Бортяков Д.Е., Орлов А.Н. Специальные грузоподъемные машины - файл n1.doc

приобрести
Бортяков Д.Е., Орлов А.Н. Специальные грузоподъемные машины
скачать (2415.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2416kb.24.08.2012 02:38скачать

n1.doc

  1   2


Федеральное агентство по образованию

_____________
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


Д. Е. Бортяков А. Н. Орлов

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ГРУЗОПОДЪЕМНЫЕ

МАШИНЫ
ЛЕБЕДКИ

Учебное пособие


Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

2005
Федеральное агентство по образованию

_____________
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


Д. Е. Бортяков А. Н. Орлов

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ГРУЗОПОДЪЕМНЫЕ

МАШИНЫ
ЛЕБЕДКИ


Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

2005

УДК 621.873/875 (075.8)

Бортяков Д.Е., Орлов А.Н. Специальные грузоподъемные машины. Лебедки: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2005. 64 с.
Учебное пособие соответствует государственному образовательному стандарту 653200  Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы, СП.05., дисциплине СД.01  Грузоподъемные машины.

Рассмотрены классификация, основы применения, типы, конструкции, расчетные схемы, методы расчетов специальных типов грейферных и многоскоростных механизмов подъема (лебедок) грузоподъемных кранов.

Предназначено для студентов механико-машиностроительного факультета кафедры Транспортные и технологические системы, обучающихся по направлению 551800 "Технологические машины и оборудование", специальность 170900 "Подъемно-транспортные и строительные машины", изучающих дисциплину «Специальные грузоподъемные машины» в рамках инженерной и магистерской подготовки.
Ил. 41. Табл. 1. Библиогр.: 12 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.


 Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет, 2005

1. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЛЕБЕДКИ


Номенклатура кранов специальных типов несравненно шире, чем кранов общего назначения. С другой стороны, каждый конкретный тип специального крана предназначен для более локального применения, то есть способен обеспечить выполнение подъемно-транспортных операций в более специализированных условиях, но зато и с большей полнотой, нежели краны общего назначения.

Вследствие специфики своей работы специальные краны, как правило оснащаются специальными грузозахватными устройствами, специальными лебедками и другими механизмами и приспособлениями, не встречающимися в кранах общего назначения.

Классификация специальных лебедок приведена на рис.1. Их многообразие диктуется необходимостью как выполнения различного вида подъемно-транспортных операций, так и работы с разными типами грузозахватных устройств.



Рис. 1. Классификация специальных лебедок

3
В расчете каждой из типов специальных лебедок имеется много специфики, связанной с особенностями их работы как элемента специального крана.


2. МНОГОСКОРОСТНЫЕ ЛЕБЕДКИ
2.1. Способы изменения рабочих скоростей
В ряде случаев возникает необходимость, помимо номинальной скорости, иметь еще одну или несколько дополнительных, а именно:

пониженные (установочные) скорости для точной установки грузов при строительных, монтажных и специальных технологических работах;

повышенные скорости для быстрого перемещения грузов малого веса;

повышенные скорости спуска груза.

Изменение рабочих скоростей может быть достигнуто различными способами: регулированием числа оборотов электродвигателей или гидродвигателей, применением многоскоростных двигателей, и, наконец, механическим путем – с помощью специальной конструкции многоскоростной лебедки. Установочную скорость можно получить путем кратковременного периодического включения тормоза. Повышение скорости движения груза пропорционально уменьшению его веса можно получить путем изменения кратности грузового полиспаста.

Выбор того или иного способа решается на основании экономических сравнений с учетом требуемого диапазона изменения скоростей и характера их изменения (бесступенчатое или ступенчатое).
2.2. Многоскоростные лебедки с планетарным редуктором
2.2.1. Принцип действия
К
4
инематическая схема многоскоростной двухмоторной лебедки с планетарным редуктором приведена на рис. 2. Она имеет два двигателя – D1, который вращает центральное колесо а планетарной передачи, и D2, вращающий обойму b. Барабан получает вращение от редуктора P, связанного с водилом h. Лебедка этого типа может дать до четырех ступеней скоростей: 1) при совместной работе двух двигателей, когда происходит сложение скоростей на выходном звене (водиле) планетарной передачи; 2) при совместной работе двух двигателей, когда происходит вычитание скоростей на выходном звене; 3) при работе только двигателя D1; 4) при работе только двигателя D2. По первому варианту получается наибольшая скорость вращения, по второму – наименьшая.

