Глава 10. Грузоподъемные машины

10.1. Общие сведения

В строительстве грузоподъемные машины используют для пе­ремещения строительных материалов, монтажа строительных кон­струкций, погрузочно-разгрузочных работ на складах строитель­ных материалов, монтажа и обслуживания технологического обо­рудования в процессе его эксплуатации. По характеру рабочего процесса все грузоподъемные машины являются машинами цик­личного действия.

По конструктивному исполнению и виду выполняемых работ их делят на домкраты, лебедки, подъемники, монтажные вышки и краны.

Домкраты представляют собой винтовые, реечные или порш­невые гидравлические толкатели для подъема грузов на незначи­тельную высоту (до 0,6 м). Их используют на монтажных и ремонт­ных работах.

Лебедками называют грузоподъемные устройства в виде приво­димого вручную или двигателем барабана с тяговым рабочим ор­ганом — стальным канатом. Их применяют для прямолинейного перемещения грузов и используют как самостоятельные машины и как составные части механизмов более сложных машин.

Подъемники применяют для вертикального перемещения гру­зов (грузовые подъемники) и людей (пассажирские подъемники), раз­мещаемых в кабинах или на площадках. Подъемники, которые вместе с грузами могут поднимать и людей, называют грузопасса­жирскими.

Вышки являются разновидностью подъемников, смонтирован­ных на грузовых автомобилях.

Краны являются универсальными грузоподъемными машина­ми. Их применяют для перемещения штучных и сыпучих грузов по пространственной трассе произвольной конфигурации и различ­ной протяженности.

Основной характеристикой грузоподъемной машины является грузоподъемность, под которой понимают наибольшую допусти­мую массу поднимаемого груза вместе с массой грузозахватных Устройств. Кроме того, грузоподъемные машины характеризуются зоной обслуживания, в том числе высотой подъема груза, а также скоростями рабочих движений.

Требования к проектированию, устройству, изготовлению, установке, ремонту, реконструкции и эксплуатации грузоподъ­емных машин и механизмов, грузозахватных органов, приспо­соблений и тары определяются Правилами Госгортехнадзора, ко­торые обязательны для всех министерств, ведомств, объедине­ний, организаций и предприятий, независимо от форм собствен­ности, и граждан. Этим требованиям должны соответствовать также грузоподъемные машины и их узлы, приобретаемые за рубежом.

10.2. Домкраты

Домкраты являются простейшими грузоподъемными механиз­мами. Наиболее распространены реечные, винтовые и поршневые гидравлические домкраты. В настоящее время существует большое число модификаций домкратов, наиболее распространенные из которых описаны ниже.

Q

1

Подъем! Спуск

а

Рис. 10.1. Реечный домкрат

6

а

Реечный домкрат (рис. 10.1, а) состоит из корпуса 1, в кото­ром по направляющим перемещается стойка 2. При вращении рукоятки 5 движение стойке передается через зубчатую пару 8—6 (рис. 10.1, б) и реечную передачу. Груз может располагаться либо на поворотной головке 3 (см. рис. 10.1, а), либо на пяте 4. Для его удержания на любой высоте домкрат оборудован грузоупорным тормозом, состоящим из храпового колеса 9 (см. рис. 10.1, б) с подпружиненной собачкой, двух полумуфт, одна из которых — 10 жестко соединена с валиком 7 рукоятки, а вторая выполнена за­одно с зубчатым колесом 8 и имеет винтовое соединение с вали­

ком 7. При вращении рукоятки «на подъем» за счет этого соедине­ния полумуфты зажимают храповое колесо, благодаря чему воз­вратное движение груза, например, при отпускании рукоятки, оказывается невозможным. При вращении рукоятки «на опуска­ние груза» полумуфта зубчатого колеса 8 отходит от храпового ко­леса, и груз, опускаясь и приводя во вращение зубчатое колесо 8, снова зажимает храповое колесо. Таким образом, процесс опуска­ния груза состоит из чередующихся падений и остановок. В отрегу­лированном тормозе неравномерность опускания груза практи­чески не ощущается.

Усилие Р на рукоятке при подъеме груза определится из урав­нения моментов относительно оси зубчатого колеса, связанного с рейкой:

P = mgdJ(2Rur\),

где Р — усилие на рукоятке, Н; т — масса груза, кг; g= 9,81 м/с² — ускорение свободного падения; d₀ — диаметр начальной окружно­сти зубчатого колеса реечной передачи, м; R — длина рукоятки, м; и — передаточное число зубчатой передачи; г) — КПД домкрата (Л = 0,65...0,85).

