Лекция 4 Механизм подъема. Типовые схемы. Основные
advertisement
1 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). Лекция 4 МЕХАНИЗМ ПОДЪЕМА. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ. ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Цель лекции – ознакомить студентов с конструктивными схемами и основными составляющими элементами механизма подъема: с крюками, крюковыми обоймами, полиспастами, канатами, канатными барабанами. Студенты должны: знать: принципиальные схемы механизмов подъема, их достоинства и недостатки, области рационального применения, типы составляющих элементов механизмов подъема. уметь: обоснованно выбирать рациональную схему механизма подъема и его составляющих. Механизм подъема крана Механизм подъема крана состоит из полиспастной системы и лебедки. В зависимости от их взаимного расположения на барабан лебедки навивается ветвь каната, сбегающая с блока неподвижной (стреловые краны) или подвижной (мостовые краны) обоймы. Подвижная обойма оборудуется грузозахватным органом - крюком - для подвешивания к нему штучных грузов непосредственно или при помощи специальных грузозахватных устройств. Обычно механизмы подъема (рис. 1) состоят из электродвигателя 1, соединительной муфты 2 с промежуточным валом-вставкой 3 (или без него), тормоза 4, редуктора 5, барабана 6, верхних блоков 7, уравнительного балансира 8, каната 9 и крюковой подвески 10 с крюком. Вместо уравнительного балансира 8 возможна установка уравнительного блока. Основные узлы грузоподъемной лебедки (поз.1-6 по рис.1 а) монтируются на отдельной раме, устанавливаемой на металлоконструкции крановой тележки, или непосредственно на раме тележки (в зависимости от грузоподъемности крана). Соединение валов механизмов рекомендуется выполнять с помощью зубчатых муфт (рис. 2, б). Допускается также Рисунок 1. Схема механизма применение упругих втулочно-пальцевых подъема муфт (рис. 2, а). Соединение двигателя с а - схема лебедки; б - схема редуктором часто выполняется с применением запасовки канатов для сдвоенного вала-вставки (рис. 2, в), позволяющей создать полиспаста 2 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). наиболее удобное расположение элементов механизма на металлоконструкции грузовой тележки. У механизмов подъема, имеющих неразмыкаемую кинематическую связь барабана с двигателем, в качестве тормозного шкива можно использовать одну из полумуфт соединения двигателя с редуктором. Если эта муфта является упругой (втулочно-пальцевая, пружинная и т.п.), то по правилам Госгорпромнадзора в качестве тормозного шкива можно использовать только полумуфту, находящуюся на валу редуктора. При этом упругие элементы муфты при торможении не нагружены и срок службы их увеличивается. Муфты подбираются по каталогам и справочникам, исходя из расчетного крутящего момента M p = kM ном , где M ном - номинальный длительно действующий момент; k - коэффициент динамичности или работы, устанавливаемый в зависимости от конструкции и режима работы механизма для кранов и подъемников при электрическом приводе k = 3…5. а) б) в) Рисунок 2. Соединение валов двигателя и редуктора с использованием: а - втулочно-пальцевой муфты; б – зубчатой муфты; в – промежуточного валавставки 3 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). У механизмов с фрикционными или кулачковыми включаемыми муфтами (обычно, если от одного двигателя приводится несколько механизмов, например в автомобильных кранах и т.