11.3. Вопросы для самопроверки

1. Какие бывают домкраты и в чем их отличие?

2. По каким показателям рассчитывается винтовой домкрат?

3. Как рассчитывается усилие на рукоятке реечного домкрата?

4. Что показывает передаточное отношение реечного домкрата и как оно рассчитывается?

5. Что такое тали, какие они бывают и для чего предназначены?

6. В чем отличие червячной тали от электрической?

7. В чем заключается расчет электрической тали?

Раздел 12. Лебедки

12.1. Лебедки общего назначения

Для подъема, опускания и подтягивания грузов во многих случаях применяют самостоятельные несложные по кинематике механизмы, называемые лебедками. Лебедки более сложных конструкций являются составной частью сложных машин - кранов, лифтов, экскаваторов.

Широко применяются лебедки в качестве механизмов кранов, подъемников, экскаваторов, подвесных дорог и скреперных перегрузочных установок. Лебедки подъемно-транспортных машин можно разделить на подъемные и тяговые.

Лебедки, применяемые в промышленном рыболовстве, в зависимости от назначения можно подразделить на промысловые и грузовые. Грузовые лебедки применяют только на судах, а промысловые — как на судах, так и на берегу. Часто на рыбопромысловых судах промысловую лебедку используют и для выполнения погрузочно-разгрузочных работ.

В зависимости от типа гибкого элемента (канат или цепь) различают лебедки канатные и цепные. В промышленном рыболовстве применяют только канатные лебедки, которые в зависимости от конструкции тягового органа подразделяют на лебедки с цилиндрическими навивными барабанами, с гладкими или ребристыми фрикционными барабанами и с ручьевыми барабанами. Цепные лебедки, как правило, в качестве тягового органа имеют звездочки и редко - барабаны.

В зависимости от числа барабанов различают однобарабанные и многобарабанные лебедки.

Лебедки с фрикционными барабанами бывают с горизонтальными и вертикальными грузовыми валами.

Фрикционные лебедки с вертикальными грузовыми валами имеют, как правило, один барабан (турачку) и называются шпилями или кабестанами. Шпили применяют на судах для грузовых операций и подъема якорей, для тяги и подъема орудий лова, для швартовки китов и самих судов, а также в портах и доках для швартовки судов, на железнодорожных станциях для маневровых передвижений вагонов и в других случаях в качестве мощных тяговых устройств.

Лебедки могут быть с машинным и ручным приводом. Последние применяют главным образом для кратковременной работы и выполнения временных строительно-монтажных работ, когда можно использовать механизмы малой мощности. В промышленном рыболовстве лебедки с ручным приводом находят применение лишь при постройке орудий лова (для натяжения подбор).

По способу установки лебедки подразделяют на стационарные, прикрепляемые к металлоконструкции крана, подъемника, экскаватора и т. п. или к набору корпуса судна, либо к полу (напольные), стене (настенные) или потолку (потолочные) и передвижные, прикрепляемые к тележкам, перемещающимся по полу, по подвесным или рельсовым путям.

Промысловые лебедки классифицируют также по видам лова, для механизации которого они предназначены. Так, различают траловые, неводные, сейнерные и китобойные лебедки, а также дрифтерные и китошвартовые шпили.

Во всех случаях лебедки имеют одни и те же основные узлы и детали; расчет и проектирование различных лебедок в принципе одинаковы. Основное отличие заключается лишь в характере действующих нагрузок, режиме работы и компоновке основных узлов и деталей и в конструкции фундаментных рам (станин), что обусловлено различными условиями работы и монтажа лебедок.

Классификация. Лебедки изготовляют с ручным и машинным приводами. В качестве передачи используются цилиндрические зубчатые колеса, реже — червячные, фрикционные и цепные передачи.

Лебедки, устанавливаемые на полу стенах и на колоннах, называются стационарными. Лебедки на тележках называются передвижными.

В зависимости от числа барабанов лебедки бывают одно-, двух- и трехбарабанными. Тяговым органом в лебедках служат стальные канаты, реже — цепи.

Механизмы подъема лебедок должны быть снабжены автоматически действующими грузоупорными тормозами или безопасными рукоятками в соответствии с требованиями Госгортехнадзора.

Лебедки бывают тяговые и подъемные. В конструкцию лебедки входит ворот и дополнительная передача в приводе. В вороте (рис. 12.1) груз 2 поднимается гибким элементом 2 (канатом или цепью), наматываемым на барабан 3. Барабан, закрепленный на валу, вращается с помощью рукоятки 4. Передаточное отношение ворота невелико; оно равно отношению радиуса приводной рукоятки l к радиусу R барабана, поэтому и грузоподъемность ворота незначительна. В лебедках любое тяговое усилие достигается увеличением передаточного отношения дополнительной передачи, устанавливаемой между валом барабана и рукояткой.