При кратковременной работе допускаемое усилив на рукоятке составляет не более 200 Н, при непрерывной работе — не более 80 Н, грузоподъемность реечных домкратов — до 3 т, высота подъе­ма — до 0,6 м.

Винтовой домкрат (рис. 10.2) состоит из винта 2 с прямо­угольной или трапецеидальной резьбой, вращаемого рукояткой 6 в гайке 8, закрепленной в корпусе 1. Груз размещается на пово­ротной головке 3. Рукоятка оборудована трещоткой, состоящей из зубчатого колеса 4, одетого на квадратную часть винта 2, и собачки 7, поджимаемой стопором 9 и пружиной 10. Поднимают и опускают груз качательными движениями рукоятки. Для поло­жения собачки, показанного на рис. 10.2, при вращении рукоят­ки против часовой стрелки зуб собачки, упираясь в зуб колеса 4, поворачивает последнее, а вместе с ним и винт, вывинчивая его из гайки. При возвратном движении рукоятки (холостой ход) со­бачка поворачивается относительно неподвижного колеса 4, от­жимая стопор. Несколькими последовательными качками груз поднимают на нужную высоту. Так же, повернув собачку относи­тельно оси 5 до упора ее второго зуба в зуб колеса, качательными движениями рукоятки (рабочий ход — по часовой стрелке, холо­стой — против нее) опускают груз. Груз фиксируется на любой высоте силами трения между винтом и гайкой, препятствующи­ми их взаимному перемещению. Для этого необходимо, чтобы угол подъема винтовой линии X не превышал бы угла трения р в ука­занной винтовой паре (4...6°). Удовлетворяющие этому условию винтовые пары называют самотормозящимися.

Рис. 10.2. Винтовой домкрат

Усилие на рукоятке при подъеме груза: P = mgt/(2nRy]),

где Р — усилие на рукоятке, Н; т — масса груза, кг; Л — длина рукоятки, м; t — шаг винта, м; КПД домкрата зависит от соотно­шения углов X и р и определяется как л = tgX/tg(X + р).

Грузоподъемность винтовых домкратов достигает 50 т при вы­соте подъема до 0,35 м. Известны также домкраты с машинным приводом, в винтовой паре которых во вращение приводится гай­ка, а винт перемещается только в осевом направлении.

Гидравлический домкрат (рис. 10.3) состоит из цилиндра 6 с пор­шнем 5, насоса 1, всасывающего 3, нагнетательного 4 и спуск­ного 7 клапанов, а также масляного бака 2. В качестве рабочей жидкости используется минеральное масло или незамерзающая смесь из воды со спиртом или глицерином. При возвратно-посту­пательном движении поршня насоса, приводимого рукояткой 8, рабочая жидкость засасывается из бака через клапан 3 и нагнета­ется под поршень 5 через клапан 4, выталкивая его из цилиндра и поднимая груз на торцовой поверхности поршня. Опускают груз гравитационно после открытия спускного клапана.

Рис. 10.3. Гидравлический домкрат

Усилие на рукоятке при подъеме груза:

Р = mgd²li/(D²l₂r\),

где Р — усилие на рукоятке, Н; d и D — диаметры поршней насоса и гидроцилиндра, м; /₍ и /₂ — плечи рукоятки (см. рис. 10.3), м; Л - 0,9 — КПД домкрата, учитывающий потери на трение в шар­нире рукоятки, насосе и гидроцилиндре.

Грузоподъемность гидравлических домкратов с ручным при­водом может достигать 200 т при высоте подъема до 0,18... 0,2 м. Известны также гидравлические домкраты грузоподъемностью до 500 т с приводом от отдельного насоса. Для подъема весьма больших грузов на малую высоту при монтажных и других стро­ительных работах применяют системы из нескольких параллель­но установленных домкратов, питаемых от общего приводного насоса.

10.3. Типовые элементы канатных подъемных механизмов

Канатные подъемные механизмы, состоящие из подъемных ле­бедок и полиспастных систем, используют как самостоятельные подъемные устройства для подъема грузов и как составные части кранов и подъемников. Основой канатного подъемного механиз­ма служит устройство, состоящее из барабана / (рис. 10.4, а), стального каната 2, системы блоков 3—5 и грузозахватного устрой­ства 6. Вместо барабана может быть использован также канатове- дущий шкив.

