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 колодцево-
го и стрипперного кранов, проведенные ВНИИПТМАШ в 1958 г. 
[37], позволили установить характерные случаи возникновения 
динамических нагрузок, связанных с процессами разгона или тор-
можения, наездом на буфера, наездом на препятствие нижнего 
конца жесткого подвеса груза. 
Последний случай нагружения является наиболее опасным, 
поскольку при этом возможно возникновение аварийных ситуа-
ций, для избежания которых как у нас, так и за рубежом, были 
предложены различные конструктивные способы.  
Для различных случаев нагружения кранов приводятся соот-
ветствующие системы дифференциальных уравнений движения 
приведенных масс. Системы уравнений представляются в матрич-
ной форме. Численными методами с помощью ЭВМ определяются 
векторы динамических перемещений, нагрузок и напряжений в 
различных сечениях моста крана. Аналогично оценивается целесо-
образность использования различных конструктивных способов, 
служащих для избежания аварий при наезде нижнего конца жест-
кого 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 слу-
чайные отклонения в вертикальной плоскости, возможно возник-
новение случайных колебаний, при которых происходит дополни-
тельное нагружение моста крана. 
Краны с жестким подвесом груза обычно имеют тяжелые гру-
зовую тележку и металлическую конструкцию моста. Их выпол-
няют многоколесными, а ходовые колеса устанавливают в балан-
сирных тележках. В учебном пособии приведена методика опреде-
ления 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, поз-
воляющие оценить влияние различных динамических нагрузок на 
напряженно-деформированное состояние металлических конст-
рукций 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 на-
значения 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 раз-
личных работ, связанных с подъемом и транспортировкой грузов. 
Однако из-за раскачивания груза на гибком подвесе скорость пере-
движения таких кранов лимитируют. У кранов с жестким подвесом 
груза амплитуда этих колебаний существенно меньше, что приво-
дит 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, склади-
рование грузов на высотных стеллажах, т. е. где невозможно ис-
пользовать труд стропальщиков, а также в опасных для человека 
условиях. Краны с жестким подвесом груза применяют в мартенов-
ском, прокатном, кузнечно-прессовом, медеплавильном производ-
ствах; на атомных электростанциях и складах. К числу кранов с же-
стким 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 металлур-
гической промышленности, конструктивно более сложны, так как 
они выполняют большее количество рабочих движений. Их ти-
пичными 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 слит-
ковоз или на приемный рольганг прокатного стана (слябинга или 
блюминга).  

Введение 

 
6 

 

Рис. В.1. Колодцевый кран 
 
Кроме основных работ по транспортировке слитков колодце-
вые краны выполняют различные подъемно-транспортные опера-
ции 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 опера-
ций, 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 экс-
плуатации и определяют напряжения, используемые при расчете 
металлических конструкций на прочность и выносливость. 
Помимо этих нагрузок в кранах с жестким подвесом груза мо-
гут 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 различ-
ные конструктивные способы защиты кранов от аварий, которые 
могут произойти при наездах кранов на упоры. Так, на кранах оте-
чественного 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, за-
крепленной на нижнем конце шахты (рис. В.3, б) [64, 65] или упру-
гое 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 ис-
следования процессов, происходящих при перемещениях подрес-
соренных частей каждой конструкции. Следует подчеркнуть, что 
динамические нагрузки, которые могут возникать в этих конст-
рукциях, как и те, что появляются при отрыве колес грузовой те-
лежки от одного из рельсов, нельзя получить экспериментально. 
Исследование процессов динамического нагружения можно про-
водить только с помощью динамических моделей на ЭВМ. 

Введение 

 
9

Существенные динамические нагрузки передаются на метал-
лические конструкции рассматриваемых кранов и при наезде на 
буферные упоры. В этом случае нагружения также возможен от-
рыв колес грузовой тележки от одного рельса.  
В настоящем учебном пособии приведены методики и резуль-
таты расчетов на ЭВМ, позволяющие ответить на поставленные 
выше вопросы. 
Влиянию случайных неровностей подкрановых путей в гори-
зонтальной плоскости на боковые силы, действующие на ходовые 
колеса мостовых кранов, посвящена работа [9]. Исследования, свя-
занные 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 ав-
томобилестроении и авиационной промышленности подобные за-
дачи рассматривались. В краностроении такие исследования не 
проводили, вероятно, по двум причинам: 
1) случайные колебания, возникающие при движении транс-
портного средства, существенно зависят от скорости его передви-
жения, 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 спектраль-
ные 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.