5.2. Расчет механизма передвижения крана (тележки).

Исходные данные. В качестве исходных данных для расчета должны быть заданы:

– скорость передвижения ν, м/сек;

– режим работы механизма по правилам Росгортехнадзора (или группа режима

работы по ГОСТ 25835-83);

– пролет крана L, м;

– условия работы крана (в закрытом помещении или на открытом воздухе и др);

график загрузки механизма.

Остальные исходные данные (грузоподъемность, род тока, срок службы, тип машины) те же, что были и при проектировании механизма подъема груза.

Выбор кинематической схемы. Механизмы передвижения тележек (крана), как правило, имеют центральный привод с тихоходным трансмиссионным валом.

Пример такой кинематической схемы привода приведен на рис. 2.5.

Ч исло ходовых колес зависит от грузоподъемнос-ти. При грузоподъемности до 160 т принимают четыре колеса, при большей грузоподъемности - восемь. Предпочтительно расположение редукто-ра посередине между приводными ходовыми ко-лесами. При этом обе половины трансмиссионно-го вала закручиваются под нагрузкой под одинаковый угол, что способствует одновременному началу движения приводных колес и ликвидации пере-

косов. Тем не менее в тележках применяется и схема с боковым расположением редуктора, достоинство которого - удобство монтажа редуктора. В механизмах передвижения однобалочных мостовых кранов применяется привод с центральным расположением редуктора и открытыми зубчатыми передачами на колеса. При этом уменьшаются масса и габариты редуктора. Различные кинематические схемы приведены в учебниках [1, 7, 9] и др.

Число ходовых колес крана может быть 4, 8, 16. Оно зависит от грузоподъем-ности, пролета, режима работы и скорости движения крана. Рекомендуемое число ходовых колес в зависимости от грузоподъемности приведен в табл. 2.6.

Табл. 2.6. Число ходовых колес крана.

Грузоподъемность механизма главного подъема, Т	до 80	80…100	100…160	Более 160
Число ходовых колес	4	8	8, 16	16

При числе ходовых колес 16 число приводов может быть равно 4.

Определение статических нагрузок на ходовые колеса.

Максимальную (в груженном состоянии) и минимальную (в порожнем состоянии) статические нагрузки на ходовое колесо тележки (Р_ст.max и Р_ст.min) следует определять с учетом коэффициента неравномерности нагружения колес: в груженном состоянии умножить на 1,1, а в порожнем состоянии - на 0,9.

Вес тележки G_т. для кранов грузоподъемностью 5…50 т рекомендуется принять из табл. 2.7.

Приведенные значения определены на основании ГОСТ 25711-83.

Для тележек кранов, имеющих грузоподъемность 80…500 т, вес тележки можно определить по ГОСТ 6711-81.

Если грузоподъемность крана не подпадает в диапазоны грузоподъемностей заданных стандартов, предварительно вес тележки следует принять равным:

G_т = (0,25…0,35)G - для группы режима работы 1М…4М.

G_т = (0,4…0, 5)G - для группы режима работы 5М…6М.

Расчетные схемы приводных колес двухбалочного крана приведены на рис. 2.6 и 2.7, по которым можно определить максимальные нагрузки на все колеса одной стороны крана Р_мах .Эти схемы могут быть использованы и для определения минимальных нагрузок Р_min на все колеса одной стороны крана, когда тележка без груза находится в крайнем положении. Выбор той или иной расчетной схемы из представленных на рис. 2.6 и 2.7 зависит от грузоподъемности крана и состояния в еличин ₁ и ₂ .

На схемах обозначено: G_м - вес моста крана, включая вес электрооборудования; G_гр - вес номинального груза механизма главного подъема; G_каб - вес кабины управления; _каб - расстояние от центра массы кабины до оси ближайшего подкранового рельса.

Представляя кран в виде двухопорной балки и составляя уравнения моментов сил относительно опор, можно определить P_max и P_min .Для расчета этих величин необходимо знать числовые значения параметров G_м , G_каб , _каб , ₁ и ₂ .

Вес моста крана равен

G_м = G_кр - G_каб - G_т

где G_кр - конструктивный вес крана с электрооборудованием.

Вес крана можно определить по ГОСТ 25711-83 и 6711-81.

Вес кабины управления зависит от того, открытая или закрытая кабина Вес открытой кабины с электрооборудованием рекомендуется принять равным 10…13 кН, а закрытой - 14…17 кН. [9].

Значение l_каб следует принять одинаковым для всех кранов и равным 2,4 м. Значения l₁ и l₂ для кранов различной грузоподъемности приведены в табл. 2.7.

