§ 2. Барабаны, блоки и звездочки

Барабаны, блоки и звездочки предназначены для передачи движущей силы канатам и цепям.

Барабаны

Для навивки канатов в подъемных механизмах служат бара­баны с гладкой или желобчатой винтовой поверхностью. Гладкие барабаны применяют лишь в лебедках, работающих кратковре­менно (например, для подъема шиберов), и в тяговых лебедках. 14

////

Канатный барабан представляет собой пустотелый цилиндр с желобчатой левой и правой винтовой поверхностью, если канат наматывается одновременно на обе стороны барабана, а также с ле­вой или правой винтовой поверхностью, если канат наматывается только в одном направлении.

Винтовые желоба (канавки) обеспечивают лучшие условия контакта каната с барабаном и устраняют касание соседних его витков между собой, что значительно уменьшает перетирание каната.

Барабаны могут быть литые (рис. 5) или сварные (рис. 6). Мате­риалом барабана служат чугун СЧ 15-32, сталь 35, листовая сталь Ст. 3 или Ст. 5. Сварные барабаны на 35—40% легче литых, так как стенки литых барабанов обычно получаются толще стенок сварных из-за специфики технологии отливки. Согласно нормам Госгортехнадзора и рабочим режимам для металлургических и завалочных кранов, барабаны делают диаметром в 30 раз большим диаметра каната, что обеспечивает работу последнего только на растяжение, так как напряжения от изгиба становятся незначи­тельными.

Допускаемый диаметр барабана, измеряемый по центрам ка­ната и по дну канавок, определяют согласно нормам Госгортех­надзора, по формулам

D у de

и

£>i > d (е — 1),

где D — диаметр барабана по центрам каната в мм;

• диаметр барабана по дну канавки в мм; d — диаметр каната в мм;

е — коэффициент, зависящий от типа подъемного устрой­ства и режима его эксплуатации (табл. 2).

Таблица 2

Наименьшие допускаемые значения коэффициентов е и k

Наименование грузоподъемных машин	Привод	Режим работы	Коэфф! е	1ЦИСНТЫ k
Грузоподъемные машины всех ти­	Ручной		18	4,0
пов за исключением стреловых кра­	Машинный	Легкий	20	5,0
нов, электроталей и лебедок		Средний	25	5,5
		Тяжелый	30	6,0
		Весьма	35	6,0
		тяжелый
Краны стреловые (механизмы	Ручной	Легкий	16	4,0
подъема груза и стрелы)	Машинный	Средний	16	5,0
		Тяжелый	18	5,5
		Весьма	20	6,0
		тяжелый	25	6,0
Электрические тали	—	—	20
Лебедка для подъема грузов	Ручной	—	12	4
	Машинный	—	20	4
Лебедка для подъема людей	Ручной	—	16	9
	Машинный	—	25	9

Установка барабана на крановой тележке и соединение его зубчатой муфтой 2 с редуктором 1 показаны на рис. 5 и 6. Барабан 4 (см. рис. 5) отлит заодно с правой ступицей, левая ступица яв­ляется деталью муфты и связана с барабаном болтами 9. Вал 8 барабана опирается на подшипники качения 6 — роликовый сфери­ческий и 10 роликовый конический, размещенный в корпусе ре­дуктора. Вал барабана соединен с конечным выключателем 7, обеспечивающим своевременную остановку.

Канат крепится к барабану прижимными планками 3 и 5 с бол­тами.

Другая конструкция (рис. 7) предусматривает крепление ка­ната нажимными болтами, которые через клин прижимают канат к телу барабана. Такая конструкция обеспечивает быструю смену канатов. Клиновое крепление (рис. 8) применяют при канатах диаметром до 12 мм.

При конструировании барабана толщину а его стенки (рис. 9) предварительно определяют по эмпирическим формулам. Такой формулой для чугунных барабанов является

а = 0,02D (6 Ю) мм 12 мм,

где а — толщина стенки барабана в мм;

D — диаметр барабана по центрам каната в мм.

2 Зак. 1595 17

Вариант I

Рис. 7. Крепление каната на барабане прижимными болтами

Вариант Л

р'

Рис. 8. Клиновое крепление каната на барабане

А-А

Nl|r+-

“) I)

Рис. 9. Продольный разрез стенки барабана:

а — с нормальной канавкой; б — с глубокой канавкой

Толщину стенки 12 мм или больше выбирают по условиям технологии отливки.

Для стальных барабанов а = d, где d — диаметр каната в мм. Полученные размеры проверяют на деформацию сжатия по формуле

сг = ~<[сг]_сж н/см² (кГ1см)²,

где Р — натяжение каната в н (кГ);

а — толщина стенки барабана в см\ t — шаг винтовой канавки в см.

