Портальные краны

Портальный кран — это погрузочно-разгрузочное оборудование, используемое для погрузки, разгрузки и перемещения грузовых судов и транспортных средств в портах и доках. По своим конструктивным характеристикам он относится к консольным кранам. По сути, это огромная машина, которая может поворачиваться вокруг своей оси, поднимать и опускать груз, менять вылет стрелы и перемещаться вдоль причала.

Основное применение портальных кранов — перегрузочные работы в морских и речных портах, на судостроительных и судоремонтных заводах, в плавучих доках, а также при строительстве гидротехнических сооружений. Без них невозможна ни разгрузка балкера с углём, ни погрузка контейнера на судно, ни монтаж тяжёлого оборудования на верфи.

Основными механизмами портального крана являются подъемный механизм, механизм изменения вылета, механизм поворота и механизм передвижения. Подъемный механизм используется для подъема грузов. Механизм изменения вылета — для горизонтального перемещения грузов в плоскости стрелы. Механизм поворота — для горизонтального перемещения грузов в плоскости поворота. В процессе работы скоординированное действие этих трёх механизмов позволяет поднимать груз внутри полого цилиндрического пространства, образованного эффективным рабочим диапазоном. Механизм передвижения используется как нерабочий механизм для регулировки положения крана вдоль рельсового пути. 

Конструкция портального крана: основные узлы 

Металлическая конструкция портального крана включает стреловую систему, А-образную раму и систему балансировки, поворотную платформу с механизмом поворота и портал.

1 — портал, 2 — поворотная платформа с механизмом поворота, 3 — стрела, 4 — хобот, 5 — противовес, 6 — кабина машиниста, 7 — механизм подъёма, 8 — механизм изменения вылета, 9 — механизм передвижения, 10 — кабельный барабан (на данной конструкции не видно). 

1. Портальная рама (портал) — основа всего крана. Портал поддерживает все конструкции поворотной части и воспринимает нагрузку от веса поворотной части, подъемной нагрузки, ветровой нагрузки и инерционной нагрузки, создаваемой движением каждого рабочего механизма. Для обеспечения стабильной работы портального крана конструкция портала должна обладать большей жесткостью. Основные формы портала: поперечный портал (жесткая рамная конструкция), восьмистоечный портал (лёгкий, но с низкой крутильной устойчивостью) и цилиндрический портал (лёгкий, с малой ветровой нагрузкой, широко используется в портовых кранах). Ширина колеи подкранового пути — 6, 10,5 и 15,3 метра (для пропуска под порталом одного, двух или трёх железнодорожных путей).

2. Поворотная платформа с механизмом поворота — это единый узел, состоящий из основания поворотной части и приводного механизма. Поворотная платформа поддерживает вес и нагрузку рабочих механизмов, электрооборудования, машинного отделения, стреловой системы и А-образной рамы, передавая нагрузку на портал. Она обычно состоит из двух продольных главных балок и нескольких поперечных балок, образующих плоскую рамную конструкцию.

Механизм поворота используется для изменения рабочей поверхности крана в окружном направлении, чтобы перемещать грузы в горизонтальной плоскости. Механизм поворота состоит из поворотного опорного устройства и поворотного приводного устройства. Устройство поворотной опоры делится на поворотный и колонный типы. Большинство портальных кранов для современных портов используют поворотный тип. Поворотное приводное устройство представляет собой вертикальную систему передачи, состоящую из двигателя, муфты, тормоза, редуктора и шестерни. Для предотвращения перегрузки трансмиссионной системы предусмотрен гироскопический ограничитель момента и другие устройства защиты.

3. Стрела — основной рабочий орган крана, который выдвигается вперёд и удерживает груз на канатах. Стрела поднимается и опускается механизмом изменения вылета. На конце стрелы закреплены блоки для канатов подъёма груза. Стрелы бывают решётчатыми или коробчатого сечения (из листовой стали). Существует два основных типа стреловых систем: четырёхзвенная комбинированная (наиболее распространённая в портовых кранах) и одностреловая с компенсацией горизонтального перемещения.