Рисунок 12.1. Рисунок 12.2. Схема Рисунок 12.3. Схема

Схема ворота тяговой лебедки подъемной лебедки

В тяговой лебедке 6 (рис. 12.2) груз 1 подтягивают гибким элементом 2, наматываемым на барабан 3, который вращается рукояткой 5 через зубчатую или червячную передачу 4. Тяговые лебедки используют для перемещения груза по плоскости или по направляющим.

Подъемная лебедка (рис. 12.3) по конструкции аналогична тяговой, для подъема свободно подвешенного или движущегося в направляющих груза используют отклоняющий блок 2.

Лебедки изготовляют с ручным и машинным приводом. Лебедки с приводом от электродвигателя называют электролебедками.

Более простые виды лебедок изготовляют по схеме, когда промежуточный вал 10 отсутствует и вращение передается через одну пару шестерен.

Длину плеча рукоятки 1 принимают равной 300—400 мм., длину ручки рукоятки для одного рабочего — 300—350 мм. При одновременной работе двух рабочих принимают равной 450—500 мм.

Материалом барабанов служит чугун СЧ12-28 или СЧ15-32 по ГОСТ 1412—54. Шестерни зубчатых передач изготовляют из стали марок Ст.35 и Ст.40 по ГОСТ 1050—60 либо из чугуна марок СЧ15-32 или СЧ18-36. Материалом валов служит сталь марок Ст.3О и Ст.40, расчет валов ведется на совместное действие изгиба и кручение.

Подшипники валов состоят из чугунных вкладышей или бронзовых, устанавливаемых в щитах станины.

Силовой расчет лебедки. При натяжении каната S и радиусе барабана R_б момент на валу барабана определится из выражения:

Крутящий момент на валу рукоятки:

М_k=P_paб l, H/cм, (12.1)

где P_paб — сила рабочего, H;

l— плечо рукоятки, см.

Передаточное число лебедки с ручным приводом, по которому выбирают тип передачи, определится по формуле:

где η— к. п. д. лебедки.

К. п. д. лебедок с одинарной зубчатой передачей η= 0,83, с двойной η=0,8, с тройной η= 0,73.

Число оборотов выходного вала ,где υ_p — скорость движения руки рабочего (окружная скорость), м/мин.

В среднем человек способен развивать мощность около 10,7 H/сек. Усилие на рукоятке при расчетах принимается: 1) длительная работа (более 15 мин) - P_paб= 120 H при окружной скорости рукоятки v_p=0,9÷1м/с;

2) кратковременная работа (менее 5 мин) —P_paб= 200 H при окружной скорости рукоятки υ_p = 0,7÷0,8 м/с. При работе нескольких рабочих учитывается несогласованность их действий. Сумма усилий нескольких рабочих равна:

, H (12.2)

где φ— коэффициент несогласованности;

n — число рабочих.

Коэффициент несогласованности для двух рабочих принимается 0,8; для трех 0,75; для четырех — 0,7.

Стержень рукоятки рассчитывается на прочность от усилия величиной 800 H.

Опасное сечение в стержне ручки находится на расстоянии l₁=(0,7÷0,8) l от заделки. Тогда изгибающий момент в опасном сечении:

Напряжение изгиба:

(12.3)

где d - диаметр стержня в месте заделки;

= 800÷1000 кгс/см² для стали Ст.3.

По ГОСТ 7014—63 регламентированы типы ручных лебедок. Грузоподъемности их принимаются по ГОСТ 1682—69 от 0,25 до 10 тс. Число пар зубчатых передач зависит от грузоподъемности и бывает от 1 до 3.

Основные характеристики лебедки — подъемное или тяговое усилие гибкого элемента на барабане, скорость его перемещения, мощность привода.

Для всех лебедок величина подъемного или тягового усилия находится в прямой зависимости от величины внешней нагрузки, приложенной к гибкому элементу. В подъемных и грузовых лебедках это усилие определяют по величине силы тяжести груза и грузозахватного приспособления с учетом кратности полиспаста, к. п. д. направляющих блоков и самого полиспаста. Тяговое усилие промысловых и тяговых лебедок определяют по величине статического сопротивления передвижению груза, части грузоподъемной машины или орудий лова.

Статическая мощность двигателя лебедки при внешней нагрузке Q_n, приложенной к гибкому органу,

Вт или кВт, (12.4)

где υ — скорость подъема или перемещения груза, м/с;

η₀—общий к. п. д. лебедки.

Двигатель предварительно выбирают по статической мощности с учетом режима работы (ПВ % или заданной кратковременной продолжительности включения t_кр ). Если внешняя нагрузка ‚ переменная и известен график Q(t) или N(t), то двигатель выбирают по эквивалентной мощности; если заранее неизвестно, как меняется нагрузка во времени, то при определении статической мощности двигателя принимают предельное значение нагрузки Q_мах и для дальнейшей проверки выбирают по каталогу два двигателя: ближайший меньший (по мощности при заданном ПВ % или t_кр) и ближайший больший. Проверка на нагрев (согласно указаниям, приведенным в главе 10, с учетом влияния пусковых токов на нагрев двигателя лебедок, работающих в повторно-кратковременном режиме) показывает возможность установки двигателя меньшей мощности или необходимость установки двигателя большей мощности.

