внутренние сопротивления деформациям в первые периоды разгона и торможения не влияют на амплитуды колебаний.

Динамика подъема. При разгоне (торможении) механизма подъема груза внешнее силовое воздействие вызывает колебания как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях. Опыты и расчеты приводят к следующим выводам:

1) колебания груза и крана не влияют на движение механизма подъема, так как момент инерции ротора электродвигателя обычно составляет около 80% суммарного момента;

2) вертикальные колебания груза относительно крана быстро затухают из-за большого внутреннего сопротивления каната;

3) низкочастотные горизонтальные колебания груза не успевают существенно развиваться за время пуска (остановки);

4) ввиду относительно большой податливости конструкций крана подхват груза с земли не опасен; к тому же этот случай воздействия является весьма редким, так как представляет собой грубое нарушение правил эксплуатации.

Исходя из этого при рассмотрении уравнений движения можно исходить из схем, показанных на рис. 151, и принять следующие упрощающие допущения: колебания крана и груза не влияют на разгон механизма подъема, и в вертикальных колебаниях груз участвует совместно с массой крана, приведенной к концу стрелы, а в горизонтальных колебаниях не участвует.

Рис. 152. Типичные осциллограммы, записанные при испытаниях крана с поворотной башней (МБТК-80У) после торможения опускаемого груза (вес груза 5 т, вылет 16 м):
а — горизонтальное ускорение опорного шарнира стрелы в м/сек2; б — вертикальное ускорение крюковой обоймы в м/сек2

Но с этим можно примириться, учитывая, что обычно в башенных кранах динамические нагрузки по абсолютной величине невелики и создают напряжения, не превышающие 30% суммарного. Поэтому такая большая погрешность мало сказывается на конечных результатах расчета.

Наибольшие вертикальные и горизонтальные ускорения происходят неодновременно. Практически необходимо учитывать действия вертикальной или горизонтальной нагрузки, что указано в ТГЛ-13470 и ГОСТе 13994—68.

Горизонтальные динамические нагрузки существенны для кранов с поворотной башней, так как последняя обладает относительно малой жесткостью. Для их снижения можно воспользоваться следующим приемом, предложенным А. А. Зарецким и Л. А. Невзоровым и заключающимся в нагружении башни обратным моментом.

Анализ выражения показывает, что одно из этих условий может быть выполнено в кранах с поворотной башней, если тяге, идущей параллельно башне, дать натяжение большее, чем требуется для статического уравновешивания, выбрав его так, чтобы опорный шарнир стрелы под нагрузкой перемещался в сторону противовеса на величину, равную смещению в сторону груза вследствие упругой просадки основания.

Таким образом, эта точка при действии нагрузки от груза как бы остается неподвижной, хотя основание крана может при этом поворачиваться в сторону груза.

Выше были рассмотрены нормальные случаи действия динамических нагрузок подъема. Представляют интерес также случаи мгновенного снятия нагрузки при обрыве строп и при использовании крана в качестве копра или при быстрой разгрузке (работа крана с грейфером).

В первом случае мгновенное снятие нагрузки можно рассматривать как приложение такой же нагрузки, но обратного знака — mag, где т‘г — масса мгновенно снимаемого груза.

Рис. 153. Осциллограмма напряжения в поясе башни крана БКСМ-5-5А для копровых работ при сбрасывании груза весом 3 т на вылете 15 м

Наиболее эффективным средством является плавное регулирование скорости за счет использования различных устройств для плавной посадки груза или применения привода постоянного тока.

Динамика передвижения. Как и в рассмотренном ранее случае подъема, колебания крана и груза практически не влияют на разгон (торможение) механизма передвижения. Ускорение этого механизма можно определять по формуле (70), подставляя вместо г радиус ходового колеса и вместо Мизб — избыточный [момент двигателя (при разгоне) или тормоза (при торможении).

При определении махового момента механизма передвижения крана к валу ротора приводится момент всех масс крана, а механизма передвижения грузовой тележки — момент ее массы.

Разгон (торможение) механизмов передвижения крана и грузовой тележки вызывает колебания груза и крана. Эти колебания имеют существенно различную частоту и могут рассматриваться как независимые.

Динамические нагрузки, приложенные к грузу, массам крана и к грузовой тележке, определяются согласно формуле (умножением ускорения механизма передвижения на соответствующие коэффициенты, учитывающие колебания:

Колебания масс конструкций крана затухают значительно быстрее колебаний груза. Поэтому динамические нагрузки от совместного действия колебаний крана и груза необходимо.учитывать только в первом полупериоде.

Специальные вопросы динамики. Рассмотренные выше случаи действия динамических нагрузок имеют решающее значение для расчета. Динамические нагрузки возникают также и в других случаях, например при подъеме (опускании) стрелы.

Динамические явления, возникающие в этой операции, рассмотрены Л. А. Невзоровым [46]%В связи с тем, что при этом скорость груза и длина подвеса меняются, решение уравнений колебаний выражается функциями Бесселя. Измерения подтвердили результаты теоретического исследования. Здесь они не приводятся, так как вылет изменяется сравнительно редко и возникающие при этом нагрузки не имеют решающего значения для расчета на прочность.

Все изложенное выше касалось случаев, когда груз подвешен на гибких вертикальных канатах, не препятствующих поперечным колебаниям.

В связи с первыми попытками применения устройств для принудительного вращения груза относительно оси подвеса были проведены исследования возникающих при этом динамических процессов. В работе В. Д. Тимофеева дан расчет колебаний, возникающих при пуске (остановке) механизма вращения вследствие закручивания канатов, и выбор двигателя этого механизма.

Первые опыты по измерению динамических нагрузок, действующих на ходовую часть пневмоколесного башенного крана во время его работы (опирание на пневмошины) и при передвижении, были проведены Ч. П. Мешиком. Они показали, что на стоянке динамическая нагрузка на колесо достигала 20—30% статического (большое значение при меньшем давлении воздуха в шине). При передвижении она имеет тот же порядок, причем отмечается, что передвижение с низко подвешенным грузом более безопасно, так как при этом частоты собственных колебаний груза и крана существенно отличаются и толчки при наезде ходовой части на препятствия меньше влияют на колебания груза, который при короткой подвеске может сильно раскачаться. Динамика башенных кранов на пневмоколесном ходу подлежит дальнейшему исследованию.

Нагрузки от сил трения в механизмах. Помимо рассмотренных выше нагрузок, возникают силы трения в канатных полиспастах, передачах, подшипниках и т. п., определение которых дается в общих курсах краностроения. Обычно значения этих сил вычисляются, исходя из определенных величин коэффициентов трения. Между тем внутренние сопротивления, как и внешние нагрузки, имеют разброс, зависящий от многих причин (точность изготовления, степень износа, состояние смазки, метеорологические условия и т. п.). Поэтому их также следует рассматривать как случайные величины и, назначая значения наибольших сопротивлений трения по однократному нагружению, учитывать вероятность его появления.