4. Хобот — концевая часть стреловой системы, которая крепится шарнирно к основной стреле. Хобот позволяет удерживать груз на канатах и обеспечивать его горизонтальное перемещение при изменении вылета. На конце хобота расположены блоки для канатов подъёма. Хобот портового крана обычно представляет собой ферменную конструкцию, состоящую из коробчатой балки и одной или двух треугольных ферм.

5. Противовес — груз, закреплённый на задней части поворотной платформы. Он уравновешивает момент от веса стрелы и груза, снижая нагрузку на опорно-поворотное устройство и механизм изменения вылета.

6. Кабина машиниста — рабочее место оператора, расположенное на поворотной платформе. Кабина имеет панорамное остекление для хорошего обзора, оснащена системой управления, мониторами, приборами контроля. Кабина оборудована системами кондиционирования и отопления.

7. Механизм подъёма — отвечает за вертикальное перемещение груза. Состоит из электродвигателя, редуктора, тормоза, барабана для намотки каната и полиспастной системы. В грейферных кранах используются два барабана: один для замыкания грейфера (подтягивает челюсти), второй для поддержки. Скорость подъёма регулируется частотным преобразователем. Обязательные элементы — ограничители грузоподъёмности и высоты подъёма. В многоцелевых кранах для синхронизации двух лебёдок используется управление через энкодеры.

8. Механизм изменения вылета — поднимает и опускает стрелу, изменяя её угол наклона. Привод бывает канатным (для кранов малой и средней грузоподъёмности), реечным (для средних и крупных кранов) или гидравлическим. В большинстве современных портовых кранов используется реечная система привода, состоящая из электродвигателя, муфты, тормоза, редуктора и реечной передачи. Для горизонтального перемещения груза при изменении вылета применяется четырёхзвенная шарнирная система или уравнительный полиспаст.

9. Механизм передвижения — установочное движение, которое перемещает кран вдоль причала по рельсам. Состоит из ходовых колёс и привода передвижения. Привод бывает горизонтальным (классический вариант), «три-в-одном» с открытой передачей или «три-в-одном» с закрытой передачей. Скорость передвижения — 0,5–0,6 м/с (25–30 м/мин). Обязательны концевые выключатели и противоугонные захваты.

10. Кабельный барабан — устройство для подачи электроэнергии к движущемуся крану. Поскольку портальный кран является мобильным оборудованием, ему требуется мобильный источник питания. Кабельный барабан с гибким кабелем — наиболее распространённый способ питания. Существует два типа приводов кабельного барабана:

- Противовесный кабельный барабан — использует несамостоятельный привод. При разматывании кабеля он вытягивается движением крана, а противовес поднимается, накапливая потенциальную энергию. При сматывании кабель втягивается за счёт опускания противовеса. Преимущество — не требует управления и питания, но вес противовеса должен быть точно рассчитан.

- Кабельный барабан с электроприводом — приводится двигателем. Для синхронизации скорости перемещения крана со скоростью намотки кабеля используется гистерезисная муфта, двигатель с длительным крутящим моментом или частотно-регулируемый привод. На кабельном барабане также устанавливается кабельная направляющая, которая обеспечивает плавную укладку кабеля в кабельный желоб, предотвращая его застревание и повреждение.

Типы портальных кранов и их применение 

Портальные краны имеют широкий спектр применения и различные типы продукции. В зависимости от области применения и рабочих характеристик они делятся на четыре основных типа. 

Портальный кран общего назначения в основном используется в портах и доках или на грузовых площадках для погрузки и разгрузки генеральных грузов с помощью крюка или насыпных грузов с помощью грейферного ковша. Это самый распространённый тип кранов, работающий на причалах и в складских зонах. Краны общего назначения имеют высокую рабочую скорость и широкий диапазон вылета. Грузоподъёмность — от 5 до 40 тонн, вылет — до 40 метров. Стреловая система может быть как четырёхзвенной шарнирной так и с прямой стрелой и уравнительным полиспастом (как на представленной фото выше).

