Безопасность крана-штабелера должна быть проверена также и для процесса его испытаний, поскольку этот процесс характеризуется увеличенной массой применяемых грузов, повышенной вероятностью возникновения отказов (особенно при испытаниях опытного образца), искусственным созданием отказов некоторых видов, а также значительной численностью персонала испытателей, безопасность которых должна быть гарантирована.

Другим назначением расчетов является проверка соответствия технических параметров проекта крана-шта,бе-лера требованиям технического задания и нормативно-ствие невнимательности оператора, для автоматических кранов-штабелеров — при отказах системы управления или же при нарушении размеров и положения стеллажа в процессе эксплуатации. Поэтому создаются особые случаи нагружения конструкции крана-штабелера.

Для кранов-штабелеров с автоматическим адресованием особое значение приобретает жесткость металлоконструкций. При небольших зазорах в ячейке между грузом и элементами стеллажа, а также между последними и грузовым захватом, правильное позиционирование, т. е. свободный вход в ячейку и выход из нее груженого или порожнего грузового захвата для всех ячеек стеллажа возможен только в том случае, если металлоконструкция крана-штабелера обладает определенным минимумом жесткости.

В результате специального изучения условий эксплуатации и нормирования расчетов кранов-штабелеров разработаны и введены в действие ОСТ 24.090.68—82 «Краны-штабелеры стеллажные. Нормы расчета» и ОСТ 24.091.14—85 «Краны-штабелеры мостовые. Нормы расчета». Излагаемые ниже основные положения расчета кранов-штабелеров даны в полном соответствии с упомянутыми стандартами.

Оба стандарта предназначаются для кранов-штабелеров по ГОСТ 16553—82. Однако основные принципы и нормы расчета этих стандартов могут быть использованы для кранов-штабелеров других типов и параметров, например, для подвесных мостовых и стеллажных кранов-штабелеров, для кранов-штабелеров с увеличенной высотой подъема, для кранов-штабелеров с облегченным режимом работы. Для того чтобы конструктор мог в таких случаях самостоятельно внести в нормативы необходимые изменения, здесь даются пояснения о происхождении тех или иных нормативных требований.

Наконец, следует сказать, что отчетный расчет, как документ проекта, представляет собой итоговую часть расчетной работы, которой предшествует большое число предварительных и вариантных расчетов. Последние особенно важны, так как представляют собой в большинстве случаев единственный инструмент для получения конструкции необходимого технического уровня. Вариантные расчеты в настоящее время с успехом выполняются на ЭВМ, принимая форму так называемых оптимизационных расчетов. В качестве критерия оптимизации для крана-132 штабелера обычно выбирают его массу, которую следует минимизировать, Возможно применение и стоимостного или смешанного критерия.

Известно, что для расчетов с помощью ЭВМ необходима четкая формализация расчетных схем и требований. И в этом отношении стандартизованные нормы расчета кранов-штабелеров дают необходимый материал.

Исходные данные для предварительных расчетов принимают в соответствии с техническим заданием и схемами предварительных конструктивных проработок крана-шта-белера. Исходные данные оформляемого расчета должны полностью соответствовать параметрам, указанным в конструкторской и эксплуатационной документации на кран-штабелер; отдельные несоответствия должны оговариваться в отношении их причин и следствий.

При формировании списка исходных данных геометрические характеристики крана-штабелера должны определяться по проектной геометрической схеме его конструкции без учета деформаций; номинальная масса элементов должна быть вычислена по их номинальным размерам. Расчетная масса оператора крана-штабелера принимается равной 80 кг.

Расчетная масса груза принимает различные значения в зависимости от рассматриваемого процесса или элемента конструкции. Конкретные рекомендации будут даны ниже; здесь же следует пояснить, что груз массой 1,1 номинальной грузоподъемности — это груз, применяемый при динамических испытаниях крана-штабелера в соответствии с ОСТ 24.090.38—83 или ОСТ 24.090.39—83. Груз массой 1,25 номинальной грузоподъемности соответствует настройке ограничителя грузоподъемности, требуемой указанными стандартами; такой груз применяют при статических испытаниях крана-штабелера. В расчетах на выносливость масса груза принимается менее номинальной грузоподъемности.