д.) тормозной шкив должен быть неподвижно скреплен с барабаном или установлен на валу, имеющем жесткую кинематическую связь с барабанном. Согласно правилам Госгорпромнадзора, механизмы подъема груза и изменения вылета стрелы выполняют так, что опускание груза или стрелы возможно только двигателем. Механизмы грузоподъемных машин, оборудованные кулачковыми, фрикционными муфтами или другими приспособлениями для переключения диапазонов скоростей рабочих движений, проектируют так, что самопроизвольное включение или расцепление муфт невозможно. У лебедки подъема груза и стрелы, кроме того, исключается возможность переключения скорости под нагрузкой, а также отключение механизма лебедки без предварительного наложения тормоза. Применение фрикционных и кулачковых муфт в механизмах, предназначенных для подъема людей, расплавленного или раскаленного металла, ядовитых или взрывчатых веществ, не допускается. Особенности соединения канатного барабана с редуктором оказывают существенное влияние на конструктивные и эксплуатационные качества механизма подъема. Существует несколько вариантов конструктивного исполнения этого узла (рис. 3). Первым вариантом является схема с установкой вала барабана на двух самостоятельных опорах и соединением вала барабана с валом редуктора посредством муфты (рис. 3, а). Так как опоры барабана независимы от редуктора, то при сборке возможно возникновение некоторых погрешностей. Поэтому соединительная муфта является компенсирующей. Весьма удобно применение для этой цели удлиненной зубчатой муфты, допускающей значительное относительное смещение соединяемых валов, что упрощает процесс монтажа механизма. Соединения, выполненные по данной схеме, отличаются надежностью в работе, удобством монтажа и обслуживания механизма, но имеют относительно большие габариты. Одним из способов уменьшения габаритов является применение двух- и трехопорных валов механизма подъема, в которых вал барабана является одновременно выходным валом редуктора. Двуопорный вал (рис. 3, б) получается весьма тяжелым. Кроме того, неточность установки опор барабана приводит к нарушению точности зацепления в редукторе. Трехопорный вал (рис. 3, в) очень чувствителен к неточностям монтажа. В обоих случаях становится невозможной сборка отдельно редуктора и нарушается принцип блочности конструкции, в связи с чем эти две схемы не получили широкого применения. В некоторых конструкциях крутящий момент на барабан передается при помощи открытой зубчатой пары. В этом случае зубчатое колесо можно закрепить на валу барабана (рис. 3, г) или установить непосредственно на барабане (рис. 3, д), при этом ось барабана будет работать только на изгиб. Так как обычно зубчатые передачи для повышения их надежности и износоустойчивости помещают в закрытые корпуса, то эти схемы не находят широкого применения и 4 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). используются только в ручных и специальных механизмах (например, в двухбарабанных приводах литейных кранов). Для получения статической определимости валов и создания блочной и компактной конструкции наиболее рациональна установка одной из опор оси барабана внутри консоли выходного вала редуктора (рис. 3, е). Конец выходного вала редуктора в этом случае выполняют в виде половины зубчатой муфты; вторая половина муфты укреплена на барабане. Рисунок 13. Схемы соединения канатного барабана с редуктором В кранах, оборудованных грузовым электромагнитом, механизм подъема должен иметь еще специальный барабан для гибкого кабеля, подающего электроэнергию к магниту. Кабельный барабан 2 (рис. 4) располагается на отдельном валу и приводится в движение от вала грузового барабана 4 с помощью 5 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). цепной или зубчатой передачи 1. От электросети ток подается к вращающемуся барабану 2 через кольцевой токосъемник 3 со скользящими контактами. Механизмы подъема крановштабелеров выполняются с использованием канатных или цепных грузовых элементов. Наибольшее применение получают канатные механизмы подъема, в которых широко используются нормализованные узлы и элементы Рисунок 4. Лебедка механизма подъема с других рудоподъемных машин. Часто крана с грузовым электромагнитом в качестве механизма подъема (лебедка с канатным и кабельным используются электрические тали с барабанами) микроприводом, что обеспечивает точную установку груза в ячейках стеллажей. При малых высотах подъема груза применяют цепные механизмы подъема со скоростным полиспастом, оборудованные гидроцилиндрами, как в механизмах подъема погрузчиков. В этом случае гидроцилиндр располагается вертикально на колонне