Характерные для отдельных типов лебедок зависимости Q(t)

N(t), полученные экспериментально, а также методы построения таких зависимостей приведены ниже.

Двигатель лебедки, работающей в повторно-кратковременном режиме, должен быть проверен на продолжительность времени пуска.

Величину приведенного махового момента GD² определяют по уравнению; указания по определению среднего пускового момента двигателя М_п.ср приведены в гл. 10. Статический момент на валу двигателя при подъеме (перемещении) груза

, Н·м (12.5)

где М_б — статический момент на валу (оси) барабана;

S— натяжение (или разность натяжений) гибкого элемента (каната или цепи), соответствующее расчетной внешней нагрузке .

m— число ветвей гибкого элемента, набегающих на барабан (для одинарного полиспаста m = 1, для. сдвоенного m = 2);

D_б —диаметр барабана по оси каната, м;

i— общее передаточное число лебедки.

Для подъемной лебедки с простым цилиндрическим барабаном при кратности полиспаста i_п

, Н (12.6)

Для тяговых лебедок с закреплением одного конца каната на барабане и для подъемных без полиспаста S = Q.

Для тяговых лебедок с двумя закрепленными на барабане концами каната и для фрикционных лебедок:

S = S_н – S_с,

где S_н и S_с— усилия в набегающей и сбегающей ветвях гибкого элемента.

Число оборотов барабана в минуту:

где υ — скорость выборки гибкого элемента, м/с.

При спуске груза все к. п. д. в вышеуказанных формулах переходят в числитель, так как силы трения уменьшают момент, создаваемый силой тяжести груза.

Тормозной момент на валу тормоза подъемной лебедки определяют из условия удержания неподвижно висящего груза с коэффициентом запаса торможения k_т:

(12.7)

где М_т - статический момент от силы тяжести груза на валу тормоза при торможении;

i и η — передаточное число и к, п. д. передач от вала барабана к валу тормоза.

Величина k_т устанавливается нормами Госгортехнадзора в зависимости от режима работы лебедки: для режима Л k_т =1,5, для режима С k_т = 1,75, для режимов Т и ВТ k_т =2,0; при ручном приводе k_т =1,5

Выбранный тормоз проверяют на время торможения, пользуясь уравнением моментов для процесса торможения:

М_т ± М_ст^(т) = М_д^(т)

где М_т — номинальный тормозной момент, развиваемый выбранным тормозом;

М_ст^(т) — статический момент от груза при торможении;

М_д^(т)— динамический момент (момент сил инерции) при торможении.

(12.8)

Знак момента М_ст^(т) зависит от направления движения груза перед торможением. В случае торможения поднимающегося груза момент от силы тяжести последнего на тормозном валу способствует остановке механизма и поэтому суммируется с моментом, развиваемым тормозом (знак +); при торможении спускающегося груза этот момент противодействует остановке и в сумме с динамическим должен быть уравновешен тормозным моментом (знак —). Подставляя в формулу значение М_Д получают:

, с (12.9)

Как видно, при торможении поднимающегося груза (знак +) время торможения значительно меньше, чем при торможении спускающегося

(знак — ).

Тормозной момент М_т на валу тормоза тяговой лебедки определяют по формуле (12.7); знак момента М_ст^(т) положительный, так как в этом случае силы сопротивления перемещению способствуют торможению; величину динамического момента определяют, принимая продолжительность торможения в соответствии с рекомендациями. Тогда

М_т = М_д^(т) -М_ст^(т)

Детали лебедки (кроме стандартных узлов) рассчитывают на усталостную прочность по первому расчетному случаю и на статическую прочность по второму.

На конструктивные и эксплуатационные качества существенно влияет система соединения барабана с редуктором.

Рисунок 12.4. Схемы однобарабанной подъемной лебедки и ее узлов

В тихоходных или редко используемых лебедках применяют открытые передачи, преимущественно для передачи крутящего момента на барабан. Зубчатое колесо закрепляется на валу барабана (рис. 12.4, в) или непосредственно на барабане (рис. 12.4, г); в последнем случае ось барабана работает только на изгиб и может быть как подвижной, так и неподвижной. Если остальные передачи закрытые, то ведущую шестерню закрепляют консольно на выходном валу редуктора либо с целью уменьшения нагрузок на подшипники и улучшения условий работы передачи применяют систему «плавающего» вала; иногда применяют редуктор с выносным подшипником.

Если необходимо обеспечить свободный спуск груза (при больших высотах), то, кроме стопорного, устанавливают центробежный тормоз, ограничивающий скорость спуска. В этом случае нормально замкнутый стопорный тормоз снабжают растормаживающим механизмом с ручным приводом либо применяют кнопочное управление тормозным электромагнитом или электрогидротолкателем.