3607

ВАНТАЖОПІДЙОМНА, ТРАНСПОРТУЮЧА ТА ТРАНСПОРТНА ТЕХНІКА

Книга

Логистика и транспорт

В посібнику описані сучасні конструкції вантажопідйомної, транспортуючої та транспортної техніки, яка використовується при переміщенні великої кількості вантажів в процесі виробництва в різних галузях народного господарства, в будівництві промислово...

Украинкский

2013-02-09

9.59 MB

319 чел.

В посібнику описані сучасні конструкції вантажопідйомної, транспортуючої та транспортної техніки, яка використовується при переміщенні великої кількості вантажів в процесі виробництва в різних галузях народного господарства, в будівництві промисловому, цивільному, дорожному, меліоративному та інших. Приведені розрахунки продуктивності цих машин і параметри їх основних механізмів, які відповідали б Правилам безпечної експлуатації і Державним нармативним актам про охорону праці.   

Посібник призначений для студентів вищих навчальних закладів напрямку підготовки 0902 “Інженерна механіка”, особливо  спеціальності 7.090214 „Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні, меліоративні машини та обладнання”, а також буде корисним спеціалістам, магістрам і аспірантам, які працюють у цій галузі.

Рецензенти: доктор технічних наук, професор, академік підйомно-транспортної академії України Малащенко В.О. (НУ „Львівська політехніка”); доктор технічних наук, професор, академік інженерної академії України Хайліс Г.А. (Луцький державний технічний університет); доктор технічних наук, професор, академік академії будівництва України Кравець С.В. (Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне)

Комп’ютерний набір та верстку виконав студент 5-го курсу механіко-енергетичного факультету спеціальності „Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні, меліоративні машини та обладнання” Ляхов В.В.

                      © Гончарук О.М., Стрілець В.М., 2006

                      © Національний університет водного

                          господарства та природокористування, 2006


Зміст

Передмова.................................................................................7

1.Загальні питання..................................................................9

1.1.Вступ..............................................................................................9

1.2.Основні задачі дисципліни «Вантажопідйомна,

     транспортуюча і транспортна техніка» та її місце серед

     інших дисциплін..... ...................................................................10

1.3.Класифікація вантажопідйомних, транспортуючих і

     транспортних машин .................................................................11

2. Вантажопідйомна техніка  ..............................................12

2.1. Основні технічні параметри.....................................................12

2.2. Вимоги Держнаглядохоронпраці України..............................13

2.3. Режими роботи (групи класифікації) механізмів та

      кранів..........................................................................................17

2.4. Елементи вантажопідйомних машин.......................................20

    2.4.1. Вантажні ланцюги та зірочки...........................................20

    2.4.2. Підйомні канати та поліспасти.........................................23

    2.4.3. Барабани канатні................................................................33

    2.4.4. Кріплення каната на барабані...........................................38

    2.4.5. Барабани фрикційні...........................................................42

    2.4.6. Вантажозахватні пристрої.................................................44

    2.4.7. Гальмівні пристрої.............................................................64

2.5. Механізми підйому вантажу..................................................82

    2.5.1. Механізм підйому з ручним приводом.........................82

    2.5.2. Механізм підйому з електроприводом..........................84

    2.5.3. Перевірка електродвигуна механізму підйому на

              перевантаження в період пуску.....................................85

    2.5.4. Електричні талі................................................................88

2.6. Вантажопідйомні крани..........................................................91

    2.6.1. Мостові двохбалочні крани............................................91

    2.6.2. Мостові однобалочні крани...........................................97

    2.6.3. Ходові колеса кранів.....................................................102

    2.6.4. Розрахунок механізмів пересування...........................105

    2.6.5. Перевірка на зчеплення приводних коліс з рейками

              при пуску та гальмуванні.............................................108

    2.6.6. Козлові крани.................................................................109

      2.6.6.1. Козлові  однобалочні крани ...................................117

      2.6.6.2. Механізми пересування вантажного візка

                   канатами....................................................................119

      2.6.6.3. Козлові двохбалочні крани......................................121

    2.6.7. Поворотні крани............................................................122

      2.6.7.1. Стаціонарні крани з поворотною колоною............123

      2.6.7.2. Стаціонарні крани з неповоротною колоною........127

      2.6.7.3. Розрахунок противаги та колони............................129

      2.6.7.4. Розрахунок моменту опору повороту....................131

      2.6.7.5. Розрахунок фундаменту..........................................132

      2.6.7.6. Механізм повороту...................................................134

      2.6.7.7. Пересувні поворотні  крани ...................................138

        2.6.7.7.1. Велосипедні крани..............................................138

        2.6.7.7.2. Баштові крани......................................................141

        2.6.7.7.3. Стрілові самохідні крани....................................164

2.7. Прилади та пристрої безпечної роботи кранів...................191

    2.7.1. Кінцеві вимикачі...........................................................191

    2.7.2. Обмежувачі вантажопідйомності................................197

    2.7.3. Обмежувачі вантажного моменту...............................200

    2.7.4. Обмежувачі підйому стріли.........................................204

    2.7.5. Струмознімачі та обмежувачі зони роботи................207

    2.7.6. Обмежувач змотування каната з барабана.................208

    2.7.7. Показчики вильоту та вантажопідйомності...............208

    2.7.8. Механічні показчики кута нахилу...............................210

    2.7.9. Показчики кута нахилу кранів (кренометри).............211

    2.7.10. Обмежувачі кута повороту кранів.............................213

    2.7.11. Анемометри та анеморумбографи.............................214

    2.7.12. Прилади сигналізації наближення стріли крана   

                до повітряних ліній електропередачі........................218

    2.7.13. Пристрої безпеки кранів.............................................220

    2.7.14. Обмежувач виходу каната з блока.............................222

3.Транспортуюча техніка................................................222

3.1. .Загальні питання...................................................................222

    3.1.1. Вступ..............................................................................222

    3.1.2. Властивості транспортуючих матеріалів....................223

    3.1.3. Головні технічні параметри транспортуючих

              машин.............................................................................225

    3.1.4. Деякі питання теорії транспортерів з гнучким

              тяговим елементом........................................................227

    3.1.5.Визначення сили натягу гнучкого тягового

             елемента..........................................................................230

3.2. Стрічкові транспортери........................................................231

    3.2.1. Будова стрічкових транспортерів................................231

    3.2.2. Транспортерні стрічки..................................................232

    3.2.3. Збільшення тягової здатності стрічкових

              приводів..........................................................................237

    3.2.4. Визначення ширини плоскої стрічки..........................238

     3.2.5. Визначення ширини жолобчастої стрічки..................239

    3.2.6. Визначення сили натягу стрічки в різних точках

              транспортера (тяговий розрахунок транспортера)….241

    3.2.7. Опорні пристрої (роликові опори)...............................244

    3.2.8. Барабани.........................................................................247

    3.2.9. Приводні пристрої.........................................................249

    3.2.10. Натяжні пристрої (станції).........................................250

      3.2.10.1. Гвинтові натяжні пристрої....................................251

      3.2.10.2. Вантажні натяжні пристрої...................................253

    3.2.11. Станини (рами) транспортерів...................................254

3.3. Пластинчасті транспортери.......................................……...255

    3.3.1. Будова пластинчастих транспортерів..........................255

    3.3.2. Визначення ширину плоского настилу.......................260

    3.3.3. Визначення розмірів настилу з рухомими

              бортами...........................................................................261

    3.3.4. Тяговий розрахунок......................................................263

3.4. Скребкові транспортери.......................................................265

    3.4.1. Будова скребкових транспортерів...............................265

    3.4.2. Визначення розмірів поперечного перерізу

              жолоба............................................................................267

    3.4.3. Тяговий розрахунок......................................................268

    3.4.4. Рами скребкових транспортерів...................................270

    3.4.5. Кінематика та динаміка тягових ланцюгів

              транспортерів.................................................................271

3.5. Елеватори...............................................................................273

    3.5.1. Будова елеваторів..........................................................273

    3.5.2. Робочі органи ковшових елеваторів............................276

    3.5.3. Основи теорії розвантаження ковшів елеватора........279

    3.5.4. Розрахунок елеваторів..................................................280

    3.5.5. Тяговий розрахунок......................................................282

3.6. Гвинтові транспортери.........................................................289

    3.6.1. Будова гвинтових транспортерів.................................289

    3.6.2. Розрахунок гвинтових транспортерів.........................291

3.7. Самопливний транспорт.......................................................293

    3.7.1. Прямі спуски..................................................................294

    3.7.2. Гвинтові спуски.............................................................295

    3.7.3. Роликові похилі спуски................................................297

4. Транспортувальна техніка..........................................299

4.1. Рейковий транспорт..............................................................299

4.2. Безрейковий транспорт.........................................................300

    4.2.1. Причепи-важковози (трейлери)...................................304

    4.2.2. Ручний візок з підйомними вилами.............................305

    4.2.3. Акумуляторний вилочний візок..................................307

4.3. Навантажувально-розвантажувальні машини....................308

    4.3.1. Навантажувачі періодичної дії.....................................311

    4.3.2. Вилочні навантажувачі ................................................315

      4.3.2.1. Вантажопідйомники навантажувачів.....................318

      4.3.2.2. Гідроциліндри...........................................................320

      4.3.2.3. Гідроциліндри поршневі.........................................321

    4.3.3. Електронавантажувачі вилочні....................................322

    4.3.4. Телескопічні навантажувачі.........................................324

4.4. Розрахунок вантажопідйомника..........................................326

4.5. Розрахунок механізму нахилу рами

      вантажопідйомника...............................................................329

4.6. Визначення продуктивності навантажувачів.....................330

4.7. Одноковшові навантажувачі................................................330

4.8. Продуктивність одноковшових навантажувачів................335

4.9. Розрахунок стійкості навантажувачів.................................336

Література..........................................................................344


Передмова

Всі процеси у матеріальному виробництві , будівництві, водному та сільському господарстві , на транспорті пов’язані з широким використанням машин і механізмів. Суттєвою складовою частиною кожного виробництва є вантажопідйомна, транспортуюча та транспортна техніка , яка грає велику роль у механізації навантажувально-розвантажувальних робіт. Досконале вивчення будови та основ проектування вантажопідйомних, транспортуючих та транспортних машин сприяє їх розвитку та удосконаленню.

Створення нової вантажопідйомної, транспортуючої та транспортної техніки, яка відповідала б сучасним вимогам , пов’язане з потребою підготовки висококваліфікованих фахівців цього профілю, здатних розв’язувати питання розрахунків, конструювання, виробництва та експлуатації машин високого технічного рівня. Така підготовка ведеться на базі дисципліни “Вантажопідйомна, транспортуюча та транспортна техніка“ для вивчення якої написаний даний навчальний посібник.

Фактичний зміст та обсяг матеріалу посібника відповідає освітньо-професійній програмі за напрямком підготовки фахівців “Інженерна механіка“ за спеціальністю “Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні, меліоративні машини та обладнання“

Цей  посібник складається з чотирьох розділів.

Перший розділ містить у стислій формі вступ, основні задачі дисципліни і класифікацію вантажопідйомних, транспортуючих та транспортних машин.

У другому розділі описана будова та розрахунок елементів вантажопідйомної техніки, гальмівних пристроїв, приводів механізмів, розглянуті мостові, козлові та поворотні крани, прилади та пристрої їх безпечної роботи.

Третій розділ присвячений транспортуючій техніці, де розглянуті будова і розрахунок стрічкових, пластинчастих, скребкових і гвинтових транспортерів, елеваторів і самопливного транспорту.

У четвертому розділі описана будова і розрахунок рейкового і безрейкового транспорту, навантажувально- розвантажувальних машин.

Матеріал навчального посібника відповідає загальним тенденціям викладання цієї дисципліни, але базується на досвіді викладання її у Національному університеті водного господарства та природокористування.

Для більш глибокого вивчення і засвоєння програмного матеріалу значна кількість підрозділів має контрольні питання. У навчальному посібнику в обмеженій мірі подано деякий довідковий матеріал з метою використання додаткової літератури наведеної у списку цитованої літератури та іншої.

Автори висловлюють щиру подяку  доктору технічних наук, професору, академіку підйомно-транспортної академії України Малащенку В.О. (НУ „Львівська політехніка”); доктору технічних наук, професору, академіку інженерної академії України Хайлісу Г.А. (Луцький державний технічний університет);завідувачу кафедри будівельних, дорожних, меліоративних машин та обладнання, доктору технічних наук, професору, академіку академії будівництва України Кравцю С.В. (Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне) за цінні зауваження та допомогу при написанні навчального посібника.


1.
Загальні питання

1.1. Вступ

Вантажопідйомна, транспортуюча та транспортна техніка (ВПТТТ) – головна галузь в підвищенні продуктивності праці при переміщенні великої кількості вантажів. Вона дозволяє механізувати технологічний процес виробництва і використовується в машинобудівній, гірничорудній і хімічній промисловості та в будівництві і на підприємствах залізобетонних виробів домобудівних комбінатів.

ВПТТТ розвивається відповідно до вимог суспільства і має досить велику історію.

Прості підйомні пристрої використовувались ще 2000 років до н.е. в країнах Древнього Сходу (Асірія, Вавілонія, Єгипет, Рим, Греція): вороти, водопідйомники, блоки, котки, похилі площини.

Архімед з Сіракуз описав важільний підйомний пристрій. Аристотель і Герон Олександрійський зробили опис поліспастів, лебідок з зубчастими колесами, підйомних стрілових кранів.

В середні віки вантажопідйомні пристрої отримали подальший розвиток (Італія, Німеччина, Чехія). В працях Леонардо да Вінчі зустрічаються описи самогальмівної черв’ячної передачі, ручний поворотний кран з візком, грейфера, зубчастих коліс з барабаном, тобто прототипів сучасних вантажопідйомних, транспортуючих і транспортних машин.

В зв’язку з промисловим розвитком Європи і Росії кранобудування почало розвиватися в кінці XVIII і на початку XIX віків, після винаходу І.І.Ползуновим і Дж.Уоттом парового двигуна.

В Україні вантажопідйомна, транспортуюча та транспортна техніка та пристрої почали використовуватись ще за часів Київської Русі при спорудженні соборів, монастирів, підйомі дзвонів, фортець та пізніше з розвитком млинарства, при будівництві копалин (залізорудних, вугільних, соляних), машинобудівних, хімічних, цукрових заводів і фабрик.

Великий поштовх в розвитку вантажопідйомної, транспортуючої та транспортної техніки стався після промислового використання трьохфазного електродвигуна, після 1896 року.

1898-1900 роки рахуються початком промислового розвитку ВПТТТ в Україні. В цей час будується багато заводів, фабрик, а в 30-і роки Україна стає індустріальною країною. Випуск ВПТТТ здійснюється на ряді об’єктів і підприємств: Краматорський, Нікопольський, Одеський, Олександрійський, Харківський, дрогобицький. Деякі заводи випускають крани, автонавантажувачі та транспортувальні машини (конвеєри) – Львівський, Харківський.

На створення сучасних конструкцій ВПТТТ суттєвим впливом була праця професора І.О.Вишнеградського “Курс підйомних машин” (1872р.).

В розвитку і розробці теорії ВПТТТ слід відзначити таких вчених, як О.О.Співаковський, С.П.Гамелля, М.Ф.Руденко, Б.С.Ковальський, М.С.Комаров, Ф.К.Іванченко, С.А.Казак та інші. Український вчений-винахідник, піонер розробки ракетної техніки і теорії польоту космічних кораблів Юрій Кондратюк (Олександр Шегрей) працював в галузі механізації обладнання елеваторної техніки, розробляв великі споруди (вітроелектростанцію).

Слід відзначити сучасні наукові, проектні інститути та виробничі об’єднання в галузі ВПТТТ: Укрінкран, Краян (Одеса), Укркраненерго (Харків), НВП НД, ІПТМАШ (Краматорськ).

1.2. Основні задачі дисципліни ВПТТТ,

її розділи та місце серед інших дисциплін

Предмет “Вантажопідйомна, транспортуюча та транспортна техніка” це один з заключних в загальноінженерній підготовці студентів, присвячений вивчення конструкцій, основ теорії та розрахунку вантажопідйомних, транспортуючих машин.

Дисципліна ВПТТТ базується на знаннях з математики, фізики, теоретичної механіки, креслення, матеріалознавства, теорії механізмів і машин (ТММ), опору матеріалів, деталей машин, електротехніки та ін.

Місце ВПТТТ серед інших дисциплін показано на рис.1.1.

Місце ВПТТ серед інших дисциплін

Рис. 1.1.

1.3. Класифікація вантажопідйомної, транспортуючої та транспортної техніки

По принципу роботи, будові та розрахунку ВПТТТ можна поділити на вантажопідйомні, транспортуючі та транспортні машини. Вантажопідйомні машини відносяться до машин циклічної дії (переривистістю роботи) і мають механізм підйому.

До них відносяться: підйомні механізми, крани, підйомники, маніпулятори і роботи (рис. 1.3, 1.4).

Підйомні механізми – прості стаціонарні, переносні і пересувні пристрої (домкрати, поліспасти, талі і лебідки). Вони здійснюють вертикальний рух вантажу.

Крани – машини з одним, двома, трьома і більше механізмів, встановлених на єдиному кістяку(металоконструкції). До них відносяться мостові, консольні, поворотні, велосипедні та інші крани. В них вантаж крім вертикального підйому здійснює горизонтальний рух.

Підйомники – машини з платформою, ковшем або кабіною, які пересуваються по направляючим. До них відносяться будівельні підйомники, ковшові (скипові) та ліфти вантажні (пасажирські), авто- або електронавантажувачі.

Будова курсу ВПТТТ показана на рис.1.2.

Маніпулятори – підйомні пристрої для підйому та переміщення заготовок, готових виробів. Керування здійснюється робітником дистанційно або безпосередньо, а також можуть діяти автономно.

Будова курсу ВПТТТ

Рис. 1.2.

Роботи – машини, оснащені маніпуляторами, рух ланок яких у кінематичній парі здійснюється від індивідуальних двигунів. Основні технічні характеристики промислових роботів – вантажопідйомність, обертальний момент та сила затискання. Роботи для вантажно-розвантажувальних операцій створюються на базі мостових, козлових, консольних та інших кранів і оснащуються змінними захватними пристроями (електромагнітними, механічними або вакуумними). У роботах е алгоритмічне і програмне забезпечення з керуванням ЕОМ.

Транспортуючі машини відносяться до машин безперервної дії – для транспортування однорідних масових вантажів (кускових і сипких). До них відносяться конвеєри (транспортери), пневматичні установки, гравітаційні пристрої.