крана, и плунжер цилиндра, поднимающийся вверх, оборудован двумя подвижными блоками, через которые перекинуты две грузовые пластинчатые цепи, прикрепленные к грузовой каретке. Грейферные лебедки двухканатных грейферов имеют два барабана - один для подъемного, другой для замыкающего каната. При этом барабаны должны вращаться независимо друг от друга. Так, при зачерпывании груза на барабан наматывается замыкающий канат, а подъемный канат имеет слабину даже при заглублении грейфера. При подъеме и опускании грейфера оба барабана вращаются совместно. При раскрытии висящего грейфера барабан подъемного каната неподвижен, а барабан замыкающего каната вращается на спуск. При раскрытии поднимающегося или опускающегося грейфера необходимо, чтобы вращались оба барабана, но с различной частотой вращения. Наибольшее применение имеют грейферные лебедки, состоящие из двух однотипных однобарабанных лебедок с независимыми электродвигателями. Такие лебедки весьма просты по устройству и несложны в эксплуатации. Во многих случаях в механизмах подъема грузоподъемных машин необходимо изменить скорость подъема и опускания груза в зависимости от характера выполняемой операции и от массы груза. Эта необходимость вызвала появление многоскоростных грузовых подъемных механизмов. Так, в механизме подъема мостового крана две скорости получают благодаря применению двух приводных двигателей и планетарной муфты. 6 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). Основные конструктивные элементы механизма подъема Крюки и крюковые подвески Наиболее широко применяемыми универсальными грузозахватными приспособлениями являются грузовые крюки, к которым груз прикрепляется с помощью канатных или цепных строп. По форме крюки подразделяют на однорогие (рис. 12, а, в), предназначенные для грузов массой от 0,25 до 75 т, и двурогие (рис. 12, б, г), предназначенные для грузов от 5 т и выше. Форма крюков выбрана такой, чтобы обеспечить их минимальные размеры и массу при достаточной прочности, одинаковой во всех сечениях. Грузовые крюки изготовляют из низкоуглеродистой стали 20 ГОСТ 1050-88, допускается изготовление крюков из стали 20Г ГОСТ 105088. Крюки бывают кованые или штампованные (однорогие по ГОСТ 6627-74, двурогие по ГОСТ 6628-73) и пластинчатые (однорогие и двурогие по ГОСТ 661975). Рисунок 5. Грузовые крюки: а и б - кованые; в и г - пластинчатые Для стандартного крюка (соответствующей номинальной грузоподъемности) расчет сечений крюка не проводят. Для крюка, отличающегося по своим размерам или форме от стандартного, обязательно рассчитывают тело крюка как бруса большой кривизны. В однорогом крюке наиболее опасным является сечение Б - Б (рис. 5, а), работающее на изгиб и растяжение, для которого изгибающий момент от веса груза Gгр, приложенного в центре зева крюка, является максимальным. Сечение А - А рассчитывают на изгиб и срез для случая подвеса груза на двух наклонных стропах под углом а = 45°. 7 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). а) б) Рисунок 6. Крюковые подвески: а - нормальная; б - укороченная В двурогом крюке (рис. 5, б) проверяют сечение В - В и Г - Г на изгиб и срез по действующему на каждый рог крюка расчетному усилию 1,2 ∙ гр = 2∙ где числовой коэффициент 1,2 учитывает возможную неравномерность распределения нагрузки. Нарезанную часть хвостовика рассчитывают на растяжение от силы Gгр. Запас прочности по пределу текучести при расчете крюка принимают равным 2 для крюков кранов 1-4-й групп режима работы и 2,25 для кранов 5-й и 6-й групп режима работы. Крюковые подвески Различают два типа крюковых подвесок - нормальные и укороченные. В нормальных подвесках (рис 6, а) траверса, на которой укреплен крюк, соединяется с осью канатных блоков щеками, изготовленными из листовой или полосовой стали марки Ст3, рассчитываемыми по опасному сечению на растяжение по формуле Лямэ: где [ ]= = гр ∙ ∙ ∙ ≤ [ ], - допустимое напряжение растяжения, n=3,5…4 – коэффициент запаса прочности, 8 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). R – полуширина