Многоцелевые краны

Многоцелевой портальный кран в основном используется для работы с крюком для генеральных грузов, грейферным ковшом для насыпных грузов и подъемными устройствами для контейнеров в портах и доках. Он может переключаться между различными грузозахватными органами без остановки работы. Главная особенность — специальное устройство для выравнивания груза при изменении вылета, что особенно важно для контейнеров. Многоцелевые краны широко применяются на терминалах, где обрабатываются разные типы грузов. Для работы с контейнерами используются четыре подъемных троса, соединяющихся с траверсой в четырёх углах. 

Кенгуровые краны (с бункером на портале)

Портальный кран типа «кенгуру» в основном используется для обработки насыпных грузов с помощью грейферного ковша; это специальное оборудование для погрузки и разгрузки насыпных грузов в портах и терминалах. На портале установлен бункер, куда грейфер ссыпает материал из трюма. Из бункера материал по конвейеру подаётся на склад. У таких кранов поворот исключён из рабочего цикла, что повышает производительность до 500–1000 тонн в час на угле. Механизмы подъёма и изменения вылета работают с повышенными скоростями. Бункер может быть как фиксированным, так и выдвижным — для работы на разных типах судов.

Основные технические параметры 

Технические параметры портального крана включают параметры производительности, габаритные параметры и параметры скорости. Основные из них:

Номинальная грузоподъемность — максимальная полезная грузоподъемность крана. Для кранов с крюком не включает массу крюка; для кранов с грейфером, магнитом или спредером включает массу грузозахватного органа. Ряды грузоподъемности: 3,5, 8, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 300 тонн.

Рабочий радиус — горизонтальное расстояние от оси поворота крана до вертикальной оси грузозахватного органа. Максимальный радиус: 16, 20, 25, 30, 35, 45, 50, 60, 80, 100 м. Минимальный радиус: 6, 7, 8, 9, 11, 16 м.

Высота подъёма над рельсом и глубина опускания под рельс — вертикальное расстояние от верхней поверхности рельса до верхней и нижней точек работы грузозахватного органа. Ряды высоты подъёма: 12, 13, 15, 16, 18, 19, 20, 22, 25, 28, 30, 40, 60 м. Ряды глубины опускания: 8, 10, 12, 15, 18, 20 м.

Ширина колеи и колёсная база — расстояние между осями рельсов и между осями ходовых колёс соответственно.

Радиус хвостовой части — максимальное горизонтальное расстояние от центра поворота до крайней точки поворотной части (машинное отделение или противовес).

Рабочая скорость — скорость подъёма (0,85–1,25 м/с), скорость поворота (1–2 об/мин), скорость изменения вылета и скорость передвижения (0,5–0,6 м/с).

Нагрузка на колесо — вертикальное давление колеса на рельс, изменяющееся в зависимости от радиуса, угла поворота и грузоподъёмности.

Производительность — общая масса грузов, загруженных или разгруженных за час — комплексный показатель эффективности крана. 

Как классифицируют портальные краны: A, M, E и что это значит

В отличие от бытовой техники, портальный кран — это не серийный продукт. Его проектируют под конкретную задачу: один кран работает на угольном терминале и делает 20 циклов в час, другой — на судоремонтном заводе и делает 5 циклов, но поднимает 200 тонн. Чтобы не гадать, подойдёт ли кран для конкретной работы, инженеры используют классификационные группы — это своего рода паспорт нагрузки, который говорит, для какого режима работы спроектирована машина.

В международной практике (и в российских нормах) используют три шкалы:

Классификация крана в целом (A1–A8) — показывает, насколько интенсивно будет работать кран в течение всего срока службы. Цифра зависит от двух вещей: как часто кран используют (класс использования U0–U9) и насколько тяжело он нагружен (состояние нагрузки Q1–Q4). Например, кран для портового склада, который редко поднимает предельный вес, получит класс A4. А кран на угольном терминале, работающий круглосуточно с максимальной загрузкой, — A8. Чем выше цифра, тем более выносливым должен быть кран.