Приводи ВПТТТ: гідравлічні, двигуни внутрішнього згоряння, дизель – електричний, електричний.

2. Вантажопідйомна техніка

2.1. Основні технічні параметри

Головними технічними параметрами являються:

- Qн, т – номінальна вантажопідйомність (найбільша допустима маса вантажу) на яку розраховується підйомна машина;

- Н, м – висота підйому – відстань по вертикалі від рівня основи до верхнього положення вантажозахватного пристрою;

- S, м – прогон (проліт) мосту, це відстань по горизонталі між вертикальними осями підкранових рейок. Для кранових візків ця відстань називається колією (К, м); базою візка або крана називається відстань між осями ходових коліс (Вв; Вкр);

- а, м – виліт стріли поворотного крана – найбільша відстань між вертикальною віссю вантажозахватного пристрою та віссю обертання крана;

- робочі швидкості різних механізмів в м/с (V – підйому вантажу; Vв – пересування візка; Vкр – пересування крана; частота обертання крана, nкр об/хв);

- Gк, т – маса крана;

- режим роботи.

2.2. Вимоги Держнаглядохоронпраці України

Досить велику увагу необхідно приділяти металоємкості машин та безпеці їх експлуатації. Маса машин має бути мінімальною, що приводить до економії металу. Надійність роботи вантажопідйомних машин повинна бути дуже високою: аварії можуть привести до людських жертв та великих матеріальних збитків. Тому при Кабінеті Міністрів України створений спеціальний Комітет нагляду за безпечним веденням робіт в промисловості та наглядом охорони праці – Держнаглядохоронпраці України.

Державний нормативний акт про охорону праці (ДНА ОП  №0.00-1.03.02), затверджений наказом Мінпраці та Соціальної політики України від 20.08.02 за №409, регламентує Правила будови і безпечної експлуатації вантажопідйомних кранів [22]. Ці Правила є обов’язковими для всіх міністерств, відомств, підприємств, організацій, юридичних та фізичних осіб, пов’язаних з проектуванням, виготовленням, монтажем, ремонтом, реконструкцією та діагностикою вантажопідйомних машин.

В даних Правилах наведені норми, яким мають відповідати виготовлені вантажопідйомні машини, а також вимоги до їх проектування, виготовлення, установки та безпечної експлуатації. Дані Правила поширюються на вантажопідйомні крани всіх типів.

Вантажопідйомні пристрої, механізми та машини

Рис. 2. 1.

а – клинові; б – гвинтові; в – рейкові; г – гідравлічні; д – поліспаст;

е – ланцюгова таль; ж – лебідка; з – підйомник шахтний;

і – підйомник будівельний; к – підйомник ковшовий;

л, м – навантажувачі


Крани

Рис. 2.2.

а – баштовий з картковою стрілою; б – баштовий з підйомною стрілою; в – стріловий самохідний гусеничний; г – стріловий автомобільний; д – самохідний на спеціальному шасі автомобільного типу з телескопічною стрілою та гідравлічним приводом механізмів; е – козловий; ж – мачтовий поворотний; з – кран-балка підвісна; і – тракторний трубоукладчика; к – стріловий самохідний на пневмоколісному ходу; л – мостовий


Основні параметри кранів

Рис. 2.3.

а – стрілового; б – пролітного (прогонного)

Терміни та визначення, що стосуються вантажопідйомних машин, установлюються нормативними документами (НД). Розроблення конструкторської документації на виготовлення вантажопідйомних машин мають здійснювати головні науково-дослідні та спеціалізовані організації, які мають дозвіл Держнаглядохоронпраці. Вантажопідйомні машини та їх складальні одиниці, придбані за кордоном, мають відповідати вимогам даних Правил. Паспорт, інструкція та інша документація, яка поставляється з вантажопідйомними машинами має бути перекладена на українську мову.

В Правилах наведені міжнародні стандарти ISO, згідно яких при проектуванні кранів необхідно враховувати умови їх експлуатації для забезпечення потрібного рівня безпеки та довговічності відповідно до вимог споживача.

2.3. Режими роботи (групи класифікації) механізмів та кранів

Підйомні механізми характеризуються циклічним режимом роботи з частими пусками та зупинками в період циклу. Режим роботи – це комплексна характеристика підйомних механізмів або кранів, яка враховує характер навантажень та їх тривалість. Він є одним із параметрів при розрахунках на міцність та опір втомленості деталей механізмів кранів. Залежно від режиму роботи механізму вибирають навантаження, потужність двигуна, розраховують гальма, вибирають запаси міцності для канатів, захватних пристроїв, редукторів, барабанів, ходових коліс, визначають час роботи елементів крана.

Режим роботи визначають за сукупністю таких факторів, як відносна тривалість вмикання механізму, коефіцієнти використання за вантажопідйомністю, добового, змінного та річного використання.

Відносна тривалість вмикання, %:

                                    ,                                                  (2.1)

де– сумарна тривалість роботи за цикл, с;– сумарний час циклу, с.

Сумарна тривалість циклу:

                                      ,                                      (2.2)

де – сумарний час пуску (розгону двигуна); – сумарний час усталеного руху; – сумарний час гальмування; – сумарний час зупинок (пауз).

Сумарна тривалість роботи механізму:

                                   .                                                      (2.3)

За нормами Держгіртехнагляду передбачено п’ять режимів роботи кранових механізмів: Р – ручний; Л – легкий, ТВ=15%; С – середній, ТВ=25%; важкий, ТВ=40%; дуже важкий, ТВ=60%. Режим роботи крана визначається режимом роботи механізму підйому.

Наведена методика визначення режимів має певні вади: вона не пов’язана з довговічністю, вираженою в максимальній кількості робочих циклів та загальній тривалості використання (годин), коефіцієнтами навантаження.

Міжнародний стандарт ISO 4301/1 ([22], с.98) встановлює нову класифікацію кранових механізмів та кранів з групами режимів роботи, які залежать від класу використання та режиму навантаження.

Група класифікації (режиму роботи) кранів визначається залежно від класу використання, що характеризується величиною максимального числа циклів за заданий термін служби та коефіцієнтом розподілу навантажень.

Таблиця 2.1

Наближене співвідношення групи режимів

роботи механізмів кранів

За ISO 4301/1

За нормами Держгіртехнагляду

М1

Р

М2

Р; ТВ=15%

М3

Р; ТВ=15%

М4

ТВ=15%

М5

ТВ=25%

М6

ТВ=25%; ТВ=40%

М7

ТВ=40%

М8

ТВ=60%

Група класифікації (режиму) механізмів визначається залежно від використання механізму, що характеризується загальною тривалістю використання механізму в годинах та коефіцієнтом розподілу навантажень.

Ці класифікації розглядають тільки умови роботи. Вони використовуються для раціонального проектування кранів і механізмів та є основою для взаємовідносин між споживачем та виготівником.

Групи режимів роботи за різними класифікаціями наведено в табл. 2.1.

Продуктивність характеризує масову або об’ємну кількість певного виду вантажу за одиницю часу (годину, добу, зміну, рік).

Технічна продуктивність:

                                        , т/год,                                               (2.4)

де Q – маса вантажу, т; пц – число циклів за годину, яке рівне:

                                        .                                               (2.5)

Експлуатаційна продуктивність, т/год:

                                       ,                              (2.6)

де Кв – коефіцієнт використання механізму по вантажопідйомності; Кч – коефіцієнт використання машини протягом години:

                                               ,                                               (2.7)

де Qср – середня маса вантажу, що піднімається протягом зміни;      Q – номінальна вантажопідйомність.

Середньорічна продуктивність, т/рік:

                                      ,                                     (2.8)

де Кд – коефіцієнт добового використання механізму:

                                            ,                                                    (2.9)

де tд – кількість годин роботи механізму за добу; Кр – коефіцієнт річного використання механізму:

                                         ,                                               (2.10)

де Др –число днів роботи крана за рік.

Для сипких та рідких вантажів (пісок, шлак, бетон та ін.) маса вантажу:

                                          , т,                                                     (2.11)

де V, м3 – ємкість (місткість) посудини (грейфера); γ, т/м3 – для сипких вантажів – щільність, (об’ємна маса) для рідких – густина;  Ψ – коефіцієнт наповнення посудини, Ψ<1.


Конструкційні матеріали

Матеріали повинні мати високі механічні характеристики та високу границю втомленості. Для відливок використовують чавун СЧ12; СЧ15; СЧ18; МСЧ28; сталь25Л, 35Л,55Л. Для металоконструкцій використовується вуглецеві сталі Ст.0, Ст.2, Ст.3. Для відповідальних деталей та металоконструкцій – сталь М16С; сталь 20, 30, 35, 45. для пружин – сталь 60С2; сталь 65Г.

2.4. Елементи вантажопідйомних машин

Гнучкі підйомні органи являються складовим елементом підйомного механізму і служить для підвішування крюкових або інших вантажозахватних пристроїв (грейферів, кліщових захватів, траверс, вантажних скоб або підйомних електромагнітів). Вони діляться на вантажні ланцюги та канати. Вимоги: гнучкість, зручність кріплення, мале відносне видовження під вантажом, міцність, зносостійкість, простота виготовлення, невисока вартість.

2.4.1. Вантажні ланцюги та зірочки

Вантажні ланцюги по конструкції діляться на зварні та пластичні (рис. 2.4).

Зварні ланцюги (рис. 2.4, а, б) виготовляються згідно          ГОСТу 2319-81 і використовуються в механізмах підйому в ручних талях, рідше з машинним приводом при вантажопідйомності Q  5т і швидкості підйому V 0,1м/с.

Вони складаються з овальних взаємно перпендикулярних ланок. Виготовляють зварні ланцюги з сталевих прутків марок сталь10; сталь Ст.3, зварка ланки електродугова контактна з наступною термообробкою.

По довжині ланок вони діляться на довголанкові Р3d та коротколанкові Р<3d – використовують для підйому вантажів. Ланцюги бувають калібровані (з допустимими відхиленням по кроку 0,08d) і некалібровані (з допуском 0,1d).

Перші використовуються для роботи на зірочках, другі на блоках, гладких барабанах в якості чалочних (рис. 2.5).

Розрахунок ланцюга виконується згідно Правил Держнаглядохоронпраці, виходячи з розривної сили:

                                      ,                                                      (2.12)

де Fл – робочий натяг ланцюга; Кз – коефіцієнт запасу міцності.

Ланцюги вантажні

Рис. 2.4.

а – калібровані; б – некалібровані; в – пластинчасті:

1 – пластина; 2 – валок; 3 – шплінт; 4 – шайба;

5 – типи пластин: проста та фасонна

Блоки та зірочки вантажних ланцюгів

Рис. 2.5.

а – гладкий блок з бортами; б – блок- зірочка для каліброваного

зварного ланцюга; в – зірочка для пластинчастого ланцюга

Ланцюгові блоки (рис 2.5, а) як направляючі для некаліброваних зварних ланцюгів з гладким профілем жолоба  на ободі виготовляють з чавуну СЧ15, сталі 25Л. Робочий діаметр блока при ручному приводі становить D20d, при машинному приводі D20d. Ширина обода b=B+2,4d; робоча висота рівчака е=0,5В.

Таблиця 2.2

Мінімальні коефіцієнти запасу міцності зварних ланцюгів

Призначення ланцюга

Групи класифікації механізму

М1, М2

М3...М8

Вантажний, що працює

на рівному барабані

3

6

Вантажний, що працює

на зірочці (калібрований)

3

8

Для строків

5

5

Блок-зірочка (рис. 2.5, б)для переміщення та направлення руху каліброваних ланцюгів виготовляють з чавуну СЧ15, сталі 25Л, 35Л. Число зубців (граней) приймають z=5...6.

Розрахунковий діаметр зірочки:

                              .                          (2.13)

Ланцюги вантажні пластинчасті виготовляються згідно ГОСТ 191-82 та використовуються у вантажопідйомних механізмах з ручним приводом: ручні талі та електричних механізмах підйому при вантажопідйомності Q≤20т та швидкості підйому V≤0,25м/с.

Ланцюг (рис. 2.5, в) складається з пластин 1 з отворами, в які вставлені валки 2 з отворами під шплінти 3.

Кількість пластин в одній ланці залежить від розривної сили і може бути 4...12.

Пластинки і валки виготовляються з сталі 40, 45 та 50 з границею міцності до 600МПа.

Вибір вантажного пластинчастого ланцюга здійснюється, виходячи з розрахункової розривної сили:

                                                ,                                            (2.14)

де Fл – найбільша робоча сила натягу ланцюга; Кз – коефіцієнт запасу міцності: Кз=3...5 – в механізмах з ручним приводом;  Кз=6...8 – в лебідках і талях з машинним приводом.

Вибираються крок та інші параметри ланцюгів по розривній силі.

Зірочки пластинчатих ланцюгів (рис. 2.5, в) виготовляють з сталі Ст. 4, Ст. 5 та із сталі 55 виконують згідно ГОСТ 592-81. Вони нагадують зубчасті колеса, зубці яких входять між пластини ланцюгів, валки розміщуються в западинах. Кількість зубців приймають Z=6..8, чим досягається компактність механізму.

Діаметр ділильного кола зірочки, мм:

                                                 ,                                        (2.15)

де Р – крок ланцюга, мм; z – прийняте число зубців зірочки.

2.4.2. Підйомні канати та поліспасти

У вантажопідйомних пристроях в якості гнучких підйомних органів (рис. 2.6) частіше всього використовують сталеві дротяні канати (рис. 2.6, в…з). При роботі дроти сприймають напруження згину, контактні, розтягу, скручування та стираються.

Сталевий дротяний канат скручується суканням високоміцних дротів діаметром 0,2...3мм високоякісних марок В1 або В11 по ГОСТ 7372-79, які мають границю міцності при розтягу 1300-2400МПа. Звиті дроти утворюють сталку (стренгу). Переважно шість сталок скручують навколо осердя, утворюючи канат двойної звивки – трос.

Осердя бувають з прядива (коноплі), азбестові та з м’якого сталевого дроту. Перші надають канату гнучкість та затримують мастило для подальшого змащування при роботі. Осердя другі і треті використовуються в канатах для роботи в зоні високих температур. Виготовляють осердя також з синтетичних волокон (капрон, нейлон).

Канати (по способу звивки дротів в сталки) класифікують на типи: ТК – з точковим контактом дротів у сталці, ЛК – лінійним, ТЛК – точково-лінійним. Канати типу ЛК, виготовлені з двохшарових сталок ділять на канати з дротами: рівного діаметра сталки ЛК-0; різного діаметра по зовнішньому шару сталки ЛК-Р. Канати типу ЛК більш гнучкі, довговічніші, міцніші і використовуються переважно в механізмах підйому. В канатах ТЛК два шари дроту сукані в одну сторону, а третій – в протилежний. Сукання дротів у сталку, а сталки в канат може бути протилежного напрямку (хрестове); а коли дроти сукані в сталці і сталки в канат в одному напрямку – однобічне (паралельне). Перевага сталевих дротяних канатів: міцність та гнучкість у всіх напрямках, довговічність, надійність, добре амортизують поштовхи, безшумність в роботі, високі робочі швидкості: V=2м/с і більше.

Канати

Рис. 2.6.

З волокнистих матеріалів: а – тристалкові; б – девятисталкові;

сталеві здвоєної скрутки типу: в – типу ТК конструкції 6х19 (1+6+12)+1 (ГОСТ 3070-80); г – ЛК-О конструкції 6х19 (1+9+9)+1о.с. (ГОСТ 3077-80); д – ЛК-Р конструкції 6х19 (1+6+6/6)+1о.с. (ГОСТ 2688-80);

е – ТЛК-О конструкції 6х37 (1+6+15+15)+1о.с. (ГОСТ 3079-80);

ж – ЛК-РО конструкції 6х36 (1+7+7/7+14)+1о.с. (ГОСТ 7688-80);

з – ЛК-З конструкції 6х25 (1+6; 6+12)+7х7(1+6) (ГОСТ 7667-80)


Таблиця 2.3

Технічні характеристик сталевих канатів подвійної звивки типу

ЛК-Р конструкції 6х19 (1+6+6/6)+1о.с. (ГОСТ 2688-80)

Діаметр каната,

dк мм

Розрахункова площа перерізу всіх дротиків, мм2

Наближена маса

1000 м змащеного каната, кг

Маркірована група, МПа (Кгс/мм2)

1470 (150)

1569 (160)

1666 (170)

1764 (180)

1862 (190)

1960 (200)

Розривна сила каната

3,8

55,1

8,4

8,75

9,35

4,1

64,1

9,75

10,15

10,85

4,5

73,9

11,25

11,75

12,5

4,6

84,4

12,85

13,1

13,9

5,1

95,5

14,6

15,15

15,8

5,6

118,5

15,8

16,8

17,8

18,55

19,35

6,2

14,47

141,6

19,25

20,4

21,1

22,25

23,45

6,9

18,05

176,6

24,0

25,5

26,3

27,45

28,7

8,3

26,15

256,0

34,8

36,95

38,15

39,55

41,6

9,1

31,18

305,0

41,55

44,1

45,45

47,5

49,6

9,9

36,68

358,6

48,85

51,85

53,45

55,95

58,35

11,0

47,19

461,6

62,85

66,75

68,80

72,0

75,15

12,0

53,87

527,0

71,75

76,20

78,55

81,9

85,75

13,0

61,00

596,6

76,19

81,25

86,30

89,0

92,8

97,0

14,0

74,40

728,0

92,85

98,95

105,0

108,0

112,5

118,0

15,0

86,28

844,0

107,0

114,5

122,0

125,5

131,0

137,0

16,5

104,61

1025,0

130,0

139,0

147,5

152,0

159,0

166,0

18,0

124,73

1220,0

155,0

166,0

176,0

181,5

189,5

198,0

19,5

143,61

1405,0

179,5

191,0

203,0

209,0

281,5

228,0

21,0

167,03

1635,0

208,0

222,0

236,0

243,5

254,0

265,5

Таблиця 2.4

Мінімально допустимий коефіцієнт використання каната

(мінімальний коефіцієнт запасу міцності)

Група

класифікації механізму

за ISO 4301/1

Мінімально допустимий

коефіцієнт використання каната, Zр

рухомі канати

нерухомі канати

М1

3,15

2,5

М2

3,35

2,5

М3

3,55

3,0

М4

4,0

3,5

М5

4,5

4,0

М6

5,6

4,5

М7

7,1

5,0

М8

9,0

5,0


Розрахунок канатів зводиться до підбору діаметра каната з таблиць (табл.2.3) по розривній силі, яка визначається по формулі Держнаглядохоронпраці:

                                     ,                                       (2.16)

де Fк – найбільша робоча сила натягу каната; zр – коефіцієнт запасу міцності (коефіцієнт використання каната), вибирається в залежності від режиму роботи з табл. 2.4.

