Nozioni di base sulle gru: come valutare la stabilità attraverso la meccanica del braccio e il momento di ribaltamento.

Quando si pensa alle prestazioni di una gru, la prima cosa che viene in mente è "quante tonnellate può sollevare". Ma anche sulla stessa macchina, più il braccio viene esteso per sollevare qualcosa a distanza, o più viene abbassato, minore sarà il carico che può sollevare. Il carico nominale di una gru non è determinato solo dalla potenza del motore o dalla resistenza del cavo, ma è definito dal vincolo geometrico dell'"intervallo entro il quale la macchina non si ribalta". La progettazione e il monitoraggio di questo intervallo di sicurezza sono al centro dell'ingegneria delle gru.

Una gru a torre in servizio

Immagine: Potain K5 50C (Alexandre Prevot, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Non si tratta di uno specifico modello Kobelco, Tadano o Liebherr discusso nel testo, bensì di una gru a torre rappresentativa per la lettura della configurazione del braccio e del contrappeso.

Diagram 1 · Use the button to switch views

Figura 1 — Il raggio di lavoro R va dal centro di rotazione al carico, mentre il braccio del momento di ribaltamento va dalla linea di ribaltamento lato carico al carico stesso. Leggere il carico nominale dal grafico per la configurazione corrente di braccio, stabilizzatori e contrappeso come il valore inferiore tra i limiti strutturali e di stabilità.

Riepilogo di 30 secondi

• Le gru si dividono in tre categorie principali: gru mobili che possono muoversi autonomamente come veicoli stradali (gru fuoristrada, Gru fuoristrada, gru su camion, ecc.), gru cingolate semoventi su cingoli e gru a torre fisse a terra. Anche per legge, "gru mobile" e "gru" (la categoria di installazione fissa che include le gru a torre) sono regolamentate come categorie separate.

Il prodotto del carico sospeso W e del raggio di lavoro R crea il momento di ribaltamento M_{tip}=WR. Un carico può essere sollevato solo entro l'intervallo in cui il momento stabilizzante M_{stab}, creato dal peso del veicolo e dal contrappeso, supera questo valore. La normativa giapponese richiede che il carico limite di stabilità sia almeno 1,27 volte il carico nominale.

Una tabella di carico nominale (tabella di carico) è una tabella che elenca, per ogni combinazione di lunghezza del braccio, angolo e raggio di lavoro, il minore tra il valore determinato dal momento di ribaltamento e il valore determinato dalla resistenza strutturale del braccio stesso o dalla resistenza alla trazione. Meccanismo di sollevamento.

Il dispositivo di prevenzione del sovraccarico (limitatore di momento) è un dispositivo di sicurezza che calcola il momento di ribaltamento in tempo reale a partire da un sensore di carico e dall'angolo e dalla lunghezza del braccio, attivando un allarme o arrestando automaticamente la macchina in una zona di pericolo; la sua installazione è obbligatoria per legge.

Le gru cingolate Kobelco, le gru fuoristrada Tadano e le gru mobili e a torre Liebherr consentono di verificare questi meccanismi con dati concreti nelle loro specifiche tecniche.

1. Suddivisione delle gru in tre tipologie

Il meccanismo di una gru e il luogo di lavoro applicabile variano notevolmente a seconda del tipo di terreno su cui poggia.

1. Gru mobili: Viaggiano su strade pubbliche su pneumatici e operano in cantiere. Queste includono le gru fuoristrada, robuste su terreni accidentati e non asfaltati; le gru fuoristrada, che possono muoversi autonomamente anche su autostrade; e le autogru, montate su un telaio di camion. Durante il lavoro, gli stabilizzatori vengono estesi per ampliare il raggio d'azione. 1. Gru cingolate: si muovono su cingoli. La pressione sul terreno è bassa, il che le rende adatte a terreni morbidi e al posizionamento di elementi pesanti come fondamenta per impianti e turbine eoliche, ma poiché non possono circolare su strade pubbliche, il trasporto richiede lo smontaggio e il trasporto su rimorchio. Molti modelli utilizzano un braccio a traliccio (struttura reticolare) e le macchine più grandi raggiungono una portata nominale totale nell'ordine delle centinaia di tonnellate fino a migliaia di tonnellate.

2. Gru a torre: montano un braccio su una struttura a torre fissata al terreno o al telaio dell'edificio, che si estende verso l'alto man mano che l'edificio si innalza. Poiché non sono semoventi, non sono classificate come "gru mobili" ai sensi di legge; piuttosto che sulla sola capacità di sollevamento, la progettazione si concentra sulla capacità di sollevamento a ogni raggio di lavoro, sulla precisione orizzontale del braccio e sulla procedura di smontaggio e riposizionamento (arrampicata).

