Повышение эффективности использования портовых кранов при ветровых нагрузках

Актуальность темы

Основными задачами водного транспорта является своевременное, качественное и полное удовлетворение потребностей всех отраслей экономики и населения в перевозках, а также повышение экономической эффективности его работы.

На протяжении многих десятилетий отраслевыми Правилами технической эксплуатации перегрузочных машин морских портов (ПТЭ) [143−146], Правилами безопасности труда в морских портах [136] и Правилами техники безопасности в морских рыбных портах [140] запрещалось использование портовых кранов при скорости ветра 15 м/с и более, в связи с чем время простоев флотов и портов в Министерствах морского флота и рыбного хозяйства составляло в среднем около 300 часов в год, что приводило к миллионным убыткам (Приложение 1.1). В связи с этим весьма актуальным является использование портовых кранов при скорости ветра свыше 15 м/с, позволяющее значительно сократить простои водного транспорта в морских портах по причине сильного ветра. Сокращение простоев водного транспорта приобретает особое значение для портов Крайнего Севера и Дальнего Востока, где время действия сильных ветров со скоростью свыше 15 м/с в отдельные периоды года достигает 30−40%.

До настоящих исследований отсутствовали научные разработки и публикации, посвященные влиянию ветровых нагрузок на работоспособность портовых кранов, в связи с чем отсутствовали научно обоснованные рекомендации по их использованию. В нормах и расчетах грузоподъемных кранов ветровая нагрузка рассматривается как статическая нагрузка. При этом не учитываются конструктивные и эксплуатационные особенности кранов, технология перегрузочных работ, парусность грузов, а также векторная природа ветровой нагрузки.

Успешное решение проблемы по сокращению простоев флотов и портов по причине сильного ветра возможно за счет выявления резервов работоспособности портовых кранов и их использовании при скорости ветра свыше 15 м/с. Это может быть достигнуто разработкой научно обоснованных методов повышения эффективности использования портовых кранов при ветровых нагрузках, расширяющих диапазон допустимых скоростей ветра для их рабочего состояния. Внедрение в морских портах указанных методов, разработанных на основе современных методик расчета и исследования работоспособности кранов при ветровых нагрузках, внесет значительный вклад в развитие экономики страны.

Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ с морскими пароходствами, торговыми и рыбными портами и отраслевой программой, утвержденной первым заместителем Председателя Госкомитета по рыболовству России от 30.11.2001 г.

Целью исследования является разработка научно обоснованных методов повышения эффективности использования портовых кранов при ветровых нагрузках.

В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие основные задачи:

1. Исследование резервов работоспособности портовых кранов и обоснование методов повышения эффективности их использования при ветровых нагрузках.

2. Исследование основных параметров ветровой нагрузки и разработка методики расчета портальных кранов на ветровую нагрузку с учетом защищенности причалов и рабочих участков порта естественными и искусственными препятствиями и сооружениями.

3. Разработка математической модели работы портальных кранов при динамическом воздействии ветра.

4. Теоретические исследования основных показателей работоспособности портальных кранов при динамическом воздействии ветра.

5. Обоснование допустимых ветровых нагрузок для рабочего их состояния в зависимости от технологических схем перегрузочных работ, геометрических параметров циклов работы кранов и парусности грузов.

6. Проведение экспериментальных испытаний моделей портальных кранов в аэродинамической трубе.

7. Проведение натурных испытаний и опытной эксплуатации портовых кранов при скорости ветра свыше 15 м/с.

8. Разработка методики составления ветровой карты и исследование ветровых режимов портов с помощью анемометрических съемок.

9. Разработка нормативных актов и документов, регламентирующих использование портовых кранов при ветровых нагрузках.

10. Определение технико-экономической эффективности результатов выполненных исследований.

Объектами исследования являются портовые краны, а предметом исследования — повышение эффективности использования портовых кранов при повышенных ветровых нагрузках.

Базовыми методологическими научными работами являются работы в области математического моделирования и исследования режимов работы кранов Гаранина Н. П., Брауде В. И., Ерофеева Н. И., Комарова М. С., Сиротского В. Ф., в области исследования воздействия ветровых нагрузок на инженерные сооружения и башенные краны — Барштейна М. Ф., Давенпорта А. Г., Когана И. Я., Невзорова J1. A, Зарецкого А. А. и других ученых.

Методы исследования. В исследованиях использовались основные положения теоретической механики, динамики машин и крановых установок, теории электропривода, экспериментальной аэродинамикиметоды математического моделирования воздействия ветровой нагрузки на портальные кранычисленные методы решения дифференциальных уравнений, метод конечных элементовметоды физического моделирования воздействия ветровой нагрузки на краны в аэродинамической трубе и натурных экспериментовметоды математической статистики и теории вероятностей, опытной эксплуатации портовых кранов при ветровых нагрузках и анемометрических съемок в морских портах.

Научная значимость результатов работы. В диссертационной работе получены следующие основные результаты, определяющие ее научную значимость.

