В детстве портовый кран представлялся мне исполинским жирафом. Длинные ноги его портала стояли на пирсе. А под ними сновали, невероятным образом ставшие крохотными, железнодорожные вагоны. Свою вытянутую желтую шею-стрелу, покрытую темными пятнами ферм, неспешно склонял он над раскрывшейся пастью трюма рыболовного судна-кашалота, отнимая его богатый улов. Жилы стальных канатов звенели от напряжения, настолько тяжела была его работа. Жираф издавал электрический вой, сражаясь за свою добычу.

И вот, спустя многие годы меня продолжают восхищать конструкции советских машин. Но вижу теперь я за ними не те фантазии из детства, а гений человеческой инженерной мысли. И в этой статье я предлагаю вам насладиться технической эстетикой архивных чертежей и конструкторских решений инженеров прошлого.

Герой нашей сегодняшней истории — кран портальный монтажный КПМ-32/16-10,5В-К, сошедший со стапелей завода подъёмно-транспортного оборудования им. С. М. Кирова в Ленинграде. Предназначен он для монтажных и сварочных работ в портах и на судостроительных предприятиях. При вылете стрелы от 8 до 17 метров он способен поднимать груз 32 т, а при максимальном вылете до 30 метров – 16 т. Дополнительно имеется вспомогательный подъём на 5 т. Передвигается наш двухсот тридцати трех тонный колосс по рельсовому пути со скоростью до 30 м/мин.

«Завод ПТО им. С.М. Кирова» – некогда ведущее предприятие машиностроительной отрасли СССР, был перепрофилирован в 1930 году из петербургских ремонтных мастерских при Варшавской железной дороге (не путать с Кировским заводом). Завод обеспечивал металлургические предприятия, атомные, гидро- и тепловые электростанции и другие объекты народного хозяйства высокопроизводительными грузоподъемными кранами тяжелых режимов работы. За время своего существования заводом было изготовлено более 15 000 единиц крановой продукции. А сегодня о нем напоминает только эмблема на одной из стальных оград вдоль набережной Обводного канала.

Создать такой кран в 1970-е годы было задачей, мягко говоря, нетривиальной. Никаких AutoCAD, Компаса, SolidWorks или MATLAB тогда не существовало. Зато были высокие нагрузки, невысокое качество прокатных материалов, жёсткие условия эксплуатации и… кульман с логарифмической линейкой. Плавность подъёма и точность позиционирования приходилось обеспечивать, не имея современных частотных приводов и даже электронных систем управления, — только хитроумная механика, релейные схемы управления с реостатными ступенями пуска.

На одном из сохранившихся сборочных чертежей крана в основной надписи выведены фамилии инженеров, работавших над ним: Михайлова, Николаева, Марутов, Мазовер, Сушанский. Эти строки, написанные тушью, напоминают, что подобные машины создавались не абстрактной «советской инженерной школой», а конкретными людьми, вложившими в них знания, мастерство и часть своей жизни. И сколько еще фамилий ушло вместе с той эпохой…

Чтобы понять масштаб инженерной задачи, достаточно взглянуть на конструкцию самого крана. КПМ-32/16 — это сложная пространственная система, в которой каждая деталь работает на устойчивость и безопасность. Высокий четырёхопорный портал позволяет крану перемещаться вдоль причала, оставляя под собой просвет для проезда техники. На портале установлена поворотная платформа с кабиной управления и машинной кабиной, в которой скрываются лебедки, а сверху — длинная коробчатая стрела, уравновешенная массивным противовесом. Вся кинематика — от изменения вылета до подъёма груза — приводится в движение электродвигателями с реостатными схемами пуска.

Механизм подъема монтажного крана состоит из механизма главного подъема грузоподъемностью 32 т и вспомогательного – грузоподъемностью 5 т.

Для того чтобы с ювелирной точностью ворочать огромными агрегатами в тесных трюмах строящихся судов, лебедку основного подъема оснастили двумя приводами. Главный привод мощностью 75 кВт обеспечивает скорость основного подъема 17 метров в минуту, а установочная скорость 0,5 метра в минуту обеспечивается дополнительным микропроводом мощностью 5 кВт. Сопряжение двух двигателей с редуктором лебедки обеспечивается планетарной муфтой за счет разной комбинации блокируемых тормозов. Лебедка вспомогательного подъема имеет скорость 37 метров в минуту и мощность 37 кВт.

За безопасность работы механизма подъема отвечают центробежные выключатели, установленные на электродвигателях, которые отключают их питание при двукратном увеличении оборотов при отказе тормозов.

Отличительной особенностью портального крана КПМ-32/16 является конструкция механизма изменения вылета. Его шарнирно-сочлененная укосина состоит из стрелы, выполненной в виде жесткой коробчатой семнадцатитонной балки, прямолинейного восьмитонного хобота и гибкой оттяжки. Гибкая оттяжка представляет собой два стальных каната, верхние концы которых через балансир присоединяются к заднему плечу хобота, а нижние — через натяжное устройство закрепляются на каркасе.