Канат (рис. 10.5) изготавливают свивкой из высокопрочной стальной проволоки диаметром 0,3...3 мм. Стальные канаты бы­вают одинарной, двойной и тройной свивки. При одинарной свив-

Рис. 10.4. Канатно-блочная система подъемного механизма

Рис. 10.5. Канаты стальные

ке канат свивают из отдельных проволок, при двойной — из предварительно свитых прядей, при тройной — из нескольких канатов двойной свивки. В грузоподъемных машинах применяют, в основном, канаты двойной свивки. В центре такого каната по­мещается сердечник из органического волокна, пропитанный

смазочным материалом и служащий базой для навивки вокруг него прядей.

По типу свивки и касанию проволок между слоями в прядях раз­личают канаты с точечным касанием (ТК) (см. рис. 10.5, а), с линей­ным касанием при одинаковом диаметре проволок по слоям в пряди (ЛК-О) (см. рис. 10.5, б), с линейным касанием при разных диаметрах проволок в наружном слое пряди (ЛК-Р) (см. рис. 10.5, в), комбиниро­ванные из ЛК-0 и ЛК-Р (см. рис. 10.5, г), с проволоками заполнения между слоями основных проволок (ЛК-3) (см. рис. 10.5, д) и с комби­нированным точечно-линейным контактом (ТЛК) (см. рис. 10.5, е). По сочетанию направления свивки проволок в прядях и прядей в канате различают канаты односторонней (см. рис. 10.5, ж и з) и крестовой свивки (см. рис. 10.5, и и к). По направлению свивки бывают канаты правой (см. рис. 10.5, ж и и) и левой (Л) свивки (см. рис. 10.5, з и к), а по способу свивки — раскручивающиеся (Р) и нераскручивающиеся (Н).

В механизмах грузоподъемных машин и такелажных приспо­соблениях применяют преимущественно шестипрядные канаты двойной крестовой свивки с одним органическим сердечником с числом проволок 6х 19 = 114 и 6x37 = 222. В последнее время находят применение и семипрядные канаты (см. рис. 10.5, бид) с центральной металлической прядью, прочность которых пример­но на 15 % выше, чем шестипрядных.

Стальные канаты характеризуются диаметром, маркировочной группой проволоки и разрывным усилием каната в целом F_a, по которому выбирают типоразмер каната, связанным с наиболь­шим усилием натяжения соотношением

F_a = SZ_P,

где S— усилие натяжения, кН; Z_p — минимальный коэффициент запаса прочности, зависящий от вида, назначения, режима рабо­ты машины и механизма (для неподвижных канатов Z_p.= 2,5...5; для подвижных канатов Zp = 3,15...9). Для канатов, устанавлива­емых в механизмах для подъема людей, запас прочности прини­мают по максимальным из приведенных значений.

Для крепления свободных концов каната к элементам конст­рукции машин применяют разнообразные коуши и зажимы: в фа­сонной втулке закладным клином (рис. 10.6, а), в конической втул­ке загибом концов проволок с заливкой их легкоплавким метал­лом (рис. 10.6, б), в коуше заплеткой (рис. 10.6, в) или канатным зажимом (рис. 10.6, г).

Канатный блок представляет собой установленное на оси на подшипниках качения (рис. 10.7, а) или скольжения (рис. 10.7, б) чугунное или стальное колесо с V-образным ручьем на его ободе Для укладки в нем каната (рис. 10.7, в). Блоки предназначены для отклонения каната. Во избежание спадания каната с блока на оси последнего устанавливают ограждающий блок кожух.

Рис. 10.6. Коуши и зажимы для канатов

При огибании блока канатом более растянутыми, а следова­тельно, более нагруженными оказываются проволоки, находящи­еся на большем расстоянии от блока. Различие в удлинении и на- гружении проволок будет тем большим, чем меньше диаметр бло­ка. Вследствие перегрузки отдельных проволок и взаимных переме­щений происходит их перетирание, снижающее несущую способ­ность каната. Согласно правилам Госгортехнадзора по условиям долговечности канатов отношение диаметра блока, измеренного

Рис. 10.7. Канатные блоки

по средней линии каната, к диаметру последнего в зависимости от режима работы механизма принимается не менее 12,5...28, а для уравнительных блоков (см. блок 7на рис. 10.4, г) — не менее 11,2... 18.

