Выбор оптимальных для России грузоподъемных крюков
По даным В.Г. Жукова, канд. техн. наук, эксперта высшей квалификации по подъемным сооружениям с 90-х годов XX в. в Россию стали поступать грузоподъемные машины, в которых используются грузоподъемные крюки, изготовленные по стандартам Германии — DIN (Немецкий институт по стандартизации). Накоплен большой опыт их эксплуатации на металлургических заводах, для обслуживания технологических процессов при хранении жидких технологических отходов АЭС и т.д.
В Россию ввезены грузоподъемные краны таких фирм, как Liebherr, Mannesmann Demag , ABUS , Smiedl GmbH (Германия). Наращивается объем поставок башенных кранов, особенно высотных приставных, французского, итальянского и китайского производства. Такой поток импортных грузоподъемных машин обусловливает более детальное изучение вопроса их соответствия нормативным документам, действующим в России, причем не только на конструкции кранов в целом, их приводы, тормоза, применяемые материалы, приборы, устройства безопасности, но и специальные крановые детали, в частности крановые крюки (рис.1).
Рис.1. Грузовые крюки импортного производства А-320
Сравнительный анализ нормативных документов и стандартов на крюки, действующих в России и в Европе
Сравнительный анализ нормативных документов и стандартов на крюки, действующих в России и Европе, показывает следующее.
1. Диапазон грузоподъемности крюков, предусмотренный DIN и ГОСТами, значительно отличается. Для однорогих крюков, согласно DIN, он находится в пределах от 0,1 до 500 т. Размеры и основные параметры кованых и штампованных крюков в России должны приниматься в зависимости от типа крюка и рода привода крана (ГОСТ 6627-74 и ГОСТ 6628-73), грузоподъемность от 0,4 до 100 т. (Допускается применение других крюков по согласованию с Ростехнадзором.) Для двурогих крюков грузоподъемность составляет от 0,1 до 500 т (DIN) и от 8 до 100 т (ГОСТ).
Номенклатура крюков отличается меньше: 30 номеров однорогих, 24 двурогих крюков (DIN) и 26 номеров однорогих и 14 двурогих крюков (ГОСТ).
Большой диапазон грузоподъемности крюков в стандартах DIN обусловлен, прежде всего, тем, что там предусмотрено пять классов прочности — M, P, S, T и V, в то время как в ГОСТах — один. Это позволяет изменять грузоподъемность крюка в зависимости от условий работы. Например, крюк № 20 (DIN) имеет 10 фиксированных значений грузоподъемности, которые изменяются от 12,5 до 100 т, т.е. в 8 раз. Такой диапазон сохраняется почти для всех номеров. В отечественном стандарте он очень незначителен: 12,5–20 т для крюка № 19 (отличие в 1,6 раза — минимальное, с учетом крюков для ручного привода), 80–100 т для крюка № 26 (отличие в 1,25 раза — типовое, только два фиксированных значения). Это значит, что там, где при различных условиях работы и грузоподъемностях можно обойтись, например, крюком № 20 (DIN), нужно применять 4–5 крюков разных типоразмеров отечественного производства.
2. Масса и размеры крюков, предназначенных для работ в одинаковых условиях и при одной и той же грузоподъемности, значительно отличаются в DIN и ГОСТах.
— для класса V и группы классификации механизма подъема М3(ISO 4301/1) (в DIN 15400 используются группы классификации механизмов FEM, что соответствует 1Вт.) при грузоподъемности 100 т крюк № 20 (DIN) примерно в 5 раз легче крюка № 26 (ГОСТ), габариты крюковой части меньше примерно в 2 раза, толщина — в 1,4 раза;
— для класса S группы классификации механизма подъема М4 при грузоподъемности 50 т крюк № 20 (DIN) примерно в 2,5 раза легче крюка № 23 (ГОСТ), габариты крюковой части меньше примерно в 1,5 раза, толщина почти одинаковая;
— для класса M и группы классификации механизма подъема М6 при грузоподъемности 20 т крюк № 20 (DIN) примерно на 20 % тяжелее крюка № 19 (ГОСТ). Габариты крюковой части больше примерно на 20 %, толщина — на 36 %. Такие же результаты получаются при сравнении крюков для класса M и группы классификации М7 при грузоподъемности 16 т;
— для класса M и группы классификации механизма подъема М8 при грузоподъемности 80 т (максимальная для крюков этой группы классификации согласно ГОСТам) крюк № 125 (DIN) тяжелее крюка № 26 (ГОСТ) в 2,7 раза, габариты крюковой части больше примерно в 1,2 раза, толщина — в 1,8 раза.
Для группы классификации М7 крюк № 100 (DIN) тяжелее крюка № 26 (ГОСТ) в 1,9 раза.