Соотношение длины элементов шарнирно-сочлененной укосины, положение блоков грузовых канатов и точек крепления этих механизмов на каркасе выбрано так, что при подъеме стрелы от минимального до максимального вылета концевой узел хобота перемещается вверх, а груз при этом движется по траектории, близкой к горизонтальной, отклонения в крайних положениях не превышают 0,8 метра.

Стрела с помощью стреловой тяги соединена с качающимся тридцатитонным коромыслом, на заднем плече которого находится подвижный бетонно-металлический противовес массой примерно 48 т. Конструкция позволяет обеспечить три точки равновесия системы без груза и две точки равновесия с номинальным грузом, который составляет от 32 т до 16 т в зависимости от положения вылета стрелы. Это значительно снижает нагрузку на тормозные механизмы и лебедку механизма изменения вылета.

Лебедка механизма изменения вылета установлена непосредственно на каркасе в отдельном защитном кожухе. Благодаря слаженной работе стрелы и противовеса, для изменения вылета достаточно электродвигателя мощностью всего 11 кВт. Чтобы движение начиналось плавно, в составе редуктора лебёдки установлен массивный маховик, сглаживающий рывки при пуске. Плавность остановки дополнительно обеспечивается наличием двух тормозных механизмов, которые включаются по очереди с задержкой чуть больше секунды, благодаря чему тяжёлая стрела не останавливается рывком.

Выходной вал редуктора лебедки сообщает возвратно-поступательное движение рейке механизма изменения вылета, представляющей собой сварную коробку с двумя зубчатыми рейками. По мере износа зубчатые рейки можно переставлять местами или разворачивать, тем самым увеличивая их срок службы. Крепление рейки к стреле выполнено через демпфер, снижающий динамические нагрузки при пуске и торможении. В совокупности эти чисто механические решения позволяют, без использования сложной электроники, добиться плавности движения стрелы, что так необходимо монтажному крану.

Для предохранения от перегрузки и опрокидывания крана в верхней части его каркаса установлен ограничитель грузового момента (ОГМ). Его механизм состоит из системы блоков и рычагов, сопряженных с канатами главного подъема. Результирующее усилие от веса груза, возникающее при огибании канатом подвижного блока на рычаге ОГМ происходит смещение системы рычагов, уравновешиваемой специальным грузом. Если момент от давления каната на блок превысит момент от веса регулировочного груза, то палец на рычаге через концевые выключатели разомкнет электрическую цепь механизма главного подъема и цепь увеличения вылета.

В зависимости от угла наклона стрелы угол обхвата блоков канатами меняется. За счет этого ОГМ обеспечивает постоянство предельно допустимой грузоподъемности на вылетах от 17 до 8 м и переменную грузоподъемность на вылетах от 30 до 17 м. По сути, перед нами огромный рычажный динамометр, знакомый нам со школьных уроков физики. В современных кранах эту функцию уже реализуют программно за счет датчика угла наклона стрелы и тензодатчика в системе блоков грузовых канатов, но здесь снова удалось обойтись без сложной электроники.

Вспомогательный подъём снабжён аналогичным ограничителем грузоподъёмности. Но его конструкция проще, чем у ОГМ, так как предельный момент не зависит от вылета стрелы, а допустимая грузоподъёмность вспомогательного подъёма не должна превышать 5 т во всех режимах.

Все описанные выше узлы — стрела с хоботом и коромысло с подвижным противовесом, закреплённые на силовом каркасе, а также лебёдки подъёма и изменения вылета — смонтированы на поворотной платформе и вместе образуют поворотную часть крана.

Еще одним крупным элементом поворотной части крана являются кабина управления и машинная кабина. В машинной кабине скрыты подъёмные лебёдки, редукторы и шкафы управления, а в кабине управления размещено рабочее место крановщика. Вы только представьте, какой вид может открываться перед оператором крана с высоты четырнадцати метров на морской порт... Если бы этот вид не сопровождался лязганьем металла, воем электрических машин и изнуряющим жаром от их работы.

Поворотная часть нашего портального крана имеет неограниченный угол поворота. Ее поддержание и центрирование осуществляется опорно-поворотным устройством. Два концентрических круговых швеллера диаметром почти 6 метров образуют сепаратор, в котором крепятся 36 цилиндрических катков. Только оцените его масштаб.

Механизм поворота имеет мощность 45 кВт. Передаточное отношение в нем в сочетании с большим диаметром опоры и высокой инертностью системы оказывает огромные нагрузки на механизмы редукторов. Даже если кажется, что поворотная часть уже остановилась, на деле может оказаться, что в редукторе еще продолжается вращение. Чтобы исключить повреждение редуктора, согласно инструкциям, перед тем как начать поворот в противоположенную сторону, необходимо удерживать поворотную часть на тормозе не менее трех секунд.