Классификация механизмов (M1–M8) — касается каждого механизма по отдельности: подъёмного, поворотного, ленточного и передвижного. Она учитывает, сколько часов в сутки механизм работает (класс использования T0–T9) и какую нагрузку он несёт (состояние нагрузки L1–L4). Например, подъёмный механизм крана для генеральных грузов может иметь класс M4, а для грейферной перевалки угля — M8. Это напрямую влияет на выбор двигателя, редуктора, тормоза и срока службы.

Классификация металлоконструкций и деталей (E1–E8) — самая скрытая от глаз пользователя, но критически важная характеристика. Она определяет, сколько циклов нагружения выдерживает стрела, портал или зубчатое колесо (класс использования B0–B10) и какой уровень напряжений в них возникает (состояние напряжений S1–S4). Другими словами, это расчёт на усталостную прочность.

Для проектировщика эти три класса — как три измерения, которые вместе описывают характер крана. Они заданы в нормативных документах: ГОСТ 25835–83 для классификации механизмов и ГОСТ 25546–82 для классификации кранов в целом.

На практике это означает, что нельзя просто взять кран с угольного терминала и поставить его на судоремонтный завод — у них будут разные A, M и E. Поэтому при выборе крана инженеры всегда смотрят не только на грузоподъёмность и вылет, но и на эти буквы с цифрами. Они гарантируют, что кран не сломается через год интенсивной работы.

Безопасность и защита от ветра 

Для портальных кранов, работающих на открытом воздухе, необходимо надёжное ветрозащитное устройство, предотвращающее скольжение или опрокидывание под воздействием ветра. Ветрозащита включает защиту в рабочем состоянии (нормальная работа и внезапные порывы ветра) и в нерабочем состоянии (статическая ветрозащита).

Ветрозащита в рабочем состоянии должна автоматически срабатывать в процессе работы. Используются следующие устройства:

Инерционный тормоз — новый тип безмоторного тормозного устройства. Принцип: активная инерционная сила преодолевает тормозное усилие, освобождая тормоз. При внезапных порывах ветра обеспечивает динамическую защиту. Может быть разблокирован вручную при отключении питания.

Электромеханический колесный тормоз — зажимная конструкция, создающая сопротивление за счёт трения между фрикционными элементами и боковой поверхностью реборды колеса. Обеспечивает горизонтальную ветроустойчивость.

Электрический ветрозащитный клин — устанавливается на раму ведущего колеса. При движении клин поднимается, при остановке — опускается и вставляется под колесо, создавая тормозной эффект. Оснащён концевым выключателем и ручным разблокированием.

Ветрозащита в нерабочем состоянии должна предотвращать скольжение и опрокидывание крана при шторме:

Ветрозащитное анкерное устройство — устанавливается под мачтой или на тележке. Может быть штыревого или пластинчатого типа. Анкерная пластина или штырь опускается в специальное гнездо на причале.

Ветрозащитный трос — крепится одним концом к порталу, другим — к встроенной в причал опоре. Используется для предотвращения опрокидывания. 

Дополнительные устройства безопасности: 

Ограничители грузоподъёмности и грузового момента — не дают поднять слишком тяжёлый груз. Концевые выключатели — ограничивают ход механизмов. Анемометр — измеряет скорость ветра (при 15 м/с и выше работу крана запрещают). Буферные устройства — смягчают удар при столкновении кранов на одном пути. 

Зафиналим 

Портальные краны — это целая инженерная философия: баланс между мощностью, точностью и безопасностью. Они десятилетиями работают в самых суровых условиях — морской соли, ветре и перепадах температур — и остаются главным инструментом портовой логистики. Признаться честно я мало дел имел с портальными кранами, так как моя тебе это складская зона со стажерами и реклаймерами, а портальные краны это уже причальная стенка как правило, а там из близкого мне это судопогрузочные и судоразгрузочные машины, так что если вам есть, что рассказать и добавить про эти прекрасные машины, пишите выпустим совместную статью.