Крановые стрелы
В поисках компромисса
В последние годы отечественные краностроители активно осваивают производство стрел сложного профиля. Что же дают новые конструкции и с какими проблемами сталкивается конструктор в поиске наилучших технических решений?
С появлением телескопических стрел коробчатый, или прямоугольный, профиль стал и остается по сей день самым распространенным в силу того, что технология производства сравнительно проста, конструкция не предъявляет повышенных требований к стали – 10ХСНД прекрасно справляется с задачами даже с учетом «доброжелательного» отношения наших металлургов к запросам машиностроения. Достаточно демократичные допуски позволяют быстро и без лишних затрат подготовить производство, не требующее дорогостоящего, крупногабаритного и тяжелого оборудования. Как у любой медали, у этой простоты есть оборотная сторона – высокие энерго- и трудозатраты на раскрой металла и сварку.
С переходом на стрелы гнутого профиля – коробчатые со скругленными углами, восьмигранные, многогранные или псевдоовоидные и гладкие овоидные меняется технология производства. Строго говоря, термин «овоид» – жаргонизм, но так как лучшего названия профилю, отдаленно напоминающему яйцо, еще не придумали, и мы будем им пользоваться. Технология производства овоидных и других сложных профилей подразумевает применение пресса с длинным столом и специальной оснасткой, оборудования лазерной резки и средств контроля размеров и формы крупногабаритных деталей. При высокой стоимости, длительных сроках поставки и монтажных и пусконаладочных работ современное оборудование дает возможность предприятию совершить прорыв в технологиях, производительности и экономической эффективности. За счет передовых технологий и производительного оборудования с большим ресурсом себестоимость крана может не только сохраниться на прежнем уровне, но даже снизиться, несмотря на увеличение стоимости материалов, прежде всего стали.
Известно, что для изготовления овоидного или даже простого коробчатого профиля из гнутых полукоробов нужны термообработанные мелкозернистые стали. Это связано с требованием к стабильности механических свойств стали при гибке в полукороба и стабильности размеров уже готовых полукоробов. Отечественная металлургия не способна производить стали с такими свойствами, а потому в конструкцию овоидных стрел заранее закладывают стали класса S700 и WELDOX 700 и выше.
Технологии изготовления полукороба для овоидной стрелы есть разные. Полукороб отштамповывают одним ударом пресса. Вторым дожимающим ударом под контролем электроники полукоробу придают окончательную форму. Для этой технологии требуются крупногабаритные сменные штампы для полукоробов разных размеров, смена которых требует временны’х затрат и грузоподъемных механизмов. Поверхность изготовленного таким способом полукороба гладкая. Альтернативный способ – это получение овоидного профиля путем многократного гиба, и поверхность полукороба при этом получается граненой. Для изготовления стрел большого диаметра кранов грузоподъемностью 100 т и выше применим способ, близкий к трубопрокату. Производство стрел овоидного профиля требует значительных инвестиций, и каждая краностроительная компания принимает решение создавать такое производство у себя или заказывать стрелы на стороне, у специализированной компании исходя из своих объемов производства и возможностей. В Европе известна бельгийская фирма Vlassenroot, изготавливающая стрелы, выдвижные опоры и рамы для краностроительных заводов, в том числе для Liebherr, которая пришла к полному отказу от собственного производства стрел. Ивановский «Автокран», наоборот, создает производство гнутых стрел для всей линейки кранов.
Выбор между собственным производством и заказом на стороне, выбор между технологиями – всегда поиск компромисса между многими факторами. Здесь принимают во внимание и объемы производства, и логистику, и энергозатраты, и кадровую проблему, и зависимость от поставщиков, и т. д.
