Шарнирно-сбалансированные стреловые устройства

На кафедре ТТС (ранее – ПТСМ) СПбГПУ исследована возможность использования шарнирно-сбалансированных стреловых устройств (ШБСУ) для системы изменения вылета портальных кранов с их уравновешиванием. Работа такой стреловой системы показана на рис. 1.42.

Данная стреловая система позволяет увеличить производительность крана за счет жесткого подвеса груза и точности позиционирования. Повышается также надежность крана за счет исключения каната, как самого ненадежного элемента.

ШБСУ представляет собой четырехзвенный механизм, осевой контур которого представлен на рис. 1.43, имеет хобот CDE (CD — заднее плечо хобота, DE — переднее плечо хобота), стрелу AO₁D (AO₁ — заднее плечо стрелы, O₁D — переднее плечо стрелы), верхнюю оттяжку BC и заднюю оттяжку BE. Контур BCDA представляет собой параллелограмм. Хобот и стрела имеют одинаковые длины плеч.

Такие механизмы известны при конструировании промышленных роботов, однако в применении к портальным кранам ранее не использовались.

Рис. 1.42. Схема работы крана с ШБСУ

Управление данным механизмом можно осуществлять путем изменения положения шарнира В (точка O₁ неподвижна) или изменения положения точки O₁ (шарнир В неподвижен). Также можно изменять положение и шарнира В и точки O₁: шарнир В перемещать только по вертикали, а точку O₁ перемещать только по горизонтали.

Рис. 1.43. Осевой контур шарнирно-сбалансированного стрелового устройства

Работа механизма с управляющим шарниром В представлена на рис. 1.44. При изменении положения точки В по горизонтали точка Е перемещается строго по горизонтальной траектории (изменится вылет стрелового устройства). При изменении положения точки В по вертикальной линии, точка Е перемещается строго по вертикальной траектории (происходит подъем или опускание груза.

Е

Е

Рис. 1.44. Схема работы ШБСУ с одним управляющим шарниром В

Работа механизма с двумя управляющими шарнирами В и О изображена на рис. 1.45. Шарнир В перемещается только по вертикали, при этом точка Е перемещается строго по вертикальной траектории. Шарнир О перемещается по горизонтали, точка Е перемещается строго по горизонтальной траектории.

Е

Е

Рис. 1.45. Схема работы ШБСУ

с двумя управляющими шарнирами В и О

Шарнирно-сбалансированное стреловое устройство описывается двенадцатью параметрами: Н — высота установки поворотной части над нижним уровнем; — максимальный вылет; — минимальный вылет; — максимальная высота подъема груза; — отношение длины заднего плеча стрелы к длине переднего плеча; — угол между стрелой и хоботом, исключающий заклинивание механизма в зоне «мертвого» положения; — длина переднего плеча стрелы; — длина заднего плеча стрелы; — длина переднего плеча хобота; — длина заднего плеча хобота; — длина оттяжки.

Граничные значения параметров:

– механизма изменения вылета:

координаты ,  — управляющий шарнир B;

, – управляющий шарнир О₁;

– механизма подъема:

координаты , , — для случая с двумя управляющими шарнирами.

Длина переднего плеча стрелы l_1C определяется в зависимости от способа управления:

– с управляющим шарниром В:

– с двумя управляющими шарнирами В и О₁:

Скорость изменения вылета зависит только от скорости управляющего шарнира и значения параметра k_C:

– для схемы с управляющим шарниром В: , где – скорость перемещения шарнира В по горизонтали;

– для схемы с управляющим шарниром O₁: , где — скорость шарнира О₁ по горизонтали.

Скорость подъема груза также зависит только от скорости управляющего шарнира и значения параметра k_C: , где  — скорость перемещения шарнира В по вертикали.

Определение (задание) параметра является весьма важным, так как при малом значении угла на максимальном вылете при взятии груза с нижнего уровня усилие в стреле и оттяжке имеет резкий скачок. Предварительные расчеты определили рекомендуемое значение угла  > 40.

Нагрузки на элементы стрелового устройства при работе механизмов изменения вылета и подъема определяются в соответствии с рис. 1.46.

Силы, действующие на стреловое устройство: G_Г — вес груза; Т — горизонтальная сила, учитывающая силу ветра, действующую на груз и инерционные силы от массы груза при работе механизма изменения вылета; G_Х — вес хобота; G_С — вес стрелы; G_ОТ — вес оттяжки; Р_В.Х — сила ветра, действующая на хобот, приложенная в центре тяжести хобота; Р_В.С — сила ветра, действующая на стрелу, приложенная в центре тяжести стрелы; Р_В.ОТ — сила ветра на оттяжку, приложенная в центре тяжести оттяжки.

При этом:

1) реакции в управляющих шарнирах от веса груза G_Г постоянны на всем диапазоне работы механизма и определяются простыми зависимостями: ; ; ; .

Рис. 1.46. Схема приложения нагрузок в шарнирах ШБСУ

2) реакции в управляющих шарнирах от силы Т также постоянны на всем диапазоне работы механизма и определяются следующими формулами

; ; ; ;

3) выражения для реакций от собственных весов в управляющих шарнирах имеют вид:

;

;

;

где  — угол качания стрелы с горизонталью;  — угол наклона оси хобота от вертикали.