Блоки могут быть установлены единично (см. блок J на рис. 10.4, а) или группами на единой оси (см. блоки 4, 5 на рис. 10.4, а), назы­ваемыми блочными обоймами. Ради наглядности изображения бло­ки в каждой из указанных групп показаны раздвинутыми. Единич­ные блоки, называемые отклоняющими, служат для изменения направления каната, а блоки, объединенные в обоймы, вместе с канатом образуют полиспаст, кратно преобразующий входной па­раметр — скорость v_K навивки каната на барабан в выходной пара­метр — скорость подъема груза v_r. Обычно v_K < v_T. Кратностью по- шспаста обычно называют отношение / = v_K/v_r. В таком же отно­шении, с учетом потерь энергии на трение каната о боковые стенки ручьев блоков, в подшипниках блоков и деформации проволок в канате при перегибах на блоках, учитываемых КПД полиспаста П, преобразуется сила тяжести груза вместе с грузозахватными приспособлениями mg в усилие в навиваемой на барабан ветви каната S= mg/(ir\).

Верхнюю блочную обойму полиспаста, называемую неподвиж­ной, подвешивают к каркасу здания или элементам грузоподъем­ной машины. Нижнюю обойму называют подвижной или крюковой из-за наличия на ней крюковой подвески.

При подъеме груза на высоту h (между уровнями / и II) каж- цая из четырех ветвей каната (см. рис. 10.4, а), на которых подве­шен груз, укоротится на А, а длина ветви, навиваемой на бара- эан, увеличится суммарно на Ah. Отношение увеличения длины навиваемой на барабан ветви каната к высоте подъема груза со­ставит 4. Очевидно, что в таком же соотношении будут находить­ся и скорости навивки каната v_K, а также подъема груза v_T. Следова­тельно, кратность показанного на рис. 10.4, а полиспаста равна 4. Гем же способом можно доказать, что кратность полиспаста, изоб­раженного на рис. 10.4, б, равна 2, а на рис. 10.4, в — 3. Отсюда следует простое правило: кратность полиспаста численно равна чис- чу ветвей каната, на которых подвешен груз. Кратность полиспаста всегда есть целое число. При четной кратности конец каната зак­реплен на неподвижной, а при нечетной на подвижной обойме. Приведенное правило справедливо для полиспастов с навивкой на оарабан одной ветви каната.

Если же на один или на два барабана навиваются две ветви (см. рис. 10.4, г), то каждая из этих ветвей удлинится на hn/2 (л — число ветвей каната, на которых подвешен груз). Таким образом, приведенное выше правило в общем случае можно сформулиро­вать так: кратность полиспаста равна отношению числа ветвей ка­ната, на которых подвешен груз, к числу ветвей, навиваемых на при­водной барабан.

КПД полиспаста определяют по формуле Ло = (Лб-1)/[/(Лб-1)],

где rig — КПД одного полиспаста ого блока; /— кратность поли­спаста.

Для полиспастов кратности не выше четырех КПД допустимо определять по формуле

Лп = Лб,

где п — число блоков в полиспасте. Заметим, что крайний со сто­роны барабана блок верхней обоймы является отклоняющим, но не полиспастным.

Для определения КПД всей канатно-блочной системы следует учесть также КПД отклоняющих блоков (см. рис. 10.4, а — блок 3 и первый из блоков 4):

Лх = ЛпЛоткл,

где Tio,™ — КПД одного отклоняющего блока; р — число отклоня­ющих блоков.

Предполагается, что все отклоняющие блоки имеют одинаковые КПД. Чем больше угол обхвата блока канатом, тем меньше КПД. Однако эти различия несущественны, и для всех блоков с углом обхвата от 90 до 180° можно принимать г|_б = т|_0ТКЛ = 0,96...0,99 (меньшие значения для блоков на подшипниках скольжения, боль­шие — для блоков на подшипниках качения).

Барабаны (рис. 10.8) цилиндрической формы с бортами (ре­бордами) для предотвращения соскальзывания каната изготавли­вают из чугунного или стального литья или сварными из листо­вой стали. По условиям обеспечения требуемой долговечности ка­ната минимальное отношение диаметра барабана к диаметру ка­ната в зависимости от режима работы механизма принимают не менее 11,2... 25. Канат укладывается на барабане в один слой (од­нослойная навивка) или в несколько слоев (многослойная навив­ка). В первом случае рабочая поверхность барабана имеет канавки (см. рис. 10.8, а), а во втором — ее выполняют гладкой (см. рис. 10.8, б). Конец каната закрепляют на барабане клином (см. рис. 10.8, а), винтом (см. рис. 10.8, б) или прижимными планками с болтами на рабочей поверхности барабана (см. рис. 10.8, в) или на его реборде.