1. Разработаны методы повышения эффективности использования портовых кранов при ветровых нагрузках: использование кранов при скорости ветра свыше 15 м/с, но в пределах паспортных значений ветровых нагрузок с ограничениями, накладываемыми на технологические схемы перегрузочных работ и парусность грузовиспользование кранов при ветровых нагрузках свыше паспортных значений с ограничениями, накладываемыми на технологические схемы перегрузочных работ, геометрические параметры циклов работы кранов и парусность грузовиспользование кранов с учетом ветровых режимов портов (в ветровых тенях).

2. Усовершенствована методика расчета портальных кранов на ветровую нагрузку: определены параметры ветровой нагрузки и ее статистические характеристикиполучены аналитические зависимости ветровой нагрузки на кран с грузом с учетом динамической ее составляющей и собственных скоростей движения крановых механизмов в функции обобщенных координат вылета стрелы и угла поворота кранаполучены уточненные коэффициенты аэродинамического сопротивления, включая моментные характеристики крановых конструкций в функции вылета стрелы и угла поворота крана с учетом конструктивных элементов и их аэродинамического взаимовлиянияучтена векторная природа ветровой нагрузки и определена вероятная устойчивость направления ветра в различных ветровых районах страныучтено влияние рельефа (шероховатости) местности и портовой застройки на ветровую нагрузку портовых кранов в эксплуатационных условиях.

3. Предложена методика комплексного исследования основных показателей работоспособности портальных кранов и обоснования допустимых ветровых нагрузок для их рабочего состояния, включающая математическое моделирование режима работы портальных кранов при ветровых нагрузках, модельные аэродинамические испытания, численные методы исследования основных показателей работоспособности портальных кранов при ветровых нагрузках, натурные испытания и опытную эксплуатацию портовых кранов при скорости ветра свыше 15 м/с.

4. Разработана математическая модель режима работы портальных кранов при динамическом воздействии ветра.

5. Численными методами исследованы основные показатели работоспособности наиболее распространенных в морских портах портальных кранов типа Альбрехт, Альбатрос, Сокол, Кондор, Кировец, Форель и Ганц в зависимости от технологии перегрузочных работ, геометрических параметров циклов работы кранов и парусности грузов.

6. Предложен способ расчета динамических характеристик крановых конструкций методом конечных элементов, позволяющий на стадии проектирования определять динамическое воздействие ветра на грузовую устойчивость крана.

7. Предложен дифференцированный метод определения допустимых ветровых нагрузок на портовые краны в эксплуатационных условиях, учитывающий тип крана, технологическую схему его работы, парусность грузов и векторную природу ветровой нагрузки, защищенность причалов и рабочих участков порта естественными и искусственными препятствиями и сооружениями.

8. Выполнено теоретическое обоснование допустимых ветровых нагрузок для рабочего состояния наиболее распространенных в морских портах портальных кранов типа Альбрехт, Альбатрос, Сокол, Кондор, Кировец, Форель и Ганц в зависимости от технологических схем перегрузочных работ, геометрических параметров циклов работы и парусности грузов.

9. Предложена методика и выполнены модельные испытания некоторых типов портальных кранов и анемометров в аэродинамической трубе.

10. Разработана методика составления ветровой карты и с помощью анемометрических съемок составлены ветровые карты некоторых морских портов.

11. Достоверность математической модели и выполненных теоретических исследований режимов работы портальных кранов при динамическом воздействии ветра подтверждена приведенными методикой и результатами натурных испытаний портальных кранов «Альбрехт» при скорости ветра свыше 15 м/с.

12. Разработанные в диссертации методы повышения эффективности использования портовых кранов при ветровых нагрузках подтверждены результатами опытной эксплуатации портовых кранов при скорости ветра свыше 15 м/с в морских торговых и рыбных портах.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Одесского института инженеров морского флота в 1975;1984 г. г.- региональных научно-технических конференциях в г. Артеме Приморского края: II — «Пути повышения эффективности и качества грузоподъемных машин и оборудования в условиях дальнего Востока и Восточной Сибири», 1976 г.- III — «Основные направления научно-технического прогресса в создании и эксплуатации грузоподъемных кранов в условиях Дальнего Востока и Восточной Сибири», 1979 г.- IV — «Проблемы создания и эксплуатации подъемно-транспортных машин в условиях Дальнего Востока и Восточной Сибири», 1983 г.- второй научно-технической конференции «Электропривод и автоматизация кранов», Одесса, 1981 г.- технических совещаниях ИТР механизации и диспетчерских служб Ильичевского и Измаильского морских портов, 1981 г.- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ 1985;2005 гнаучно-технической конференции «Проблемы продления навигации», Нижний Новгород, 1991 г.- первом съезде специалистов по безопасности деятельности человека, Санкт-Петербург, 1992; Международном симпозиуме «Предупреждение риска (научно-техническая эволюция)», Москва, 1992. Материалы диссертации обсуждались на заводе Кранбау Эберсвальде (Германия), в морских портах Калининград (торговый и рыбный), Мурманск (торговый и рыбный), Находка, Одесса, Ильичевск, Измаил, Петропавловск-Камчатский и многих других морских торговых и рыбных портахнаучно-исследовательских и проектных институтах: ЛЕНМОРНИИПРОЕКТ, ЧЕРНОМОРНИИПРОЕКТ, ГИПРОРЫБФЛОТ, в службах портов Черноморского, Советско-Дунайского и Балтийского морских пароходств, ЦК профсоюза рабочих морского и речного флота, ЦК профсоюза работников рыбного хозяйстваЧерноморском, Ленинградском и Дальневосточном баскомфлотах, Министерствах морского флота и рыбного хозяйства.