Queste tre categorie non si escludono a vicenda. Le gru a ruote, ad esempio, si collocano in una posizione intermedia tra Per quanto riguarda le gru mobili e cingolate, è più pratico concentrarsi su "cosa usa come perno e come resiste al momento ribaltante" piuttosto che sulla categoria a cui appartiene.

2. Come leggere il braccio e la tabella del carico nominale

Il carico nominale di una gru è definito per ogni combinazione di lunghezza del braccio l_b, angolo del braccio \theta (l'angolo di inclinazione rispetto all'orizzontale) e raggio di lavoro R (la distanza orizzontale dal centro di rotazione al carico sospeso). Una volta noti l'angolo e la lunghezza del braccio, il raggio di lavoro e l'altezza della punta del braccio possono essere approssimati come:

(dove r_0,h_0 rappresenta lo scostamento dal centro di rotazione alla base del braccio). A parità di lunghezza del braccio, maggiore è l'inclinazione verso il basso, maggiore diventa R; la distanza orizzontale r_{tip} dalla linea di ribaltamento lato carico al carico aumenta anch'esso, quindi il carico nominale diminuisce.

Osservando un grafico del carico nominale, nella regione di piccolo raggio di lavoro, il carico è pressoché costante (limitato dalla resistenza strutturale o dalla resistenza della fune metallica), mentre all'aumentare del raggio, si sposta in una regione in cui il carico diminuisce approssimativamente come 1/R . Il primo è chiamato "limite di resistenza" e il secondo "limite di momento (limite di stabilità)". Il motivo per cui il carico nominale cambia ogni volta che l'operatore modifica il raggio di lavoro è che viene sempre applicato il limite inferiore tra i due. Le modifiche alla configurazione — aggiunta di un'estensione del braccio, sollevamento di un braccio ausiliario, riduzione della distanza tra gli stabilizzatori — influenzano entrambi i limiti, motivo per cui il grafico del carico nominale viene preparato come una tabella separata per ogni combinazione di configurazione del braccio, distanza tra gli stabilizzatori e angolo del braccio.

3. Momento di ribaltamento e momento stabilizzante

Una gru si ribalta quando, circa Se l'asse formato dalla linea che collega i punti di contatto al suolo degli stabilizzatori (la linea di ribaltamento), il momento lato carico supera il momento lato veicolo. Il raggio di lavoro R è misurato dal centro di rotazione, ma il braccio di leva per il ribaltamento, r_{tip}, è la distanza orizzontale dalla linea di ribaltamento lato carico al carico stesso. In statica semplificata, il carico sospeso W produce quindi

Contro questo, il momento stabilizzante creato dal peso proprio del veicolo W_{body} e dal contrappeso W_{cw}, utilizzando le loro distanze d_{body}, d_{cw} dal fulcro di ribaltamento, è

La condizione minima per non ribaltarsi è M_{stab} \ge M_{tip}, ma l'utilizzo effettivo prevede un margine di sicurezza. Secondo il test di stabilità basato sugli standard strutturali giapponesi per le gru mobili, la macchina non deve ribaltarsi nemmeno sollevando un carico equivalente a 1,27 volte il carico nominale nelle condizioni più sfavorevoli, in conformità con una regola che fissa il rapporto minimo tra carico limite di stabilità e carico nominale a 1,27. Questo fattore di sicurezza tiene conto di fattori dinamici come l'allungamento della fune, il vento, l'irregolarità del terreno e l'oscillazione del carico.

La gru fuoristrada GR-1000EX-4 di Tadano adotta un meccanismo "Smart Counterweight" in grado di riposizionare il contrappeso, e l'azienda afferma che ciò migliora le prestazioni di stabilità fino al 22% circa rispetto al modello precedente. In termini di equazione, si tratta di un progetto che guadagna M_{stab} prendendo una d_{cw} maggiore (la distanza del contrappeso dal fulcro di ribaltamento), il che significa che la tabella del carico nominale può essere innalzata anche con la stessa massa del contrappeso.