Блоки (рис. 2.7) служать для зміни напрямку руху каната, а також являються елементами блочних систем-поліспастів. Матеріал блоків: чавун С415; С428; сталь 25Л; 35Л; сталь Ст. 3 – зварні.

По рухомості осі в просторі блоки ділять на нерухомі (рис. 2.7, а; рис. 2.8, а)та рухомі (рис. 2.7, б, в; рис. 2.8, б, в).

Розрахункова схема блоків

Рис. 2.7.

Для нерухомого блока сила натягу Fк і швидкість вітки каната:

                                      , ;                                          (2.17)

- для рухомого блока (рис. 1.9, б):

                                      , ;                                        (2.18)

- для рухомого блока (рис. 2.7, в) сила поршня F і швидкість штока Vs:

                                       , ;                                    (2.19)

де Q – маса вантажу; hбл – коефіцієнт корисної дії блока.

Використовуючи нерухомі блоки, немає виграшу ні в силі, ні в швидкості – просто зручність при експлуатації.

При рухомому блоці (рис. 2.7, б) сила у вітці каната Fк зменшується вдвічі і збільшується швидкість Vк вдвічі.

При рухомому блоці (рис. 2.7, в) збільшується сила F вдвічі, а швидкість блока Vs зменшується вдвічі, тобто при ході штока гідроциліндра h висота підйому вантажу: H=2h. Остання схема використовується в гідравлічних підйомних механізмах (авто- та електронавантажувачах).

Діаметр блока (рис. 2.8, е) по середній ліній навитого каната (осі каната) визначається по формулі Держнаглядохоронпраці:

                                                 ,                                             (2.20)

де h2 – коефіцієнт вибору діаметра блока залежить від групи класифікації механізму (режиму роботи), вибираються з табл. 2.5.

Таблиця 2.5

Мінімальні коефіцієнти діаметрів барабана h1,

блока h2 та зрівнювального блока h3

Група

класифікації механізму

за ISO 4301/1

Мінімальні коефіцієнти вибору діаметрів

барабана h1

блока h2

зрівнювального блока h3

М1

11,2

12,5

11,0

М2

12,5

14,0

12,5

М3

14,0

16,0

12,5

М4

16,0

18,0

14,0

М5

18,0

20,0

14,0

М6

20,0

22,4

16,0

М7

22,4

25,0

16,0

М8

25,0

28,0

18,0

Профіль жолоба на ободі блока виконується таким, щоб канат заходив у рівчак щільно, без лишніх зазорів, але не заклинювався в ньому.

Робочий діаметр блока по дну рівчака:

                                                    .                                    (2.21)

Для забезпечення цих умов радіус рівчака: r=(0,6…0,7)dк; висота рівчака: h=(1,5…2)dк; ширина рівчака на поверхні обода: b=(2…3)dк; ширина обода: Bбл=3,5dк; кут розхилу рівчака β=45…600 дозволяє бічний відхил каната в межах до 60.

Зовнішній діаметр блока:

                                                       .                                     (2.22)

Коефіцієнт корисної дії блока можна визначити по формулі:

                                               ,                             (2.23)

де Fід.к – ідеальна сила натягу каната (без втрат); Fп – додаткова сила в канаті для переборення тертя в підшипниках блока; Fкс – додаткова сила на переборення жорсткості каната при набіганні на блок;  – переміщення кінця вітки каната.

За даними практики приймають hбл=0,96 – коли блок встановлений на підшипниках ковзання; hбл=0,98 – на підшипниках кочення.

Поліспасти канатні (підйомні механізми) – пристрої для підйому та опускання вантажу, складаються з рухомих і нерухомих блоків, змонтованих в обоймах, які обгинаються канатом.

Вони можуть бути самостійним підйомним пристроєм            (рис. 2.9, л) або входити в склад вантажопідйомних машин.

Поліспасти використовуються для зменшення (виграшу) сили у вітках канату, або збільшення висоти підйому в гідравлічних підйомних механізмах (навантажувачах).

Поліспасти діляться на одинарні та здвоєні (рис. 2.9), залежно від числа віток канатів, які набігають на барабан.

В одинарному поліспасті вітка каната послідовно оббігає блоки на барабан. Здвоєні поліспасти складаються з двох одинарних поліспастів і “з’єднаних” зрівнювальним блоком 1 (рис. 2.9, е). Робочий діаметр зрівнювального блока можна визначити аналогічно робочих блока або становить приблизно 0,6...0,8 діаметра робочого блока.


Блоки канатні

Рис. 2.8.

а – нерухомий; б, в – рухомі; г – відливний; д – рівчаки футеровані;

е – рівчак нефутерований; є – підвісний


Схеми поліспастів

Рис. 2.9.

а, б, в, г, д, л – одинарні; е – здвоєний; є, и, й, к – гідравлічні

швидкісні; м, н – диференційні; о – степеневий

У стрілових кранах вітка каната сходить на барабан з нерухомого блока (рис 2.9, б, е, д, й, л), а в мостових і козлових - з рухомого блока (рис. 2.9, а, в, е). Основною характеристикою є кратність іп, тобто відношення швидкості навивки вітки каната на барабан (Vк=Vб), до швидкості підйому вантажу:

                                                  ,                             (2.24)

де Vб – швидкість каната на барабані.

Кратність поліспаста можна визначити по формулі:

                                                   ,                                                (2.25)

де zкількість несучих віток каната; aкількість віток каната, що набігає на барабан (а=1 – для одинарних поліспастів; а=2 – для здвоєних).

Для визначення сили натягу вітки каната, що іде на барабан, візьмемо схему поліспаста у такому вигляді (2.10).

Схема підвіски вантажу

Рис. 2.10.

При підніманні вантажу, внаслідок втрат на блоках, сили натягу в несучих вітках будуть неоднакові:

; ; ;

                                            ; .                            (2.26)

Рівняння рівноваги системи на  z вітках:

                             .               (2.27)

Обчисливши суму геометричної прогресії, записуємо формулу:

                                      ,                                                (2.28)

де іп=z – для простого поліспаста.

Для вітки каната, що набігає з нерухомого блока на барабан, сила в канаті:

                                      ,                                              (2.29)

де t – кількість нерухомих блоків, рахуючи від барабана до першого рухомого блока.

Силу Fк  зручно визначати по формулі:

                                         ,                                                     (2.30)

де ηпс – загальний к.к.д. поліспастної системи.

Загальний к.к.д. поліспастної системи, виходячи з відношення робіт корисної до затраченої:

                                         .                                          (2.31)

Значення ηпс зручно вибрати з табл. 2.6.

Таблиця 2.6

Значення  в залежності від іп та t (при )

іп

t 

1

2

3

4

5

6

7

8

0

0,995

0,990

0,982

0,970

0,961

0,951

0,942

0,933

1

0,975

0,975

0,962

0,951

0,942

0,932

0,923

0,914

2

0,957

0,951

0,943

0,932

0,923

0,913

0,905

0,896

3

0,936

0,932

0,924

0,913

0,904

0,895

0,886

0,878

4

0,918

0,918

0,905

0,895

0,886

0,869

0,869

0,860

Якщо вітка каната збігає на барабан з рухомого блока, то Fк=F1. Для зручності можна користуватись формулою:

                                                ,                                             (2.32)

де а – кількість віток, що набігає на барабан.


В гідравлічних (швидкісних) поліспастах, сила
F прикладена до рухомої обойми з блоком (поршня), а вантаж підвішується до вільного кінця каната: іп=(Vc /V)S.

Тоді висота підйому вантажу, при переміщенні штока на висоту h буде:

                                                   ;                                              (2.33)

сила на поршні для підйому вантажу:

                                        ,                                      (2.34)

де  – к.к.д. поліспаста;  – к.к.д. блока, t – число нерухомих направляючих блока рухаючи від вантажу до рухомого блока. Значення  вибирати з табл. 2.6.

В степеневих поліспастах (рис. 2.9, о) кратність поліспаста:

                                              ,                                                      (2.35)

де пбл – число рухомих блоків.

Сила в канаті біля барабана:

                                            .                                                 (2.36)

2.4.3. Барабани канатні

Барабани являються складовим елементом любого механізму підйому і служить для перетворення обертального руху привода в поступальний рух вантажу. Барабан також служить для розміщення каната на своїй поверхні.

Матеріал барабанів: чавун СЧ15; СЧ28; сталь 25Л, 35Л; сталь Ст.3 – зварні.

Барабани гладкі (рис. 2.11, а і рис. 2.12, а) використовуються для багатошарової нависки каната великої довжини. Для забезпечення правильної укладки кожного шару повинен бути канатоукладчик.

Робочий діаметр барабана визначається за формулою:

,

де h1 – коефіцієнт діаметра барабана залежить від групи класифікації механізму (режиму роботи), вибирається з табл. 2.5.


Конструкції барабанів

Рис. 2.11.

а – гладкий; б, в – нарізний; г – нарізний фрикційний

Крок розміщення каната на поверхні барабана Pк=dк. Число витків навивки каната в ряду:

                                          ,                                     (2.37)

де Н – висота підйому; m – число шарів навивки каната на барабані.

Робоча довжина барабана:

                                                   ,                                     (2.38)

де zзап – мінімальне число витків каната, навитих на барабані до кріплення, при нижньому положенні вантажозахватного пристрою, zзап=1,5…2, згідно п.4.26 Правил Держнаглядохоронпраці [22];         φ – коефіцієнт нерівномірності укладки каната на поверхні барабана, φ <1.

Згідно п.4.28 Правил при багатошаровій укладці каната реборди (фланці) з обох бокових сторін барабана повинна підніматись над верхнім шаром навивки не менше ніж на 2 діаметри каната (х ≥ 2dк).

Тоді зовнішній діаметр реборди:

,

                                     або .                              (2.39)

Товщина стінки:

– литво;

– зварні.

Нарізні барабани (рис. 2.11, б, в; рис. 2.12, в, г) використовуються при укладанні каната в один шар.


Спосіб з
єднання барабана з редуктором

Рис. 2.12.

В одинарних поліспастах барабани мають односторонню нарізку; в здвоєних поліспастах – дві зустрічні нарізки, а по середині гладка частина довжиною l0 (рис. 1.13, в).

Радіус канавки: R(0,6…0,7)dк; висота канавки: С0,3dк, крок нарізки: Ркdк+(2…3)dк (рис. 2.13).

В барабані з навивкою однієї вітки (рис. 2.11, б; рис. 2.12, г) реборда встановлюється з протилежної сторони кріплення каната. Барабани для здвоєних поліспастів виконують без реборд.

Канатоємкість барабана, тобто довжина каната, що намотується на барабан:

                                                     ,                                                  (2.40)

де Н – висота підйому вантажу.

Схема профілю нарізки

Рис. 2.13.

Число робочих витків нарізки барабана:

                                         ,                                       (2.41)

де D0 – діаметр барабана по центру каната (рис. 2.13), D0=h1dк.

Повне число витків нарізки барабана:

                                     .                     (2.42)

де z – число витків кріплення каната до барабана, z2; zзап – число запасних витків згідно Правил [22], zзап=1,5.

Повна довжина барабана

– для одинарного поліспаста:

                                                 ;                              (2.43)

– для здвоєного:

                                          .                          (2.44)

Розрахунок барабанів на міцність від каната, що намотується, стінки барабана сприймають напруження стиску, згину та кручення.

У коротких барабанах (LбDб) стінки барабана розраховуються на напруження стиску внутрішньої поверхні стінки:

                                                .                                (2.45)

Допустиме напруження стиску: []=100МПа – для чавунного литва; []=160МПа – для сталевого литва; []=180МПа – для зварних барабанів з сталі Ст.3.

При довгих барабанах Lб=(3…5)Dб – стінка барабана розраховується на сумарне напруження згину та кручення.

Згинаючий момент:

                                                  ,                                        (2.46)

де а – кількість виток каната, що набігає на барабан.

Крутний момент:

                                                     .                                    (2.47)

Сумарне напруження згину:

                                  ,                              (2.48)

де Wзг , мм3 – момент опору барабана:

                                           .                                (2.49)

Допустиме напруження для довгих барабанів: []=23МПа – для чавунного литва; []=120МПа – для сталевого литва; []=140МПа – для зварних барабанів.

Коефіцієнт корисної дії барабанів ηб враховує додаткові втрати, обумовлені переборенням моменту тертя в підшипниках барабана п) та переборенням моменту жорсткості каната ж):

                                ,                     (2.50)

де Δφ – кут повороту барабана; ηб=0,97 – коли барабан встановлений на підшипниках ковзання; ηб=0,99 – барабан на підшипниках кочення.

В сучасних конструкціях механізмах підйому розміщення та з’єднання барабанів з редуктором найбільш поширеним використовують за допомогою спеціальної зубчастої муфти, вмонтованої в барабан (рис. 2.12, а, в).

Ліва сторона осі встановлюється на сферичному підшипнику всередині виточки кінця вала з зубчастим зовнішнім вінцем редуктора. Сферичний підшипник компенсує неточності монтажу.

2.4.4. Кріплення каната на барабані

Згідно п.4.14 Правил [22] кріплення каната до барабана повинно здійснюватись способом, який допускає заміну каната. Кріплення кінця каната на барабані повинно бути просте по конструкції, надійне, зручне для огляду та легкої заміни каната. В барабанах з багатошаровою навивкою каната кріплення здійснюється через клинову накладку болтами всередині барабана (рис. 2.12, а), клином (при діаметрах каната до 12мм), що закладається в канат барабана (рис. 2.12, е), або за допомогою накладної планки до борту (реборди) барабана. В барабанах з нарізкою і одношарового каната на барабан використовується кріплення одноболтовими накладками (рис. 2.12, д).

Кількість планок визначається розрахунком, але їх повинно бути не менше двох (п.4.14, [22]), а довжина вільного кінця каната від останньої планки на барабані повинна бути не менше двох діаметрів каната (2dк). Розміщення планок на поверхні барабана встановлюється конструктивно, але частіше під кутом 600.

Розрахунок виконується на невитягування каната з під кріплення. При цьому враховується, що запасні витки (zзап=1,5…2) каната на барабані до кріплення при нижньому положенні вантажозахватного пристрою ослаблюють силу натягу F0 каната біля кріплення:

                                                      ,                                             (2.51)

де Fк – робоча сила натягу вітки каната; е – основа натурального логарифму, е=2,72; f – коефіцієнт тертя між канатом і поверхнею барабана, f=0,12…0,16; α, рад – кут обхвату канатом барабана, що відповідає 1,5 запасним виткам, α = 3π.

Розміри одноболтових накладок наведені в табл. 1.7.

Таблиця 2.7

Розміри накладок в мм

dк

а

b

h

c

d

f

z

4,2…4,8

25

25

8

1,5

9

9

5

4,9…6,2

25

25

8

1,5

9

9

5

6,3…7,7

30

30

10

1,5

11

11

6

7,8…8,7

35

35

10

1,5

11

11

8

8,8…10,0

40

40

12

1,5

13

13

9

10,1…12,0

40

40

12

1,5

13

13

10

12,1…14,0

45

45

14

2

13

13

11

14,1…17,0

55

50

16

2,5

17

18

12

17,1…20,0

65

55

18

3

22

22

14

20,1…23,0

75

60

22

3,5

26

25

16

Схема накладки

Рис. 2.14.

Розрахунок одноболтового кріплення каната до барабана

на прикладі двохпланкового та багатопланочного

наведено в роботі [7]

Канат на барабані під накладками утримується силами тертя, величина яких:

                                            ,                                    (2.52)

де FH – сила затяжки одного болта (шпильки); f1 – приведений коефіцієнт тертя між канатом і планкою. В планках з півкруглим рівчаком f1=f.

Для необхідного кріплення каната на барабані та виключення згину болта (шпильки) необхідно виконати умову FtF1.

Розрахункова схема кріплення

Рис. 2.15.

Розрахунок сил натягу каната до барабана в точках 1/; 2/; 3/; та 4/ виконати методом обходу по контуру поверхні барабана, котрий використовується в транспортуючих машинах (транспортери з гнучким тяговим органом):

;

;

;

              .          (2.53)

Враховуючи, що α+α1=2 та F4=F0 з останнього виразу отримуємо силу затяжки болта (шпильки):

                           .                 (2.54)

Аналогічно отримана сила затяжки

 – для трьохпланкового кріплення:

                   ;             (2.55)

 – для чотирьохпланкового кріплення:

            ;        (2.56)

 – при z планках:

   .     (2.57)

Вираз  являє собою геометричну прогресію, сума якої рівна .

Тоді:

;

                  .         (2.58)

Позначимо вираз  буквою К:

                                       .                                  (2.59)

Значення К в залежності від z, α, f наведені в табл. 2.8.

Останній вираз дозволяє більш точно визначити силу затяжки болта (шпильки) багатопланочного кріплення каната на барабані.

Момент, що згинає болт:

                                                      ,                                       (2.60)

де l – плече згину.

Сумарне напруження в стержні болта з врахуванням сил розтягу та згину:

                           ,                           (2.61)

де d1 – внутрішній діаметр різьби шпильки і болта; КН  – коефіцієнт надійності кріплення, КН ≥1,5; КЗ – коефіцієнт, що враховує напруження кручення при затяжці шпильки, КЗ=1,3; l – плече сили.

Таблиця 2.8

Значення К в залежності від z, α, f

Число

планок,

z

Кут

розміщення,

α1

Коефіцієнт тертя

0,10

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

2

30

60

90

120

0,341

0,329

0,318

0,310

0,323

0,315

0,306

0,296

0,310

0,300

0,289

0,280

0,296

0,285

0,275

0,265

0,284

0,272

0,260

0,250

0,271

0,258

0,248

0,236

0,256

0,245

0,235

0,224

3

30

60

90

0,223

0,207

0,195

0,210

0,198

0,185

0,201

0,187

0,174

0,190

0,178

0,164

0,182

0,168

0,154

0,173

0,158

0,145

0,163

0,150

0,136

4

30

60

0,162

0,145

0,152

0,139

0,145

0,131

0,137

0,123

0,130

0,116

0,125

0,109

0,117

0,102

5

15

30

0,135

0,125

0,128

0,118

0,121

0,113

0,116

0,106

0,108

0,101

0,103

0,096

0,097

0,090

6

15

30

0,111

0,102

0,103

0,096

0,099

0,092

0,095

0,085

0,089

0,081

0,084

0,076

0,079

0,072

Допустиме напруження розтягу для матеріалу шпильки:

                                                 ,                                         (2.62)

де  – межа текучості матеріалу, МПа; [S] необхідний коефіцієнт запасу, с.31 [23].