траверсы, r – радиус цапфы траверсы. Хвостовик крюка проходит сквозь отверстие в траверсе и закрепляется гайкой, опирающейся на либо на сферическую шайбу (при грузоподъемности до 3,2 т), либо на упорный шарикоподшипник (при большей грузоподъемности). Подшипники должны быть обеспечены смазкой и защищены от попадания грязи. Упорные подшипники по статической грузоподъемности выбираются по расчетной нагрузке, превышающей вес номинального груза на 25%. Чтобы не произошло самопроизвольного отвинчивания гайки, она должна быть законтрена стопорной планкой. Стопорение гаек крюков грузоподъемностью до 10 т вследствие малых размеров гайки разрешается производить с помощью штифтов или стопорных болтов. Использование шплинтов недопустимо во всех случаях. В укороченных подвесках (рис. 6, б) блоки полиспаста размещают на удлиненных цапфах траверсы. Укороченная крюковая подвеска позволяет осуществить подъем груза на несколько большую высоту, но ее можно применять только при четной кратности полиспаста. Траверсу изготовляют из сталей 40 или 45 и рассчитывают на изгиб по среднему опасному сечению. Запас прочности по пределу текучести, учитывая сложную конфигурацию траверсы, принимают n>3. Цапфы траверсы рассчитывают также на изгиб и проверяют по давлению между цапфой и щекой. Допускаемое давление не должно превышать 35 МП а во избежание задира поверхности при повороте траверсы. Блоки крюковых обойм обычно устанавливают на подшипниках качения. Канатные блоки Канатные блоки желобчатые (рис. 7) с V-образным ручьем блоки применяют для направления канатов. В качестве материалов для изготовления блоков а) б) в) г) Рисунок 7. Канатные блоки: а – на подшипниках качения; б – с втулкой скольжения; в – литой; г - точеный. 9 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). применяют серый чугун, а при больших нагрузках – сталь. Размеры профиля ручья блока под стальной канат выбирают из условия максимально возможной площади соприкосновения каната с ручьем. В ступицу блока устанавливаются два подшипника качения с осью (рис. 7, а). Мало нагруженные и редко работающие блоки можно устанавливать на подшипниках скольжения (рис. 7, б). Ось блоков рассчитывают как двух- или многоопорную балку, нагруженную равнодействующими натяжений ветвей каната S, число которых соответствует числу блоков на оси. Внутренний диаметр ступицы и ее длину определяют по условию прочности оси, на которой устанавливается блок. Стальные канаты Наибольшее распространение в современных кранах в качестве гибких подъемных органов имеют стальные проволочные канаты (рис. 8). Канаты, работающие во влажной среде, изготовляют из оцинкованных проволок. Рисунок 8. Сечения стальных канатов: а – ТК 6×19+1; б – ЛК 6×19+1; в - ЛКО 6×19+1; г – трехграннопрядный; д - ТК 18×19+1; е - ЛКО 6×19+7×7; ж – ТК 1×37; 3 – спиральный закрытый. При одинарной свивке (спиральный канат) канат свивают непосредственно из проволок (рис. 9, а), при двойной - проволоки предварительно свивают в пряди, а пряди свивают в канат (рис. 9, б). При тройной свивке (рис. 9, в) канат свивают из стренг, представляющих собой канаты двойной свивки. 10 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). Рисунок 9. Свивки каната: а – одинарная; б – двойная; в – тройная 1 – проволочка; 2 – прядь, 3,5 – сердечники, 4 – канат двойной свивки (стренга). Если проволоки в пряди и пряди в канате свивают в одном направлении, в правом или левом, то такие канаты называют канатами односторонней свивки (рис. 10, а), если их свивают в противоположных направлениях, то канаты называют канатами крестовой свивки (рис. 10, б). Последние более устойчивы к кручению. Иногда изготавливают канаты комбинированной свивки (рис. 10, в), в которых чередуются пряди, свитые в а) противоположных направлениях. В центре каната помещается сердечник. По материалу сердечника различают канаты с органическим (обозначается о.с.) из б) натуральных или синтетических волокон и металлическим сердечниками (м.