Для чугунного литья марки СЧ 15-32 [сг]_сж. = 800 кГ/см²; стального литья марки 35Л \о]_сж = 1000 кГ/см² и листовой стали марки Ст.З, Ст.5 [а ]_сж = 1600—1800 кГ/см².

В действительности, стенка барабана испытывает сложную деформацию от совместного действия усилий сжатия, кручения и изгиба. Расчет на сложное сопротивление ведется, если L > 4D, в следующем порядке.

Определяют крутящий момент по формуле

PD

М_кр = —g^- н - м (кГ ■ м),

где Р — натяжение ветви каната, набегающего на барабан, в н (кГ); D —диаметр барабана в м.

Затем по формулам определяют изгибающий момент: для барабана с односторонней нарезкой (рис. 10, а)

Pi

М_из = -j- н-м (кГ-м);

для барабана с левой и правой винтовыми нарезками (рис. 10, б) по формуле

М_из = Ра н-м (кГ■ м),

где Р — натяжение каната в н (кГ);

/ — пролет барабана по осям подшипника в м\ а — расстояние от оси подшипника по линии действия на­грузки в м.

Определяют результирующий момент

^Мрез = У Л4²_кр + Mis Н-м {кГ ■ м).

Максимальное напряжение в стенке барабана вычисляют по формуле

Мрез _ кГ !гы~

^ишах ’

где W_x — экваториальный момент сопротивления сечения бара­бана в см³.

При расчете барабана на сложное сопротивление от совместного действия изгиба и кручения допускаемое напряжение на изгиб [сг ]_нз принимают для стального литья до 12 Кн/см² (1200 кГ/см²), для сварных барабанов до 14 Кн/см² (1400 кГ1см²).

При конструировании барабана рассчитывают его канатоем- кость, которая зависит от высоты подъема и навиваемой длины каната:

-= Нт,

где Н — наибольшая высота подъема груза в ж; т — кратность полиспаста;

L_K — длина каната в м.

а) 5)

Рис. 10. Схема нагрузки барабанов: а — с односторонней нарезкой; б — с левой и правой нарезками

Определим число рабочих виткрв для одной нарезки барабана:

где п_р — число рабочих витков;

D — диаметр барабана в м.

Предусматриваем два-три неприкосновенных витка (но не менее 1,5, как это требуют нормы Госгортехнадзора), которые не должны сматываться с барабана.

Число витков барабана

п = п_р + (2-г-3).

Неприкосновенные витки создают силу трения между поверх­ностью барабана и канатом, уменьшая силу, действующую на крепление конца каната к барабану.

Определяем шаг каната на барабане

t = d (1 -н2) мм,

где d — диаметр каната в мм;

1ч-2 мм — зазор между витками, не допускающий между ними > трения.

Для нарезанного участка барабана

1. = t (п_р + 2,5) мм.

1,51

Рис. 11. Узел подвески каната

В барабанах с двумя нарезками длина барабана равна (рис. 11) 1_бар = 21 (п_р + 2,5) + 1_Х мм,

где 1_Х — промежуток в мм ме­жду нарезками, обе­спечивающий отклоне­ние каната от оси ка­навки при сходе его с барабана на угол не более 6°.

b + 2Н_т1п tga в мм; b — 0,2Я_т1п tga в мм;

Н„

• минимальное рас­стояние между осью подвижных блоков полиспаста и осью барабана в мм;

b — расстояние между осями желобов подвижных блоков полиспаста в мм.

Для барабана сдвоенного полиспаста полная длина барабана определяется по следующей формуле:

тН

tiD

/

+ 5,5 )t^J_rl₁ в мм.

Полная длина барабана одинарного полиспаста вычисляется аналогично:

тН я D

/ - 7,5t =

7,5^ t в мм, 1,5/ -f- 41 2/ мм,

где 1,5/ — участок разгрузки узла крепления в мм;

41 — участок крепления конца каната в мм;

2. 1 — участок барабана от края до крепления каната в мм; т — кратность полиспаста.

Пример 2. Определить минимальные размеры чугунного барабана механизма подъема мостового электрического крана грузоподъемностью 10 т, работающего в среднем режиме, если диаметр каната 17,5 мм, высота подъема 12 м, число ниток полиспаста 4, барабан с двумя нарезками, вес крюковой обоймы 200 /сГ, Определяем диаметр барабана:

D > fife мм,

где е = 25 (из табл. 1).

D = 17,5-25 = 440 мм.

Вычисляем толщину стенки барабана:

а = 0,020 + (6-10) мм = 0,02-440 + 8 «s 17 мм.

Находим шаг нарезки барабана:

t = d. -f 2 = 17,5 + 2 = 19,5 мм.

