Новый подход ISO к классификации компонентов и кранов в целом на основе циклов

Совершенствование стандартов проектирования кранов - важная и не легкая задача. Множество комитетов ISO, состоящих из ведущих мировых лидеров в области кранов, работают над обновлением стандартов, чтобы на современном уровне обеспечить проектирование и безопасную работу этих машин. Одной из ключевых проблем на данный момент является стремление поставить основанную на циклах классификацию компонентов и механизмов крана в центр процесса проектирования, как это уже имеет место для металлоконструкций кранов.

Часы работы или рабочие циклы?

История вопроса

Новшеством является то, что стандарты, охватывающие компоненты и механизмы, перейдут на классификацию на основе циклов. Эта методология в настоящее время заложена в новой версии стандарта ISO 4301-1:2016 (Ред. 3) «Используя один и тот же принцип классификации для компонентов, механизмов и для крана в целом, комбинируя коэффициентами спектра нагрузки и общим количеством рабочих циклов крана, мы сможем лучше согласовывать взаимосвязь между механизмами и металлоконструкцией крана, что в итоге увеличит степень точности проектирования конструкций подъемных кранов и их применения» - считает Эберхард Беккер, член различных комитетов по стандартизации. Проще говоря, для более точного прогнозирования срока службы крана предлагается использовать метод расчета предельного состояния для всех компонентов крана, включая сюда и металлоконструкцию, что позволит в итоге сделать эксплуатацию крана более безопасной.

«Общепризнано, что основанная на циклах классификация подъемных механизмов, их компонентов и дета- лей является технически более точной и приведет к более точному проектированию, адаптированному к предполагаемому использованию, чем исторический подход, основанный на времени», - продолжает Беккер. Что касается новых стандартов, конечная цель состоит в том, чтобы обновленные документы предоставили возможность с большей степенью точности классифицировать краны по группам с использованием обозначения «А-класса» на основе циклов нагрузки (общего количества рабочих циклов) и спектра нагрузки, тогда как в редакции стандарта ISO 4301-1:1986 была установлена общая классификация компонентов крана, известная как «М-классы», с использованием расчета срока службы, основанного на рабочих часах. Профессор Герхард Вагнер, председатель подкомитета SC10 «Принципы проектирования и требования» комитета ISO / ТС 96 отмечает, что М-классы рассчитываются таким образом, чтобы сосредоточиться на времени работы, а не на фактических циклах нагрузки крана. Время работы, используемое в определении класса М не является показателем усталости. На пленарном заседании комитета ТС 96 в Сиднее в сентябре 2015 года Герхард Вагнер представил документ «Классификация кранов и компонентов: почему нет необходимости в М-классах».

В своем документе он объясняет, почему классификация важна для покупателей кранов: «Краны перемещают грузы, масса которых находится в пределах их номинальной грузоподъемности. Однако существуют большие различия в их использовании. Конструкция крана должна учитывать нагрузку с точки зрения условий эксплуатации, чтобы достичь соответствующего уровня безопасности и срока полезного использования, который соответствует требованиям покупателя. Классификация служит эталонной структурой между покупателем и изготовителем, с помощью которой конкретное устройство может быть согласовано с предполагаемым использованием. Она также используется для указания условий эксплуатации кранов или компонентов, которые предназначены для серийного производства, и позволяет выбрать эти компоненты в соответствии с их предполагаемым использованием.»

Герхард Вагнер пытался убедить также членов подкомитета SC3 по канатам присоединиться к позиции подкомитета SC10 и тоже отказаться от М-классов. Поскольку классификация жизненно важна для выбора крана и планирования его эксплуатации, сохранение метода классификации «М-классы», только для одного критически важного для безопасности компонента-стального каната может, по мнению Вагнера, привести к путанице среди пользователей. Однако такое решение не было принято и в результате, стандарт ISO 16625 «Краны и подъемники. Выбор канатов, барабанов и шкивов» по-прежнему использует М-классы.

Новый подход

И так, в стандарте ISO 4301-1:1986 группа классификации крана в целом определяется максимальным количеством рабочих циклов в зависимости от режима нагружения. В то же время классификация механизмов устанавливается общей продолжительностью в часах использования в зависимости от режима нагружения. Такой подход сложился исторически не только в классификации кранов. Например, долговечность подшипников качения определяется в часах, ресурс двигателей автомобиля - в км пути, моточасах, гидромашин - в моточасах и т. д. Понятно, что конструктора кранов рассчитывали металлоконструкции, зубчатые передачи, валы и оси по числу рабочих циклов, основываясь на предписанных часах работы и усредненных величинах перемещения и поворота, в зависимости от своего опыта и традиций организации.

Новая редакция стандарта ISO 4301-1:2016 вводит классификацию режима нагрузки крана в целом и механизмов в зависимости от числа рабочих циклов. Профессор Маркус Голдер аргументировано обосновал необходимость ввести в стандарт классификацию режимов работы механизмов крана на основе циклов нагружения, а не часов работы. Однако Эберхард Беккер и Маркус Голдер справедливо отмечают, что для покупателя или эксплуатационника все же понятней и привычней время работы крана, а не циклы нагружения. Забегая вперед, отметим, что ИСО 4301-1:2016 в приложении В дает «перевод» часов работы по ISO 4301-1:1986 в циклы нагружения механизма по ISO 4301-1:2016.