Планы скоростей планетарной передачи лебедки для указанных четырех вариантов работы приведены на рис. 3. Угловые скорости водила h:

(1)
При vа = vb имем h3 = h4. Отклонения va и vb от их номинальных значений может существенно сказаться на их разности, поэтому точность значения h min зависит от степени жесткости характеристик двигателя.

Рис. 2. Многоскоростная лебедка с планетарным редуктором


5

2.2.2. Определение мощности двигателей и параметров передач
Мощности двигателей N1 и N2 определяют с учетом указанного в задании на проектирование соответствия между реализуемыми скоростями подъема vп груза и его весами G, например, при одном и том же весе груза G, поднимаемом со скоростями vПmax и vПmin при совместной работе двух двигателей в сторону подъема N1П1 + N2П2 =GvПmax, а при встречной совместной работе N1П1-N2/П2=GvПmin, так как в этом случае второй двигатель работает в тормозном режиме. Тогда:


где П1 и П2 – к.п.д. механизма подъема при раздельной работе каждого из двигателей; N1 и N2 – соответственно мощности двигателей D1 и D2.


Рис.3. Планы скоростей планетарной передачи для многоскоростной лебедки на рис. 2
Так как (см. рис. 2 и 3) va=д1ra, vb=д2rb/u12 и vп=hDб/2uполuрд, где д1 и д2 – соответственно частоты вращения роторов двигателей D1 и D2; ra и rb – радиусы делительных окружностей центрального колеса и обоймы; uрд и u12 – соответственно передаточные числа редуктора Р и от шестерни 1 к колесу 2 (см. рис.2); uпол – кратность грузового полиспаста; Dб – диаметр барабана по средней линии каната, то, используя соотношения (1), можно получить зависимости:




6

где p – передаточное число от центрального колеса а к обойме b при остановленном водиле h:

р=uhab=zb/za; (2)

zb и za – cоответственно число внутренних зубьев обоймы и центрального колеса. Соответствующее передаточное отношение uhab=a/b имеем знак минус.

Значение p зависит от числа сателлитов и числа зубьев центрального колеса и сателлитов. Для получения рациональной конструкции рекомендуется 2 р  9, обычно р3 [21].

Передаточные числа ubah и uabh связаны с p соотношениями:

ubah=1+р, uabh=1+1/р. (3)

При одинаковых диаметрах центрального колеса и сателлитов р=uhab=3, ubah=4, uabh=1,33.


2.3. Лебедки с микроприводом
2.3.1. Принцип действия
Лебедка с микроприводом и планетарной муфтой (рис. 4) имеет две скорости подъема: основную vПmax и установочную vПmin. Барабан вращается от главного двигателя D1 через редуктор Р1 или от вспомогательного двигателя D2, который соединен с валом главного двигателя посредством зубчатого или червячного редуктора Р2, зубчатой муфты МЗ и планетарной муфты. Каждый двигатель имеет свой тормоз (Т12). Тормоз Т3 установлен на обойме планетарной муфты.

При работе главного двигателя тормоз Т2 замкнут, Т1 и Т3 разомкнуты. Центральное колесо а неподвижно, сателлиты d и обойма b обкатываются вокруг него. При работе двигателя D2 тормоз Т3 замкнут, Т1 и Т2 разомкнуты. Центральное колесо приводит в движение сателлиты d, которые обкатываются по неподвижной обойме b. Водило h вращает двигатель D1 с уменьшенной скоростью.

7


Рис. 4. Двухскоростная лебедка с микроприводом
Если вместо планетарной муфты сделать прямое соединение редуктора Р2 с двигателем D1, то при работе двигателя D2 можно было получить малую скорость; при работе двигателя D1 груз имел бы большую скорость, но вращаемый двигателем D1 редуктор Р2, передаточное число которого не менее 40, вращал бы ротор двигателя D2 с недопустимой скоростью, что привело бы к его разрушению под действием центробежных сил. Планетарная муфта допускает вращение главного двигателя при неподвижном вспомогательном.

На рис.5 показана конструкция цилиндрической планетарной муфты АО”Подъемтрансмаш”. Водило 4 насажено на вал 5 главного двигателя. Обойма с тормозным шкивом 1 опирается на водило через подшипники 2,3. Подшипники 8,10 центрального вала-шестерни 9 закреплены в водиле 4. На обращенных один к другому торцах гайки 6 и вкладыша 7 имеются шлицы, которыми гайка 6 фиксируется от самоотвинчивания.
2.3.2. Определение мощности двигателей,

момента тормоза и параметров передач
Число сателлитов t в цилиндрических планетарных муфтах берется не менее двух для уравновешенности вращающихся масс. Обычно t=2...3. Наиболее компактны конструкции при трех сателлитах. П
8
ри t>3 затруднено выравнивание нагрузки между сателлитами; центральное колесо приходится делать самоустанавливающимся, опирающимся только на зубья сателлитов. При проектировании планетарных передач надо обеспечить зазор между сателлитами. Сумма чисел зубьев центрального колеса и обоймы должна быть кратна числу сателлитов (условие сборки).