2.4.5. Фрикційні барабани кранів

Фрикційні барабани (рис. 2.11, г)  використовуються в механізмах переміщення візка , візка електроталі (рис. 2.16) зміни вильоту в поворотних кранах. Фрикційний барабан має гвинтовий рівчак для розміщення на поверхні каната з достатньо великим кутом охвату. Переміщення візка можливе в обидві сторони. Кінці каната кріпляться з двох сторін до візка, а сам канат намотаний на поверхні барабана. За рахунок сил тертя між витками каната і поверхнею барабана здійснюється переміщення візка; при цьому у вітках каната біля барабана виникають сили Fвч та Fвн. Сила натягу веденої вітки Fвн здійснюється за рахунок її власної маси.

Фрикційні барабани кранів

Рис. 2.16

а – стрілового; б - козлового

Колова сила, що передається канатоведучим (фрикційним) барабаном:

                                                  .                                         (2.63)

Для запобігання пробуксовування каната на барабані необхідно, щоб:

                                                 ,                                         (2.64)

де f – коефіцієнт тертя між канатом та поверхнею барабана, f=0,15...0,2; – кут охвату канатом барабана, радіан (=7);             е – основа натурального логарифму, е=2,72.

Загальна довжина барабана:

                                         ,                              (2.65)

де l – довжина переміщення візка по стрілі; Dо – діаметр барабана по центру каната; zв – число робочих витків намотаного каната на барабані, zв=(/2)3,5; рк – крок канату.

Швидкість візка:

                                              ,                                            (2.66)

де б – кутова швидкість барабана, рад/с.

Колова (тягова) сила Ft  на барабані дорівнює силі опору Fоп.в , переміщення візка Fоп.в і здійснює його рух, тобто Ft = Fоп.в .

Необхідна потужність двигуна:

                                                 .                                          (2.67)

Якщо для передачі корисної сили достатньо менше одного витка каната навколо барабана, то використовуються канатоведучі блоки – барабани з одним жолобом. Кут охвату такого блока становить = радіан (рис. 2.17).

Збільшення тягової здатності канатоведучих блоків досягається за рахунок збільшення тертя робочої поверхні блока з канатом за рахунок футерівки робочої поверхні матеріалами з високим коефіцієнтом тертя, використання блоків трапецевидного перерізу, в яких канат заклинюється. Канатоведучі блоки використовуються в ліфтових лебідках.

Канатоведучі блоки

Рис. 2.17.

а – загальний вигляд; б – профілі ободів

2.4.6. Вантажозахватні пристрої

Вони використовуються для захвату штучних та сипких вантажів.

Для захвату штучних вантажів використовують крюкову підвіску, до крюка якої підвішуються різні проміжні захватні пристрої.

Для транспортування будівельних розчинів використовують ємкості, а для сипких, кускових та штучних матеріалів – грейфери.

Види вантажозахватних пристроїв для захвату штучних та сипких вантажів:

  1.  Стропи, траверси та крюкові підвіски;
  2.  Захвати кліщового типу, ексцентрикові (для підйому штучних вантажів);
  3.  Грейфери (для захвату сипких та кускових вантажів);
  4.  Підйомні електромагніти;
  5.  Ковші (для підйому, транспортування сипких і рідких вантажів);
  6.  Платформи (піддони) для вантажів різних габаритів або однакових;
  7.  Корзини та низькогабаритні ящики;
  8.  Контейнери.

Деякі з них наведені на рис. 2.18 і 2.19.

Вимоги до вантажозахватних пристроїв:

  1.  Надійність та безпечність в роботі (безпека людей, збереження вантажу) в будь-якому випадку;
  2.  Мінімальні затрати часу для захвату і знімання вантажу;
  3.  Мала власна маса пристрою;
  4.  Невелика доля участі робочих в процесі захвату та розвантаження вантажу;
  5.  Зручність в обслуговуванні;
  6.  Простота та невисока вартість конструкції.

Стропи є універсальними вантажопідйомними пристроями. Крюкові, петлеві та інші стропи бувають канатні або ланцюгові. Стропи виготовляються з відрізка сталевого каната або зварного ланцюга, у якого з однієї сторони робиться вушко, а на другому – кріпиться крюк.

Стропи повинні накладатись на вантаж без перекручування, використовуватись спеціальні підкладки під гострі ребра вантажу, для запобігання від пошкодження.

Вантажні траверси застосовують для підйому довгих вантажів (балок, листів, труб, прутків, ферм та ін.) використовують зварні траверси з сталевого прокату у вигляді балки або трикутної решітчастої ферми, які через сторони або петельки підвішуються на крюк підвіски (рис. 2.19). Вантаж підвішується до траверси за допомогою захватів у вигляді лап, стропів, електромагнітів, кліщових захватів та ін. (рис. 2.19, а…й).

Балки у вигляді консолі кріпляться до каретки автонавантажувачів (рис. 2.19, к, л). Вони використовуються для захвату крюком штучних вантажів зверху, а також для монтажу обладнання; використовуються для підйому і транспортування “громіздких” вантажів складної конфігурації.

Кліщові захвати використовують для захоплювання штучних вантажів. Конструкції захвату залежать від форми, розмірів та маси вантажів (рис. 2.20). Їх підвішують безпосередньо на крюк підвіски крана. Захвати працюють по принципу защемлення упорами (лапами) 4 вантажу масою Q під дією його сили тяжіння. Важільна система утримує вантаж силою тертя (рис. 2.20, к).

Стропи

Рис. 2.18.

а – конструкція; б – способи кріплення вантажів


Вантажні траверси в поєднанні з стропами та іншими захватами

Рис. 2.19.

а, б, в, д, е, є, й – балочні; г – фермові; к, л – консольні

Кліщові захвати

Рис. 2.20.

а, б, в, г, д, е, є, й, л, м – конструкції; к – розрахункова схема

За рахунок перестановки осей нижніх тяг 2 відносно балки 3 можна захват пристосувати для захоплювання вантажів різних розмірів, тобто зробити його більш універсальним.

Сили, що виникають у верхніх тягах 1:

                                               ,                                   (2.68)

де – кут нахилу верхньої тяги, =45.

Сила натискування упорів для надійного утримання вантажу:

                                              ,                                       (2.69)

де кз – коефіцієнт надійності, кз=1,3...1,5; f – коефіцієнт тертя упору (лапи) відносно стінки  вантажу, що  піднімається  (f=0,12...0,15 –  по металу, f=0,35 – по дереву, f=0,5 – для упору з насічкою, f=0,7 – по бетону).

Загальне рівняння працездатності захвату отримаємо з умови рівноваги нижніх важелів 2 (наприклад, правого відносно точки О):

                                  .                                    (2.70)

Підставляючи в останнє рівняння значення F та Fн , отримаємо:

           ,                     (2.71)

або .

Задавшись розмірами а, b та кутом можна визначити плече с:

                                                                     (2.72)

Тяги 1 і балка 3 розраховуються на розтяг, важелі 2 – на згин та розтяг.

Грейфери

Рис. 2.21.

а – двох щелепний для сипких матеріалів; б – двохщелепний для

довгомірних вантажів (труб, колод); в, г – багатопелюсткові

для кускових матеріалів; д – моторний багато щелепний;

е – моторний двох щелепний; є – гідравлічний

(двох щелепний або двохковшовий)

Грейферні механізми – вантажозахватні пристрої, які призначені для механічного захвату, переміщення та механічного розвантаження сипких, кускових та штучних вантажів (пісок, руда, вугілля, пеньки, труби, лісоматеріали, дрова та ін.), рис. 2.21.

Ємкість грейферів V=0,4...10м3.

Грейфери бувають двохщелепні та багатощелепні (багатопелюсткові).

Привід: електричний, гідравлічний, електрогідравлічний, пневматичний. За типом приводу грейфери бувають двоканатні, одноканатні та моторні.

Типи грейферів за щільністю (об’ємною масою, т/м3) вантажу бувають: легкі – =0,5...1,0; середні – =1,1...2,0;                        важкі – =2,1...2,8.

Багатопелюсткові грейфери використовують для переміщення крупнокускових вантажів (руда, камінь, пеньки, вита металева стружка).

Маса вантажу:

                                                  ,                                                  (2.73)

де Vм – ємкість матеріалу, м3; - щільність сипкого вантажу, т/м3.

Наближено масу грейфера можна визначити в залежності від маси вантажу:

  •   для середнього типу:

                                                    ;                                                 (2.74)

  •  для легкого і важкого типів:

                                                    ,                                              (2.75)

де к=0,5...0,8 і к=1,2...1,6 – коефіцієнт відповідно для легкого та важкого типів.

Маса щелеп складає 0,4...0,5 маси самого грейфера.

Найбільше розповсюдження на підприємствах будівельної та хімічної індустрії отримали двохканатні грейфери.

Грейфер (рис. 2.22, а) складається з двох щелеп 1, шарнірно з’єднаних однією стороною з нижньою траверсою (поперечиною) 2, а другою – з чотирма тягами 3. Останні, в свою чергу, шарнірно з’єднані з верхньою траверсою 4.

Щелепи виготовляють зварними з вуглецевої сталі з ріжучими зубцями зі зносостійкої марганцевої сталі 13ГЛ. До нижньої траверси закріплений замикаючий (зачерпуючий) канат 5, а до верхньої – підйомний канат 6. Канати мають незалежне між собою керування (механізми). В грейфері замикаючий канат 5 часто запасовують між траверсами у вигляді поліспаста 8, вмонтованого в грейфер для забезпечення великих сил на ріжучих кромках грейфера при зачерпуванні вантажу (замиканні щелеп).

Цикли роботи двохканатного грейфера показані на рис. 2.22.

Схема роботи двохщелепного грейфера

Рис. 2.22.

а – опускання розкритого грейфера на вантаж

(канати 5 та 6 ідуть вниз); б – зачерпування вантажу

(канат 5 іде вверх); в – підйом закритого грейфера

з вантажем (канати 5 та 6 ідуть вверх); г – розвантаження

вантажу (канат 5 іде вниз, канат 6 зупинений)

Вантажопідйомні електромагніти 1 (рис. 2.23) використовують для підйому та утримання вантажів з феромагнітними властивостями (сталь, чавун) – плити, балки, металоконструкції, металобрухт, труби, листи, прутки, стружки, тощо, силами електромагнітної дії. Електромагніти працюють на постійному струмі і живляться від перетворювача струму (при роботі кранів на змінному струмі) через гнучкий електричний кабель 2, який намотується на кабельний барабан 3, що встановлюється на візку мостового крана або на поворотній платформі поворотного крана.

Корпус електромагніту 8 підвішується до крюка підвіски крана трьома ланцюговими стропами 7. Він виготовляється з маловуглецевої сталі 25Л, яка має високу магнітну проникність. В корпусі розміщені соленоїдні котушки 9, які знизу закриті шайбами 11 з немагнітного металу (мідь, бронза або високомарганцева сталь). Знизу закріплені болтами розміщені полюси: зовнішній кільцевий 10; внутрішній циліндричний 12, які утримують шайби.

Розміщення вантажного електромагніту на стріловому крані

Рис. 2.23.

а – загальний вигляд; б – два електромагніти на траверсі

Захват вантажу здійснюється при вмиканні електричного струму через електричний кабель в котушки електромагніту. Магнітний силовий потік котушок замикається через вантаж і здійснюється притягування вантажу. Звільнення вантажу проходить при вимиканні струму електромагніту.

Наявність марганцю або нікелю, а також підвищення температури металу (вантажу) до 200...500С різко зменшує підйомну силу електромагніту. При температурі вантажу більше 700С втрачається магнітна властивість металу, зникає підйомна сила і магніт забороняється використовувати. Перебування людей в зоні роботи електромагніту забороняється. Зона роботи електромагніту повинна бути відгороджена.

Крюкові підвіски отримали найбільше розповсюдження за їх універсальність.

Умовно поділяють крюкові підвіски нормальної довжини (з верхнім розміщенням одного або декількох блоків) та короткі – з нижнім розміщенням блоків (рис. 2.24).

Крюкові підвіски

Рис. 2.24.

а – нормальна; б – коротка

Хвостовик крюка 1 входить в отвір траверси 2 підвіски, де закріплюється гайкою з стопором (гвинтом, планкою та ін.). Траверса підвішується на пластинах (сережках) 3. Блок 4 встановлюється на осі 5 на радіальних кулькових підшипниках 6. На рис. 1.26, б траверса виконується за одне ціле з осями на кінцях, де розміщені блоки. Зверху блоки закриті кожухом 7 для безпечної експлуатації. В коротких підвісках використовують подовжені крюки типу Б.

Схеми інших крюкових підвісок показані на рис. 2.25.

Схеми крюкових підвісок поліспастів з кратністю

Рис. 2.25.

а, д - in=2; б, е - in=3; в - in=4; г - in=5

Вантажні крюки (рис. 2.26) являються одним з поширених захватних пристроїв. Вони найбільш зручні для закріплення строп, траверс, кліщових захватів, грейферів та підйомних електромагнітів.

По формі крюки бувають однорогі та дворогі. По конструкції крюки бувають суцільноковані (штамповані) та пластинчасті.

Пластинчасті крюки виготовляються з листової сталі Ст.3, які з’єднують заклепками. Вони використовуються в кранах великої вантажопідйомності ливарних виробництв.

Ковані однорогі і дворогі крюки (рис. 2.26, а, б) мають досить широке розповсюдження. Їх виготовляють з в’язкої маловуглецевої Сталі 20. Після виготовлення їх відпалюють для знімання внутрішніх напружень, щоб при перенавантаженні крюк не ламався, а розгинався. Вони випускаються згідно ГОСТу 6627-74.

Вантажні крюки повинні бути обладнані запобіжними замками (рис. 2.26, а) проти самовільного випадання з’ємного вантажопідйомного пристрою (строп, петельок та ін.). Кожен крюк повинен витримувати статичне навантаження, яке перевищує його вантажопідйомну силу на 25%.

Основні типи вантажних крюків

Рис. 2.26.

а – однорогий з замком; б – дворогий; в – однорогий пластинчастий;

г – дворогий пластинчастий

Форма робочого перерізу зігнутої частини крюка (рис. 2.27) – трапеція з заокругленими краями; велика сторона трапеції всередині. Номер крюка та його головні розрахункові розміри вибирають з таблиць в залежності від вантажопідйомності та режиму роботи. Хвостова частина (стержень) має метричну різьбу, а при великій вантажопідйомності – трапецевидну.

Перевірний розрахунок крюка на міцність зводиться до визначення напружень у  небезпечних перерізах І-І; ІІ-ІІ; ІІІ-ІІІ.

В різьбовій частині перерізу І-І напруження розтягу:

                                              ,                                    (2.76)

де Q – маса вантажу, кг; g=9,81м/с2; d1–внутрішній діаметр різьби, мм (береться з таблиць різьб); [р] – допустимі напруження розтягу (залежно від групи режиму роботи підйомного механізму), [р]=50...70МПа.

Переріз ІІ-ІІ (рис. 2.27). Приклавши в центрі перерізу дві рівні, протилежно направлені сили, паралельні силі Qg, систему навантаження можна привести до сили розтягу Qg та згинаючого моменту:

                                                     ,                                       (2.77)

де r – радіус кривизни, r=D/2+е1; D – діаметр крюка; е1 – відстань від центра перерізу до більшої основи.

Розрахункова схема крюка

Рис. 2.27.

Згинаючий момент від’ємний, так як зменшує кривизну бруса. Для стандартних крюків центр радіуса кривизни приблизно співпадає з центром нейтральної лінії.

Використавши формулу криволінійного бруса, де нормальні напруження в довільній точці перерізу:

             ,         (2.78)

де y – відстань від осі до довільної точки перерізу; S – площа перерізу у вигляді трапеції з скругленими краями; к – коефіцієнт кривизни, який визначається за формулою:

.    (2.79)

Вираз к, що залежить від кривизни крюка, враховує скуглення країв перерізу через площину S.

Підставивши в формулу криволінійного бруса Мзг= –Qgr, отримаємо:

                                   .                         (2.80)

Підставивши значення y=-e1 та r=D/2+е1, отримаємо напруження на внутрішній частині (в точці А):

                                ,                                  (2.81)

та в точці В (при у=е2) зовнішньої частини:

                        ,                       (2.82)

де [р] – допустиме напруження для сталі 20, [р]=150МПа; е2 – відстань від центра до меншої основи, е2=he1.

Переріз ІІІ-ІІІ (рис. 2.27). Приймають, що вантаж підвішений на крюку за допомогою двох строп, розміщених між собою під кутом =90. Тоді сила по напрямку правого стропу:

                                           .                                       (2.83)

Її можна розкласти на горизонтальну F1 та вертикальну F2 cкладові:

; .    (2.84)

Сила F1 згинає, а F2 – зрізає крюк.

Під дією сили F1 в перерізі можна визначити напруження в крайніх точках С, D подібно визначенню напружень в перерізі ІІ-ІІ:

                                              ;                                    (2.85)

                                  .                               (2.86)

При підвісці вантажу на одній стропі (канаті) сила, що діє на крюк, викликає напруження зрізу:

                                  .                                             (2.87)

Найбільше сумарне (приведене) напруження в точці С:

                                             .                                     (2.88)

Площу перерізу криволінійної трапеції в існуючій літературі визначають наближено або рекомендують визначити планіметром.

Раціональним і точним є аналітичне визначення площі трапеції зігнутої частини крюка, викладене в [8] по розмірам, наведеним в        ГОСТ 6627-74 (h, b, R, r), (рис.2.29, а).

Переріз розбивається на окремі елементи: сектори площею S1; S2; S3 ; прямокутник площею S4  та трикутник площею S5 (рис. 2.29, б).

Схема для розрахунку вертикального перерізу крюка

Рис. 2.28.

До визначення площі трапецевидного перерізу

кованого однорогого крюка

Рис. 2.29.

а – основні розміри; б – елементи перерізу

Тоді повна площа перерізу:

                      ,                                    (2.89)

де S1=r21/2; S2=r22/2; S3=R23/2; S4 =(b2r)r/(2sin2); S5=[(h-R-r)(b-2r)]/4;

;

.

Кінцева формула площі трапеції:

 .  (2.90)

Використовуючи формулу площі трапеції, можна визначити меншу сторону трапеції:

                                                       .                               (2.91)

Тоді формула  запишеться у вигляді:

                                ;    .                            (2.92)

Досить зручно обчислення скругленої площі трапеції перерізу зігнутої частини крюка можна виконати на персональному комп’ютері, використовуючи програму КОМПАС-3D. Результати обчислень наведені в табл. 2.9.