Краткий обзор стандарта ISO 4301-1:2016

Третье издание ISO 4301-1 представляет пересмотр ISO 4301-1:1986, который временно сохраняется, потому что в нем указан другой подход к классификации кранов. Перевод старой группы классификации механизмов в целом приведен в приложении В нового стандарта. Термины, используемые в стандарте, соответствуют ISO 4306 (словарь). Классификация является справочным материалом для согласования отношений между покупателем крана и его производителем, а также основанием для проектирования крана с заданным сроком службы. Как и в старом стандарте, классификация крана в целом позволяет покупателю и изготовителю прийти к соглашению о режиме работы выбранного крана. Такое использование классификации крана является договорным и справочным материалом.

Покупатель выбирает кран с нужными характеристиками, а конструктора доказывают, что выбранный покупателем кран может работать в течение оговоренного срока службы при определенных условиях эксплуатации, установленных для данного вида использования.

Классификация кранов в целом по ISO 4301-1:2016

• Таблица 2 включает в себя диапазон возможных чисел рабочих циклов С разделен на 10 классов использования U: от U₀ (C≤ 1,6•10⁴) до U₉, (4•10⁶ <C ≤ 8•10⁶).
• Таблица 3 дает номинальные коэффициенты К_р распределения нагрузок на кран для 6 режимов нагружения Q_р: от Q_р 0 (К_р ≤ 0,0313) до Q_р 5 (0,50 < К_р ≤ 1,00).
• Таблица 4 предоставляет комбинации 15 классов использования А (от А03 до А11) кранов в целом в зависимости от 6 режимов нагружения Q_р (от Q_р 0 до Q_р 5) и 10 классов использования U (от U₀ до U₉).
• Таблица 5 приводит соответствие каждого из 15 классов использования А (от А03 до А11) числу рабочих циклов С_р (от 5•10² до 8•10⁶) при К_р =1.

Классификация механизмов

Диапазон возможных рабочих циклов С, режимы нагружения Q и класс использования для механизмов крана соответствуют аналогичным сведениям, приведенных в таблицах 2, 3 и 4.

Для расчетов характеристик сопротивления усталости при многоцикловом нагружении механизмов в таблицах 6 и 7 приведены средние величины перемещений.

• Таблица 6 содержит десять классов Dh перемещения для мостового крана: высота подъема (от D_h0 (¯Xlin ≤ 0,63 м) до D_h 9 (160 < ¯Xlin≤ 320 m); перемещение тележки от D_t0 до D_t 9 и перемещение крана от D_C0 до D_C9 в том же диапазоне, как для механизма подъема.
• Таблица 7 дает шесть классов D_a поворота крана ¯X ang от D_a 0 ( ¯X ang 11,75°) до D_a 5 (180° < ¯X ang  ≤ 360˚).
• Таблица 8 содержит четыре класса Р числа ускорений в одном цикле нагружений от P₀ (р=2), работа крана с грейфером или магнитом до Р₃ (р>8), работа монтажного крана. В расчетах этот показатель влияет на расчетную величину динамического коэффициента ϕ₂ (табл. В.2, ISO 8686-1:2012) или при расчете выносливости при моделировании эксплуатационного нагружения конструкции (характерный технологический цикл).

В заключении стандарта дана ссылка на ISO 20332:2016. 6.3. определения коэффициента приведения предела выносливости к расчетному числу циклов нагружения металлических конструкций кранов. Отметим, что расчет на сопротивление усталости выполняется по методу допускаемых напряжении, а для режимов нагружения Q_Р0, Q_Р1, Q_Р2 и Q_Р3 металлических конструкций не производится.

Какой же наш доход от использования нового стандарта классификации режима работы крана? Речь идет не о формальном введении стандарта с определенной даты или использовании новых условных обозначений режимов работы. Использование ISO 4301-1:2016 послужит стимулом в практической работе при обосновании риска эксплуатации кранов с оконченным сроком службы, переводом эксплуатационной документации (вахтенный журнал крановщика, журнал осмотров крана и т.п.) в электронную версию взамен бумажной. ISO 4301-1 2016 связан прежде всего со стандартами: ISO 12100:2010. Безопасность машин. Основные принципы конструирования. Оценка риска и снижение риска; ИСО 20230-1:2016. Краны. Методы и процедуры оценки и снижения рисков. Общие требования.

Непосредственное отношение к проблемам обоснования продления службы крана имеет приложение F ISO 20332:2008, в котором даны формулы расчета коэффициента приведения пределов выносливости и оценка необходимости выполнения расчета на сопротивление усталости металлоконструкций.

Вызов принят

Новая редакция стандарта ISO 4301-1:2016 послужила своеобразным катализатором для пересмотра целого ряда стандартов с целью обеспечения соответствия их измененному подходу к классификации режима нагрузки крана целом и механизмов в зависимости от числа рабочих циклов. В некоторых случаях еще приводятся аргументы в пользу сохранения существующего подхода с временным циклом, однако общий переход к классификации на основе циклов был согласован на международном уровне. В некоторых стандартах ISO, касающихся принципов проектирования для нагрузок и сочетаний нагрузок, таких как ISO/DIS 8686-5:2016-09 для мостовых и козловых кранов, уже принят подход, основанный на циклах, со ссылкой на ISO 4301-1:2016. Что касается европейских стандартов, то, наиболее известным стандартом является EN 13001, который обеспечивает принципы классификации на основе циклов. Другие стандарты ISO и EN ожидают пересмотра с целью включения классификации на основе циклов.

В целом в Европе переход от временной классификации к классификации на основе циклов уже происходит, и, все же, остается много деталей для обсуждения до появления новых стандартов. Лучшее, на что можно надеяться, это некоторые модификации по мере обновления стандартов, чтобы обеспечить их совместимость с более ранним методом оценки.