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 32 печатных работах и 13 отчетах О научно-исследовательской работе, зарегистрированных в ВНТИЦ.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Методы повышения эффективности использования портовых кранов при ветровых нагрузках.

2. Методика расчета портовых кранов на ветровую нагрузку.

3. Математическая модель режима работы портальных кранов при динамическом воздействии ветра.

4. Методика исследования основных показателей работоспособности портальных кранов и обоснования допустимых ветровых нагрузок для их рабочего состояния.

5. Методика и результаты модельных испытаний портальных кранов и анемометров в аэродинамической трубе.

6. Методика и результаты натурных испытаний и опытной эксплуатации портовых кранов при скорости ветра свыше 15 м/с.

7. Методика составления ветровой карты порта.

8. Результаты реализации выполненных исследований.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка.

6.8. Выводы.

6.8.1. На основании статистических данных морских портов определены убытки в морских портах от простоев транспорта по причине сильного ветра, которые составляют по Министерству морского флота свыше 180 млн руб. в год.

6.8.2. На основании опытной эксплуатации портовых кранов при повышенных ветровых нагрузках и выполненных расчетов определен экономический эффект от использования портовых кранов: при паспортных значениях ветровых нагрузок (при скорости ветра до 20 м/с), свыше паспортных значений ветровых нагрузок (при скорости ветра до 22 м/с) и в зонах ветровых теней морских портов.

6.8.3. Разработаны дополнительные требования к техническим условиям на проектирование портальных кранов с учетом их эксплуатации при повышенных ветровых нагрузках.

6.8.4. Результаты внедрения выполненных исследований в нормативных актах Министерства транспорта, позволяют использовать портовые краны при паспортных значениях ветровых нагрузок (при скорости ветра до 20 м/с) без участия рабочих в строповке (отстроповке) грузов.

6.8.5. Результаты внедрения выполненных исследований в нормативных актах Федерального агентства по рыболовству позволяют использовать портовые краны при паспортных значениях ветровых нагрузок с участием рабочих в строповке (отстроповке) грузов, а также свыше паспортных значений ветровых нагрузок (при скорости ветра до 22 м/с) при перегрузке грузов без участия рабочих в строповке (отстроповке), а также в зонах ветровых теней.

6.8.6. На выполненные автором исследования работоспособности портальных кранов завода Кранбау Эберсвальде получено Заключение завода, подтверждающее эксплуатацию указанных кранов при ветровых нагрузках свыше паспортных (при скорости ветра до 22 м/с).

6.8.7. Составлены ветровые карты для морских портов Калининград, Мурманск, Одесса, Находка, которые были утверждены руководством этих портов.

6.8.8. Результаты исследований портовых кранов при повышенных ветровых нагрузках вошли в монографию [19], учебник [76] и учебное пособие [126].

6.8.9. Подтвержденный экономический эффект ЗАО «ЦНИИМФ» по морским торговым портам Министерства транспорта от эксплуатации портовых кранов при ветровых нагрузках составляет 25 млн руб. в год, аТИПРОРЫБФЛОТ" по морским рыбным портам Федерального агентства по рыболовству — 10 млн руб. в год.

— 218-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Изучение и анализ простоев судов в морских портах, приказов, распоряжений начальников портов и нормативных документов, регламентирующих эксплуатацию портовых кранов при ветровых нагрузках, норм и стандартов по расчету кранов на ветровую нагрузку, а также научных работ и публикаций показал актуальность и научную значимость настоящих исследований, направленных на сокращение простоев флота и портов по причине сильного ветра.

2. В результате теоретических и экспериментальных исследований, натурных испытаний и опытной эксплуатации портовых кранов при ветровых нагрузках разработаны следующие методы повышения эффективности их использования, позволяющие расширить диапазон допустимых скоростей ветра для их рабочего состояния: использование портовых кранов при скорости ветра свыше 15 м/с, но в пределах паспортных значений ветровых нагрузок с ограничениями, накладываемыми на технологические схемы перегрузочных работ и парусность грузовиспользование портовых кранов при ветровых нагрузках свыше паспортных значений с ограничениями, накладываемыми на технологические схемы перегрузочных работ, геометрические параметры циклов работы кранов и парусность грузовиспользование портовых кранов с учетом ветрового режима порта (в зонах ветровых теней).

3. Установлено, что работоспособность портальных кранов в условиях ветрового воздействия определяется следующими показателями: максимальными эксплуатационными нагрузками на механизмы поворота и вылета стрелы крана, эквивалентными нагрузками на эти же механизмы, определяющими нагрев электродвигателей, углами раскачивания груза, управляемостью крана, характеризующейся временем переходных процессов механизмов и грузовой устойчивостью крана. Сформулированы условия (3.1)-(3.7), ограничивающие величину показателей работоспособности портальных кранов при ветре и позволяющие определять допустимые ветровые нагрузки для их рабочего состояния.