Упорні підшипники використовують для запобігання скручування канатів поліспастної системи при обертанні крюка з вантажем у підвісці (рис. 2.30, а), який розміщують зверху, в проточці поперечини (траверси).

Схеми упорного підшипника та гайки

Рис. 2.30.

а – упорний підшипник; б – гайка

Для зручності користування, для перерізу стандартних кованих однорогих крюків виконані обчислення. Отримані результати зведені в табл. 2.9.

Таблиця 2.9

Додаткові дані до розрахунку однорогого кованого крюка

крюка

S,мм2

е1, мм

К

hk,мм

крюка

S,мм2

е1, мм

К

hk,мм

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

154,15

206,21

261,37

341,14

406,96

500,87

615,48

731,02

951,44

1247,84

1475,59

1817,84

2468,44

7,80

9,37

10,49

11,39

12,25

13,84

15,58

17,18

19,36

22,39

23,68

27,84

31,77

0,09

0,09

0,09

0,08

0,08

0,09

0,09

0,09

0,09

0,09

0,09

0,10

0,10

18

21

24

26

28

32

36

40

45

52

55

65

75

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

3082,81

3735,78

4421,24

5777,53

7075,59

9190,84

11335,05

14400,63

17974,94

24490,57

29576,71

37457,26

43545,93

35,04

38,32

42,16

48,05

54,82

63,28

69,00

77,61

86,01

101,20

110,48

122,23

134,95

0,09

0,09

0,09

0,09

0,10

0,10

0,09

0,09

0,09

0,10

0,09

0,09

0,09

82

90

100

150

130

150

164

184

205

240

260

290

320

Вибір номера підшипника та його основних розмірів здійснюється з таблиць по статичній вантажопідйомності та діаметру шийки крюка.

Осьове навантаження:

                                              ,                                       (2.93)

де кд – динамічний коефіцієнт, кд=1,25, с.48[21]; Со – статична (таблична) вантажопідйомність, Н.

Гайка (рис 2.30, б) кріпить крюк до поперечини і спирається зверху на упорний кульковий підшипник. Гайка виконується переважно круглою, знизу має виточку, щоб прикрити підшипник. Для запобігання випадкового згвинчування гайки її надійно стопорять закріпленням до крюка гвинтом, болтом або планкою.

Висоту гайки визначають з умови зминання витків різьби:

                                           ,                               (2.94)

де р – крок різьби, мм; d1 – внутрішній діаметр різьби, мм; [зм] – допустиме напруження зминання, [зм]=30...35МПа.

Приймають матеріал гайки сталь 45; зовнішній діаметр гайки D1,8d; діаметр нижньої частини приймають Dг=Dп+(5...6)мм,  де Dп – зовнішній діаметр підшипника.

Поперечина (рис. 2.31) являється несучою частиною крюка. В нормальних підвісках з нижнім розміщенням крюка поперечина з’єднується з віссю блоків за допомогою сережок.

Схеми поперечин підвісок

Рис. 2.31.

а – нормальної; б – укороченої

В коротких підвісках поперечина має круглі кінці (цапфи) для розміщення блоків на підшипниках та захисного кожуха. В середині поперечина має отвір для проходу шийки крюка, діаметр якого рівний:

                                         .                                   (2.95)

Ширина поперечини конструктивно приймається в залежності від зовнішнього діаметра упорного підшипника:

.

Поперечину виготовляють з сталі Ст.4, сталі 40 і розраховують на напруження згину.

Поперечина нормальної одноблочної та багатоблочної підвіски має вигляд, показаний на рис. 2.31, а.

Для одноблочної підвіски розрахункова довжина поперечини визначається конструктивно:

                                              ,                             (2.96)

де Dп – зовнішній діаметр упорного підшипника; - товщина сережки; 1 – товщина кожуха (захисних пластин); 2 – зазор між внутрішніми захисними пластинами та упорним підшипником. , 1, 2 – приймаються конструктивно.

Для багатоблочної підвіски з числом блоків Zбл розрахункову довжину поперечини приймають:

                                          ,                                       (2.97)

де lб – ширина блока, lб(1,5...2,0)В; В – ширина обода блока.

В коротких підвісках розрахункову довжину поперечини (відстань між серединою блоків (рис. 2.31, б) наближено приймають:

                                    .                                     (2.98)

Згинаючий момент для небезпечного перерізу (посередині поперечини):

                                            .                                            (2.99)

Висота поперечини:

                                    ,                                    (2.100)

де [з] – допустиме напруження згину, [з]=80...100МПа.

Загальна висота поперечини:

                                       ,                                         (2.101)

де Нп  – висота упорного підшипника.

Діаметр цапфи поперечини під підшипник приймають конструктивно:

                                         .                                                  (2.102)

Осі під блоки виготовляють з сталей Ст.5, Ст.6, сталі 40 та сталі 45 з допустимими напруженнями згину [з]=120...140МПа.

При розрахунку осей навантаження приймають у вигляді зосереджених сил по лінії симетрії блоків. Розрахункові схеми осей показані на рис. 2.32, а…е.

Розрахункова довжина осі визначається подібно як для поперечини з врахуванням схеми підвіски, рис. 2.32, а…е. Найбільші значення моменту згину в небезпечних перерізах осей цих схем, будуть:

схема а:; схема г:;

схема б:; схема д:;

схема в:; схема е:. (2.103)

Діаметр осі (для схем „а...д”), і напруження згину (для         схеми „е”) відповідно:

                            ;       .                            (2.104)

Сережки з’єднують осі блоків та поперечини і використовуються в нормальних підвісках.

Розрахункові схеми осей та схема сережки

Рис. 2.32.

а, б, в, г, д, е – осі; є – сережка

Матеріал сережок сталь Ст.3, сталь 20, для яких допустиме напруження розтягу [р]=100МПа. Ширину сережки приймають bc(1,8...2,0)do.

Товщину сережки визначають з умови міцності на розтяг в перерізі А–А (рис. 2.32, є):

                                   .                                (2.105)

З’єднання сережки з цапфою поперечини перевіряють на питомий тиск:

                             .                            (2.106)

Розрахунок підшипників блоків

Сучасні блоки, як правило, встановлюють на підшипниках кочення. Вибір підшипників, які обертаються з частотою n10об/хв здійснюють по діаметру осі, виходячи з динамічної вантажопідйомності.

Частота обертання блока:

                                         ,                            (2.107)

де V- швидкість підйому вантажу, м/с; Dо – діаметр блока по осі канату, м.

Динамічну вантажопідйомність визначають за формулою:

                                                       ,                                      (2.108)

де Ре – еквівалентне навантаження на підшипник, Н; L – необхідна довговічність підшипника в млн. об., Р=3 – коефіцієнт для радіального підшипника.

                                                   .                                   (2.109)

де Fr – радіальне навантаження на один підшипник, Н; V – коефіцієнт кільця (V=1,2 – так як обертається зовнішнє кільце), К - коефіцієнт небезпеки; КТ – температурний коефіцієнт (при температурі t100C КТ=1).

Радіальне навантаження на один підшипник визначають в залежності від схеми розміщення блоків (рис. 2.25):

для схем „а, в, д, е”: ;

для схеми „б”: ;

для схеми „г”: ,                                             (2.110)

де zп – загальне число підшипників у блоках; К і КТ – вибирають з таблиць.

                                              ,                                     (2.111)

де Lh – необхідний час роботи підшипника в годинах, вибираються з таблиці 13 [21], враховуючи режим роботи.

2.4.7. Гальмівні пристрої

Для надійної роботи вантажопідйомних та транспортуючих машин необхідні пристрої, які забезпечують безпеку роботи та нормальну експлуатацію. Вони являються відповідальними вузлами вищеназваних машин. Сам процес роботи цих пристроїв називають гальмуванням, а пристрої гальмівними.

Гальмівні пристрої в механізмах підйому мають зупиняти ці механізми та утримувати вантаж на висоті, а також забезпечувати повільне опускання вантажу з регульованою швидкістю.

В механізмах пересування та повороту гальмівні пристрої використовують для зупинки візка або крана на заданому шляху.

В транспортерах та елеваторах гальмівні пристрої служать для зупинки транспортера та для запобігання зворотного руху при зупинці двигуна.

Вимоги до гальмівних пристроїв: безпечність в роботі;  мінімальний час вмикання; невеликі габарити; достатня довговічність; мінімальна кількість шарнірів та важелів. Встановлюються гальмівні пристрої переважно на швидкохідному валу  механізму, де найменший крутний момент, як правило, між електродвигуном і редуктором.

Гальмівні пристрої не встановлюються: в механізмах пересування та повороту кранів з ручним приводом; в механізмах пересування візків, електроталей керованих з підлоги при швидкості пересування м/с. За призначенням та роботою гальмівні пристрої поділяються на зупинники та гальма.

Зупинники

Використовують для утримання вантажу на висоті та запобігання некерованого зворотного спуску в похилих транспортерах. За конструкцією зупинники бувають храпові та роликові.

Храповий зупинник (рис. 2.33, а)складається з храпового зубчастого колеса 1, вала 2  та защіпки 3. При підйомі вантажу храпове колесо 1 повертається разом з валом 2. При опусканні вантажу защіпка 3 входить в западини храпового колеса 1 і перепиняє зворотній хід. Храпове колесо виготовляють з чавуну СЧ15, сталей 55Л, 35Л, 45. Такі зупинники використовуються в механізмах з ручним приводом.

Роликові зупинники (рис. 2.33, б) працюють безшумно, немає поштовхів, не згинають вал. Роликовий зупинник складається з нерухомого корпусу 4, втулки 5, встановленій нерухомо на валу, роликів 6. При обертанні вала проти годинникової стрілки ролики переміщуються силами тертя в широку частину клинової щілини, що забезпечує вільне обертання втулки 5 відносно корпусу. При зворотньому обертанні втулки ролики заходять в вузьку ліву сторону, що приводить до заклинювання.

Схеми зупинників

Рис. 2.33.

а – храпового; б – роликового

Корпус і втулку виготовляють з сталей 40Х, ШХ15, У10; ролики – сталь У8, У8А, ШХ15.

Гальма

У вантажопідйомних машинах гальма забезпечують великі сили тертя між обертальним шківом, дисками та не обертальними колодками, дисками, стрічками.

За конструкцією гальма бувають колодкові, дискові, стрічкові; За призначенням – стопорні (для зупинки), спускні (для обмеження швидкості опускання вантажу); За способом керування – автоматичні та ручні.

Для збільшення гальмівного моменту (МГ) і зменшення габаритів та маси в гальмах використовують фрикційні матеріали. Азбофрикційні матеріали: ткані, формовані, пресовані та вальцьовані.

Найбільше використання отримали фрикційні вальцьовані стрічки товщиною δ=5…10мм. Вальцьована стрічка складається з азбесту, порошкоподібного окису цинку, каучуку з добавкою сірки для вулканізації (отвердіння): марки ФАБ, ФОБ. Найбільш розповсюджена вальцьована стрічка типу 6КВ-10. Азбобакеліти фрикційні – це композитні пластмаси, які складаються з азбесту та синтетичної смоли (марки: ФК-3, ФК-13Л і ФК-24А називають ретінакс). Фрикційні матеріали мають досить високий коефіцієнт тертя. (f = 0,3…0,45); допустимі температури нагріву досягають до 200…250°С. В таку стрічку для більшої міцності та покращення відводу тепла при виготовлені включають каркас з мідних або латунних дротів і проварюють бітумом або олією з льону.

Гальмівні шківи виготовляють з сталі 45Л, сталі 45, 65Г  твердістю НВ350.

Гальма можуть бути з ручним керуванням або з автоматичним.

Гальмування здійснюється пружиною або вантажем, а розгальмування – електромагнітом або електрогідроштовхачем.

Для розрахунку любого гальма визначають розрахунковий гальмівний момент, МГ.

Для механізму підйому:

                                                ,                              (2.112)

де КГ – коефіцієнт запасу гальмування (КГ = 1,5 – для легкого режиму;     КГ = 1,75 – для середнього; КГ = 2 – для важкого); Q – вантажопідйомність, кг; g=9,81м/с2; Dо – діаметр барабана по осі канату, м; іп – кратність поліспасту; uм – передаточне число механізму підйому; – коефіцієнт корисної дії механізму, =0,8…0,85.

Колодкові гальма найбільше розповсюдження отримали колодкові гальма з електромагнітом типу МО, рис. 2.34, а (магніт однофазний) та з електрогідроштовхачем типу Т, ТЕГ (рис. 2.34, б).

Колодкове гальмо виконується з двома колодками. Гальмо складається з основи (зварної) 1, на якій встановлені два сталеві важелі 2. На них на осях встановлені колодки 3 з фрикційними накладками 4. До верхнього кінця правого важеля 2 прикріплена скоба 9,  в середині якої розміщений шток 8 та замикаюча пружина 6. На штокові між скобою та верхнім кінцем лівого важеля встановлена допоміжна пружина 10 силою Fg=20…80Н для відходу  важеля 2 з колодкою від гальмівного шківа при роботі механізму. В цей час відходить від шківа  правий важіль 2 з колодкою 3 і гвинт 7 спирається на упор основи. Відхід колодок від шківа здійснюється електромагнітом змінного струму типу МО, який закріплений зверху на правому важелі 2. Сила пружини регулюється гайкою 5.

Колодкові гальма

Рис. 2.34.

а – з електромагнітом типу МО;

б – з електрогідроштовхачем типу ТЕГ

Електромагніт (рис. 2.35) складається з ярма 4 та якоря 1. На ярмі (корпусі) закріплена котушка 5, а якір (клапан) може вільно повертатись  на осі 3 ярма. Сила електромагніту передається упором 2, встановленим в боковині якоря на шток гальма. Колодки розмикаються.

В колодкових гальмах з електрогідроштовхачем (рис 2.34, б) електрогідравлічний штовхач 11 закріплений шарнірно на основі 1. Стержень 10 встановлений на коромислі 9. До меншої сторони коромисла прикріплюється тяга 8, яка зєднана з важелем 2. Замикання гальма здійснюється замикаючою пружиною 5. При розмиканні гальма шток електрогідроштовхача піднімає ліву сторону коромисла вверх, стискуючи пружину. Правий важіль з колодкою відходить від шківа до тих пір, коли гвинт 7 упреться в упор основи. Потім відходить від шківа лівий важіль з колодкою. Пружини виконуються з сталі 65Г, 60С2А.. Сила пружини регулюється гайкою 6.

Електромагніт типу МО

Рис. 2.35.

2.4.7.1. Розрахунок колодкового гальма

з електромагнітом типу МО

Знаючи гальмівний момент МГ, визначають діаметр гальмівного шківа:

                                          ,                              (2.113)

де f – коефіцієнт тертя між фрикційною накладкою та гальмівним шківом, табл. 35 [21]; [q] – допустимий питомий тиск між гальмівним шківом та фрикційною накладкою, табл. 35 [21].

Розрахункова схема колодкового гальма

з електромагнітом типу МО

Рис. 2.36.

Сила тертя між гальмівним шківом та колодкою:

                                                 .                                            (2.114)

Сила тиску колодки на шків:

                                          .                                      (2.115)

Сила на кінці штоку, необхідна для гальмування:

                  ; ; ,                                (2.116)

де а і b – розміри плечей важеля, які приймається по аналогії з існуючими конструкціями, або визначається наближено:         аDГШ /2+(30…50), мм; b(2…2,2)а, мм; – к.к.д. важільної системи, =0,95.

Висота колодки:

,

що відповідає куту обхвату колодкою гальмівного шківа =60…110°, частіше приймають =70°, тоді Нк0,56DГ          (рис. 2.37).

Схема колодки

Рис. 2.37.

Ширина колодки:

                                               .                                           (2.117)

Момент електромагніту при відході колодки від шківа:

                                             ,                                               (2.118)

де ε = 0,65…1,3 мм – величина відходу колодки від шківа; β – кут, що відповідає найбільшому куту повороту якоря електромагніту, рад. (β=5,5...75˚).

З таблиць вибирається електромагніт типу МО, його розміри, параметри: Ме(таб.) > Ме, плече штоку мм., момент маси якоря,  Мя, Нм.

Сила затискаючої пружини:

                                     ,                                         (2.119)

де Fd  – сила допоміжної пружини, Fd = 20…80Н.

Таблиця 2.10

Допустимий середній тиск [q], МПа

та значення коефіцієнта тертя ƒ

Матеріал поверхонь тертя

ƒ

[q] для гальм

колодкових

стрічкових

дискових

в режимах

в умовах

стопор-

ному

спуск-

ному

стопор-

ному

спуск-

ному

без

мастила

з густим

мастилом

Ткана азбестова стрічка по металу.

Вальцьований і пресований матеріал по металу

0,35

0,42

0,6

0,6

0,3

0,4

0,6

0,8

0,3

0,4

0,3

0,6

0,6

1,0

Розрахунок колодкового гальма з електрогідроштовхачем виконується аналогічно попередньому, крім визначення сили замикаючої пружини, яка визначається за формулою:

                                                ,                                             (2.120)

де плечі с = 20…30 мм; d = 3·с.

Сила на штоці електрогідроштовхача:

                                            .                                         (2.121)

Схема колодкового гальма з електрогідроштовхачем

Рис. 2.38.

По силі FЕГ  з таблиць вибирають електрогідроштовхач типу Т, TEГ та його розміри.

Розрахунок колодкового гальма для електроталі (рис.2.39) виконується в послідовності.

Розрахункова схема

Рис. 2.39.

Діаметр гальмівного шківа та сили Ft, Fн визначають, як з попередніх гальм.

Сила замикаючої пружини, що діє на кожен з важелів:

                               ,                                     (2.122)

де a, b, c – плечі, визначають аналогічно існуючим конструкціям, або: а=DГ /2+(15…20)мм; b=(а+5…10)мм; с=17…30мм.

Сила розмикання:

                                    .                                     (2.123)

Необхідна сила електромагніту:

                                           ,                                      (2124)

де d – розмір ексцентрика, конструктивно приймають d=10…15 мм;             l – плече, l2,4а; mв – маса важеля, mв=0,2…0,4кг.

З таблиць підбирають електромагніт типу МІС, його параметри та розміри.

Необхідний хід якоря електромагніту:

                                              ,                                         (2.125)

де – величина відходу колодок від шківа, = 0,6…1мм.

Необхідна ширина колодки:

                                                  ,                                        (2.126)

де Нк – висота колодки, мм, Нк=0,56·DГШ; [q] – допустимий питомий тиск, [q]=0,4МПа.