4. Forza di reazione degli stabilizzatori e pressione al suolo

Le quattro reazioni individuali degli stabilizzatori non possono essere determinate univocamente solo in base all'equilibrio: la rigidità del telaio, dei martinetti e del terreno, nonché le condizioni di contatto, sono importanti. Consideriamo solo un modello idealizzato a due linee di supporto in una direzione. Per una distanza L tra le linee di supporto e un carico verticale combinato W posizionato a x dal supporto sinistro, l'equilibrio delle forze statiche e dei momenti fornisce:

Le ipotesi sono 0≤x≤L, carico verticale, corpo rigido ed entrambe le linee di supporto a contatto. Queste sono le reazioni totali sulle linee di supporto, non i singoli carichi dei martinetti. Spostando il carico verso il lato di ribaltamento, il supporto opposto viene scaricato fino a raggiungere lo zero. Il margine di momento stabilizzante non corrisponde alla reazione massima del martinetto sotto carico. La configurazione reale utilizza i dati di reazione e le tabelle di carico del produttore, insieme alle condizioni del tappeto e del terreno. Dati di reazione Tadano.

5. Il dispositivo di prevenzione del sovraccarico (Limitatore di momento)

Il limitatore di momento è un dispositivo che, utilizzando una cella di carico che rileva la tensione del cavo di sollevamento e sensori per l'angolo e la lunghezza di inclinazione del braccio, calcola il margine tra il momento di ribaltamento effettivo e il carico nominale. Quando si avvicina alla zona di pericolo, emette un allarme intermittente e, se il carico nominale rischia di essere superato, arresta automaticamente le operazioni in direzione pericolosa, come l'inclinazione, l'estensione o il sollevamento del braccio. In Giappone, le revisioni delle norme strutturali per le gru mobili hanno reso obbligatoria l'installazione di un dispositivo di prevenzione del sovraccarico, oltre a un indicatore di carico.

Semplificando la legge di controllo, confronta il momento di carico effettivo M_{load}=W_{sensed}R(\theta,l_b) con il momento nominale M_{rated} per la configurazione attuale del braccio, fornendo una soglia a due stadi:

Questo è lo stesso principio del controllo macchina di un escavatore idraulico che limita i comandi della valvola per non superare la superficie di progetto: un progetto che collega direttamente il risultato di un calcolo basato su un modello meccanico. fino al limite operativo di sicurezza.

6. La gamma di gru presenti nei prodotti attuali

Un aspetto da tenere presente quando si confrontano le tabelle è che la "capacità di sollevamento massima" è, nella maggior parte dei casi, un singolo valore vicino al raggio di lavoro minimo, mentre il carico nominale nelle effettive condizioni di cantiere (raggio di lavoro richiesto, configurazione del braccio, apertura degli stabilizzatori) è quasi sempre inferiore. La scelta del modello deve confermare la cella applicabile della tabella del carico nominale al raggio di lavoro e all'altezza di sollevamento effettivamente necessari in cantiere, non solo il singolo valore massimo.

7. Riepilogo: Una gru è sia "una macchina di forza" che "una macchina di Geometria

La capacità di una gru non può essere descritta solo dalla potenza idraulica o dalla resistenza delle funi. Il principio fondamentale del sollevamento è che il momento ribaltante creato dall'angolo del braccio e dal raggio di lavoro deve essere costantemente controbilanciato dal momento stabilizzante creato dal peso del veicolo, dal contrappeso e dalla distanza tra gli stabilizzatori. La tabella dei carichi nominali, il dispositivo di prevenzione del sovraccarico e i tappeti di protezione degli stabilizzatori sono tutti strumenti che rendono concreta un'unica disuguaglianza — M_{stab}\ge M_{tip} (moltiplicato per un fattore di sicurezza) — per ogni specifica condizione di lavoro. Prendere l'abitudine di leggere non solo la capacità di sollevamento massima indicata nel catalogo, ma anche a quale raggio di lavoro e configurazione del braccio tale valore corrisponde, è il primo passo per selezionare e utilizzare una gru in sicurezza.

Riferimenti

• Kobelco Construction Machinery — Specifiche principali della gru cingolata SL16000J
• Kobelco Construction Machinery — Specifiche principali della gru cingolata 7200G
• Tadano — Annuncio della nuova gru fuoristrada per i mercati esteri (GR-1000EX-4)
• Liebherr — Gru mobile LTM 1120-4.1
• Liebherr — Gru a torre a braccio piatto EC-B
• [Ministero della Salute, del Lavoro e del Welfare — Norme strutturali per la prevenzione dei sovraccarichi] Dispositivi su gru e gru mobili](https://www.mhlw.go.jp/web/t_doc?dataId=74039000&dataType=0&pageNo=1)
• Ministero della Salute, del Lavoro e del Welfare — Revisione degli standard strutturali per le gru mobili (installazione obbligatoria di dispositivi di prevenzione del sovraccarico)

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