4. Для исследования основных показателей работоспособности кранов разработана математическая модель (3.10) режимов работы стреловых поворотных кранов с тремя независимыми совмещенными рабочими движениями (подъем, вылет и вращение) при динамическом воздействии ветра. Модель получена в виде системы пяти нелинейных, неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка для жестких конструкций с гибким подвесом груза, правая часть которых содержит случайные функции ветровой нагрузки.

5. Исследованы основные параметры ветровой нагрузки и усовершенствована методика расчета портальных кранов на ветровую нагрузку с учетом защищенности портовой территории естественными и искусственными препятствиями и сооружениями.

5.1. Основными параметрами ветрового воздействия на краны являются средняя скорость ветра, осредненная за 2-х минутный интервал времени, максимальная скорость ветра, осредненная в порывах за 5-секундный промежуток временипорывистость ветра, характеризующаяся коэффициентами и продолжительностью (периодами) порывов, а также направление ветра, как векторная величина.

5.2. В результате анализа исследований советских и японских ученых, а также статистической обработки записей скорости ветра, выполненных автором, установлено, что: динамическая составляющая ветровой нагрузки, обусловленная порывистостью ветра, определяется коэффициентами порывистости, равными отношению максимальных скоростей ветра к средней скорости ветра, и продолжительностью порывов (пульсаций) ветрахарактер изменения динамической составляющей скорости ветра в функции времени можно представить графиками тригонометрических функций — синусоидами со случайными амплитудами пульсаций, определяемыми коэффициентами порывистости и периодами их пульсацийустановлена статистическая зависимость между средними скоростями ветра, коэффициентами порывистости и продолжительностью порывов (пульсаций) ветра (2.10) — получен закон распределения максимальных пульсаций ветра, который близок к нормальному, с наиболее вероятным значением коэффициента порывистости Кп=1,25 и пределами его изменения 1,05 < Кп < 1,45, и соответствующих им круговых частот 1,26 < со< 0,16 (5< х < 40 с) — повторяемость Кп< 1,4 составляет около 99%- построены экспериментальные кривые статистического распределения продолжительности действия ветра по его направлениямустойчивость направления ветра, выраженная в часах, зависит от ветрового района и местных условий расположения морского порта и величины средней скорости ветрапри исследуемых средних скоростях ветра от 15 до 20 м/с продолжительность действия ветра по одному и тому же его направлению составляет в портах, расположенных во II—V вв.етровых районах, одну-две рабочие смены (при 8-и часовой рабочей смене), а в портах, расположенных в V—VII вв.етровых районах, три-четыре сменырасхождение результатов полученных статистических характеристик порывистости ветра с результатами исследований отечественных и японских ученых, составляет около 2,5%.

5.3. Ветровая нагрузка представлена в виде суммы двух ее составляющих: статической — соответствующей средней скорости ветра и динамической — соответствующей пульсационной составляющей, представляемой тригонометрическими функциями — синусоидами со случайными амплитудами, определяемыми коэффициентами порывистости и периодами их пульсаций.

5.4. Получены аналитические зависимости ветровой нагрузки на кран с грузом с учетом динамической ее составляющей, изменения скоростного напора ветра по высоте крана и собственных скоростей движения механизмов поворота и вылета стрелы крана в функции обобщенных координат — угла поворота и вылета стрелы крана. Составляющая ветровой нагрузки, вызванная скоростью вращения поворотной части крана, увеличивает на 30−40% нагрузку от сил ветра на механизм поворота.

5.5. В результате аэродинамических модельных испытаний портальных кранов «Кировец» и «Ганц» получены упрощенные и уточненные зависимости ветровой нагрузки на кран в функции угла поворота и вылета стрелы с учетом конструктивных особенностей элементов и частей, а также их аэродинамического взаимовлияния. Выявлен характер зависимости момента от сил ветра на поворотную часть крана от угла поворота (угла атаки), график которой для крана «Кировец» имеет синусоидальную, а для крана «Ганц» трапецеидальную формы.

5.6. Разработаны рекомендации по учету влияния рельефа местности и портовой застройки на ветровую нагрузку кранов в эксплуатационных условиях с помощью ветровых карт, определяющих распределение скоростей ветра на территории порта по принятым в метеорологии шестнадцати направлениям (румбам) ветра.

6. Разработана методика исследования работоспособности портальных кранов и обоснования допустимых ветровых нагрузок для их рабочего состояния.

6.1. С помощью математического моделирования и численных методов выполнены теоретические исследования основных показателей работоспособности в функции времени наиболее распространенных в морских портах портальных кранов «Альбрехт» и «Кировец» при следующих параметрах ветрового потока и груза: средние скорости ветра изменялись от 15 до 20 м/скоэффициенты порывистости 1,05 < Кп < 1,45, а соответствующие им круговые частоты 1,26 < со< 0,16 (5< т < 40 с) — наветренная площадь груза весом Ют изменялась от 5 до 20 м², соответственно коэффициент парусности груза 0,5< KF < 2,0. Исследования проводились для характерных циклов работы кранов по варианту склад-судно без ограничений на геометрические параметры и для циклов работы с ограничениями, накладываемыми на геометрические параметры работы крана (вылет стрелы и угол поворота крана).