Недостаток обычной коробчатой стрелы прямоугольного сечения в ее массе, ограничивающей длину стрелы и соответственно подстреловое пространство. Основную нагрузку при подъеме груза в плоскости подвеса несут толстые верхний и нижний листы стрелы. Более тонкие боковые листы сохраняют форму стрелы и также работают: верхняя половина на растяжение, нижняя на сжатие. При повороте платформы возникают значительные боковые нагрузки, и боковые листы точно так же, как верхний и нижний листы, начинают работать на изгиб, тонкая стенка может не выдержать и потерять устойчивость, т. е. деформироваться. Сохранение устойчивости боковой стенки – одна из основных проблем при конструировании коробчатой стрелы. Для этого ставят ребра жесткости, которые утяжеляют стрелу и увеличивают затраты на ее изготовление. Небольшие скругления углов практически ничего не меняют. Только при переходе к большим радиусам скругления, при переходе к овоидному или псевдоовоидному профилю радикально меняется картина нагрузок. И здесь мы подходим к самому интересному: почему овоидная форма лучшая для крановой стрелы.
Еще в древности люди поняли, что самой эффективной формой несущей балки является арка. Арочная форма перераспределяет вертикальную нагрузку в радиальную и работает на сжатие, а не на растяжение, причем по всей своей поверхности, т. е. напряжения распределяются на бо’льшую площадь. Арка не прогибается, а сжимается и работает без потери устойчивости. Таким образом, арочная форма – наиболее эффективный путь повысить устойчивость конструкций крановой стрелы, который реализован в овоидном профиле. Овоидный профиль создает благоприятные условия для работы металла. Отсюда и возникает экономия массы. Верхняя часть овоидного профиля стрелы работает на растяжение, поэтому верхнюю полку целесообразно делать широкой. А нижний полукороб представляет собой перевернутую арку в чистом виде. Боковая поверхность стрелы в любом случае нагружена меньше нижней и верхней, и на нее целесообразно перенести сварной шов. Место стыка определяют не произвольно посередине, а расчетным путем, в наименее нагруженной зоне.
Стрела за счет овоидной формы выдерживает большие нагрузки как в плоскости подвеса, так и боковые при повороте крана, чем коробчатая с той же площадью сечения. Более прочную и легкую овоидную стрелу можно делать длиннее, увеличить число секций и выиграть в высоте подъема и в подстреловом пространстве.
Что касается круглого сечения, то согласно сопромату труба не лучшая форма для момента сопротивления изгибу. На верхнюю и нижнюю точки круглого сечения будут приходиться чрезмерные нагрузки. Кроме того, последняя секция стрелы имела бы склонность к кручению при повороте крана и особенно при переводе гуська в рабочее положение и обратно в транспортное. Овоидная же стрела помимо того, что эффективнее работает на изгиб, одновременно противостоит кручению.
Краностроитель всегда в поиске компромисса между лучшими грузовысотными характеристиками и лучшей ценой. Поэтому сегодня на рынке такое разнообразие профилей.
Ивановский 25-тонный кран КС-54711-1 оснастили восьмигранной стрелой, а 25-тонник КС-54712 – стрелой с псевдоовоидным 16-гранным профилем. Краны КС-5576Б и КС-5576К г/п 32 т и КС-55717 г/п 36 т поставляют с восьмигранной стрелой, 40-тонник КС-54713 – с псевдоовоидной 16-гранной стрелой, а 100-тонник КС-8973 – с гладкой овоидной. У Клинцовского автокранового завода 32-тонный кран получил стрелу, секции которой сварены из двух полукоробов – трехгранного верхнего и пятигранного нижнего. У стрел клинцовских 40- и 50-тонных кранов еще большее число сгибов, а у нового, представленного на «СТТ-2009» галичского 60-тонника стрела со сложным овоидным профилем. Челябинский механический завод освоил производство 32-тонного крана КС-55733 с трехсекционной стрелой восьмигранного профиля.