Табл. 2.7. Значения ₁ и ₂ (Рис. 2.6 и 2.7).

Значения	Грузоподъемность, Т
	5	8, 10	12,5, 16	16/3,2	20/5	32/5	50/12,5	80/20	100/20
l1 l2	1,0 0,8	1,2 1,1	1,3 1,12	1,95 1,3	2,01 1,12	1,91 1,6	2,0 1,9	2,7 1,9	2,7 1,9

Выбор колес. В табл. 2.8 приведены диаметры ходовых колес Д, диапазоны допускаемых нагрузок [Р_{к мах}] на колеса по ОСТ 24.090.44-82 и соответствующие типоразмеры рельсов.

Зная максимальную статическую нагрузку на одно колесо, вычисленную ранее, можно выбрать колесо по условию Р_ст.мах ≤ [Р_{к мах}].

Табл. 2.8. Диаметры колес и типоразмеры рельсов.

Максимальная статичес-кая нагрузка на колесо, кН	Диаметр колеса, мм	Типоразмер рельса с вы-пуклой головкой
30…50	200; 250	Р24 ГОСТ 6368-82
50,..100	320; 400	Р43 ГОСТ 7173-54 КР70 ГОСТ 4121-76
100…200	400; 500	Р43 7173-54 Р50 7174-75 КР70 4121-76
200…250	500; 560; 630	Р43 —//— Р50 —//—
		КР70 —//— КР80 ГОСТ 4121-76
250…320	630; 710 и т.д.	Р43, Р50, КР80

Выбор колесных установок. Ходовые колеса тележек и кранов входят в состав сборочных единиц «Приводное колесо сборе» и «Неприводное колесо в сборе». Эти сборочные единицы называют и колесными установками. Конструкции и параметры унифицированных колесных установок приведены в Приложении 8, а также в ОСТ 24.090.09-75 и в справочнике [9, т.2]. При группах режима работы 4М…6М рекомендуется применять только унифицированные колесные установки со сферическими роликоподшипниками.

ОСТ 24.090.09-75 предусматривает два типа двухребордных колесных установок: К2РП - с приводным колесом; К2РН - с неприводным колесом, и содержит все размеры колесных установок для колес диаметром 200…1000 мм. Наличие различных исполнений позволяет рассматривать разные варианты компоновки механизма передвижения.

Типоразмер колесной установки выбирают по диаметру ходового колеса. Выбрав колесные установки, необходимо выписать условные обозначения их типоразмеров и следующие параметры: диаметр колеса - Д; диаметр конца вала - d; диаметр цапфы - d_ц ; ширину дорожки катания - В; число реборд z_реб ; массу приводной m_к.у.пр. и неприводной m_{к.у.непр.} установок, а также указать форму поверхности катания и тип подшипника.

Выбор рельса В качестве подтележечных и подкрановых рельсов рекомендуется использовать рельсы как с выпуклой головкой (типы Р и КР), так и плоские. Плоские рельсы (полосовую и квадратную сталь) желательно

использовать в кранах сравнительно небольшой грузоподъемности, например в однобалочных (ГОСТ 22045-82) грузоподъемностью до 5 т. Крановые рельсы типа КР имеют стенку повышенной толщины и более широкую опорную поверхность, поэтому допускают большую нагрузку и обеспечивают наиболее равномерную передачу ее на верхний пояс опорной балки.

При выборе типоразмера рельса (табл. 2.8) необходимо проверять соотношение ширины дорожки катания колеса «В» и номинальной ширины головки рельса «в»; «В» должно быть больше «в» на значение, указанное в табл. 2.9.

Табл. 2.9. Соотношение дорожки катания колеса и ширины головки рельса

Тип колеса	Разница (В - в), мм
Крановое двухребордное цилиндрическое Крановое двухребордное коническое Тележечное двухребордное Тележечное одноребордное Безребордное	30 40 15…20 30 Не более 60

Выбрав типоразмер колеса, необходимо выписать условное обозначение его типоразмера и следующие параметры: номинальную ширину головки «в» и радиус головки «r». Если выбирается подтележечный рельс, то необходимо выписать: ширину основания рельса в_осн. ; расстояние от основания до нейтральной оси «y»; площадь поперечного сечения F; момент инерции j_х; мерные длины _мерн. и немерную длину _немер. и материал.

Рекомендуется начертить поперечное сечение рельса с указанием всех размеров.