Обратите внимание на колонну в центре машинной кабины. Она скрывает в себе токосъемный узел из медных кольцевых токоприемников с подпружиненными графитовыми щетками, который обеспечивает электрическую связь портала с поворотной частью. Такая система проста, но удивительно надёжна. Несмотря на постоянные вибрации, пыль и морскую влажность, токосъёмники уверенно питают лебёдки, приводы и аппаратуру управления поворотной части на протяжении десятилетий.

Поворотная часть крана крепится на массивном сорока трех тонном портале, обеспечивая стабильное вращение верхней части крана под нагрузкой. Такое решение обеспечивает впечатляющую устойчивость машины. Жёсткие коробчатые ноги портала, широкая колея ходовых тележек, позволяющая свободно пропускать под собой два железнодорожных вагона, и массивная поворотная часть образуют пространственную конструкцию с большим запасом прочности. Она сохраняет устойчивость даже при значительных ветровых нагрузках и динамических рывках, а портал уверенно воспринимает наклоняющие моменты при работе стрелы на вылете до 30 метров.

Масса самого крана во много раз превышает массу поднимаемого груза, и это сделано не случайно. При полной массе конструкции в 233 тонны номинальный груз 32 т составляет всего около 14% от веса машины. Во время приёмочных испытаний кран кратковременно проверяют повышенной нагрузкой — 40 т (перегрузка 25%), что всё равно не превышает 18% его собственной массы. На этой фундаментальной устойчивости построена вся механика крана — от поворотного механизма до уравновешивающей системы стрелы.

Вся эта стальная махина способна передвигаться по рельсовому пути со скоростью до 30 метров в минуту на четырёх ходовых тележках, каждая из которых оснащена индивидуальным 11 кВт приводом. Такое решение позволяет порталу компенсировать неровности рельсового пути и исключает перекос конструкции при движении. При работе крана нагрузки на отдельные ходовые тележки могут превышать сотню тонн.

Портальный кран имеет большую подветренную площадь. Несмотря на его огромную массу, давление морского ветра может достигнуть такой величины, при которой кран легко сдвигается с места. Чтобы избежать подобных случаев, ходовые тележки оснащены противоугонными захватами для крепления к рельсам. А в кабине управления имеется сигнализация от анемометра, непрерывно измеряющего скорость ветра.

Общее питание крана осуществляется от сети переменного трехфазного тока через специальные штепсельные колонки, расположенные вдоль подкранового пути. Напряжение подается при помощи гибкого шлангового кабеля, укладываемого в кабельный барабан с грузовым приводом. Свободное вращение барабана при наматывании кабеля возможно благодаря кольцевому токоприемнику на его оси. Во время движения крана кабель разматывается с барабана, поднимая противовес через тросовый привод. Чтобы при переключении к следующей штепсельной колонке намотать кабель обратно на барабан, достаточно ослабить ленточный тормоз, удерживающий груз.

Механизмы крана приводятся в движение электродвигателями с фазным ротором типа MTB, MTF и MTH. Управление двигателями осуществляется с помощью командоконтроллеров, представляющих собой многопозиционные кулачковые механические переключатели. Оператор крана поворачивает рукоятку командоконтроллера в нужное положение, приводя в движение кулачковые шайбы. Гребни на кулачковых шайбах способны размыкать контактные группы, формируя определенные комбинации управляющих напряжений для силовых цепей.

Плавность пуска электродвигателей достигается за счет регулирования активного сопротивления в цепи их роторов. Концы трехфазной обмотки ротора через контактные кольца и щетки подключены к блоку пусковых и регулировочных сопротивлений. Эти сопротивления больше похожи на приличных размеров электрический обогреватель.

Включение добавочного сопротивления в цепь ротора на низкой скорости увеличивает пусковой момент и ограничивает пусковой ток. Постепенное шунтирование этого сопротивления по мере разгона позволяет регулировать частоту вращения. Добавляя сопротивление во время вращения, можно осуществлять торможение двигателя.

Платой за простоту такого способа управления является низкое КПД. Очень много энергии превращается в тепло регулировочными сопротивлениями.

Несмотря на возраст и архаичность технических решений, такие краны до сих пор можно встретить в портах и на верфях по всей нашей стране. Некоторые из них отправляются на металлолом, уступая дорогу «молодым» машинам, другие проходят глубокую модернизацию и получают вторую жизнь. Нашему крану повезло, можете не волноваться за него.

Портальный монтажный кран «Кировец» — стальной двухсоттридцатитрехтонный красавец, наследие былой высокоразвитой цивилизации. Громоздкий, шумный, мощный — он воплощает инженерную философию СССР, когда надёжность и функциональность достигались хитроумной механикой и простыми релейными схемами. Построенный в середине 70-х годов прошлого века, десятилетиями без устали трудится, прославляя своих великих создателей, он останется памятником ушедшей эпохи советской индустриальной мощи.

И, может быть, когда в следующий раз вы будете любоваться пейзажем портового города и среди множества мачт и грузовых стрел узнаете силуэт нашего старого знакомого — портального крана КПМ-32/16, помашите ему рукой, передавайте привет...

Автор: OldFashionedEngineer

Написано при поддержке Timeweb Cloud.

Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.