Вантажоупорне гальмо (рис. 2.40) використовується в електричних талях для запобігання прискореного опускання вантажу. Воно складається з гальмівного диска 1 встановленого на валу 2 на шпонці 3. На валу 2 на різьбі встановлене зубчасте   колесо 4. На циліндричному виступі-маточині зубчастого колеса 4 встановлені фрикційні кільця 5 і зубчасте храпове колесо 7 з защіпкою 6. При зупинці вала 2 під дією вантажу зубчасте колесо 4 обертається, переміщаючись на різьбі затискає зубчасте храпове колесо 7 і фрикційні кільця 5. Вантаж зупиняється.

Схема вантажоупорного гальма

Рис.2.40.

Необхідний гальмівний момент:

                                          ,                                             (2.127)

де КГ – коефіцієнт запасу гальмування, КГ =1,25; М2 – крутний момент на проміжному валу 2:

                                         .                                      (2.128)

Діаметр проміжного вала:

                                       ,                                             (2.129)

де [τк] – допустиме напруження кручення для матеріалу сталь 40, [τк]=20МПа.

Різьба може бути трапецевидна або прямокутна з числом заходів z3=2…3. Крок приймається p=8…12мм. Розміри трапецевидної різьби підбирають з таблиць різьб; для прямокутної різьби діаметри d1, d2, d (рис. 2.41) розраховують за формулами:

  ; ; .  (2.130)

Кут підйому різьби:

                                                  .                                    (2.131)

Схема проміжного вала

Рис. 2.41.

Внутрішній діаметр фрикційних дисків приймають конструктивно, Dв30…80мм, але більше зовнішнього діаметра різьби, Dв(1,6…2,0)d. Зовнішній діаметр дисків: Dз(1,25…2,50)Dв, причому DзDв120мм 

Середній діаметр поверхні тертя (дисків):

.

Осьова сила стиску дисків:

                     ,                     (2.132)

де φ – кут тертя в змащеній різьбовій парі (ƒо =0,1; ƒ2 = 0,12), φ=5°40’;      zn – число пар тертя, zn=2.

Поверхню тертя дисків перевіряють на питомий тиск:

                                  (2.133)

Різьба гвинта перевіряється на питомий тиск:

                              (2.134)

де n – число витків різьби, що приймають навантаження, n=4.

Стрічкові гальма (рис.2.42) отримали використання в лебідках та стрілових кранах.

Переваги стрічкових гальм: простота конструкції; невеликі габарити; простота виготовлення; невелика вартість, здатність сприймати великі гальмівні моменти.

Недоліки: нерівномірний знос гальмівної стрічки; значне радіальне навантаження на вал механізму.

Стрічкове гальмо складається з гальмівного шківа 6, стрічки 1 з сталей Ст3, Ст4, Ст6 та сталей 20, 25, 30, 35, 40, 45. До внутрішньої сторони стрічки приклепана фрикційна накладка 2. Кінці стрічки кріпляться шарнірами до важеля 3. До важеля кріпляться електромагніт 4 однофазний типу МІС, або трьохфазний типу КМТ для розмикання гальма. Вантаж 5, встановлений на кінці важеля, при знеструмленому електромагніті здійснює натяг стрічки і притискує її до шківа, здійснюючи його гальмування.

По конструктивному виконанні та способу кріплення кінців стрічки гальма бувають прості, диференціальні та сумарні. Стрічка зі сталі Ст.3, або Сталі 20 футерована з середини фрикційною стрічкою притискує гальмівний шків. Під дією натягу кінців стрічки виникає сила тертя між стрічкою та шківом.

Схема стрічкового гальма

Рис. 2.42.

Гальмо постійно замкнуте вантажем 5, розмикання гальма здійснюється електромагнітом 4 типу МІС або КМТ. При замиканні гальма вантажем  колова сила на поверхні шківа:

                                    ,                                   (2.135)

де МГ – розрахунковий гальмівний момент; DГШ – діаметр гальмівного шківа.

Зв’язок між набігаючою та збігаючою силами у вітках стрічки встановлюють, виходячи з формули Ейлера:

                                              ,                                          (2.136)

де ƒ – коефіцієнт тертя ковзання між стрічкою та шківом, ƒ = 0,25…0,45;   α – кут обхвату стрічкою шківа в радіанах.

Розв’язуючи сумісно два останні вирази, маємо сили натягу в набігаючій та забігаючій вітках стрічки:

                      ;           .                            (2.137)

Просте стрічкове гальмо (рис.2.43) постійно замкнуте масою вантажу m (стрічка прилягає до шківа). Розмикання гальма (відхід стрічки від шківа), здійснюється електромагнітом, котрий спрацьовує одночасно з двигуном  механізму.

При замкнутому гальмі:

                        : ,                       (2.138)

тут малою масою важеля можна знехтувати.

Схема простого стрічкового гальма

Рис. 2.43.

Необхідна маса вантажу для замикання гальма:

                                                 .                                               (2.139)

При розімкненому гальмі:

                                   .                                 (2.140)

Розмикаюча сила електромагніту, що піднімає важіль і відводить стрічку від шківа:

                                                .                                             (2.141)

З таблиць підбирається електромагніт типу МІС таким чином, щоб FмтаблFем.

Розрахунок гальмівної стрічки

Враховуючи, що сила Fнаб діє на шків з постійною величиною на відстані DГШ /2, стрічку розраховуємо на питомий тиск:

                                     ,                                    (2.142)

звідки ширина стрічки (рис. 2.44):

                                                .                                        (2.143)

Товщина стрічки визначається з умови міцності на розтяг від сили Fнаб:

                           ,                 (2.144)

де d0 – діаметр отворів під заклепки; і – кількість заклепок в ряду.

Схема кріплення стрічки

Рис. 2.44.

Тоді необхідна товщина стрічки:

                                      .                               (2.145)

Прості стрічкові гальма являються гальмами односторонньої дії і використовуються в механізмах підйому.

Диференціальне стрічкове гальмо (рис.2.45) називається тому, що гальмівний момент залежить від різниці моментів натягу кінців стрічки.

Для нормальної роботи гальма приймають: а(2,5…3)d; довжину малого плеча: d 30…50мм.

При загальмованому гальмі:

                                                         (2.146)

Схема диференціального стрічкового гальма

Рис. 2.45.

Звідки необхідна маса вантажу:

                                                .                                   (2.147)

Необхідна сила електромагніта для розгальмування:

                                                 .                                             (2.148)

Розрахунок стрічки здійснюється, як в простому гальмі. Диференційне стрічкове гальмо являється гальмом односторонньої дії і може використовуватись, наприклад, в механізмах підйому стріли.

Сумарне стрічкове гальмо (рис.2.46) називається тому, що гальмівний момент залежить від суми моментів натягу кінців стрічки.

При замиканні гальма вантажем:

                                   .                   (2.149)

Необхідна маса вантажу:

                                            .                                       (2.150)

Схема сумарного стрічкового гальма

Рис. 2.46.

Сумарне стрічкове гальмо є гальмом реверсивної дії і може використовуватись в механізмах пересування та повороту. Розрахунок електромагніта та стрічки здійснюється подібно простому гальму.

Дискові гальма (рис.2.47) завдяки своїй компактності та здатності забезпечувати значний гальмівний момент, застосовуються в електричних талях та механізмах повороту. Вони складаються з обертальних та необертальних дисків. Обертальні сталеві диски 1 товщиною 3...5 мм  встановлюють на шліцах швидкохідного вала приводу; необертальні диски 3 – сталеві або чавунні товщиною 4...6 мм утримуються від обертання трьома пальцями (стержнями) 4, розміщеними між собою під кутом 120.

До необертальних дисків приклепані за допомогою мідних, дюралевих потайних заклепок фрикційні азбестові накладки 5 у вигляді кілець. Обертальні диски фрикційних накладок не мають. Необхідний момент гальмування за рахунок тертя досягається притисканням тертьових поверхонь дисків силою пружини 6. Розмикання дисків при роботі механізму здійснюється за допомогою трьох електромагнітів 7 змінного струму з Ш-подібним сердечником. Якорі цих електромагнітів прикріплені до зовнішньої сторони обертального диска 8, внутрішня сторона якого має фрикційну накладку (кільце).

Для зменшення різниці в тиску між дисками розміри зовнішнього діаметра Dз обертального диска обмежують: середній діаметр  приймають Dc=((Dз + Dв)/2)120мм, а зовнішній діаметр Dз=(1,25...2,5)Dв. Внутрішній діаметр (Dв) необертального диска назначають залежно від діаметра вала та висоти шпонки (шліців).

Момент, що передає одна пара тертя дисків:

                                               ,                                         (2.151)

де zТ – число поверхонь тертя, zТ =2 zоб; zоб – число обертальних дисків.

Колова сила на поверхні дисків:

                                               .                                         (2.152)

Дискове гальмо

Рис. 2.47.

а – конструкція; б – розрахункова схема

Сила пружини, необхідна для забезпечення гальмування:

                                                  ,                                           (2.153)

де f – коефіцієнт тертя між дисками (табл. 2.10).

Враховуючи, що є три електромагніти, розміщені між собою через 120, тому тягова сила одного електромагніту буде:

                                                  ,                                           (2.154)

де  – к.к.д., враховує втрати на стержнях 4, 0,9...0,95.

З таблиць вибирають електромагніт. Хід якоря електромагніту вибирають з таким розрахунком, щоб осьовий зазор між дисками становив не менше 0,75мм. Для обмеження зносу поверхні тертя дисків перевіряють на питомий тиск:

                      .                    (2.155)

2.5. Механізми підйому вантажу

Підйомним називається механізм, за допомогою якого здійснюється підйом та опускання вантажу. Механізм підйому становить складову частину будь-якої вантажопідйомної машини.

В мостових кранах механізм підйому встановлюють на рамі візка, в стрілових – на поворотній частині.

Приводи механізму підйому можуть бути: ручний; електричний; гідравлічний; двигун внутрішнього згорання.

2.5.1. Механізм підйому з ручним приводом

Ручний привід використовують в ручних лебідках (рис. 2.48), талях та мостових кранах невеликої вантажопідйомності, а також в тимчасових рідкодіючих вантажопідйомних пристроях при вантажопідйомності Q≤20т.

Привід здійснюється від рукоятки 1 або тягового колеса 2 через зубчасту відкриту передачу 3 на барабан 4, на який намотується одна вітка каната. Другий кінець каната кріпиться до рами. Поліспаст простий, або на одній вітці. Тягове колесо (ланцюговий блок) ставлять в механізмах, розміщених на висоті. Його обертання здійснюється тяговим ланцюгом 5. Зліва на барабані розміщений зупинник  6 храпового типу для запобігання самовільного опускання вантажу.

Схема ручної лебідки

Рис. 2.48.

Рукоятка 1 розміщується на висоті в межах 1м від рівня підлоги. Допустима сила робітника на рукоятку при тривалій роботі Fр=70...80Н; при короткочасній роботі – Fр=100Н.

Сила робітника, що прикладається до тягового ланцюга ланцюгового блоку Fp=200...400Н.

Довжина рукоятки: l=300...400мм; діаметр тягового колеса: D=500...600мм.

Момент робітника:

                                           .                                    (2.156)

Момент на барабані:

                                                  .                                          (2.157)

Загальне передаточне число механізму:

                                          ,                                    (2.158)

де мех – к.к.д. механізму підйому.

Загальне передаточне число розбивається на декілька передач:

                                               .                                        (2.159)

Значення uі однієї пари може бути 7...10. Тобто, при великих передаточних числах передача може мати декілька пар зубчастих коліс.

2.5.2. Механізм підйому з електроприводом

Електричний привід (рис. 2.49) у вантажопідйомних машинах отримав найбільше розповсюдження.

Схема механізмів підйому

Рис. 2.49.

а – стрілових; б – мостових кранів; в – електрична таль;

1 – електродвигун; 2 – муфта; 3 – редуктор; 4 –муфта зубчаста;

5 – барабан; 6 – поліспаст; 7 – обмежувач висоти

підйому вантажу; 8 – гальмо

Види струму та величину напруги вибирають, виходячи з існуючої силової мережі. Для перетворення змінного струму в постійний використовують випрямляючі перетворювачі.

В кранах, що працюють на постійному струмі, використовують електродвигуни КПДН, МП та ДП.

Асинхронні трифазні двигуни MTF змінного струму з фазним ротором та електродвигуни MTКF з короткозамкнутим ротором використовують в кранах. В легких кранах використовуються електродвигуни типу 4А, а в електричних талях – електродвигуни, статор яких вмонтований в барабан, типу 4АВ.

Електродвигуни з’єднують з редуктором за допомогою пружної втулково-пальцевої муфти. Ліву півмуфту муфти використовують як гальмівний шків і встановлюють завжди на валу редуктора. Ліва опора барабана (вісь) – у сферичний шарикопідшипник, який розміщують в розточку вихідного вала редуктора.

Необхідна статична потужність електродвигуна (потужність при встановленому русі), кВт:

                                            ,                                           (2.160)

де а – число віток канатів, що набігають на барабан; Vк – швидкість вітки канату біля барабана (VкпV); V – швидкість підйому вантажу, м/с; мех – к.к.д. механізму підйому.

Так як сила в канаті Fк=Qg/(aiппс), остання формула прийме вигляд:

                                             ,                                           (2.161)

де заг=мех , пс (мех , пс – к.к.д. відповідно механізму та поліспастної системи). Це становить заг0,8..0,85, коли система встановлена на підшипниках кочення.

З довідкової літератури вибирається марка електродвигуна та його параметри: потужність Рдв , кВт; частота обертання nдв , об/хв.; момент інерції ротора Ір , кг м2 ; момент пусковий Мпуск , Нм.

Частота обертання барабана, об/хв:

                                  .                            (2.162)

Передаточне число механізму підйому:

                                          .                                           (2.163)

По отриманому значенню uмех вибирають редуктор серії РМ або        ЦД (Ц2).

2.5.3. Перевірка електродвигуна механізму підйому

на перевантаження в період пуску

В період пуску електродвигуна рух елементів механізму підйому та вантажу прискорений, виникає додаткова затрата роботи на переборення сил інерції мас механізму та вантажу.

Пусковий момент, приведений до вала двигуна:

                                   ,                               (2.164)

де Мc  – статичний момент від маси вантажу; Мд1 – момент сил інерції поступального руху вантажу; Мд2 – момент сил інерції обертальних мас елементів приводу.

Статичний момент від маси вантажу на валу барабана:

                           ,                       (2.165)

де а – кількість віток канатів, що навиваються на барабан; Fk – сила в вітці каната біля барабана, Н; Do – діаметр барабана, м;                   g =9,81м/с2; Q – маса вантажу, кг; пс – к.к.д. поліспастної системи.

Статичний момент, приведений до вала двигуна:

                    ,               (2.166)

де uмех – передаточне число механізму; мех – к.к.д. механізму; 3 - к.к.д. загальний (3=псмех).

Момент від сили інерції від поступального руху вантажу (динамічна сила) навантажує додатково канати силою:

                                           ,                                     (2.167)

де j та V – відповідно прискорення, м/с2 та швидкість підйому вантажу, м/с; tп – час пуску (розгону), с

                           ,                    (2.168)

та момент на барабані:

                       .                  (2.169)

Якщо підставити значення швидкості V=Vk/iп=Doпб/60iп , останній вираз набуде вигляду:

                          .                         (2.170)

Коли прийняти nб=nдв /uмех , тоді динамічний момент приведений до вала двигуна:

                           .                          (2.171)

Так як електродвигун механізму підйому сприймає момент інерції усіх обертальних мас елементів механізму, то приведений момент інерції на валу двигуна визначають згідно закону збереження кінетичної енергії:

              або ,                 (2.172)

де Ір, Ім, І, І2 та ін. – відповідно динамічні моменти інерції мас, кг·м2, ротора, муфти, першого та наступних валів механізму.

Схема до розрахунку пускового моменту

Рис. 2.50.

За даними досліджень в механізмах підйому інерційні (динамічні) навантаження тихохідних валів складають не більше 10...20% інерційних навантажень першого (швидкохідного) приводного вала (ротора двигуна, муфти), і вплив інерційних сил тихохідних валів враховується коефіцієнтом =1,0...1,2.

Тоді:

                                           .                                        (2.173)

Величину моменту інерції маси ротора електродвигуна вибирають по таблицям для електродвигунів, а муфти – з довідника або розраховують.

Момент сил інерції обертальних мас механізму приведений до вала двигуна, Нм:

       ,    (2.174)

де  – кутове прискорення, 1/с2; дв – кутова швидкість,1/с; nдв – частота обертання двигуна, об/хв.

Тоді вираз для пускового моменту матиме вигляду:

         .   (2.175)

Перевантаження двигуна в період пуску характеризується коефіцієнтом перевантаження:

                                        .                              (2.176)

Допустиме значення, яке наведене в таблицях [23] на електродвигуни, становить []=1,5…3,0; Мном – номінальний момент на валу двигуна, Нм:

                          ,                     (2.177)

де дв  – кутова швидкість, 1/с; nдв – частота обертання вала електродвигуна, об/хв.

2.5.4. Електричні талі

Талі являють собою механізм підйому, підвішений до візка, який встановлений на конічні колеса (котки) для переміщення по нижньому поясу двотаврової балки. Електроталі бувають самохідні (електротельфери) та несамохідні (пересуваються за допомогою каната, вручну). Талі на візках використовують для комплектації мостових однобалочних кранів, козлових та поворотних на колоні кранів.

Вони можуть мати поздовжнє та поперечне виконання (рис. 2.51) відносно їздової балки (шляху). У будь-якому виконанні таль 1 підвішується до двох візків 2 та 3 через траверсу 4. До траверси може бути прикріплена кабіна 5 для керування, яку підвішують на двох візках.

Схема розміщення електроталі

Рис. 2.51.

а – поздовжнє; б – поперечне

В барабан 2 (рис. 2.52) вмонтований електродвигун 1 типу 4АВ серії 4А. Вал електродвигуна з’єднується з ведучим валом двохступінчатого співосного редуктора 3 за допомогою шліцьової муфти (втулки). Ведений вал приводить в обертання шестерню z1, яка входить в зачеплення з зубчастим колесом z2. Зубчасте колесо разом з диском, храповом колесом та різьбовою частиною проміжного вала складають гвинтове вантажоупорне дискове гальмо 5. Храпове колесо вільно сидить на маточині зубчастого колеса з внутрішньою різьбою. Диск на проміжному валу-гвинту встановлений жорстко за допомогою шпонки.

