6.4. Опорноповоротные устройства

Опорно-поворотные устройства предназначены для пере­дачи нагрузок от поворотной части на портал. Опорно-поворотное устройство крана на колонне (рис. 6.23, а—в) состоит из двух узлов: верхнего и нижнего. Верхний узел 0^ представляет собой систему горизонтальных катков, закрепленных на колонне и передающих на портал нагрузку при любом направлении вертикального момента М. При вращении крана катки перемещаются по закрепленному в портале рельсу. Желательно, чтобы давление на портал при указанном на рис. 6.23, а направлении момента М передавалось через два симметрично

Рис. 6.22. Лебедка с дифферен­циальным полиспастом

Рис. 6.23. Схемы опорно-поворотного устройства крана на колонне

установленных катка 1, 2 (рис. 6.23, б; для крана с грузом) или 3, 4 (для крана без груза), а при больших значениях момента М — через четыре катка, попарно объединенных балансирами (рис. 6.23, в). При этом нагрузки на катки численно равны и не зави­сят от неточностей монтажа. Если внешние нагрузки на поворотную часть создают момент в плоскости, перпендикулярной плоскости ка­чания стрелы, то вызываемое этим моментом горизонтальное давле­ние передается на портал через два катка 1, 4 или 2, 3 (в зависимости от направления момента). Нижний узел 02 (рис. 6.23, а) восприни­мает вертикальное давление V от веса поворотной части с грузом и горизонтальное давление Н от момента М. Узел представляет собой сочетание радиального и упорного подшипников (рис. 6.24, а, б) или

Рис. 6.24. Нижние узлы опорно-поворотного устройства кранов на колонне

так называемый сфероконический подшипник (рис. 6.24, в), способный воспринимать соизмеримые радиальные и осевые нагрузки. Применение подшипников сферического типа обязательно из-за воз­можности угловых смещений подшипниковых колец вследствие не­точностей монтажа (например, перекос оси колонны от теоретиче­ского вертикального положения). По этой же причине горизонталь­ные катки верхнего узла имеют сферические поверхности.

Если на поворотную часть крана в вертикальной плоскости дей­ствуют нагрузка О и момент М (см. рис. 6.23, а), давления на узлы опорно-поворотного устройства V=G, Н=М/h₁. Наибольшие значения давлений V и Н получаются по комбинации нагрузок Па. Давление на каток верхнего узла (см. рис. 6.23, б) N=H/(2соsα), а при балансирной системе (см. рис. 6.23, в) N=H/(4соsαсоsγ).

Четкость расчетной схемы несущих конструкций поворотной части, отсутствие опасности опрокидывания последней, а также возможность применения серийных подшипников качения обеспе­чили этому типу опорно-поворотного устройства большое распро­странение. Данные преимущества достигаются за счет усложнения схемы портала, увеличения масс поворотной части и портала, услож­нения монтажа крана вследствие необходимости подъема поворотной части с нижней частью колонны на высоту, превышающую высоту портала. В кранах на колонне сложна выверка и регулировка опор­но-поворотного устройства по высоте и в радиальном направлении. Для обеспечения вертикальности оси вращения O₁O₂ (см. рис. 6.23, а) оси катков или балансиров (см. рис. 6.23, б, в) часто устанавливают в эксцентриковых втулках [15]. Следует отметить затруднения, вы­званные необходимостью разгрузки упорного подшипника от дейст­вия радиальных сил. Такие силы могут возникнуть из-за неточностей изготовления и монтажа, например, при несоосности цилиндриче­ских поверхностей детали 1 (см. рис. 6.24, а), на одну из которых посажено внутреннее кольцо радиального подшипника, а другая центрирует упорный подшипник. В этом случае центр O₃ упорного подшипника смещен относительно оси вращения поворотной части, проходящей через центр О₁ (см. рис. 6.23, а) кругового рельса и центр O₂ (см. рис. 6.24, а) сферы сферического радиального под­шипника. При вращении поворотной части отрезок O₂O₃ описывает коническую поверхность, а упорный подшипник перемещается в го­ризонтальном направлении, чему препятствуют силы трения ниж­него кольца по опорной поверхности. Известны случаи разрушения упорных подшипников, даже рассчитанных с двукратным запасом силы V. Часто применяемая установка пары сферических шайб между упорным подшипником и неподвижным корпусом (см. рис. 6.24, а) не увеличивает надежности конструкции, поскольку между шайбами на поверхности радиуса R существуют большие силы трения. Для уменьшения влияния погрешностей в системе пор­тал — колонна на работу упорного подшипника последний иногда устанавливают на тарельчатых пружинах (см. рис. 6.24, б) или на упругих прокладках. В конструкции, представленной на рис. 6.24, в, при перекосе внутреннего и наружного колец подшипника ролики, расположенные на одном диаметре, находятся на неодинаковых рас­стояниях от оси вращения О₁O₂ (см. рис. 6.23, а) и имеют разные ли­нейные скорости, что может привести к усталостному повреждению элементов сепаратора, разделяющих ролики. Достаточно надежной является конструкция, в которой радиальная нагрузка восприни­мается радиальным сферическим подшипником, как на рис. 6.24, а, а в качестве упорного применен сфероконический подшипник, опи­рающийся на корпус.