Определение сопротивлений передвижению тележек и кранов. Полное сопротивление W (кН) передвижению тележки или крана в период разгона, приведенное к ободу колеса, включает следующие составляющие:

W = W_тр + W_y + W_в + W_ин + W_гиб. ;

где W_тр - сопротивление, создаваемое силами трения;

W_y - сопротивление, создаваемое уклоном подтележечного или подкранового пути;

W_в - сопротивление, создаваемое ветром, если кран (тележка) работает на открытом воздухе;

W_ин - сопротивление, создаваемое инерцией вращающихся и поступательно движущихся масс тележки или крана;

W_гиб. - сопротивление, создаваемое раскачиванием груза на гибкой подвеске.

Для тележек и кранов, имеющих ходовые колеса с ребордами, сопротивления, создаваемые силами трения W_тр (кН), определяются по формулам:

для тележки W_тр = (G_т + G_гр)∙(2µ + ƒ∙d_ц)∙К_доп/Д ;

для крана W_тр = (G_кр + G_гр)∙(2µ + ƒ∙d_ц)∙К_доп/Д ;

где µ - коэффициент трения качения по рельсу (табл. 2.10).

ƒ - приведенный коэффициент трения скольжения в подшипниках колес (табл. 2.11)

К_доп - коэффициент дополнительных сопротивлений, определяемых трением реборд о головку рельса и трением элементов токосъемного устройства (табл. 2.12).

Табл.2.10. Коэффициент трения качения

Форма головки рельса	Диаметр колеса, мм
	200…300	400…560	630…700	800	900…1000
Плоская Закругленная	0,3 0,4	0,5 0,6	0,6 0,8	0,65 1,0	0,7 1,2

Табл. 2.11. Коэффициент трения скольжения.

Тип подшипника	ƒ
Шариковый, роликовый (кроме роликов с коническ. роликами) Роликовый с коническими роликами Скольжения	0,015 0,020 0,10

Табл. 2.12. Коэффициент дополнительных сопротивлений.

Объект	Форма поверхности катания колеса	Привод механизма	Кдоп.	Примечание
Кран опорный	Коническая	Центральный Раздельный	1,2 1,1	Троллейный токоп. Гибкий токопровод
	Цилиндрическая	Центральный Раздельный	1,5 1,1
Тележка Кран подвесной	Цилиндрическая Коническая	Центральный Односторонний двусторонний	2,5 2,0 2,0/2,5 1,8/2,0

G_т , G_кр ,G_гр - соответственно вес тележки, крана и номинального груза, кН; Д -

- диаметр колеса, мм; d_ц - диаметр цапфы вала (оси) колеса, мм.

Если проектируется неунифицированная сборочная единица «Колесная установка», то принимается d_ц = (0,2…0,25)∙Д.

Сопротивление W_у (кН), создаваемое уклоном, определяют по формулам:

для тележки W_у = α∙(G_т + G_гр);

для крана W_у = α∙(G_кр + G_гр);

где α - уклон рельсового пути

для тележки α = 0,002

для крана α = 0,001.

Сопротивление, создаваемое ветром рабочего состояния, определяют по нормам ГОСТ 1451-77 и рекомендациям [1]. Минимальное значение ветровой нагрузки на груз при расчетах принимают 500Н, а динамическое давление ветра допускается принимать равным 450 Па.

Сопротивление W_ин (кН), создаваемое силами инерции, определяется по формуле:

W_ин = δ∙m_пост∙а ;

где δ - коэффициент, учитывающий инерцию вращающихся частей механизма (при скорости движения < 1 м/сек δ = 1,25; больше 1 м/сек δ = 1,15 [6]);

m_пост - масса поступательно движущегося объекта (тележки или крана), Т

а - ускорение при разгоне, м/с²

Значение а рекомендуется принять равным а = (0,5…1,0) [а],

где [а] - допускаемое ускорение м/с² (табл. 2.13).

Табл. 2.13. Допускаемое ускорение [а], м/с².

Назначение крана	Грузоподъемность крана, Т
	до 3,2	3,2…12,5	свыше 12,5
Перегрузка штучных грузов: - с помощью приводного захвата - при ручной строповке обслуживание монтажных работ	0,10 0,20 0,10	0,10 0,15 0,07	0,10 0,10 0,05

Если выполняется условие сцепления колес с рельсами, то кран (тележка) может работать с ускорением 0,3 м/с² и выше, а приведенные в табл. 2.13 значения следует применять как средние.

