4.4.1 Механизмы подъема груза [4, с. 33]
Механизмы подъема ГПМ по типу привода можно разделить на механизмы с ручным приводом, с индивидуальным и групповым машинными
приводами.
Механизм подъема с ручным приводом состоит из гибкого рабочего элемента (каната или цепи), навиваемого на барабан, из механической передачи, снабженной тормозным устройством, и приводной рукоятки. Груз соединен с гибким элементом с помощью грузозахватного устройства.
Усилие рабочего, приложенное к рукоятке:
(4.33)
Где G - вес поднимаемого груза; dб – диаметр барабана; l – длина рукоятки; Uз.п. – передаточное число зубчатых передач; а – кратность полиспаста;
-
общий КПД механизма подъёма.
С
корость
подъема груза равна:
(4.34)
Где Vгр – окружающая скорость рукоятки.
Механизм подъема груза с ручным приводом
Рисунок 4.25
Общий КПД механизма подъема учитывает потери от сил трения в блоках
полиспаст, в опорах вала барабана и в зубчатых передачах:
(4.35)
Согласно правилам Росгортехнадзора механизм подъема с ручным
приводом должен иметь грузоупорныи тормоз. Это требование продиктовано для исключения несчастных случаев.
Механизм подъема с индивидуальным машинным приводом
МП обычно состоит из электродвигателя, тормозного устройства,
зубчатого или червячного редуктора и барабана, на котором закреплен канат с грузозахватным устройством. Соединение валов механизма рекомендуется
выполнять с помощью зубчатых муфт. Муфты МЗП допускают значительное
относительное смещение соединяемых валов, что упрощает процесс монтажа
механизма. Допускается также применение упругих втулочно-пальцевых муфт. В качестве тормозного шкива можно использовать одну из полумуфт соединения двигателя с редуктором. Механизм подъема проектируется так, что самопроизвольное выключение или расцепление муфт невозможно. Согласно «Правилам» опускание груза возможно только двигателем. Рассмотрим одну из возможных схем механизма подъема.
1 - крюковая подвеска; 2 - канат; 3 - направляющие канатные
блоки; 4 барабан; 5 - муфта; 6 редуктор; 7 тормоз; 8 электродвигатель; 9 - ограничитель высоты подъема.
Рисунок 4.26
Последовательность расчета МП:
1. В большинстве случаев подъем груза производится с помощью
полиспаста, дающего возможность уменьшить усилия в канате и
величину грузового момента на барабане. Схему полиспаста
необходимо выбрать из расчета, чтобы на одну ветвь каната
приходилось 8... 16 кН груза;
2. Для выбранного полиспаста определяют к.п.д.;
(4.36)
3. Максимальное натяжение каната в месте набегания на барабан при
подъеме груза;
(4.37)
4. Расчетное разрывное усилие каната;
(4.38)
5. По величине разрывного усилия подбирают канат. Для однослойной
навивки применяют канаты с органическим сердечником; для
многослойной навивки с металлическим сердечником. Если груз
подвешен на одной ветви каната, то выбирают нераскручивающийся
канат по ГОСТ 2688-80;
6. Диаметр канатного барабана и блока по средней линии каната;
(4.39)
7. Требуемая мощность электродвигателя в киловаттах;
(4.40)
8. Выбирается двигатель ближайший, больший по мощности с учетом
режима работы механизма. Следует выписать рабочую частоту вращения, отношение максимального момента к номинальному и отношение пускового момента к номинальному;
9. Определяют требуемую частоту вращения барабана в об/мин;
(4.41)
10. Требуемое передаточное отношение редуктора;
(4.42)
11. По требуемому передаточному числу редуктора, мощности двигателя и
с учетом режима работы механизма подбирается редуктор. Желательно, чтобы передаточное число выбранного редуктора было несколько больше вычисленного по п.10. В этом случае можно скорректировать диаметр барабана в большую сторону, чтобы получить заданную скорость подъема груза;
(4.43)
12. Определяют размеры барабана
(4.44)
Конструкция по рис. а) с консольным расположением барабана на валу
редуктора заманчива своей простотой и компактностью. Она не требует ни
муфты, ни дополнительной опоры, но осуществить ее удается редко только при короткой длине каната.
По схеме на рис. б) барабан двухопорный. Справа его вал опирается на
металлоконструкцию машины через сферический подшипник, слева - на
выходной вал редуктора также через сферический подшипник, расположенный в специальном гнезде на торце вала. Конец выходного вала редуктора здесь должен иметь специальное исполнение в виде зубчатой полумуфты, которая передает крутящий момент барабану через другую полумуфту, соединенную с барабаном болтами. Такое исполнение валов имеют лишь некоторые стандартные редукторы, например цилиндрические двухступенчатые Ц2, коническо- цилиндрические КЦ1. Зубчатая муфта допускает значительное угловое смещение соединяемых валов, поэтому требования к точности центровки здесь невысокие.
Полумуфта со стороны барабана отличается сложностью изготовления.
В схеме по рис. в) барабан опирается на цилиндрический конец редуктора
вала через втулку, на которую шпонкой передается крутящий момент. Правая
опора не отличается от предыдущей схемы. Соединение вала редуктора с
барабаном требует точной взаимной центровки, а также жесткого основания. Из-за этого схема находит лишь ограниченное применение.