6.2. Максимальные эксплуатационные нагрузки в механизмах кранов в течение цикла появляются в период переходных процессов и определяются в основном характером управления краном и настройкой пусковой аппаратуры двигателей (регулировкой тормозов). Влияние ветра на максимальные нагрузки в механизмах вылета стрелы кранов заметно проявляется при средних скоростях ветра свыше 15 м/с, а его пульсаций — в механизмах вылета и поворота кранов — свыше 18 м/с. Влияние средних скоростей ветра с учетом возможных пульсаций на механизмы вылета кранов при их работе на грузах с 0,5 < KF < 1,0 составляет для «Кировца» 1,2−1,3 и «Альбрехта» — 1,3−1,5 раза, а на грузах с 1,0 < KF < 2,0 соответственно 1,3−1,4 и 1,5−1,8. Влияние же средних скоростей ветра на максимальные нагрузки в механизмах поворота кранов при исследуемых характерных циклах их работы несущественно. Динамическое воздействие ветра по сравнению со статическим воздействием увеличивают максимальные нагрузки в механизмах вылета и поворота кранов «Кировец» и «Альбрехт» при работе на грузах с 0,5 < KF < 1,0 соответственно в 1,1−1,15 раза, а на грузах с 1,0 < Кр < 2,0 — в 1,15−1,20 раза. Изменение наветренной площади груза от 5 до 20 м увеличивает максимальные нагрузки кранов на 10−15%.

Максимальные эксплуатационные нагрузки в механизмах кранов при их работе против ветра возрастают с увеличением средней скорости ветра, коэффициента пульсаций и парусности грузов, однако, при исследуемых параметрах ветрового воздействия и циклах работы, они остаются в пределах допустимых. Таким образом, при обычных рабочих циклах по условиям максимальных эксплуатационных нагрузок работа кранов «Альбрехт» и «Кировец» допускается при средних скоростях ветра 20 м/с с порывами до 28 м/с. С учетом возможного сочетания максимальных нагрузок на механизмы кранов при их работе в наихудших условиях допустимая средняя скорость ветра составляет 18 м/с с порывами до 22 м/с.

6.3. Эквивалентные нагрузки в механизмах кранов практически пропорциональны величине средней скорости ветра (3.20, 3.21). Пульсации ветра увеличивают эквивалентные нагрузки в механизмах вылета стрелы кранов «Кировец» и «Альбрехт» при их работе на грузах с.

— 2230,5 < KF < 1,0 соответственно в среднем в 1,1−1,2 раза, а на грузах с 1,0 < KF < 2,0 — в 1,2−1,3 раза. Влияние же пульсаций на величину эквивалентных нагрузок в механизме поворота крана «Альбрехт» несущественно, а для крана «Кировец» оно составляет 20−30%. Изменение наветл ренной площади грузов от 5 до 20 м увеличивает эквивалентные нагрузки в механизмах в среднем на 20%. По условиям нагрева электродвигателей механизмов крана «Альбрехт» при ПВ=40% для вылета и ПВ=60% для поворота (паспортные значения) допустимая средняя скорость ветра с учетом возможных пульсаций рабочего состояния крана на грузах с KF < 0,5 составляет 17 м/с, а для крана «Кировец» на грузах с KF < 1,0 соответственно 18 м/с.

6.4. Установлены характер и параметры поперечных колебаний груза на канате переменной длины при раздельной и совмещенной работе крановых механизмов, ускорения, скорости и пути крана и груза, а также углы отклонения груза в пространстве в функции времени. Ускорения, скорости и пути груза по координатам сра и ра (рис. 3.10−3.15) имеют, в основном, характер гармонических колебаний с периодами 712 с. Причем колебания груза смещены относительно точки его подвеса в направлении действия ветровой нагрузки. По координате za эти колебания практически отсутствуют. Исследования влияния сил ветра на рабочие скорости механизмов показали, что ограничений на работу кранов по условиям существенного уменьшения или увеличения скоростей движения механизмов с грузом или без груза не накладывается.

6.5. Максимальные углы раскачивания груза существенно зависят от парусности грузов и мало зависят от веса груза (различие составляет до 10%). Влияние ветра при исследуемых его параметрах на максимальные углы раскачивания груза в пространстве с коэффициентом парусности менее KF < 0,5 несущественно, для грузов с 0,5 < KF < 1,0 общее влияние ветра составляет в среднем 25%, для грузов с 1,0 < KF < 1,5 соответственно 30−40% и при 1,5 < KF < 2,0 — 40−70%. Таким образом, по условиям влияния ветра на раскачивание груза, полагая, что увеличение углов раскачивания на 25% погасится за счет дополнительных управлений (при нормальной управляемости крана), можно считать допустимой работу кранов при средней скорости ветра 20 м/с с порывами до 28 м/с на грузах, имеющих коэффициент парусности KF < 1,0, а при ветре 18 м/с с порывами до 26 м/с на грузах с 1,0 < Кр < 1,5 и 15 м/с с порывами до 22 м/с на грузах с 1,5 < KF < 2,0.