Сопротивление, создаваемое раскачиванием груза на гибкой подвеске. при движении тележки или крана груз совершает колебания относительно оси, отклоненной от вертикали в сторону, противоположную направлению движения. В результате возникает дополнительное сопротивление движению:

W_гиб = G_гр∙tgα , где α - угол отклонения груза от вертикали; α = 2α/g ;

Данная составляющая вызывается силой инерции, действующей на груз при его колебаниях, и может быть также выражена:

W_гиб = (m_гр + m_п)∙α ,

где m_гр - масса груза, т; m_п - масса подвески, т.

Выбор двигателя. Необходимую мощность двигателя определяют по формуле:

N = (W∙ν)/(η_пр∙ψ_п.ср) (кВт) ,

где η_пр - 0,8…0,85 предварительное значение КПД;

ψ_п.ср - кратность среднепускового момента по отношению к номинальному (коэффициент, характеризующий перегрузочную способность двигателя).

Значение ψ_п.ср принимается по табл. 2.14.

Тип двигателя	ψп.ср
Асинхронный с фазным ротором С короткозамкнутым ротором: MTKF MTKH 4AC 4AE Постоянного тока с последовательным возбуждением	1,5…1,6 1,3…2,6 1,6…2,4 1,65…1,8 1,1…1,8 1,8…2,0

Выбор серии двигателя производится аналогично, как это рекомендовано для механизма подъема груза. Тип двигателя выбирают исходя из следующих условий.

Первое условие - относительная продолжительность включения двигателя должна соответствовать относительной продолжительности включения механизма.

Второе условие - номинальная мощность двигателя должна быть равна или несколько больше значения мощности, вычисленного по формуле (см. выше); т.е.

N_дв. ≥ N - центральный привод;

N_дв. ≥ N/Z_пр - раздельный привод.

где Z_пр - число приводов механизма.

Если выбрать двигатель серии MTKF, MTKH или 4AE, необходимо уточнить кратность среднепускового момента ψ_п.ср , после чего уточнить значение мощности (N), и повторить выбор типа двигателя.

Уточнение значения ψ_п.ср производится по формулам: ψ_п.ср = (0,7…0,8)∙ψ_мах для серии двигателей серий МТК и МТКН;

ψ_п.ср = (ψ_min + ψ_{нач.пуск})/2 для двигателей, где ψ_мах , ψ_min и ψ_{нач.пуск.} - кратности максимального, минимального и начального пускового моментов двигателя по отношению к номинальному. Эти значения приводятся в каталогах на двигатели.

После выбора типа двигателя необходимо выписать условное обозначение его типа и основные параметры (те же, что рекомендованы для двигателя механизма подъема груза), а также начертить габаритный чертеж.

Выбор передачи. Передачу выбирают исходя из кинематической схемы механизма. Если в схеме имеется открытая зубчатая передача или ее необходимость вызвана большим передаточным числом механизма, то вначале надо определить основные параметры открытой зубчатой передачи: перед расстояние а_w . Передаточное число U_откр. следует назначать из ряда стандартных передаточных чисел (ГОСТ 2185-66) 2,0; 2,5; 3,15; 4,0; 5.

Число зубьев z₁ предварительно принимается z₁ = 17 или несколько больше. Диаметр начальной окружности d_w2 рекомендуется принимать равным диаметру ходового колеса Д. Получаемое значение модуля необходимо округлить до ближайшего из ряда стандартных модулей (ГОСТ 9563-60): 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0. После округления модуля следует уточнить величину d_w2 .

Выбор типа редуктора. В механизмах передвижения тележек используют вертикальные крановые редукторы типа ВК и ВКУ-М, закрепляемые на вертикальной плите, и навесные редукторы ЦЗ_вк и ЦЗ_вкФ (ОСТ 24.191.10-75).

В механизмах передвижения кранов кроме вертикальных редукторов можно использовать горизонтальные, применяемые в механизмах подъема груза.

Технические данные редукторов приведены в Приложении 5, а также в литературе [7].

Типоразмер редуктора выбирают по методике, аналогичной, что была изложена для механизма подъема груза, за исключением четырех отличий.

Первое отличие - для редукторов типа ЦЗ_вк и ЦЗ_вкФ Z₀ = 63∙10⁶ (базовое число циклов нагружения).

Второе отличие - суммарное число циклов контактных напряжений тихоходно-го зубчатого колеса редуктора определяют z_т = 30n_т∙t_маш , т.к. работает не одна (как в механизме подъема груза), а две активные поверхности зубьев.

Третье отличие - расчетный крутящий момент М_р (Н∙м) на тихоходном валу редуктора определяют по формуле:

М_р = М_дв.мах∙U_р∙η_р ,

где М_дв.мах - максимальный момент двигателя, Н∙м;

U_р ,η_р - соответственно передаточное число и КПД редуктора.