В конструкции крана-штабелера обычно используют материалы и комплектующие изделия, выпускаемые промышленностью для общего потребления. К ним относятся металлический прокат,, электродвигатели, стандартные редукторы, подшипники, муфты, тормоза и т. п. Их технические параметры, приводимые в сортаментах и каталогах, также являются исходными данными для расчета» в результате которого должны быть выявлены минимально необходимые типоразмеры материалов и комплектующих изделий (с учетом возможностей поставки, которые учитываются в расчете как ограничители сортаментов)

Желательно, чтобы полученные расчетом скорости механизмов крана-штабелера составляли от 0,9 до 1,1 их номинальных значений. Следует отметить, что согласно ГОСТ 16553—82 допускаемое отклонение фактических скоростей от номинальных составляет +15 %. Сужать поле допуска расчетных скоростей целесообразно для компенсации возможного расхождения расчетных и фактических скоростей.

Расчетная частота вращения колонны мостовых кранов-штабелеров, управляемых из кабины, не должна превышать 4 об/мин, а управляемых с пола — 2,5 об/мин. Такие ограничения продиктованы требованиями обеспечения безопасности при манипуляциях грузовым захватом.

Расчетное ускорение (замедление), обеспечиваемое механизмом передвижения крана-штабелера, должно составлять 0,3—0,6 м/с2. Это объясняется тем, что при ускорениях (замедлениях), меньших, чем 0,3 м/с2, процессы разгона или торможения чрезмерно затягиваются. Например, при ускорении. 0,2 м/с2 и номинальной скорости 2,0 м/с разгон будет длиться 10 с; увеличение ускорения до 0,4 м/с2 сокращает время разгона до 5 с, а общая экономия времени за цикл работы крана-штабелера составит 20 с, что равносильно увеличению производительности крана-штабелера не менее чем на 20 %. Ускорение, большее, чем 0,6 м/с2, во многих случаях недостижимо по условию необходимого запаса сцепления приводных колес с рельсами (см. ниже). Однако и тогда, когда имеется избыточный запас сцепления (например, у кранов-штабелеров с малой высотой подъема), увеличение ускорения свыше 0,6 м/с2 нецелесообразно: увеличение производительности получается несущественным, а габарит электродвигателя может возрасти, так как требуется повышенный пусковой момент.

Для механизма передвижения грузовых тележек мостовых кранов-штабелеров, имеющих скорости 0,2— 0,6 м/с, нижний уровень ускорения (замедления) может быть уменьшен до 0,15—0,2 м/с2.

Расчетное ускорение подъема грузозахватного органа должно быть не более 1,0 м/с2. Ускорения, большие, чем указанное, не применяют, потому что скорость подъема обычно не превышает 0,5 м/с и сокращать время разгона по сравнению с величиной 0,5 с не только не имеет смысла, но и невыгодно во всех отношениях.

Нижняя граница ускорения при подъеме не регламентируется. Дело в том, что электродвигатель механизма подъема подбирают таким образом, чтобы требуемый момент установившегося движения на валу электродвигателя был близок к его номинальному моменту. Пусковой момент электродвигателя в 2—3 раза больше номинального, поэтому ускорение разгона обычно получается не менее 0,4—0,5 м/с2, что вполне приемлемо, так как время разгона не превышает 1,0—1,5 с.

Верхняя граница замедления торможения при опускании грузозахватного органа также равна 1,0 м/с2, а нижняя не ограничивается по причинам, аналогичным вышеизложенным, так как основной процесс торможения обеспечивается электродвигателем.

Расчетное ускорение (замедление) при выдвижении телескопических захватов должно быть не более 1,0 м/с2. Такое ограничение необходимо для предотвращения смещения груза относительно захвата под действием инерционных сил. Поэтому указанное ограничение проверяется для случаев пуска и торможения захвата, на котором установлена порожняя тара, так как при этом ускорение (замедление) получается наибольшим. Вследствие того, что скорость выдвижения захватов сравнительно невелика (до 0,25 м/с), инерционная доля массы порожней тары в приведенном моменте инерции привода захвата также невелика, и можно рассчитывать ускорение для захвата без груза. Этим объясняется то, что в ОСТ 24.090.68—82 не оговаривается, для какого случая нагружения захватов следует проверять ускорение, поскольку очевидно, что наибольшее его значение будет в случае порожних захватов.

Нижний предел расчетного ускорения (замедления) захватов не регламентируется ввиду того, что скорость выдвижения, как уже отмечалось, сравнительно невелика и время разгона практически никогда не превышает 1 с даже в наиболее тяжелом случае — при взятии номинального груза из ячейки стеллажа.

Расчетный срок службы кранов-штабелеров принимается равным 20 годам при односменной работе (или 10 годам при двухсменной работе). В течение этого срока металлоконструкции кранов-штабелеров должны проработать безотказно, и такое требование практически выполнимо.