6.6. При исследуемых характерных циклах работы кранов, параметрах ветрового потока и груза время переходных процессов механизмов изменяется в допустимых пределах. Установлено, что время переходных процессов зависит от направления и величины средней скорости ветра, динамических характеристик крана и практически мало зависит от порывистости ветра и парусности грузов. Для характерных циклов применительно к рассматриваемым типам кранов, допустимая скорость ветра рабочего состояния по условию управляемости составляет 20 м/с с порывами до 28 м/с. При возможном сочетании нагрузок на механизмы кранов при их работе в наихудших условиях допустимая средняя скорость ветра для кранов «Альбрехт» и «Кировец» составляет 18 м/с с порывами до 22 м/с. При этом время переходных процессов механизмов вылета составляет 4−6 с, а поворота на вылете 22−25 м составляет 10−15 с. В результате исследования переходных процессов даны рекомендации по регулировке тормозов механизмов изменения вылета стрелы и поворота кранов при их работе в условиях ветровых нагрузок.

6.7. Методом конечных элементов исследованы динамические характеристики крановых конструкций, позволившие определить динамическое воздействие ветровой нагрузки на грузовую устойчивость портальных кранов «Кировец» и «Ганц». При средних скоростях ветра от 15 до 20 м/с с порывами до 28−30 м/с коэффициенты грузовой устойчивости портального крана «Альбрехт» составляет 1,62, а портального крана «Кировец» — 2,2, что вполне с определенным запасом отвечают требованиям, установленным Правилами Госгортехнадзора.

6.8. Для характерных циклов работы кранов «Альбрехт» и «Кировец» с ограничениями на вылет стрелы и режим работы (вылет 20 м, угол поворота 130−140°) допустимые скорости ветра составляют при переработке грузов с коэффициентом парусности KF ^ 0,5 — 20 м/с с порывами до 25 м/с, для грузов с 0,5 < KF < 1,0 — 18 м/с с порывами до 22 м/с и грузов с 1,0 < KF < 2,0 — 15 м/с с порывами до 18 м/с.

Для циклов работы кранов «Альбрехт» и «Кировец» без ограничений допустимая скорость ветра при переработке грузов с 0,5 < KF < 1,0 составляет 18 м/с с порывами до 22 м/с, а для грузов с 1,0 < KF < 2,0 -15 м/с с порывами до 18 м/с.

7. Сравнительная оценка изменения нагрузок, времени переходных процессов, скоростей механизмов, колебательных процессов груза в результате натурных испытаний портального крана «Альбрехт» при скорости ветра свыше 15 м/с с расчетными позволяет сделать вывод, что математическое моделирование режимов работы кранов при ветровых нагрузках выполнено с достаточной для инженерной практики степенью достоверности.

8. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, а также проведенные натурные испытания портальных кранов «Альбрехт» и «Кировец» [154, 156] позволяют сделать вывод, что допустимые ветровые нагрузки для рабочего состояния портальных кранов, должны устанавливаться дифференцированно в зависимости от типа крана, технологических схем перегрузочных работ, массы груза и его наветренной площади (коэффициента парусности грузов).

Допустимые ветровые нагрузки для рабочего состояния портальных кранов определяются из условий (3.1)-(3.7), показатели которых могут определяться с помощью численных методов решения дифференциальных уравнений (3.10), моделирующих работу портальных кранов при воздействии ветра без проведения каких-либо дополнительных экспериментальных исследований и натурных испытаний.

9. В результате численных исследований основных показателей работоспособности наиболее распространенных в морских портах портальных кранов «Альбрехт», «Кировец», «Сокол», «Альбатрос», «Кондор», «Ганц» и «Форель» при принятых параметрах ветровой нагрузки и циклах работы были получены зависимости этих показателей в функции времени и парусности грузов, на основании которых были определены допустимые скорости ветра для их рабочего состояния в зависимости от технологических схем перегрузочных работ, геометрических параметров циклов работы кранов и парусности грузов (табл. 5.7, 5.8, рис. 5.1−5.4).

10. Для практического использования полученных результатов исследований для морских портов рекомендуется устанавливать предельно допустимые скорости ветра для рабочего состояния портовых кранов 15, 18, 20, 22 м/с соответственно при обработке грузов с коэффициентами парусности 2,0- 1,5- 1,0- 0,5. Для отдельных экстремальных случаев работы портальных кранов с ограничениями, накладываемыми на вылет стрелы и углы поворота крана, предельные скорости ветра для их рабочего состояния могут устанавливаться до 25−28 м/с при обработке грузов с коэффициентом парусности KF < 0,5 (рис. 5.5).

11. При паспортных значениях скоростей ветра 18 м/с для рабочего состояния портальных кранов типа Альбрехт, Альбатрос, Сокол и Кондор с ограничениями, накладываемыми на вылет стрелы кранов до 20−22 м, предельная величина коэффициента парусности грузов не должна превышать значения KF = 1,5, а для портальных кранов типа Кировец при паспортных значениях скорости ветра 20 м/с и портальных кранов типа Ганц и Форель — 18 м/с, коэффициент парусности не должен превышать значения KF= 1,0.