передаточное число U_откр., модуль зубьев m, число зубьев z₁ и z₂

Вместо U_р можно принимать значение, взятое из паспортных данных на принятый тип редуктора и близкое к требуемому передаточному числу.

К.П.Д. типа редуктора принимается по рекомендациям:

Цилиндрический: двухступенчатый η_р = 0,96…0,97

трехступенчатый η_р = 0,94…0,95

Конический: одноступенчатый η_р = 0,97…0,98

Цилиндроконический η_р = 0,95…0,96

Планетарный: двухступенчатый η_р = 0,93…0,97

трехступенчатый η_р = 0,89…0,96.

Если в каталоге М_дв.мах не приведен, то его можно определить по формуле:

М_дв.мах = М_дв.ном∙ψ_мах ,

где М_дв.ном - номинальный момент двигателя, Н∙м;

М_дв.ном = N_дв/ω_дв ,

где N_дв - номинальная мощность двигателя, Вт;

ω_дв - номинальная угловая скорость двигателя, Рад/с.

Четвертое условие - коэффициент долговечности К_д должен быть в пределах 0,6…1,0. Для редукторов типа ЦЗ_вк К_д = 0,5…1,0.

После выбора типоразмера редуктора следует выписать условное обозначение его типоразмера, основные параметры и начертить габаритный чертеж.

Кроме того, после выбора передачи необходимо определить фактическое передаточное число механизма U_мех и фактический К.П.Д. механизма η_мех . После определения η_мех следует уточнить значение мощности (N).

Выбор муфт и тормоза. При выборе зубчатой муфты для соединения вала двигателя с быстроходным валом редуктора типа ЦЗ_вкФ, то необходимо проверять соответствия модуля, соответствие модуля, числа зубьев и ширины зубчатого венца обоймы подобным параметрам зубчатого венца втулки, поставляемой в состав редуктора.

Согласно Правилам Росгортезнадзора, тормоза в механизмах передвижения нужно устанавливать в тех случаях, если: машина работает на открытом воздухе; машина, предназначенная для работы в помещении, передвигается по пути, уложенному на полу; машина, предназначенная для работы в помещении на подземном рельсовом пути, перемещается со скоростью не более 0,53 м/сек.

Расчетный тормозной момент механизма М_т.р.мех при работе крана в закрытом помещении определяют при движении без груза под уклон в предположении, что реборды колес не задевают за головки рельсов:

М_т.р.мех = М_ук. + М_ин. - Т_тр. ;

где М_ук. , М_ин. , Т_тр. - моменты, Н∙м, создаваемые уклоном, инерцией и силами трения и приведенные к валу, на котором установлен тормоз:

М_ук. = (W_ук.∙r_к∙η_к-т)/U_мех. ; М_ин. = (W_ин.∙r_к∙η_к-т)/U_мех. ;

М_тр. = (W_тр.∙r_к∙η_к-т)/U_мех. ;

где r_к - радиус ходового колеса, м;

η_к-т - к.п.д. механизма на участке цепи «приводное колесо-тормоз».

W_тр. ,W_ин.∙,W_ук. - сопротивления передвижению тележки (крана) без груза, создаваемые уклоном, инерцией и трением колес соответственно, Н.

Расчетный тормозной момент механизма при работе на открытом воздухе и отсутствии противоугонных устройств определяют по формуле:

М_т.р.мех = К_зап∙(М_ук + М_в.нер. - М_тр) ,

где К_зап = 1,2 коэффициент запаса торможения согласно Правилам Госгортех-надзора;

М_в.нер. - момент ветровой нагрузки нерабочего состояния;

М_в.нер. = W_в.нер.∙r_к∙η_к-т/U_мех. ;

W_в.нер. - сопротивление ветровое, действующее на кран, приведенный к валу, на котором установлен тормоз, определяют по нормам, изложенным в

ГОСТ 1451-77.

Расчетный тормозной момент тормоза М_т.р. определяют по формуле:

М_т.р. = М_{т.р.мех.} / z_т ,

где z_т - число тормозов в механизме.

Выбор типа и типоразмера тормоза производится по тем же принципам, что и для механизма подъема груза. Выбрав тормоз, необходимо выписать условное обозначение его типоразмера, типоразмера привода тормоза, основные параметры, а также начертить габаритный чертеж тормоза.

Выбор тормозного шкива производится аналогично тому, как было описано для механизма подъема груза.