Барабан по схеме на рис. г) имеет две автономные опоры со сферическими подшипниками и практически не нагружает вал редуктора радиальной силой.
Крутящий момент передается зубчатой муфтой, которая допускает значительную несоосность соединяемых валов, Конструкция отличается от предыдущих большим габаритом.
После принятия окончательных размеров барабана производят проверочный прочностной расчет стенки барабана. На практике основным
является расчет стенки барабана на сжатие. Напряжение сжатия определяется по формуле:
(4.45)
13. Выбор соединительных муфт.
Соединение валов (между двигателем и редуктором, а также между
редуктором и барабаном) осуществляют с помощью зубчатых или упругих
втулочно-пальцевых муфт. Между двигателем и редуктором обычно
устанавливают муфту с тормозным шкивом. Муфты выбираются по величине
передаваемого крутящего момента. Наибольший кратковременный момент,
передаваемый муфтой, не должен превышать двукратной величины наибольшего паспортного крутящего момента муфты.
Расчетный момент муфты:
Т М=Т НОМ⋅к1⋅к2 (4.46)
Коэффициенты к1 степени ответственности механизма и к2 режима
работы механизма приведены в таблице:
Таблица 4.12
14. Выбор тормоза
Для остановки груза и удержания его в подвешенном состоянии
механизмы подъема должны быть снабжены тормозом. Преимущественное
применение имеют колодочные нормально замкнутые тормоза, автоматически размыкающиеся при включении привода механизма. Тормоза устанавливаются на наиболее быстроходном валу механизма, где действует наименьший крутящий момент (чаще всего на той из полумуфт соединения двигателя с редуктором, которая ближе к редуктору).
Необходимый по нормам Госгортехнадзора тормозной момент, по
которому подбирается тормоз, определяют по формуле:
(4.47)
15. Выбор крюка или крюковой подвески.
Выбираются по номинальной грузоподъемности по ГОСТу. Упорный шарикоподшипник крюка подбирают по статической нагрузке, а радиальные подшипники блоков - по динамической нагрузке. Для механизмов подъема кранов коэффициент безопасности кб=1,2.
16. Определение времени пуска двигателя.
Пусковой момент, развиваемый двигателем, не зависит от веса груза и
характера работы, выполняемый краном, и определяется только
характеристиками двигателя:
Тпуск = Тст + Тдин.1 + Тдин.2 (4.48)
Динамические нагрузки при работе механизма подъема груза.
При установившемся движении момент на валу двигателя при подъеме
номинального груза:
(4.49)
Мощность двигателя при аодъеме номинального груза весом Gгр с
установившейся скоростью Vгр (м/с):
(4.50)
В период пуска кроме статического момента двигатель преодалевает также
силы инерции груза и вращающихся элементов привода. Согласно принципу
Даламбера, уравнение приведенных к валу двигателя моментов при пуске имеет вид:
(4.51)
При рассмотрении неустановившихся процессов движения принят ряд
допущений и упрощений. Так, например, не учтено влияние упругости элементов привода, металлоконструкций и грузовых гибких элементов, т.е. они все рассматриваются как абсолютно жесткие. Однако для большинства практических расчетов по определению времени пуска и торможения эти допущения обеспечивают вполне приемлемую точность расчетов.
Для механизмов грузоподъемных машин сумма всех моментов сил
инерции остальных валов, приведенных к валу двигателя не превышает 10…20% значения моментов сил инерции массы вала с ротором электродвигателя.
Поэтому, этот момент можно приближенно выразить ( в Н·м):
(4.52)
Определяя значение приведенного момента силы инерции груза в процессе пуска груза на подъем, полагают, что он движется с постоянным линейным ускорением w=v/t. Чтобы сообщить грузу такое ускорение, к нему необходимо приложить силу F=G·v/t. Эта сила создает на барабане крутящий момент:
(4.53)
Зависимость скорости груза от частоты вращения барабана (об/мин):
(4.54)
Тогда
(4.55)
Момент МF, приведенный к валу двигателя, является моментом от силы
инерции груза:
(4.56)
Выразив частоту вращения барабана через частоту вращения первого вала
(4.57)
(4.58)
Тогда выражение для пускового момента примет вид:
(4.59)
Формула для определения времени пуска:
(4.60)
Для механизма подъема груза крана время пуска рекомеедуется в пределах
1.5…5 с.
В процессе торможения замедление и остановку движущихся масс
проводят за счет совершения работы тормозом, при этом потери в механизме
способствуют замедлению движущихся масс, уменьшая необходимую работу
торможения:
(4.61)
где МТ - номинальный момент, развиваемый тормозом; знак статического
момента от груза МТ.СТ. при торможении зависит: при торможении
поднимающегося груза он способствует остановке механизма ( знак "-"); при
торможении опускающегося груза момент противодействует остановке (знак "+").
Момент от веса груза на тормозном валу при торможении
(4.62)
отличается от момента при пуске тем, что к.п.д. в данном случае находится
в числителе, так как потери в механизме уменьшают работу, совершаемую
тормозом.