12. Использование портальных кранов при ветровых нагрузках свыше паспортных значений допускается с ограничениями, накладываемыми на технологические схемы перегрузочных работ, геометрические параметры циклов работы кранов и парусность грузов. Рассчитанную в результате исследования допустимую скорость ветра 22 м/с для рабочего состояния портальных кранов «Альбатрос», «Сокол» и «Кондор» подтвердил завод-изготовитель Кранбау Эберсвальде (Приложение 13). При указанной скорости ветра разрешается перегружать грузы портальными кранами с ограничениями на геометрические параметры циклов их работы (р=22 м, ф = 130−140°) с коэффициентом парусности.

KF < 1,0, а без ограничений на геометрические параметры циклов работы кранов — с коэффициентом парусности KF < 0,5.

13. Использование портальных кранов при ветровых нагрузках, значительно превышающих паспортные значения, допускается при более жестких ограничениях, накладываемых на технологические схемы перегрузочных работ, геометрические параметры циклов работы кранов и парусность грузов. Для портальных кранов «Ганц» и «Кировец» с такими ограничениями получены расчетные эксплуатационные зоны (рис. 5.5) при перегрузке грузов с коэффициентом парусности KF < 0,5, для которых допустимая скорость ветра для крана «Ганц» составляет 25 м/с, а крана «Кировец» — 28 м/с.

14. Разработаны «Типовая инструкция по эксплуатации портальных кранов при скорости ветра свыше 15 м/с в морских рыбных портах» и «Методика составления ветровой карты порта» (Приложение 16), позволяющие при получении штормового предупреждения планировать расстановку судов, вагонов, бригад портовых рабочих и производство погрузочно-разгрузочных работ кранами в зонах ветровых теней.

15. На основании выполненных исследований, положительных решений технических совещаний ИТР Ильичевского и Измаильского морских портов, а также письма Министерства морского флота и ЦК профсоюза рабочих морского и речного флота (Приложение 17) была проведена опытная эксплуатация портальных кранов «Альбрехт» при паспортных значениях ветровых нагрузок без участия рабочих в строповке (отстроповке) грузов в морских портах Ильичевск и Измаил в соответствии с разработанными автором «Типовой инструкцией по безопасной эксплуатации портальных кранов „Альбрехт“ при ветровых нагрузках» и «Программой опытной эксплуатации портальных кранов „Альбрехт“ при ветровых нагрузках», утвержденными руководством указанных портов (Приложение 18). Положительные результаты опытной эксплуатации были оформлены актами (Приложение 19, 20), утвержденными главными инженерами указанных портов и согласованными техническими инспекторами труда ЦК профсоюза при Черноморском и Дунайском баскомфлотах.

16. На основании положительных результатов опытной эксплуатации портальных кранов «Альбрехт» при скорости ветра свыше 15 м/с в портах Ильичевск и Измаил и письма Министерства морского флота и отдела охраны труда ЦК профсоюза рабочих морского и речного флота (Приложение 21) была проведена дополнительная опытная эксплуатация портовых кранов при повышенных ветровых нагрузках в морских портах Мурманск, Ленинград и Клайпеда.

17. Результаты опытной эксплуатации портальных кранов «Альбрехт», «Кировец», «Сокол», «Альбатрос» и «Кондор» при повышенных ветровых нагрузках в Ильичевском морском порту рассматривались на заседании секции развития, эксплуатации и экономии флота и портов технического совета Черноморского морского пароходства (Приложение 22). На основании результатов опытной эксплуатации портовых кранов в морских портах Ильичевск, Измаил, Клайпеда, Ленинград и Мурманск были разработаны и внесены дополнения в Правила безопасности труда в морских портах (РД 31.82.03−87) [137] и Правила технической эксплуатации подъемно-транспортного оборудования морских торговых портов (РД 31.1.02−04) [147], разрешающие эксплуатацию портовых кранов на грузовых операциях, не требующих непосредственного участия рабочих в строповке (отстроповке) грузов, до указанных в паспортах кранов значений скоростей ветра.

18. Опытная эксплуатация портальных кранов при ветровых нагрузках свыше паспортных значений с ограничениями, накладываемыми на технологические схемы перегрузочных работ, которая проводилась в указанных портах при порывах ветра до 22 м/с [157], подтвердила Заключение завода Кранбау Эберсвальде (Приложение 13) о возможности использования этих типов кранов при указанных ветровых нагрузках.

19. Проведенная в соответствии с письмами Мурманского округа Госгортехнадзора, Министерства рыбного хозяйства и ЦК профсоюза работников рыбного хозяйства и приказом начальника Мурманского морского рыбного порта (Приложения 23−25) опытная эксплуатация портальных кранов в Мурманском морском рыбном порту подтвердила возможность использования портальных кранов при паспортных значениях ветровых нагрузок при перегрузке грузов с участием рабочих в строповке (отстроповке) грузов. Результатом опытной эксплуатации портальных кранов с участием рабочих в строповке (отстроповке) грузов при скорости ветра от 15 до 22 м/с в указанном порту (Приложение 26) явилась разработка «Типовой инструкции по эксплуатации портальных кранов при скорости ветра свыше 15 м/с в морских рыбных портах», утвержденная приказом Министерства рыбного хозяйства и ЦК профсоюза работников рыбного хозяйства № 439 от 3 ноября 1989 г. (Приложение 27).