Для класса M и группы классификации механизма подъема М8 при грузоподъемности 0,25 т (минимальная для крюков этой группы классификации согласно ГОСТам) крюк № 04 (DIN) тяжелее крюка № 1 (ГОСТ) в 5,8 раза.
Таким образом, при легких условиях работы крюки, предусмотренные стандартом DIN, намного легче и меньше крюков, изготовленных по ГОСТам, при средних — легче примерно в 2 раза. При тяжелых условиях работы картина обратная — отечественные крюки легче крюков европейских, особенно при минимальной и максимальной грузоподъемности.
Цель данного сравнения — не определение экстремальных различий, а качественная оценка расхождений массы и размеров крюков.
3. Для изготовления крюков, согласно DIN, применяют стали, легированные хромом, никелем, молибденом, марок: 34CrNiMo6 (российский аналог — сталь марок 38Х2Н2МА и 34ХН1М), 34CrMo4 (аналог — 35ХМ), E355 (сталь марки 16ГФ), 30CrNiMo8, E590 и E285 (не имеют аналогов по ГОСТам), а согласно ГОСТам — только Ст 20 или ее заменители, например сталь марки 20Г (требование ГОСТ 2105-75).
Сталь марки E355 применяется для крюков интенсивно нагруженных кранов металлургического и прокатного производства, 30CrNiMo8 — только для тяжелых крюков № 50-250 класса прочности V. Следует отметить, что более прочные стали используются для крюков менее нагруженных механизмов, т.е. механизмов с меньшей группой классификации. Это позволяет сделать их намного легче, что особенно актуально для стреловых кранов.
Снижение массы крюков достигается и за счет применения оптимальной формы поковок. В крюках отечественного производства площадь вертикальных и горизонтальных расчетных поперечных сечений зева крюка одинакова, в крюках, выполненных по стандартам DIN, площадь горизонтального поперечного сечения, где действует максимальный изгибающий момент, существенно больше площади вертикального сечения, а площадь сечения зева плавно увеличивается от вертикального к горизонтальному. В крюках формы RSN (одна из трех форм крюков согласно DIN 15401 «Часть 1. Грузовые крюки для подъемных устройств. Однорогие крюки. Заготовки») допускается также уменьшение (сужение) площади сечения в зоне нейтральной оси.
Рациональному конструированию крюков способствуют различные напряжения в опасных сечениях, нормированные DIN 15400/06:1990 «Грузовые крюки для подъемных устройств. Механические средства, материалы, грузоподъемности и действительные напряжения», которые зависят от класса прочности, группы классификации, номера крюка. Причем размеры и материал крюков подобраны так, что соотношение между действительными напряжениями (максимальными теоретическими при наибольшей нагрузке) и пределом текучести σ т сохраняется примерно одно и тоже для одинаковых групп классификации и почти не зависит от класса прочности крюков.
Для группы классификации М3 максимальное напряжение от изгиба в кованых крюках (№ 6-250) примерно равно σт/1,2; для М6 — σт/2,5; для М7 — σт /3; для М8 — σт/3,8. В штампованных крюках (№ 006-6) они линейно снижаются и составляют для крюка № 006 σ т /3,5 (М6), σт/9 (М7), 10 (М8). Действительные напряжения растяжения в минимальном сечении резьбовой части крюков № 6-250, в которых применяется круглая резьба, для тех же групп классификации соответственно равны σт/2,7; σт/5,3; σт/6,7; σт/8,3, т.е. примерно вдвое меньше напряжений изгиба. Для крюков меньших размеров, в которых применяется метрическая резьба, они также линейно снижаются и составляют 6–50 Н/мм 2 (σт/4 до σт/13). Для сравнения приведем допускаемые напряжения, рекомендуемые Справочником по кранам: при изгибе — σт/1,05 (группа классификации М3); σт/1,3 (М4–М6); σт/1,64 (М7, М8); при растяжении — σт/1,5 (М3–М8). Как видно, в России используется совершенно иная концепция конструирования грузоподъемных кранов.
Применение исключительно Ст 20 для отечественных крюков связано с излишней консервативностью отечественной подъемно-транспортной техники, начиная с 70-х годов XX в. Здесь есть ряд проблем.
1. Согласно ГОСТ 2105-75 крюки после ковки и штамповки должны быть нормализованы. Предел текучести после нормализации — 220–250 Н/мм2. Предел текучести немецких легированных сталей, использующихся при изготовлении крюков, — 235–620 Н/мм2, т.е. существенно выше. Но есть неувязка по нормам ударной вязкости. Попытка широкого внедрения в бывш. СССР контроля ударной вязкости на образцах с V-образным концентратором KCV оказалась неуспешной из-за сложности серийного освоения выпуска инструмента для выполнения испытаний на образцах V-образного надреза.