В то же время для ряда узлов или элементов механизмов оказывается целесообразным ограничить расчетный срок службы, предусматривая их замену или восстановление при капитальном ремонте крана-штабелера. Срок службы до капитального ремонта принимается равным 10 годам при односменной работе (или 5 годам при двухсменной работе).

К числу заменяемых или восстанавливаемых элементов могут быть отнесены ходовые колеса, блоки, телескопические захваты, редукторы, ролики грузоподъемника, ходовых (концевых) балок и кабельных кареток. Некоторые элементы, например грузовые канаты, требуют замены более частой, чем один раз за срок службы. Номенклатуру таких элементов должны устанавливать технико-экономическим расчетом, показывающим, что ремонт или замена элементов более выгодны, чем проектирование их на полный срок службы. Аналогичным расчетом должны устанавливать и номенклатуру запасных частей.

Календарный срок службы крана-штабелера и его узлов удобен для эксплуатационника. Для упомянутых же расчетов долговечности необходима другая величина — ресурс или чистое время работы в часах. Между этими величинами существует определенная связь, зависящая от продолжительности цикла крана-штабелера и от соотношения продолжительностей включения различных механизмов в течение цикла.

При индивидуальном проектировании крана-штабелера, предназначенного для склада с определенными заданными параметрами — длиной, высотой, числом ячеек, грузооборотом, — характеристики цикла можно определить однозначно путем их осреднения по складу с учетом принятых приоритетов загрузки и выгрузки.

Для крана-штабелера серийного производства условия работы заранее не известны. Поэтому приходится задаваться некоторым условным складом, параметры которого были бы представительны по частоте практической применяемости и создавали бы в то же время достаточно напряженный режим работы крана-штабелера. При этом для определения характеристики цикла стеллажного крана-штабелера практически достаточно задаться длиной склада. Для мостового крана-штабелера существует некоторое множество пар значений длины и ширины склада, при которых может быть обеспечен заданный грузооборот. Этому множеству соответствует множество возможных циклов, из которых следует выбрать наиболее характерные, принимаемые в качестве нормативных.

Такая работа выполнена при разработке ОСТ 24.090.68—82 и ОСТ 24.091.14—85. Полученные результаты’изложены ниже с необходимыми пояснениями. Здесь же отметим, что выбор нормативного цикла работы крана-штабелера позволяет помимо ресурса установить и Другие важные характеристики режима работы механизмов крана-штабелера. К ним относятся число включений в час и продолжительность включения (ПВ, %), необходимые для выбора электродвигателей. К ним также относятся циклограммы работы механизмов, показывающие изменение нагрузки механизмов в течение цикла и необходимые для расчета всех звеньев механизмов, в том числе и электродвигателей. Для получения циклограмм приходится рассматривать процессы установившегося движения, а также разгона и торможения механизмов, и, кроме того, учитывать статистическую изменчивость массы складируемых грузов.

Методической основой для установления расчетных характеристик режима работы механизмов является ГОСТ 25835—83 «Краны грузоподъемные. Классификация механизмов по режимам работы», а также стандартные значения ПВ и числа включений в час, применяемые в отечественной промышленности.

Согласно ГОСТ 25835—83, найденные с помощью нормативного цикла значения чистого времени работы каждого из механизмов за срок службы округляются до ближайших стандартных значений. Таким образом уста-наливается класс использования механизма по времени. По циклограммам работы механизмов вычисляют коэффициент нагружения, равный сумме произведений относительной длительности нагрузки на куб относительной нагрузки, взятой по всем элементарным прямоугольникам циклограммы. По коэффициенту нагружения устанавливают класс нагружения, который в сочетании с классом использования определяет группу режима работы механизма крана-штабелера.

Как показали исследования, для стеллажных кранов-штабелеров по ГОСТ 16553—82 все механизмы должны быть отнесены к группе режима работы 5М по ГОСТ 25835—83, что соответствует тяжелому режиму работы по классификации Госгортехнадзора. Для мостовых кранов-штабелеров по ГОСТ 16553—82 к группе режима работы 5М относится механизм подъема, другие механизмы работают в более легких режимах в зависимости от исполнения крана-штабелера.

Элементы механизмов должны быть проверены на прочность по наибольшим нагрузкам пусковых и тормозных режимов, а также на выносливость (или долговечность) с учетом требуемого ресурса и циклограмм нагру-жения элементов, получаемых путем образмеривания исходных циклограмм по данным о величинах нагрузки, передаточных чисел и коэффициентов полезного действия звеньев передачи.