20. На основании выполненных исследований ветровых режимов морских портов [24, 151] и писем Министерства морского флота и ЦК профсоюза рабочих речного и морского флота (Приложения 28, 29) был проведен эксперимент по опытной эксплуатации кранов при сильном ветре в зонах ветровых теней в морских портах Мурманск, Калининград, Одесса и Находка. Проведение опытной эксплуатации производилось на основании разработанной Программы эксперимента, «Положения об опытной эксплуатации кранов морского порта при сильном ветре» и «Методики составления ветровой карты порта», которые были согласованы с техническими инспекторами профсоюза соответствующих баскомфлотов и утверждены начальниками указанных морских портов (Приложения 30). Методика составления ветровой карты порта была согласована также с Одесской гидрометеорологической обсерваторией, морскими гидрометеорологическими станциями Одесса-порт и Ильи-чевск-порт (Приложение 31). Результаты проведения эксперимента по опытной эксплуатации кранов при сильном ветре в морских портах Мурманск, Калининград, Одесса и Находка были оформлены соответствующими актами и утверждены начальниками указанных портов по согласованию с техническим инспекциями профсоюза при соответствующих баскомфлотах [24, 151].

— 23 021. В результате анемометрических съемок в морских портах Калининград, Мурманск, Находка и Одесса были составлены с участием автора настоящей работы ветровые карты этих портов, утвержденные руководством этих портов. Материалы опытной эксплуатации портовых кранов при сильном ветре в указанных морских портах обсуждались на техническом совещании при главном инженере Управления эксплуатации флота и портов Министерства морского флота (Приложение 32), по результатам которого Одесскому институту инженеров морского флота было поручено организовать доработку «Положения» и «Методики составления ветровой карты порта» (Приложение 33).

22. При проведении опытной эксплуатации портовых кранов с участием портовых рабочих в строповке (отстроповке) грузов в Мурманском морском рыбном порту «Методика составления ветровой карты порта» была согласована с гидрометеостанцией Мурманск (Приложение 34).

23. На основании результатов выполненных исследований ветровых режимов портов и составленных ветровых карт морских портов Калининград, Мурманск, Находка и Одесса, а также многочисленных обсуждений на различных уровнях результатов исследования ветровых режимов была разработана «Методика составления ветровой карты порта» вошедшая в состав «Типовой инструкции по эксплуатации портальных кранов при скорости ветра свыше 15 м/с в морских рыбных портах» (Приложение 16). «Типовая инструкция по эксплуатации портальных кранов при скорости ветра свыше 15 м/с в морских рыбных портах» включена в «Правила по охране труда в морских рыбных портах» [133], утвержденные приказом Госкомитета Российской Федерации по рыболовству и согласованные Министерством труда Российской Федерации [139] (Приложение 35). Результаты выполненных исследований вошли в проекты «Правил по охране труда в морских рыбных портах» .

152] и «Правил по охране труда для судоремонтных предприятий» .

153].

24. Разработаны дополнительные требования к техническим уеловиям на проектирование портальных кранов с учетом их эксплуатации при повышенных ветровых нагрузках. Анализ конструктивных и эксплуатационных особенностей, а также исследование аэродинамических характеристик крановых анемометров в аэродинамической трубе позволили сформулировать требования к анемометрам и дать рекомендации по их выбору, поверке и месту установки на кранах.

25. Результаты внедрения выполненных исследований в нормативных актах Министерства морского флота, позволяют использовать портовые краны при паспортных значениях ветровых нагрузок (при скорости ветра до 20 м/с) без участия рабочих в строповке (отстропов-ке) грузов.

Результаты внедрения выполненных исследований в нормативных актах Министерства рыбного хозяйства [133, 139, 152, 153] позволяют использовать портовые краны при паспортных значениях ветровых нагрузок с участием рабочих в строповке (отстроповке) грузов, а также свыше паспортных значений ветровых нагрузок (при скорости ветра до 22 м/с) при перегрузке грузов без участия рабочих в строповке (отстроповке), а также в зонах ветровых теней.

26. Результаты исследований портовых кранов при ветровых нагрузках вошли в монографию [19], учебник [76] и учебное пособие [126].

27. На основании опытной эксплуатации портовых кранов при повышенных ветровых нагрузках и выполненных расчетов определен экономический эффект от использования портовых кранов: при паспортных значения ветровых нагрузок (при скорости ветра до 20 м/с), свыше паспортных значений ветровых нагрузок (при скорости ветра до 22 м/с) и в зонах ветровых теней морских портов. Подтвержденный ЗАО «ЦНИИМФ» экономический эффект по морским торговым портам Министерства транспорта от эксплуатации портовых кранов в условиях повышенных ветровых нагрузок составляет 25 млн руб. в год (Приложение 37), а — ФГУП «ГИПРОРЫБФЛОТ» — по морским рыбным портам Федерального агентства по рыболовству 10 млн руб. в год (Приложение 38).