При вмиканні на підйом зубчасте колесо проміжного гвинт-вала, обертаючись відносно нього, переміщується вліво до диска, замикає диски і приводить в рух проміжний гвинт-вал, шестерню z3 на ньому, ведене колесо z4 редуктора та барабан. При роботі  на підйом храпове колесо вільно обертається разом з колесом, диском і валом-гвинтом. При роботі на опускання храпове колесо не обертається – утримується защіпкою, встановленою в корпусі редуктора.

При вмиканні на опускання зубчасте колесо z2 з різьбою обертається в зворотному напрямку відносно нерухомого гвинт-вала, відходить від диска, розмикає гальмо; вантаж, під впливом сили тяжіння, почне опускатись. Опускання вантажу буде проходити при  nк>nв (nк – частота обертання колеса; nв – частота обертання проміжного вала-гвинта), при nк<nв – колесо переміщується до диска, притискаючи диски нерухомого храпового колеса, внаслідок чого виникає гальмівний момент, котрий буде гальмувати (зменшуючи швидкість) опускання вантажу до розрахункової величини.

Таль електрична

Рис. 2.52.

а – конструкція; б – кінематична схема

Корпус 6 служить для підвіски талі до траверси візка. На першому валу привода розміщено колодкове гальмо. Керування здійснюється чотирьохкнопковою станцією (пультом) 7.

Приводний візок (рис. 2.53) складається з двох конічних коліс 1 з ребордами, редукторів 2 та 3, короткозамкненого електродвигуна 4 фланцевого типу та скоб-підхватів 5 – для запобігання падіння візка при поломці осей біля коліс. Напрям руху по їздовій балці здійснюється від двох вертикальних роликів 6. Передачі двох редукторів зв’язані спільним шестигранним валком 7. Так як при невеликих швидкостях пересування талей для зупинки гальма не використовують, то на кінцях візка встановлюють гумові буфери 8 – для запобігання удару об кінцеві упори.

Неприводний візок складається з двох неприводних конічних коліс та двох вертикальних направляючих роликів 6, як у приводному візку. Струм  по тролям або гнучким підвісним електрокабелям КРПТ. Електродвигуни перемикають через реверсивні магнітні пускачі з керуванням через чотирьохкнопочний пульт керування, який підвішений на сталевому тросику до талі (при керуванні з підлоги) або встановлений на щитку (при керуванні з кабіни). Чотири кнопки керування відповідають рухам вверх-вниз-вперед-назад.

Приводний візок електроталі

Рис. 2.53.

а – конструкція; б – кінематична схема

2.6. Вантажопідйомні крани

Кран – це поєднання механізму підйому з фермою. Вантаж за допомогою крана може здійснювати, як вертикальний так і горизонтальний рух.

По конструкції і характеру роботи крани можна поділити на дві групи:   прогонні і стрілові (поворотні). До кранів прогонного типу можуть відносити мостові двохбалочні та однобалочні крани, козлові та півкозлові крани, естакадні крани з візком, крани – маніпулятори. До стрілових кранів можна віднести повортні крани стаціонарні, пересувні (баштові, автомобільні, пневмоколісні та ін.).

2.61. Мостові двохбалочні крани

В мостовому крані пересувний на колесах міст спирається безпосередньо на підкранові рейки встановлені на висоті на консолях  колон в цеху або на естакаді (рис. 2.54).

Розміщення крана на естакаді

Рис. 2.54.

В мостових кранах площа обслуговування – прямокутник. Вантаж може переміщуватись вертикально, мостом вздовж цеху, поперек цеху візком. Мостові крани використовують в виробничих цехах підприємств, на відкритих складах підприємств будівельної та хімічної індустрії, вони переміщуються по рейках, встановлених на естакадах (рис. 2.54). В мостових кранах визначальним є металоконструкція мосту двохбалочна.

В загальному двохбалочний мостовий кран має вигляд          (рис. 2.55).

Двохбалочний мостовий кран

Рис. 2.55.

а – схема; б – конструкція; 1 – візок; 2 – міст;

3 – механізм пересування; 4 – кабіна; 5 – настил;

6рейки; 7 – перила; 8 – струмопровід

Мости по конструкції бувають балочні коробчатого перерізу та решітчасті (ферми). Балочні мости 2 складаються з двох головних балок та двох кінцевих балок. На головних балках встановлені рейки, по яких пересувається візок 1 з вантажем. На ньому встановлений механізм підйому та самохідний механізм пересування. Збоку головної балки розміщений механізм пересування крана 3. На кінцевих балках розміщені чотири ходові колеса (два з них приводні).

Довжина крана визначається відстанню між стінами цеху (його прогоном). L - прогон (проліт) крана – це відстань між вертикальними осями підкранових рейок. Металоконструкцію виконують з конструкційної сталі Ст.3 зварюванням, з достатньою жорсткістю. Головні балки коробчатого перерізу простіші у виготовленні, мають більшу жорсткість (рис. 2.56).

Поперечний переріз головних балок

Рис. 2.56.

Механізми пересування кранів (рис. 2.57) та візків мають багато спільного, тому їх розглядують разом.

Відстань між головними балками визначає колію візка, яка залежить від довжини канатного барабана механізму підйому.

Згинаючий момент головної балки від власної маси:

                                      ,                               (2.178)

де mδ – маса однієї балки, mδ=qδ·L, qδ – лінійна розподілена маса балки, вибирається з таблиць.

Масу балки (mδ) можна вибрати згідно графіку (рис.52, [23]).

Згинаючий момент від маси візка та вантажу.

Схеми механізмів пересування кранів

Рис. 2.57.

а, б – з центральним приводом; в – з роздільним приводом;

1 – ходове колесо; 2 – трансмісійний кран; 3 – редуктор;

4 – муфта; 5 – електродвигун; 6 – гальмо

Схема для розрахунку головної балки

двохбалочного мостового крана

Рис. 2.58.

Знаходимо реакцію лівої опори:

; ;

                                  ,                             (2.179)

де Вв – база візка.

Згинаючий момент під лівою стороною візка:

                         .                  (2.180)

Для визначення положення візка, при якому Мз буде найбільшим візьмемо першу похідну і прирівняємо її до нуля:

                               ,                      (2.181)

звідки

                           .                   (2.182)

Тоді найбільший згинаючий момент:

                                .                         (2.183)

Якщо знехтувати розміром бази візка Вв, яка складає приблизно 0,1L, то отримаємо вираз для зосередженої сили (2Fк) по середині прогону:

                    .              (2.184)

Сумарний згинаючий момент головної балки від власної маси та зовнішніх сил (Fк):

.

                                                                                                                     (2.185)

Основні співвідношення розмірів головної балки

Рис. 2.59.

Висота балки визначається залежно від прогону: hб(1/15…1/18)L, висота кінцевої сторони: hк=(0,4…0,6)hб, розміри кінцевих частин: с2hб, або с=(0,1…0,2)L.

Ширина горизонтальних поясів: В≥(1/2…1/3)hб і повинна бути В≥(1/40…1/50)L.

Відстань між вертикальними стінками вВ–50мм. Товщина вертикальної стінки ≥5мм; горизонтальних поясів ≥6мм.

Загальна площа перерізу :

                                    .                                 (2.186)

Момент інерції відносно осі Х-Х:

                 .          (2.187)

Момент опору перерізу відносно осі Х-Х:

                 , або .          (2.188)

Момент інерції перерізу відносно осі Y-Y:

                  .         (2.189)

Момент опору перерізу відносно осі Y-Y:

                           , або .                    (2.190)

Визначаємо напруження згину від вертикальних навантажень головної балки:

                                                    .                                            (2.191)

В горизонтальній площині  при пуску та гальмуванні з візком і вантажем на головну балку діє сила інерції:

                                   ,                             (2.192)

де аГ – прискорення при пуску і гальмуванні: аГ=0,1…0,25м/с2.

Згинаючий момент в горизонтальній площині балки від сили інерції балки з вантажем:

                                            .                                        (2.193)

Додаткове напруження в балці відносно осі Y-Y:

                                            .                                           (2.194)


Сумарне розрахункове напруження в перерізі головної балки:

                            .                     (2.195)

Візок мостового крана має жорстку зварну раму 1 (рис. 2.60), на якій змонтовані механізми підйому (розд. 2.5) та пересування, який містить електродвигун 2, муфту 3 (з колодковим гальмом 4), проміжний вал 5 та зубчасту муфту 6, з троьхступінчастим циліндричним редуктором вертикального виконання типу              ВК (ВКН) 7, муфту 8 і ведучий вал візка з ходовими циліндричними колесами 9.

Схема механізму пересування візка

Рис. 2.60.

Редуктор 7 розміщується збоку рами 1. Редуктор типу ВКН (начіпний) монтується пустотілим тихохідним валом безпосередньо на ведучий вал візка з колесами 9.

Особливістю візків є розміщення барабана поперек мосту.

2.6.2. Мостові однобалочні крани

Крани мостові однобалочні мають широке розповсюдження всередині у приміщенні, наприклад, цехів та складів. Ці крани ще називають кран-балки. Їх використовують при вантажопідйомності 0,25…5т., з прогонами 5…18м. при легких умовах роботи. Мостом такого крана служить балка 1 двотаврового перерізу , по нижньому поясу (полиці двотавра) якого переміщується таль з ручним або електричним приводом. По способу розміщення рейкових шляхів на несучих балках цеху або складу розрізняють опорні та підвісні кран-балки.

Опорні кран-балки (рис. 2.61) складаються з самохідного мосту  та ручної або електричної талі 2, підвішеної через візок 3 до нижньої полиці двотавра. Міст має головну двотаврову N18М…45М балку 1 ГОСТ 19425-74, нижній пояс якої є одночасно і їздовим для коліс візка. Головна балка на краях спирається на дві кінцеві    балки 4. Міст в повздовжньому напрямку підсилений гратчастими плоскими фермами 5, виконаними з швелерів та кутників. Розкоси сприймають сили інерції при розгоні та гальмуванні (зупинці). Співвідношення бази крана і прогону приймають В(0,25…0,17)L.

Кран-балка опорна

Рис.2.61.

Кінцеві балки виготовляють зварними з листової сталі, вали коліс встановлюються в окремих буксах, прикріплених до кінцевих балок. Кінцева балка встановлена на два ходові колеса, з яких одне ведуче.

Для кран-балок з невеликим прогоном використовують привід з тихохідним трансмісійним валом 6, а з більшим прогоном – роздільний привід на протилежні колеса окремо.

Керування кран-балкою здійснюється з підлоги при швидкості пересування Vк≤0,5м/с, або з кабіни за допомогою двох чотирьохкнопкових станцій: дві кнопки служать для підйому та опускання вантажу; дві – для пересування візка електроталі в двох напрямках, чотири для пересування кран-балки в двох напрямках. При керуванні з підлоги кнопкові станції підвішують на сталевих тросиках, а при керуванні з кабіни їх розміщують на панелі перед кріслом кранівника. За допомогою кнопок керують реверсивними магнітними пускачами, через які вмикають і вимикають електродвигуни.

Для запобігання запізнювання вимикання електродвигунів використовують кінцеві вимикачі. В механізмі підйому крюкова підвіска 8 в крайньому верхньому положенні упирається в гирю 9, яка з`єднана сталевим тросиком з вимикачем плунжерним кінцевим типу ВПК, а в механізмах пересування ролик 10 важільного кінцевого вимикача типу КУ, (встановленому на кінцевих балках мосту) набігає на лінійку, встановлену на несучих балках.

В крайніх положеннях електроталі та краях кінцевих балок встановлюють дерев`яні або гумові буфери (як упори) 12 та 13.

Підвісні кран-балки (рис. 2.62) складаються з головної балки 3, прикріпленої знизу до двох кінцевих балок 2. Головна балка збоку підсилена фермою 6 для забезпечення попередньої жорсткості. Кінцеві балки прикріплені знизу до двох ходових візків 7, які переміщуються по нижнім поличкам двотаврових балок 1, прикріпленим до будівельних конструкцій приміщення (цеха або складу). По нижньому поясу головної балки переміщується візок 8 з підвішеною електричною таллю 4.

Механізм переміщення кран-балки 2 виконується роздільним. Електродвигун 7 фланцевий типу 4А кріплять до стін корпуса редуктора. Живлення кран-балки здійснюється струмом напругою 380В або 220В через тролеї, а електроталь-гнучким кабелем.

Електрична система керування забезпечує синхронну роботу приводів механізмів пересування. Керування кран-балкою здійснюється як з підлоги так і з кабіни.

Переваги підвісних балок: мала власна висота, а також можливість переходу візка електричної талі на сусідню кран-балку без перевантаження, так як кінці головної балки з боку не загороджені. Це дозволяє збільшити площу обслуговування.

Стиковка головних балок для переходу забезпечується спеціальним замковим фіксатором з електроблокуванням, вимикаючи живлення механізмів пересування крана та візка при не застопореному замковому фіксаторові. При великих прогонах використовують багатоопорні кран-балки з використанням проміжних ходових рейок (рис. 2.62, в). Висота підйому вантажу та хід кран-балки обмежується кінцевими вимикачами, подібно як в опорних кран-балках.

Кран-балка підвісна

Рис. 2.62.

а – двохопорна; б – кінематична схема; в – трьохопорна

Схема до розрахунку головної балки

Рис. 2.63.

В однобалочних кранах головна балка виконується у вигляді двотавра з підвішеним до нижнього пояса візка електричної талі. Розрахункова схема показана на рис. 2.63.

Найбільший згинаючий момент від власної маси балки по середині прогону:

                               ,                          (2.196)

де mδ – власна маса головної балки, приймається аналогічно існуючим конструкціям.

Згинаючий момент від маси вантажу Q, маси електричної талі з візком mв, при її розміщенні по середині прогону мосту. Нехтуючи базою візка Бв0, як такою, що дуже мала в порівнянні з прогоном крана, згинаючий момент:

                                       .                                (2.197)

Повний згинаючий момент у вертикальній площині:

                              ,                      (2.198)

де mв – маса візка з електричною талю; кg – динамічний коефіцієнт, що залежить від режиму роботи. При легкому, середньому і важкому режимі відповідно кg=1,2; кg=1,2; кg =13. кv – коефіцієнт, що враховує поштовхи і залежить від швидкості  V≤1м/с, V>1м/с відповідно кg=1; кg=1,1.

Необхідний момент опору: 

                                             ,                                         (2.199)

де допустимий згинаючий момент, =140…160МПа.

По отриманому Wx з таблиць вибирається номер двотавра або проектується комбінований двотавр (рис. 2.64).

Схеми двотаврів

Рис. 2.64.

Для однобалочних кранів жорсткість в горизонтальній площині забезпечується додатковими розкосами (горизонтальні решітчасті балки). Нормами Держгіртехнагляду жорсткість балки у вертикальній площині перевіряється за прогином її по середині від власної маси балки та від маси вантажу та маси візка талі.

Допустиме значення прогину: [f]=L/500 – для однобалочних електричних кранів; [f]=L/700 – для двохбалочних кранів.

Загальний прогин:

                                  ,                            (2.200)

де  – прогин від власної ваги балки;  – прогин від рухомих мас (вантажу, візка, талі):

                                             ;                                     (2.201)

                        .                  (2.202)

де Бв – база візка.

2.6.3. Ходові колеса кранів

Ходові колеса виконуються литими з сталей 40Л та 55, ковані, штамповані та катані на колесопрокатному стані із сталі 45, 50, 50Г2, 65Г. Для підвищення довговічності та стійкості проти зносу поверхні кочення підлягають термічній обробці до твердості 230…400НВ.

Схеми ходових коліс

Рис. 2.65.

По формі поверхні ходові колеса можуть бути  циліндричні, конічні, бочкоподібні, а за конструкцією – двохребордні, одноребордні, безребордні (рис. 2.65). Реборди (виступи біля обода) сприймають бічні горизонтальні сили при русі і запобігають сходу з рейок. В візках електроталей використовуються одноребордні або бочкоподібні ходові колеса.

В консольних кранах двохребордні ходові колеса працюють разом з безребордними (котками). При розрахунку ходових коліс на міцність визначають найбільшу силу, що діє на колеса.

Так, на ходове колесо візка діє найбільша сила:

                                   ,                           (2.203)

де кg  - динамічний коефіцієнт, що враховує сили інерції при підйомі вантажу (кg=1,2; 1,3; 1,4) відповідно для груп режимів М3; М4; М5; mв – маса візка приймається наближено, mв(0,3…0,4)Q; zк – число ходових коліс; m – коефіцієнт, враховуючий нерівномірність розподілення навантаження на ходові колеса, m0,7…0,8.

По силі Fк , швидкості пересування V (м/с), режиму з таблиць вибирають основні розміри, діаметр ходової частини Dк та    ширину вк. Під дією сили Fк  поверхня контакту колеса і рейки пружно деформується. Тоді виникають досить великі контактні напруження, які визначаються для лінійного контакту за формулою Герца-Беляєва:

                                     .                               (2.204)

Для плоскої головної рейки, коли Rp=+∞; ρк=Dхк /2, останню формулу можна записати:

                               ,                          (2.205)

де Dк – діаметр ходової частини колеса; вр – робоча ширина контакту (головки плоскої рейки): врхк–(10…20)мм; n – емпіричний коефіцієнт, введений професором Б. Ковальським, n=0,4; кf – коефіцієнт враховуючий тертя, залежить від режиму роботи, кf=1…1,1; кн – коефіцієнт, що враховує характер контакту по ширині рейки (кн=2 – для плоских рейок; кн=1,1 – для рейок з опуклою головкою.); кg – динамічний коефіцієнт, що залежить від швидкості. При V>1м/с; V=1…1,5м/с; V=1,5…3м/с; V>3м/с, кg буде відповідно 1,0; 1,1; 1,2; 1,3.

Тоді:

                                .                             (2.206)

Зведений модуль пружності для рейки коліс, виконаних з сталі:

                            ,                   (2.207)

де Ер і Ек модулі пружності матеріалів рейки і колеса.

Контактні напруження між поверхнею колеса та рейкою будуть, МПа:

                               .                            (2.208)

Допустимі контактні напруження  становлять 450…910МПа для кованих термічнооброблених  коліс і 420…630МПа для литих сталевих коліс.

Для точкового контакту циліндричного колеса і рейки з заокругленого головкою, або конічного колеса із заокругленою поверхнею обода і плоскою рейкою (двотавр) контактне напруження:

                                       ,                                (2.209)

де rmax – найбільший з двох радіусів контакту; к – коефіцієнт, що залежить від відношення rmin /rmax<1, де rmax більший з радіусів (колеса rк = Dк /2 або головки рейки rpDp /2 чи опуклості обода, коли r0D0 /2):

                          …1,0; 0,9; 0,6; 0,4; 0,2; 0,1,               (2.210)

Тоді к…0,09; 0,099; 0,111; 0,13; 0,19; 0,28.