В кранах на поворотном круге (рис. 6.25) поворотная часть 6 опирается на катки 2, которые контактируют с двумя горизонталь­ными рельсами. Нижний рельс 1 выполнен в виде кольца, закреплен­ного на портале; верхний рельс 3 состоит из двух участков кольца и прикреплен к платформе. Катки объединены сепаратором 4, который центрируется относительно рельса на портале 7 с помощью укреплен­ной в портале центральной цапфы 5. Цапфа 5 одновременно воспри­нимает горизонтальные нагрузки. Катки 2 выполняют цилиндриче­скими, реже коническими. Цилиндрические катки имеют более про­стую конструкцию и меньшую стоимость, чем конические, однако линейные скорости точек катка, расположенных на одной образую­щей на разных расстояниях от оси вращения поворотной части, раз­личны, поэтому имеется скольжение точек катка по касательной к рельсу и износ катков. При конических катках, вершина конуса которых лежит на оси вращения поворотной части и совпадает с вер­шиной конуса конической поверхности рельса (что требует высокой точности изготовления и монтажа), скольжение отсутствует. Однако возникают осевые силы, воспринимаемые опорами осей катков, что усложняет конструкцию сепаратора.

Катки опираются на неподвижные, закрепленные в сепараторе оси через подшипники скольжения или через игольчатые подшип­ники качения; последнее решение более экономично. Применение стандартных шариковых или роликовых подшипников в катках со­пряжено с неоправданным увеличением диаметра катков. Требова­ния устойчивости поворотной части против опрокидывания часто вынуждают устанавливать противовесы на платформе и предопреде­ляют значительные диаметры кругового рельса и размеры оголовка в плане. Для закрепления центральной цапфы необходимы мощные связи в оголовке, которые вместе с цапфой занимают практически все пространство, ограниченное контуром опорно-поворотного уст­ройства.

Задача об определении давлений на катки многократно статически неопределима. Рассмотрим определение давлений на катки, вызы­ваемых действием вертикальной нагрузки О (рис. 6.26), приложенной к поворотной части на расстоянии е от оси вращения в плоскости качания стрелы. При этом вертикальный момент М_Х=G_e. Допу­стим, что до нагружения все работающие катки касаются обоих рельсов. Опорные поверхности полагаем жесткими. Давление на i-й каток, расположенный на расстоянии r₁ от оси вращения:

где V_N — давление от центрально приложенной нагрузки G; V_Mi—давление от момента М_Х.

При принятых допущениях нагрузка G равномерно распределена; между всеми работающими катками, т.е. V_N = G/n, где n — число катков. Распределение давлений от момента М_Х подчиняется линей­ному закону (см. рис. 6.26):

Рис. 6.25. Опорно-поворотное устройство крана завода ПТО им, С.М.Кирова: а — вертикальный разрез; б - каток; в —, сепаратор с катками

Рис. 6.26. Схема к расчету опорно-пово­ротного устройства крана на поворотном круге

где V_М — давление на каток, удаленный от оси вращения на наибольшее рас­стояние R.

Так как момент от всех давлений V_Mi равен моменту М_Х от внеш­ней нагрузки, можно записать следующее:

Давление на наиболее нагруженный каток

а на наименее нагруженный каток

При нормальной эксплуатации крана должно выполняться условие

Выполнение этого условия обеспечивается уравновешиванием поворотной части. При увеличении момента М_Х задние катки последовательно выходят из работы. При отрыве всех задних катков вступает в работу центральная цапфа и момент М_Х уравновешивается ее реакцией и реакциями передних катков. Это один из случаев особых нагрузок и при нормальной эксплуатации не должен иметь места. Для уменьшения динамических нагрузок при случайных перегрузках удерживающее усилие центральной цапфы передается через тарельчатые пружины 8 (см. рис.6.25, а).

Если на поворотную часть дополнительно действуют го­ризонтальные внешние силы, направление которых перпен­дикулярно плоскости качания стрелы, то плоскость действия суммарного вертикального мо­мента М смещается от плоско­сти качания стрелы на соответ­ствующий угол. При этом расчет давлений на катки можно выполнять как указано выше, но расстояния r_i (см. рис. 6.26)

Рис. 6.27. Двухрядный шариковый опорно-пово­ротный круг

для всех работающих катков принимают относительно оси х₀ — х₀ в плоскости момента М.

В последнее время на портальных кранах все большее распро­странение получают опорно-поворотные устройства в виде единого крупногабаритного' шарикового или роликового двухрядного под­шипника. Такие устройства называют опорно-поворотными кругами. На рис. 6.27 показан шариковый опорно-поворотный круг. Внутрен­нее его кольцо соединено болтами с поворотной частью крана, а на­ружные кольца — с неповоротной частью. По сравнению с многокатковыми опорно-поворотными устройствами применение опорно-поворотных кругов позволяет резко уменьшить диаметр опорного круга и габариты оголовка портала в плане; для устойчивости пово­ротной части не нужен неподвижный противовес; полезно исполь­зуется свободное пространство внутри опорно-поворотного круга.

Диаметр шаровых и роликовых опорно-поворотных кругов, вы­пускаемых в СССР, достигает 3150 мм (при опрокидывающем моменте 3600 кН-м) [191. Диаметр роликовых опорно-поворотных кругов фирмы «Роте Эрде» достигает 7,42 м при осевой нагрузке 15,5 МН и опрокидывающем моменте 171 МН-м.

Для нормальной работы опорно-поворотных кругов, исключения заедания и перегрузки колец и тел качения необходимо соблюдать очень жесткие ограничения при изготовлении конструкций, при­мыкающих к опорно-поворотному кругу. Допустимая неплоскостность опорных поверхностей конструкций при установке круга диа­метром 4 м составляет 0,4 мм. Высота металлоконструкций, к кото­рым прикрепляют опорно-поворотный круг, должна составлять 25 % диаметра при среднем режиме работы и 40 % диаметра при тяжелом. Фланец, к которому крепится круг, рекомендуется усиливать реб­рами вдоль всей высоты кольцевой стенки в оголовке под кругом.