Рис. 5. Планетарная муфта

Расчет на выносливость ведут в предположении о равномерном загружении сателлитов, а расчет на прочность – с учетом перегрузки, возможной, если один из сателлитов не работает из-за неточностей сборки. При назначении допускаемых напряжений для расчета на выносливость поверхностей зубьев надо принять условную частоту вращения центрального колеса nусл=tna, где nа – фактическая частота вращения; этим учитывают, что зуб центрального колеса за один его оборот входит в зацепление с t сателлитами.

П
9
ри равномерном нагружении всех сателлитов, отстоящих друг от друга на угол 2/t, окружные и радиальные усилия на центральном колесе, обойме или водиле уравновешены, и их подшипники не испытывают нагрузок от усилий в зацеплениях. Поэтому давления на подшипники находят в предположении о том, что один сателлит не работает.

Мощность главного двигателя D1 при подъеме груза весом G определяют по формуле: N1=GvПmax /1, вспомогательного D2-N2=Gvпmin /2, причем к.п.д. 1  2. Передаточное число лебедки при основной скорости u1=uрд1 , при установочной скорости u2=uрд2uпмuрд1, где uрд1 и uрд2 передаточные числа редукторов Р1 и Р2, uпм – передаточное число планетарной муфты от центрального колеса а к водилу h (рис. 3) при неподвижной обойме b; uпм=ubah, где ubah определяется по выражению (3).

Рассмотрим равновесие окружных сил в планетарной муфте при движении с установочной скоростью vПmin и закрытом тормозе Т3 (рис. 4, 6 , а, б), заменив действия соединенных с ней элементов моментами М1 и М2, действующими на валах, соединяющих соответственно двигатель D1 с водилом h (см. рис. 4) и редуктор Р2 с центральным колесом а. Направления моментов и окружных усилий при подъеме и спуске одинаково.

Момент М2 на центральном колесе а (рис. 4, 6, в) уравновешен силами F со стороны сателлитов (при равномерном распределении нагрузки между сателлитами значения сил F равны между собой). Окружное усилие, действующее на каждый сателлит (рис. 4, 6, г) со стороны центрального колеса, численно равно F и противоположно окружной силе центрального колеса.


Рис. 6. Равновесие окружных сил в планетарной муфте
Л
10
юбой сателлит находится в равновесии под действием сил со стороны центрального колеса, обоймы и водила. Из уравнений равновесия сателлита получаем, что окружное усилие на сателлит в зацеплении с обоймой равно F и направлено в ту же сторону, что и сила F на сателлит в зацеплении с центральным колесом; обе эти силы уравновешены силой 2F, действующей на сателлит от водила. Противоположно направленные силы 2F действуют от каждого сателлита на водило (рис. 6, д), и их момент уравновешен внешним моментом М1. На обойму (рис. 6, е) действуют усилия F от сателлитов; их момент уравновешен моментом МT3 тормоза Т3. Таким образом, имеем уравнения равновесия центрального колеса (4), водила (5) и обоймы (6):

Ft  0,5da=M2=Mд2uрд2д2-а, (4)

(5)

Ft  0,5db=MT3, (6)

где t – число сателлитов; Мд2 – момент, развиваемый двигателем D2; д2-а и гр-h – соответственно к.п.д. передач от двигателя D2 до центрального колеса а и от груза до водила h.

Найдя F из соотношения (5), можно вычислить тормозной момент МТ3 тормоза Т3 по (6). Тормоз Т3 выбирают по этому моменту при коэффициенте запаса кТ=1,25.
2.4. Лебедки со встроенной в барабан планетарной передачей
Лебедка на рис.7 с планетарной передачей, встроенной в барабан Б, обеспечивает одну из скоростей Vb 3.1 при Vb 3.2, в зависимости от того, какой из тормозов Т1 или Т2 замкнут.

Передаточное число планетарной передачи uD-Б = D/Б, где D и Б – соответственно частоты вращения двигателя и барабана можно определять на основе формулы Виллиса или, что удобнее, по планам скоростей (рис. 8).