с). Сердечник из органических материалов (пенька и т. п.) пропитывается специальным смазочным материалом на графитовой основе. Сердечник служит базой, относительно которой в) происходит свивание прядей, На кранах обычно применяют канаты с органическим Рисунок 10. Свивки каната по сердечником. Такой канат более долговечен, так как благодаря выдавливаемому из длине: а – односторонняя; б – крестовая; сердечника смазочному материалу снижается трение между проволоками и прядями. а также в – комбинированная 11 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). сохраняет смазочный материал. В канатах, подверженных воздействию высокой температуры, сердечник изготовляют из асбестовых нитей или мягкой проволоки. Канаты свивают из стальной круглой проволоки диаметром 0,5…2 мм. Канаты можно свивать из проволок одного или разных диаметров. По диаметру проволочек и по типу свивки прядей и канатов одинарной свивки различают канаты: − нормальной структуры с точечным касанием проволок между слоями (ТК), свитыми из проволок одинакового диаметра; − с линейным касанием проволок между слоями (ЛК), свитыми из проволок разных диаметров; − с линейным касанием проволок между слоями при одинаковом диаметре проволок по слоям пряди (ЛК-О); − с линейным касанием проволок между слоями при разных диаметрах проволок в наружном слое пряди (ЛК-Р); − с линейным касанием проволок между слоями и имеющих в пряди слои с проволоками разных диаметров и слои с проволоками одинакового диаметра (ЛКРО); − с комбинированным точечно-линейным касанием проволок (ТЛК). На грузоподъемных машинах общего назначения рекомендуется применять следующие два типа шестипрядных стальных канатов двойной свивки с одним органическим сердечником (Приложения 7 и 8): - ЛК-Р 6×19(1+6+6/6)+1 о.с. ГОСТ 2688-80; - ЛК-РО 6×36 (1+7+7/7+14)+1 о.с. ГОСТ 7668-80. В условиях абразивного износа предпочтительнее канаты с меньшим числом проволок, т.е. 6×19, по сравнению с канатами, у которых число проволок 6×36 или 6×37. Диаметры канатов определяют из расчета их на растяжение с соблюдением нормативных коэффициентов запаса прочности каната n , а долговечность - усталостную прочность - обеспечивают соблюдением минимальных нормативных коэффициентов выбора диаметра барабана (или блока) e . Канатные полиспасты Полиспаст представляет собой систему подвижных и неподвижных блоков, соединенных гибкой связью (канатом или цепью), употребляемую для увеличения силы - силовые полиспасты или скорости - скоростные полиспасты. Обычно в грузоподъемных машинах применяют силовые полиспасты. В этих полиспастах вес поднимаемого груза распределяется между несколькими ветвями каната, что позволяет уменьшить натяжение гибкого грузового органа, момент от веса груза на барабане, диаметр самого каната и передаточное число механизма. Скоростные полиспасты, позволяющие получить повышенные скорости перемещения груза при малых скоростях приводного элемента, применяют значительно реже, например в гидравлических или пневматических подъемниках. 12 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). Груз подвешивается к подвижной обойме полиспаста, неподвижная обойма закрепляется на металлоконструкции крана или его грузоподъемной тележке, а последняя ветвь каната навивается на барабан грузоподъемной лебедки механизма подъема. Различают полиспасты, у которых свободная ветвь сбегает с блока неподвижной обоймы, а конец каната закреплен на неподвижной обойме (рис. 11, а); свободная ветвь сбегает с блока неподвижной обоймы, а конец каната закреплен на подвижной обойме (рис. 11, б), свободная ветвь сбегает с блока подвижной обоймы, а конец каната закреплен на неподвижной обойме (рис. 11, в); свободная ветвь сбегает с блока подвижной обоймы, конец каната закреплен также на подвижной обойме (рис. 11, г), на барабан навиваются оба конца каната, сбалансированные на уравнительном блоке (рис. 11, д). Одинарные полиспасты (рис. 11, а – г) используют в тех случаях, когда сбегающая с подвижной обоймы ветвь каната поступает на барабан после направляющего блока, например в стреловых строительных кранах. Если же сбегающая с подвижной обоймы ветвь