Простейшими грузозахватными устройствами являются одно­рогие (рис. 10.9, а) или двурогие (рис. 10.9, б) крюки. Они пред­назначены для подвешивания к ним грузов непосредственно или с помощью чалочных устройств или захватов. Однорогие крюки применяют для работы с грузами до 75 т, а двурогие — для грузов от 50 т и выше. Крюки изготовляют из стали ковкой или штампов­кой, а также (при массе груза 50 т и более) пластинчатыми из листового металла.

Рис. 10.9. Крановые крюки: а — однорогий в крюковой обойме с разнесенными блоками; 6 — двурогий

Для предотвращения самопроизвольного выпадания съемного грузозахватного приспособления грузовые крюки кранов и элект­рических талей снабжают предохранительным замком.

Для захватывания и подвешивания к крюку грузоподъемной машины различных по форме штучных грузов применяют канат­ные (рис. 10.10) или цепные стропы из отрезков каната или це­пей, закрепленных одним концом на кольце, надеваемом на крюк, а другими концами на грузе. Канатные стропы выбраковывают при 4, 6 или 16 видимых обрывах проволок на участках длиной, рав­ной соответственно 3, 6 и 30 диаметрам каната.

В целях захватывания однотипных грузов, а также подвешива­ния их к крюку применяют клещевые (рис. 10.11, а) и эксцентри­ковые (рис. 10.11, б и в) зажимные фрикционные захваты. Для пе­ремещения стальных листов и проката в цехах строительных ме­таллических конструкций применяют подъемные электромагни­ты, не требующие строповки грузов. Для подъема немагнитных листовых грузов (перегородочных плит, фанеры, листового стек­ла, бетонных изделий) применяют вакуумные грузозахватные уст­ройства в виде вакуумных присосов диаметром до 400 мм с резино­вым ободом, из полости которых вакуумными насосами удаляет­ся воздух. В качестве грузозахватных приспособлений для работы с сыпучими (песок, гравий, щебень, мел и т. п.) и жидкими (стро­ительные растворы и бетоны) грузами используют опрокидные и раскрывающиеся бадьи.

Для массовой перегрузки сыпучих материалов применяют че­люстные ковши-грейферы. Наиболее распространены в строитель­стве двухчелюстные двухканатные грейферы (рис. 10.12, а). Грей-

Рис. 10.10. Стропы для железобетонных изделий

фер подвешивают к двум приводным барабанам на подъемном (поддерживающем) 7 и замыкающем 6 канатах. Подъемный канат закреплен на верхней траверсе 5, к которой посредством тяг 3 присоединены две челюсти 1 ковшовой формы, соединенные меж­ду собой шарниром 2 на нижней траверсе Р. На верхней траверсе установлена неподвижная 4, а на нижней — подвижная 8 обойма блоков полиспаста, сбегающая ветвь которого является замыка­ющим канатом.

Рис. 10.11. Захваты для штучных грузов: а — клещевые; б, в — эксцентриковые

st&ipf*

II

©"•"••eie о

III

VoO^oSV

IV

Для начала работы грейфер опускают на захватываемый мате­риал, удерживая его поддерживающим канатом (положение I, рис. 10.12, б). Медленно поднимая грейфер замыкающим канатом при ослабленном поддерживающем канате, захватывают матери­ал закрывающимися челюстя­ми (положение II). После пол­ного смыкания челюстей, удер­живая грейфер на замыкающем канате, переносят его к месту разгрузки (положение III). Раз­гружают грейфер, удерживая его на весу поддерживающим канатом, вследствие чего че­люсти раскрываются и матери­ал высыпается (положение IV). Таким образом, управление ра­ботой грейфера в течение его рабочего цикла сводится к по­переменному переключению приводных барабанов для удер­жания грейфера либо на под­держивающем, либо на замы­кающем канатах. В механизмах подъема груза и изменения вылета грузоподъем­ных машин с машинным приводом устанавливают нормально закры­тые тормоза, автоматически размыкающи­еся при включении привода. В механизмах подъема с ручным приводом устанавлива­ют также автоматически действующие гру- зоупорные тормоза. В машинах с гидропри­водом эту функцию выполняют обратные клапаны, исключающие возможность опус­кания груза или стрелы при падении дав­ления в гидросистеме. В механизмах пере­движения тормоза устанавливают на маши­нах, работающих на открытом воздухе или

Рис. 10.12. Двухчелюстной канатный грейфер (а) и его рабочий процесс (б) 190

в помещениях при передвижении по напольному рельсовому пути, а также надземному пути при скорости более 32 м/мин.