ГОСТ 2105—75 регламентирует ударную вязкость значением приблизительно равным 50 Дж/см2 , определенным, вероятно, на образцах с U-образным концентратором KCU (образец типа 1 согласно ГОСТ 9454-78) при положительной температуре (20 °C), и значением приблизительно равным 30 Дж/см2, измеренным при температуре –40 °C. DIN 15400 регламентирует ударную вязкость для образцов с V-образным концентратором (ISO-V) только для температуры –20 °C. Для сталей, использующихся в крюках классов прочности M, P, S, T, она равна 39 Дж, что соответствует KCV ≈ 49 Дж/см2; классов прочности S, T, V — 27 Дж (34 Дж/см2). Как справочные приведены значения ударной вязкости при температуре 20 °C: соответственно 55 Дж (69 Дж/см2) и 35–30 Дж (44–37,8 Дж/см2).
2. Значения KCV (ISO-V) и KCU несопоставимы (нет переводных таблиц).
Перевод осуществляется по формуле:
KCU (Дж/см2 ) = (9,81/7,847) ISO-V (Дж).
Зависимости, используемые в DIN 15400/06:1990, не вполне корректны, так как учитывают только различие формы рабочих поперечных сечений и не учитывают форму концентратора испытываемого образца. Образцы DVM с U-образным надрезом аналогичны образцам типа 1, но глубина надреза в них на 1 мм больше.
Можно также констатировать, что испытания на образцах с V-образным надрезом более жесткие, чем с U-образным, поэтому численному значению KCV соответствует большее (часто значительно большее) значение KCU.
3. Согласно ГОСТам на Ст 20, а также Марочнику сталей и сплавов предел текучести поковок после нормализации находится в диапазоне 175–215 Н/мм2, а KCU составляет 49–64 Дж/см2. Ударная вязкость Ст 20 после нормализации составляет: 157 Дж/см 2 при температуре 20 °C; 86 Дж/см 2 при –40 °C; 15–38 Дж/см2 при –60 °C. В этой связи неясен источник данных ГОСТ 2105-75, который лимитирует ударную вязкость при температуре –40 °C до 38 Дж/см2. Дело в том, что крюки российского производства использовались в кранах исполнения ХЛ, работающих при температурах до –65 °C, и нареканий не было, хотя ударная вязкость могла быть ниже 15–38 Дж/см2.
По-видимому, это можно объяснить сравнительно низкими по отношению к пределу текучести фактическими напряжениями, отсутствием существенных ударных нагрузок и значительных концентраторов напряжений.
В этой связи целесообразно отметить, что в крюках, выполненных по стандарту DIN, начиная с № 6 (грузоподъемность 6–32 т) вместо метрической применяется круглая резьба, которая гораздо меньше склонна к образованию микроконцентраторов напряжений. Можно предположить, что для исполнения ХЛ применялись крюки из стали марки 20Г, ударная вязкость которой при низких температурах значительно больше, чем у Ст 20, но в ГОСТ 2105-75 это не оговаривается.
4. Температура –20 °C для определения ударной вязкости вполне устраивает Германию и другие европейские страны, поскольку для данного региона она критическая.
Для России нужен другой подход. DIN 15404/11:1988 «Часть 1. Грузовые крюки для подъемных устройств. Технические условия поставки кованых крюков» предусматривает возможность поставки крюков для эксплуатации и при температуре ниже –20 °C с соответствующим проведением испытаний на ударную вязкость при предполагаемой температуре эксплуатации. Эти данные должны быть оговорены при заказе и указаны в сертификате на крюк.
5. ГОСТ 13556-91 требует обеспечения работы кранов в климатическом исполнении У1 при температуре от +40 до –40 °C. Но в России есть регионы, где необходима грузоподъемная техника в исполнении ХЛ и ОХЛ. Определить эти районы можно ознакомившись с ГОСТ 16350-80, хотя данный стандарт требует серьезной корректировки с точки зрения определения границ климатических зон. В целях безопасности грузоподъемные краны снабжают соответствующими датчиками, которые блокируют их работу, если температура окружающей среды выходит за допустимый предел.
В связи с вышеизложенным можно сделать следующие выводы:
1. Кованые и штампованные крюки, выполненные по стандартам DIN, можно и целесообразно применять в России, однако необходимо, чтобы к паспорту на кран прилагались сертификаты соответствия на крюки с характеристиками применяемой стали, в том числе с данными по ударной вязкости.
2. Для кранов, которые должны работать при температуре ниже –20 °C, в агрессивных средах, целесообразно заказывать специальные крюки с контролем ударной вязкости при требуемой температуре, среде эксплуатации и указанием результатов контроля в сертификате на крюк.
3. Необходима рациональная гармонизация российских стандартов по крюкам с европейскими и введение временных переходных таблиц с импортных сталей на стали, изготовляемые в России.
4. Ввиду значительных изменений (климатических, территориальных), происшедших за последние годы, требует серьезного пересмотра ГОСТ 16350-80 применительно для Российской Федерации.