каната поступает на барабан непосредственно, как это имеет место в кранах мостового типа, то применение одиночных полиспастов оказывается неприемлемым, так как канат при навивке на барабан перемещается вдоль последнего, а с ним перемещаются и нижние блоки полиспаста с подвешенным к ним грузом. В сдвоенных полиспастах (рис. 11, д) этот недостаток отсутствует, так как канаты всегда расположены на барабане симметрично. Сдвоенный полиспаст имеет более высокий КПД, чем одинарный с тем же числом блоков, но кратность его в 2 раза меньше. При сдвоенных полиспастах необходимо применять уравнительный блок, который можно заменить балансиром, расположенным в обойме неподвижной при четной кратности полиспаста или подвижной при нечетной его кратности. При размещении грузового полиспаста на движущейся по стреле крана каретке канат перед навивкой на барабан огибает ряд блоков на тележке (рис. 11, е, ж). При движение каретки подъемный канат перематывается по блокам, но длина подвеса не изменяется. 13 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). Рисунок 11. Схемы канатных полиспастов: а - г - одинарных; д – сдвоенного; е - одинарного на подвижной каретке: ж - сдвоенного на подвижной каретке; з - мультипликатора Разновидностью полиспастов являются мультипликаторы применяемые для выигрыша в пути, т. е. высоте подъема. В качестве привода используется поршневой гидро- или пневмоцилиндр (рис. 11, з). Путь крюка определяется произведением хода штока на кратность (число ветвей) мультипликатора. При переходе с блока одной обоймы на блок другой допустимый угол отклонения каната в среднем не должен превышать 4° во избежание ускоренного перетирания каната о борта ручья, при больших углах отклонения возможно выскакивание каната из ручья блока. Полиспаст характеризуется его кратностью (передаточным числом). Кратностью полиспаста называется отношение окружной скорости барабана к скорости подъема груза, что численно равно отношению числа несущих ветвей каната в полиспасте к числу ветвей каната, спускающихся с барабана: n kn = б = k , г n кб где к n - кратность полиспаста; б - окружная скорость барабана, м / мин ; 14 Лекции по "Подъемно-транспортным машинам" для ГМ (32 лекционных часов). г - скорость подъема груза, м / мин ; nк - число несущих ветвей каната в полиспасте; n кб - число ветвей каната, спускающихся с барабана. Кратность полиспаста выбирают по результатам конструктивного анализа схемы механизма. В кранах, где канат наматывается на барабан, не проходя через направляющие блоки (например, в мостовых кранах), для обеспечения подъема груза в вертикальном направлении применяют сдвоенные полиспасты. Если канат перед навивкой на барабан проходит через направляющие блоки, обычно применяют одинарные полиспасты с более высокой, чем у сдвоенных полиспастов, кратностью. Канатные барабаны Барабаны, так же как и блоки, отливают из серого чугуна или стали, а иногда выполняют сварными из листового металла. Для легких условий работы допустимо применять барабаны из тонколистовой стали с накатанными на них канавками. В зависимости от длины навиваемого каната последний укладывается на барабан в один стой или в несколько слоев. Барабаны, на которые канат навивают в несколько слоев, имеют гладкую поверхность и борта которые во избежание сползания каната должны выдаваться за последний слой каната не меньше чем на s = 2dк. В гладких барабанах для многослойной навивки каната каждый последующий слой накладывается на предыдущей с противоположно направленным углом бокового отклонения, ввиду чего канаты в месте пересечения слоев имеют точечный контакт, что уменьшает их срок службы. Барабаны, на которые канат навивают в один слой, имеет винтовые канавки глубиной с = (0,25 ... 0,4) dк, шагом b = dк + (2 ... 3) мм и радиусом r = (0,6 ... 0,7) Рисунок 12. Схема ручья нарезного dк. При этих размерах допускаемое боковое отклонение каната от нормали к продольной барабана оси барабана не должно превышать 4°, так как при превышении этого угла канат может перескакивать в соседнюю канавку.