Проверяем напряжение сжатия в стенке барабана:

Р 26 000 Осж = < "| j | gg ^& 8000 H/CM? (800 кГ/см²),

где

Q + q 100 000 + 2000

26 000 н (2600 кГ).

Щбл 4-0,98

Определяем длину каната, навиваемую на одну половину барабана L_K = Нт = 12-2 = 24 ж.

Находим число рабочих витков для одной половины барабана:

U 24

17,5.

л D 3,14-0,44

Определяем длину нарезанных участков барабана, приняв расстояние между нарезками 40 мм:

1_бар = 2t{n_p + 2,5) + k = 2-19,5 (17,5 + 2,5) + 40 ^ 820 мм.

Внутренний диаметр прижимного болта определяют по уравне­нию прочности для напряженных соединений на деформацию сжа­тия:

nd~~,

3. Р₁ = i -j- [а]_сж н (кГ),

V

СМ,

1,3-4?! Я! [о]_сж

где Р_х — суммарное нажатие болтов в н; i — число болтов; d_x — внутренний диаметр болта в см\

3. — коэффициент, учитывающий напряжение кручения, возникающего в болтах при затяжке

[ст ]сж ⁼ 700^-800 кГ1см².

Суммарное нажатие болтов зависит от силы трения

F = [iPiK; 2F Т,

где F — сила трения между канатом и барабаном, канатом и на­жимной планкой в н (кГ)\

[х — приведенный коэффициент трения скольжения в клино­вых канавках;

Т — усилие для расчета крепления каната на барабане

Т = « (кГ),

где Р — натяжение ветви каната в н (кГ)\

5. — коэффициент уменьшения силы натяжения при наличии на барабане не менее 1,5 неприкосновенных витков.

В результате преобразований получим

Канатные блоки

Канатные блоки изменяют направление каната и служат для выигрыша в силе или в скорости.

Блоки (рис. 12) разделяют на неподвижные 3, подвижные 1 (оси первых неподвижны, вторых совершают поступательное

а—сдвоенный с кратностью 2; б—одинарный с крат­ностью 2; в — одинарный с кратностью 4

движение) и уравнительные 2 (для выравнивания натяжения ка­ната, их диаметр в 1,6 раза меньше диаметра первых двух).

Систему подвижных и неподвижных блоков, заключенных в обоймы, связанных гибким органом (канатом, цепью), называют полиспастом. Полиспасты предназначены для выигрыша в силе

или б скорости. Первые применяют в грузоподъемных машинах. Полиспасты характеризуются кратностью (передаточным числом)

I = = ^п

Vгр ^пк. б

где п — число несущих ветвей полиспаста;

п_к._б — число ветвей каната, спускающихся с барабана; v₆ — скорость каната на барабане; v_ep — скорость подъема груза.

Полиспасты для выигрыша в силе позволяют применять канаты и барабаны меньших диаметров, что даёт существенную экономию

Рис. 13. Схема сдвоенных полиспастов ли­тейного разливочного крана

металла и снижает стои­мость крана.

Полиспасты для выи­грыша в силе делятся на одинарные (рис. 12, б, в), сдвоенные (рис. 12, а). Оди­нарные полиспасты в за­висимости от конструкции могут иметь кратность 2 (рис, 12, б) и кратность 4 (рис. 12, б). Последний со­стоит из двух подвижных блоков 1, неподвижного блока 2 и направляющего блока 3, с которого канат наматывается на барабан 4.

Особенность сдвоенного полиспаста заключается в том, что на барабан нама­тываются одновременно два конца каната или ка­нат наматывается на два барабана, один из которых имеет левую винтовую на­резку, а другой правую. При этом обеспечивается строго вертикальный подъем и опускание груза, так как ветви каната располагаются симметрично относительно вертикальной оси. С помощью простого полиспаста возможен «косой» подъем груза.

На рис. 13 изображена схема сдвоенных полиспастов литейного разливочного крана. Оси подъемных блоков 1 этого крана закреп­лены в траверсе 4, к которой подвешены крюки 5. Оси неподвиж­ных блоков 2 закреплены в главной тележке крана. Канаты нама­тываются на два барабана 3.

Блоки небольших диаметров (до 350 мм) изготовляют коваными из стали Ст.З, блоки больших размеров отливают из стали 35Л

(рис. 14, а). В последнее время получили распространение сварные блоки из листовой стали Ст. 3 или Ст. 5 (рис. 14, б).

В ступицу блока запрессовывают бронзовую втулку или ставят втулку из антифрикционного чугуна, укрепленную стопорным вин­том, предотвращающим возможность самопроизвольного поворота.

а) б)

Рис. 14. Блоки:

а — литой; б — сварной

Поверхность трения между втулкой и осью блока смазывается густой смазкой, подаваемой пресс-масленкой или колпачковой масленкой через отверстия в оси блока. Блоки диаметром до 500 мм изготовляют с диском, а свыше 500 мм — со спицами.