Итак, секции сварили, вставили их одна в другую, но как теперь решить проблему трения при их выдвижении? Это непростая конструкционная и технологическая проблема, и ее решают с помощью плит скольжения. Если у нас коробчатая стрела, то плиты скольжения, представляющие собой бруски из специального материала с проточками для смазки, устанавливают в концах секции в углах короба, на поверхность секции также накладывают, точнее размазывают консистентную смазку. Как правило, применяют графитные смазки – смесь тонкомолотого графита с солидолом.
Для плит скольжения брали разные материалы. Сначала была бронза, потом углепластик и другие синтетические материалы с наполнителями – самосмазывающимися, противоизносными и прочими добавками, которые вводят при формировании исходной массы. Если рецептура и конструкция подобраны удачно, то механизм не требует обслуживания, долго не изнашивается, не требует частого контроля, регулировки и разборки для замены. Существует два основных типа плит скольжения – неподвижные, которые просто механически фиксируются, и подвижные самоустанавливающиеся. Самоустанавливающиеся плиты встречаются все реже, сегодня проще сделать точный профиль стрелы и плиты. Плиты для стрел овоидного профиля представляют собой крупные детали по высоте, доходящие до середины сечения стрелы, и длинные, насколько позволяет конструкция стрелы. Механические свойства полиамида, который сегодня применяют для плит скольжения, хуже, чем металла, поэтому плиту делают максимально большой, чтобы и площадь контакта была как можно больше. По толщине плиту делают с припуском, чтобы она приработалась уже в процессе эксплуатации. Сконструировать, а тем более изготовить самоустанавливающуюся плиту со сложным профилем и механизмом перемещения в двух плоскостях чрезвычайно сложно и нетехнологично, но полностью от самоустанавливающихся плит пока не отказались.
В верхней части внешней секции стрелы возникает локальная зона перегрузки, которая нарастает при выдвижении внутренней секции. Эти перегрузки являются ограничивающим фактором при расчете толщины металла внешней секции. Кроме того, оголовок секции дополнительно усиливают охватывающим поясом, на техническом сленге именуемым «воротником» или «бородой». Охватывающий пояс бывает разной степени развитости и состоит из поперечных и продольных ребер жесткости. Как и любое техническое решение, размеры пояса есть компромисс между допустимой нагрузкой на основной металл и плиту скольжения и сложностью узла, т. е. затратами на его изготовление.
Теперь о таком явлении, как заделка секций одна в другую. При телескопировании секция выдвигается не полностью, часть внутренней секции остается внутри внешней, компенсируя изгибающий момент. Заделка, величина которой может достигать 2 м, не работает на длину стрелы, но она необходима, чтобы воспринимать нагрузки, иначе металл не выдержит и сомнется. Это все равно что держать удилище одной рукой или двумя руками.
Поиск оптимального решения для того или иного элемента стрелы всегда компромисс между техническим совершенством и ценой. Овоидная стрела легче коробчатой и дает существенные преимущества в грузоподъемности, высоте подъема и подстреловом пространстве. Разработка и производство овоидной стрелы требуют значительных инвестиций, но современные технологии существенно производительнее и экономичнее традиционных. Перспективы овоидного профиля настолько привлекательны, что отечественное краностроение уже перешло на производство кранов г/п 32 т и выше на профили со скругленными углами, восьмигранные и овоидные. Более того, стрелами с гнутым профилем комплектуют 25-тонники, а ивановский «Автокран» обещает в перспективе и 16-тонники оснащать овоидными стрелами.
Но и коробчатую стрелу рано сбрасывать со счетов, ее потенциал не исчерпан. Очевидно, что она долго еще будет оставаться в бюджетном сегменте отечественных кранов малой грузоподъемности. Американская краностроительная фирма Manitex с успехом использует эту конструкцию на кранах г/п до 45 т. Коробчатый профиль применяют производители короткобазных кранов – Terex, Grove, Tadano, Kato на кранах г/п до 80 т, а также многочисленные производители кранов-манипуляторов.