При этом расчет цилиндрических эвольвентных зубчатых передач внешнего зацепления следует выполнять по ГОСТ 21354—75, подшипников качения — по ГОСТ 18854—82 и ГОСТ 18855—82. Ходовые колеса кра-нов-штабелеров следует проверять по ОСТ 24.090.44—82 «Колеса крановые. Выбор и расчет» с учетом изложенных ниже рекомендаций. Для расчета поворотных опор колонн мостовых кранов-штабелеров следует применять ОСТ 22—1401—79 «Опоры поворотные роликовые однорядные с зубьями внутреннего зацепления». Прочие элементы механизмов рекомендуется рассчитывать по соответствующим РТМ ВНИИПТмаша. Для стандартных редукторов, подлежащих согласованию, следует применять РТМ 2-056—80 «Редукторы общего назначения. Методика выбора редукторов и мотор-редукторов».

В расчетах принимают следующие значения КПД: зубчатых муфт — 0,99; блоков и грузовых барабанов, промежуточных валов, закрытых цилиндрических зубчатых передач в сборе с валом — 0,98; звездочек для цепей — 0,97; открытых цилиндрических зубчатых передач в сборе с валом, закрытых конических зубчатых передач — 0,96; клиноременных передач — 0,95; стандартных редукторов — по документации поставщика.

Электродвигатели механизмов должны быть проверены по наибольшим нагрузкам пусковых и тормозных режимов, а также на нагрев с учетом их расчетных характеристик и соответствующих циклограмм. Дополнительные рекомендации даны ниже.

Говоря о проблеме надежности механизмов кранов-штабелеров, следует отметить, что величины расчетных ресурсов согласно ОСТ 24.090.68—82 и ОСТ 24.091.14—85 должны быть с девяностопроцентной обеспеченностью. Другими словами, элементы 90 % находящихся в эксплуатации кранов-штабелеров должны безотказно отрабатывать расчетный ресурс, и только 10 % могут давать отказы до истечения расчетного ресурса. Следует отметить, что исследования по надежности специальных узлов кранов-штабелеров начали проводить лишь в последнее время и поэтому расчеты надежности пока можно выполнять только для ограниченного числа узлов и деталей подъемно-транспортных машин, для которых имеются соответствующие рекомендации ВНИИПТмаша.

При расчете металлоконструкций кранов-штабелеров проверяют прочность, устойчивость, жесткость и выносливость конструкций в целом и их отдельных элементов. Для стеллажных кранов-штабелеров выполняют также расчет затухания колебаний колонны при остановке крана-штабелера.

Стальные конструкции рассчитывают по методике СНиП II-23—81 «Нормы проектирования. Стальные конструкции», а алюминиевые конструкции — по методике СНиП II-24—74 «Нормы проектирования. Алюминиевые конструкции», с учетом излагаемых здесь специфических требований.

При формировании исходных данных для расчета следует убедиться, что принятые в проекте крана-штабелера материалы металлоконструкций и сварочные материалы соответствуют требованиям обязательного РТМ 24.090.52—79 «Краны грузоподъемные. Материалы для сварных металлических конструкций», а примененные для болтовых соединений стальные болты, гайки и шайбы соответствуют требованиям СНиП П-23—81. Следует также проверить, что кран-штабелер оборудован всеми устройствами безопасности в соответствии с требованиями ОСТ 24.090.38—83 и ОСТ 24.090.39—83. В противном случае непосредственное использование приводимых ниже расчетных указаний не рекомендуется.

Прочность металлоконструкций проверяют по формулам упругой стадии работы материала. Пластические деформации элементов не допускаются, даже если они не опасны для конструкции в целом. Причина тому — необходимость сохранения геометрии крана-штабелера в течение всего срока службы для обеспечения правильного позиционирования грузовых захватов в ячейках стеллажа.

В заключение следует указать, что в расчетах, выполняемых на группу исполнений крана-штабелера, отличающихся пролетом, высотой, грузоподъемностью и скоростями механизмов, должны быть рассмотрены все исполнения группы, а не только исполнения с наибольшими характеристиками, Это необходимо для того, чтобы иметь полное представление о том, какой ценой достигается,, унификация тех или иных конструктивных элементов или комплектующих, применяемых обычно в группе исполнений, и принять необходимые решения об уменьшении степени унификации с целью экономии материальных и энергетических ресурсов.