Для сталевих колеса та рейки Епр=Е=2,1∙105МПа.

Тоді:

           , МПа.        (2.211)


2.6.4. Розрахунок механізмів пересування

В період встановленого руху візка або крана двигун переборює силу опору переміщення. Для її визначення приведено вертикальні сили до колеса (рис. 2.66).

Схема для визначення сили опору переміщення

Рис. 2.66.

При перекочуванні візка від привода під дією моменту виникає сила зчіплення Fзч. колеса з рейкою Fзч=(Q+mв)gfзч , яка дорівнює рушійній силі Fк за модулем і протилежно направлена Fзч=[Fк], де fзч – коефіцієнт зчеплення колеса з рейкою. При русі реакція Fp=(a+mв)g зміщується в сторону руху на величину µ, мм, яка називається коефіцієнт тертя кочення. Сила тертя в цапфах (осях) ходових коліс: Ft=(Q+g)gf.

Тоді момент відносно осі колеса:

                                ,                              (2.212)

                              або .                    (2.213)

Сила опору пересування:

                                    ,                             (2.214)

де mв – маса візка; f – коефіцієнт тертя в підшипниках коліс; dц – діаметр цапфи, dц0,2Dк.

Таблиця 2.11

Коефіцієнт тертя f в підшипниках ходових коліс

Тип підшипника

Ковзання

Кочення

Конструкція підшипника

Відкриті

Букса з рідким мастилом

Кулькові і роликові

Конічні

f

0,1

0,08

0,015

0,02

Таблиця 2.12

Плече тертя кочення μ ходових коліс в мм

Тип рейки

Діаметр ходового колеса в мм

200

320

400

500

630

710

800

900

1000

Для стальних коліс

Плоских

0,3

0,5

0,6

0,7

З опуклою

головкою

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Для чавунних коліс

Плоских

0,4

0,6

0,8

0,9

З опуклою

головкою

0,5

0,7

0,9

1,2

1,4

Таблиця 2.13

Вибір підшипників кочення кранових коліс

Діаметр колеса в мм

Тип колеса

Циліндричні двохребордні

Конічні одноребордні

100

305

120

306

150

307

160

1607

307

175

308

200

1609

309

250

53610

310

320

53612

312

400

53616

500

53620

Враховуючи додатковий опір тертя в ребордах по головці рейки, а також силу вітру Fв при роботі на повітрі, сила опору:

                               .                   (2.215)

Тут коефіцієнт βр взяти з табл. 38 [21].

Сила опору вітру:

                                            ,                                  (2.216)

де кс – коефіцієнт суцільності, враховує просвітлення конструкції; для візків кс=0,8…1; S1 – підвітряна проекція площі зовнішнього габариту візка; S2 – підвітряна проекція вантажу, приймається з таблиць залежно від вантажопідйомності; рв – тиск вітру робочого стану, Па.

Відповідно, для крана:

                 ,        (2.217)

де mм – маса мосту.

Таблиця 2.14

Наближена маса електротельферів

Вантажопідйомність

Маса

Т

кН

кг

0,25

2,5

74

0,5

5,0

91

1,0

10,0

580

1,0

10,0

490

3,0

30,0

620

3,0

30,0

550

4,0

40,0

880

4,0

40,0

1325

4,0

40,0

1260

4,0

40,0

1800

5,0

50,0

1250

5,0

50,0

1630

5,0

50,0

1820

Так, як механізми кранів працюють в повторно-короткочасному режимі при  частому пуску та зупинці в період циклу, то основними навантаженнями є динамічні сили, які визначають міцність машини і потужність двигуна.

Загальна сила пересування з врахуванням сил інерції (динамічних сил):

                      ,               (2.218)

де а – середнє прискорення візка при пуску, м/с2; приймають а0,1…0,25м/с2; 1,1…1,3 – коефіцієнт, що враховує обертові маси приводу.

Необхідна потужність електродвигуна, кВт:

                                          ,                                      (2.219)

де Vв – швидкість пересування візка, м/с; Ψпс – середній коефіцієнт перевантаження двигуна в період пуску (приймають Ψпс=0,8…2);             – к.к.д. механізму пересування, =0,8…0,9.

Із таблиць [23] підбирають електродвигун типу MTF, MTKF та 4А (в легких кранах) та його параметри.

Передаточне число механізму:

                                                  ,                                        (2.220)

де пк – частота обертання приводних коліс, об/хв:

                                            ,                                     (2.221)

де Dк – діаметр колеса, м.

З таблиць [23] підбирають до самохідних кранових візків редуктори типу ВК або ВКН, а для мостів кранів – РМ або У2, ВК (для кран-балки з центральним приводом).

2.6.5. Перевірка на зчеплення приводних коліс

з рейками при пуску та гальмуванні

В механізмах пересування кількість приводних коліс переважно частина їх (половина). При встановленому русі приводні колеса перекочуються по рейках без ковзання. В період різкого прискорення (сповільнення) при пуску (гальмуванні) зв’язок між приводними колесами і рейками порушуються з появою втрати зачеплення. Через це проводять перевірку механізму пересування на зчеплення при пуску та гальмуванні.

Умова, визначаюча відсутність пробуксовування при пуску, визначається за рахунок надійного зчеплення: його приймають Кзч≥1,2. Для надійного зчеплення приводних коліс з рейками при пуску необхідно, щоб сила зчеплення Fзч ведучих коліс:

                                         ,                                 (2.222)

де Fв – навантаження на приводне колесо; zв – кількість ведучих (приводних) коліс, zв=zк /2, zк – кількість ходових коліс; Fn – сила на приводних колесах при пуску; fзч – коефіцієнт зчеплення ведучих коліс з рейками (fзч=0,12 – для кранів, що працюють на відкритому повітрі; fзч=0,16...0,2 – для кранів, що працюють в закритому приміщенні).

Сила на валу приводних коліс при пуску, Н:

                                           ,                                       (2.223)

де Мпс – середньопусковий момент на валу двигуна, Нм:

                                              ,                                        (2.224)

им – передаточне число механізму; – к.к.д. механізму; Dк – діаметр приводних коліс, м.

При гальмуванні сила зчеплення приводних коліс з рейками:

                                       ,                                  (2.225)

де FГ – сила на валу приводних коліс з рейками при гальмуванні:

                                            ,                                       (2.226)

де МГ –гальмівний момент.

2.6.6. Козлові крани

Козлові крани являються різновидністю мостових кранів        (рис. 2.67). Їх відмінність полягає в тому, що міст 1 з механізмом підйому 2 встановлюють на спеціальних високих опорах (фермах) 4. Кожна опора складається з двох стояків 1 (рис. 2.68), які знизу спираються і закріплені на ходових колісних візках 2 і з’єднанні між собою стяжками 4. Ходові візки переміщуються по рейках 3, прокладених на рівні землі. Існують конструкції кранів у яких нижні кінці стояків кріплять до ходових балок 5 з колесами (рис. 2.68, в). Коли одна частина мосту спирається на будівлю, або на естакаду, а друга – опорою на рейку на рівні землі – такі крани називають напівкозловими (рис. 2.67, г). Міст крана перекриває площу складу, автомобільний проїзд та залізничні шляхи.

Козлові крани широко використовуються для завантажувально-розвантажувальних робіт на складах, для складання залізобетонних та металевих конструкцій на заводах та полігонах при монтажі залізобетонних виробів, при монтажі великих ємкостей (апаратів) для хімічних підприємств, обертових цементних печей, котлів, турбогенераторів, на будівництві теплових та гідроелектростанцій, атомних електростанцій, в житловому будівництві небагатоповерхових будівель (5…6 поверхів) та ін. (рис. 2.69) Ці крани по всьому прогону (прольоті) мають постійну вантажопідйомність, немає потреби в поворотних механізмах. Важливим є здатність механізмів забезпечувати м’яку установку вузлів та елементів при монтажних роботах. При роботі козлового крана допускається суміщення не більше двох операцій, наприклад одночасний підйом вантажу та пересування крана, або пересування крана та вантажопідйомного візка.

Схеми кранів

Рис. 2.67.

а, б, в – козлові; г – напівкозловий

При невеликих прогонах (L≤30м) кран виготовляють з двома жорсткими опорами; коли прогони великі (L>30м), одна опора просторової конструкції жорстко кріпиться до мосту, а друга плоска ферма кріпиться зверху шарнірно, через шкворень для запобігання заклинювання на рейках при температурній зміні довжини мосту, або деформації підкранової колії.

Опорні вузли кранів

Рис. 2.68.

Крани вантажопідйомністю до 20т спираються на чотири одноколісні візки (рис. 2.70) (два з них приводні); при вантажопідйомності 30т та більше – на чотири візки двоколісні балансирні (теж два з них приводні) – для рівномірного навантаження на кожне колесо. Ходові колеса циліндричні двохребордні, встановлені на двох роликопідшипниках сферичних. Незалежно від навантаження необхідно брати ходові колеса діаметром не менше 400 мм. Це запобігає поштовхи при переході через стики рейкових шляхів.

Механізми пересування сучасних козлових кранів (рис. 2.71) виконують з індивідуальним приводом, розміщеним на ходових візках. Використовуються двигуни змінного струму (трифазні) з фазним ротором типу MTF. Електрична схема керування забезпечує синхронну роботу приводів.

В залежності від умов використання козлові крани виготовляють: без консолі та з однією або двома консолями (рис. 2.67, а, б, в).

Крани без консолей обслуговують площі складів на будівництві та монтажні дільниці. Наявність виступаючої за опору частини ферми мосту (консолі) дозволяє завантажувати транспортні засоби з кінця крана і обслуговувати більші площі.

Робочою довжиною консолі називають відстань від осі рейки крана до вантажозахватного пристрою (наприклад, зіва крюка) механізму підйому, що знаходиться в крайньому положенні консолі.

Використання козлових кранів

Рис.2.69.

Довжина консолі (виліт) Lк по відношенні до прогону крана L складає Lк(0,2…0,3)L. Виліт має перекривати ширину платформи безрейкового транспорту (2,5…3,3)м. Для обслуговування залізничних вагонів достатньо, щоб виліт становив (4,2…4,5)м.

Конструкції приводних візків кранів

Рис. 2.70.

В монтажних кранах міст виконують без консолей. Стояки опор охвачують пролітну конструкцію мосту для забезпечення проходу візка між ними при виїзді на консоль з розворотом вантажу, або без розвороту. Для кранів вантажопідйомністю (3,2…5)т при колісній базі крана к=6,5…7,5)м вантаж має безперешкодно проходити між стояками опор. При більшій вантажопідйомності  цей розмір становить (9…11)м. База крана по відношенню до прогону Bк(0,21…0,6)L.

Кінематичні схеми механізмів пересування козлових кранів

Рис. 2.71.

Козлові крани бувають загального призначення, які використовуються для обслуговування складів, та монтажні. Крани загального користування використовуються при вантажопідйомності до 50т з прогоном до 40м. Монтажні крани використовуються при великій вантажопідйомності (до 630т), з малим прогоном (до 20м) та малими швидкостями.

Розрізняють два основних типи козлових кранів по конструкції мостів – однобалочні та двобалочні. Найбільш розповсюдженні однобалочні мости при вантажопідйомності до 5т. Мости виконують монорейкові з двотаврів N18M…45M ГОСТ 19425-74, зверху підсилені металоконструкціями для забезпечення достатньої жорсткості.

Металічні конструкції виготовляють зварними з профільного прокату: швелерів, кутників, труб, листів. Матеріал сталь Ст3. Мости бувають фермового, трубчастого та балочного типів        (рис. 2.72).

Конструкції мостів козлових кранів

Рис. 2.72.

При вантажопідйомності до 3,2т та прогоні до 12,5м головну балку виконують з двотавра з підсиленням верхнього пояса швелером (рис. 2.72, и); більш удосконалене рішення перерізу головної балки (рис. 2.72, ж), де верхній пояс утворений гнутим листом, а нижній пояс утворений половиною двотаврової балки, привареної до полоси. Мають місце розповсюдження з більшою просторовою жорсткістю коробчаті мости трапецевидного та трикутного перерізів. В кранах вантажопідйомність (3,2…5)т міст виготовляють з труби з приваркою стінки таврового профілю з розрізаного двотавра (рис. 2.72, г-1). Для підвищення горизонтальної жорсткості стінки таврового перерізу розведені в різні сторони (рис. 2.72, г-2). В конструкції (рис. 2.72, г-3) тавр підсилений за допомогою відігнутих планок. Більше розповсюдження отримали мости (рис. 2.72, г-4), де між двотавровою балкою і трубою розміщений проміжний швелер. Труби використовують діаметром 800м і більше. Товщина стінки 10мм.

При вантажопідйомності 5т використовують гратчасті трьохгранного перерізу мости. Переріз мосту з двох трубчастим верхнім поясом і розкосами та нижнім поясом з двотаврового або таврового перерізу головної балки, приведений на рис. 2.72, и.

Випускаються крани з гратчастою конструкцією ферми мосту таврового перерізу (рис. 2.72, б), де верхній пояс у вигляді спарених кутників  та нижній у вигляді одинарних кутників, з’єднаних розкосами (з кутників). Верхній та нижній пояси з’єднані  вертикальними стояками та бічними підвісками (теж з кутників). В нижній частині болтами до мосту кріпиться їздова двотаврова балка. Чотирьохгранні гратчасті мости з однорейковими їздовими балками (рис. 2.72, а) використовують в козлових кранах вантажопідйомністю (10…20т) переріз таких мостів утворюється чотирма поясами з розміщеними в тавр кутників. Пояси з’єднанні розкісно-стояковими гратами з кутників. Двотаврова їздова балка прикріплена на болтах до пластин середньої грані і підтримується парними нахиленими підкосами (з кутників). З двох сторін до нижніх поясів приварюють поздовжні полоси перерізом 10010мм, які служать рейками для бічних роликів вантажного візка.

Досить широке розповсюдження отримали гратчасті мости з підвішеними вантажними візками, які переміщаються по бічних направляючих. Таким може бути трьохгранний трубчастий переріз мосту (рис. 2.72, є), де верхній пояс виконаний з труби, а нижній пояс з двох труб, з’єднаних трубчастими розкосами. На бічних трубах можуть бути розміщені кутники, або рейки, по яких зверху перекочуються катки вантажного візка.

Для інтенсивно та довго працюючих кранів використовують мости листової конструкції. Переріз мосту (рис. 2.72, е) трапецевидного перерізу має верхній пояс з потовщеного листа до якого прикріплені бічні стінки. В місці з’єднання з нижнім ширшим листом встановлені коробки, зверху яких розміщенні рейки, по яких переміщається вантажний візок.

Для кранів вантажопідйомністю 12,5т встановлюють трубчастий переріз мосту (рис. 2.72, д). До труби діаметром 1120мм, товщиною стінки 10мм приварених з кутникових профілів підвізкової балки.

В кранах, де механізм пересування візка знаходиться далеко від блоків використовують фрикційний барабан, який охвачує три з половиною витки тягового каната (рис. 2.72, ж).

Мости балочного типу використовуються в двохбалочних козлових кранах. Міст виконується з двох головних балок 4        (рис. 2.72, і), жорстко з’єднаних по кінцях торцьовими балками 5. Балки мають коробчастий переріз, зварені з листової сталі. Зверху поясів головних балок встановлені рейки 3 для вантажного візка. Зовні до бічних стінок приварені містки 2   та 6 для обслуговування крана та огороджувальні перила 1.

Головні балки в місцях приєднання опор зв’язані поперечними дуговими стяжками-порталами для вільного проходу вантажного візка з вантажем.

2.6.6.1. Козлові однобалочні крани

Міст крана (рис. 2.73)знизу має поздовжню балку 2 двотаврового перерізу, по нижньому поясі якої пересувається самохідна електрична таль 4 або візок. Балку (рис. 2.73, г, и) виконують з трьохгранної, чотирьохгранної гратчастої ферми, трубчастої конструкції з прикріпленою знизу їздовою балкою з двотавра   ГОСТ 19425-74. В деяких конструкціях мосту розміщені рейки зверху, збоку або (два двотаври знизу).

Однобалочні козлові крани

Рис. 2.73.

Опори мосту виконують у вигляді ферм: просторової 1           (рис. 2.73, а, б, в) та плоскої 7. Для переміщення вантажного візка перша з’єднується з мостом жорстко, друга шарнірно, за допомогою шворня 6. Таке кріплення опор запобігає заклинювання коліс на рейках. Співвідношення між базою та прогоном приймають: В=(0,3…0,2)L.

Два з чотирьох ходових коліс виконують приводними 8. Привід індивідуальний від електродвигуна трьохфазного типу MTF. Живлення електродвигунів здійснюється від тролеїв або гнучкого кабелю. Консолі мосту використовуються для завантаження транспортних засобів з торця крана.

2.6.6.2. Механізми пересування канатами вантажних візків

Коли механізм пересування знаходиться близько блоків, в механізмі пересування (рис. 2.74) доцільно використовувати канатоведучий шків, який охоплюється трьома витками тягового каната. Використання канатоведучого шківа зменшує розміри лебідки. Канат на шківі практично не зміщується в сторону.

Механізм пересування візка

Рис. 2.74.

В канатах, де механізм пересування візка знаходиться далеко від блоків використовують фрикційний барабан, який охоплює три з половиною витки тягового каната (рис. 2.73, ж).

Козлові двохбалочні крани

Рис. 2.75.

2.6.6.3. Козлові двохбалочні крани

В козловому двохбалочному крані (рис. 2.75, б) при прогонах L>30м міст 4, виконується просторового або балочного типу і опирається на високі опори. Одна опора 1 у вигляді просторової жорсткої конструкції і жорстко з’єднана з мостом, а друга гнучка опора 5 у вигляді плоскої ферми з’єднана з мостом за допомогою горизонтального шкворня. Це запобігає заклинюванню ходових коліс з рейками. Виконують також стояки коробчастими.

Кожна опора має два стояки, які спираються окремо на двохколісний балансирний візок 8. В сучасних кранах два візки з’єднують між собою стяжками 7. При чотирьох двохколісних візках два з них приводні. На верхньому поясі головних балок розміщені рейки для переміщення вантажного візка. Візок 3 виконують самохідним або переміщуються канатом тягового механізму 6, розміщеному на верхній частині жорсткої опори     (рис. 2.75, б). Механізм підйому 2 може бути розміщеним на візку, або встановленим біля механізму переміщення на верхній частині жорсткої опори. Кабіна закріплена на жорсткій опорі.