Длину ступицы рассчитывают исходя из допускаемого удель­ного давления (q) н/см² (кГ/см²), выбираемого по табл. 3.

Таблица 3

Значение допускаемых удельных давлений

	[gj в я см	(кГ/см2)
Механизмы и режимы работы	Ста ль по бронзе	Сталь по чугуну
Механизмы с ручным приводом	1800	700
Механизмы с машинным приводом: легкого и среднего режима	(180)	(70)
	1500	600
	(150)	(60)
тяжелого режима	1000	400
	(100)	(40)

Практически длину ступицы можно принимать равной / = (1,5-н2) d₆ см, где d₆ — диаметр оси блока в см.

, _*Г М„₃ '

⁶ У 0,1 \а\_из ^СМ-

В блоках новых конструкций вместо втулок в ступицах ставят подшипники качения, выбор которых ведется на долговечность не менее 10 ООО ч.

Форма ручья канатного блока должна обеспечивать нормаль­ную работу каната и исключить возможность его заклинивания. Ширина ручья выполняется несколько большей толщины каната. Необходимость такого соотношения объясняется тем, что при оги­бании блока сечение каната деформируется, расширяясь в на­правлении оси блока. Если бы ширина ручья была равна диа­метру каната, он заклинивался бы в ручье и подвергался интен­сивному износу при набегании и сбегании.

Боковые поверхности ручья канатного блока разводят на угол приблизительно 45°, обеспечивающий достаточное отклонение каната от средней плоскости блока, особенно, когда блоки прибли­жаются к барабану. Такое устройство гарантирует допускаемое отклонение ветвей каната на 5—6° от средней плоскости блока.

При уменьшении в процессе эксплуатации толщины стенки ручья блока более чем на 10% первоначальной толщины блок подлежит замене.

Вследствие трения подшипников блоков и жесткости каната между грузоподъемностью Q и тяговым усилием Р₀, Р существуют соотношения:

для неподвижных блоков

Р = ко- п = — = ^ = — •

^] Р QK К ’

для подвижных блоков

P+T = Q-, Г = £; P =

Q , К +1 ¹¹ 2Р ^{; 1|} 2К ’

где К — коэффициент сопротивления блока, учитывающий трение в подшипниках и жесткость каната;

г] — к. п. д. блока (величина, обратная коэффициенту сопро­тивления блока);

Т — усилие набегающей ветви каната.

К. п. д. подвижного блока выше, чем к. п. д. неподвижного блока:

К + 1 ^ 1 2К К '

Для определения к. п. д. полиспаста рассмотрим усилия в каж­дой его ветви:

Рг_

■ц

Л.

ц

— • Р

г,3 1 ^Гп

Л

—; ^р-2 Г| ’ ^г

При сбегании ветви каната с неподвижного блока

+ Рц

Q — Р\ + Pi + p_s

= -V(i +п if'

Выражение в скобках представляет собой геометрическую

Т)^П — 1

прогрессию, сумма членов которой равна и

п” (Л — 1)

Р ₌ 1LU 1 Q.

г)” — 1

Рис. 15. Звез­дочки для свар­ных цепей

В идеальном полиспасте, в котором нет потери на жесткость каната и трение в подшипниках блоков натяжения ветвей канатов равны

Р,

п

К- п. д. полиспаста

^ Р° Ч^л -1

Т]” (г| — 1) я

Звездочки

Звездочки для сварных калиброванных цепей и звез­дочки для пластинчатых це­пей конструктивно отличают­ся друг от друга. Звездочки для сварных цепей (рис. 15)

имеют ячейки для звеньев с плоским основанием, а поэтому звенья цепи при огибании ею звездочки не подвергаются изгибу, что позволяет выбрать диаметр звездочки D <20d.

Спокойное набегание цепи на звездочку и сбегание с нее обеспе­чивается точностью калибровки звеньев цепи.

Определим диаметр звездочки:

D =

ММ,

90°

90°

COS-

/

когда г <216.

Если z > 16,

мм

D =

где t — шаг цепи в мм\

d — диаметр цепной стали в мм^-, z — число зубьев звездочки.

Звездочки пластинчатых цепей (рис. 16) изготовляют коваными и литыми из сталей 35—50. Звездочка представляет собой колесо, зубья которого профилированы в соответствии с ГОСТами 590—63.

Рис. 16. Звездочки для грузовых пластинчатых цепей

Цепь опирается на зубья звездочки средней частью валика. Число зубьев звездочек в подъемных механизмах принимают равным 6—8, чем достигается компактность механизма. Уменьшение диа­метра звездочки достигается изготовлением ее в виде цельной по­ковки (вал—звездочки).