Заторможен тормоз Т2. b2=0. План скоростей для этого случая приведен на рис.8,б. Из геометрических соотношений получим:


11


Рис.7. Лебедка со встроенной в барабан планетарной передачей
откуда .

Второй случай. Заторможен тормоз Т1. b1=0. План скоростей для этого случая приведен на рис. 8, в.


Р
12
ис. 8. Планы скоростей для лебедки на рис. 7

Проводя аналогичные приведенным выше преобразования, найдем для случая, когда тормоз Т1 заторможен: .

Таким образом, можно получить две скорости груза. Мощность двигателя D подбирается по грузоподъемности крана и наибольшей скорости груза.
2.5. Лебедки с управляемыми электромагнитными муфтами

и лебедки с дифференциальным полиспастом
Лебедка с управляемыми электромагнитными муфтами (рис. 9) имеет две скорости в зависимости от того, какая из муфт 1 или 2 включена.

Если грейферные краны, имеющие лебедку с независимыми барабанами, работают в крюковом режиме, то при перегрузке штучных грузов поддерживающий и замыкающий канаты отсоединяются от грейфера и присоединяются к канатам, охватывающим блоки крюковой подвески.

Полученная схема называется лебедкой с дифференциальным полиспастом (рис. 10). При скоростях навивки каната vк1 и vк2 на барабаны 1 и 2 можно получить четыре скорости подъема груза vп: vп1=0,5vк1 и vп2=0,5vк2 при раздельном вращении барабанов; vп3=0,5(vк1+vк2) и vп4=0,5(vк1-vк2) при совместном вращении барабанов в одном или разных направлениях. При vк1=vк2 лебедка получается двухскоростной.


13


Рис. 9. Лебедка с управляемыми электромагнитными муфтами






Рис. 10. Лебедка с дифференциальным полиспастом

2.6. Лебедки с повышенной скоростью спуска груза
2.6.1. Принцип действия
Эти типы лебедок используются в закалочных кранах, так как для обеспечения равномерной закалки детали подлине и толщине требуется быстрое опускание закаливаемого предмета в охлаждающую жидкость.

При подъеме груза работает двигатель D1 (рис. 11) тормоз Т3 замкнут, центральное колесо а1 неподвижно, двигатель D2 не работает. При скоростном спуске груза двигатель D1 не работает, тормоз Т1 замкнут, обойма b1 неподвижна, работает двигатель D2, тормоз Т2 открыт, вращается центральное колесо а2, обойма b2, связанная со шкивом тормоза Т3, вначале неподвижна. При повороте водила h2 рычаги 1 и 2 движутся в направлениях, указанных сплошными стрелками, и колодки тормоза Т3 отходят от шкива. Барабан Б вращается на спуск моментом от веса груза, увлекая во вращение водило h1 и центральное колесо а1, связанное со шкивом тормоза Т3 и обоймой b2 (направление движения обоймы b2 показано на рис. 11 штриховой стрелкой). После того, как скорость опускающегося с ускорением груза превысит заданное значение, водило h2 и рычаги 1 и 2 начнут двигаться в направлениях, указанных штриховыми стрелками на рис. 11; тормоз Т3 замыкается, удерживая центральное колесо а1 и барабан Б, то есть происходит подтормаживание, после чего процесс возвращается к исходной ситуации. Груз опускается со скоростью, близкой к постоянной.
2.6.2. Определение мощности двигателей и параметров передач
Рассмотрим основные элементы расчета данной лебедки. Передаточное отношение механизма при подъеме груза uП:

г
14
де nП.М. и nб.П – соответственно частоты вращения двигателя D1 и барабана Б; uр – передаточное число редуктора Р; z'b1 и z"b1 – соответственно число внешних и внутренних зубьев обоймы b1; za1, z5 и z4 – соответственно числа зубьев центрального колеса а1, колеса 5 и шестерни 4.

Рис. 11. Лебедка с повышенной скоростью спуска груза
Передаточное число механизма при скоростном опускании груза:

где zg2 и za2 – соответственно числа зубьев сателита g2 и центрального колеса a2.

Частота вращения барабана где V – скорости подъема и опускания груза, uпол – кратность полиспаста механизма подъема.

Мощность двигателя D1 определяется по грузоподъемности крана и скорости подъема груза, а мощность двигателя D2 из следующих соображений. Если в начале растормаживания тормоз T3 заторможен, то заторможена и обойма b2. Поэтому при вращении колеса а2 двигателем D2 сателиты g2 обкатываются по неподвижным зубьям обоймы b2. Благодаря этому на оси сателлитов g2 действуют усилия равные 2F, а на зубья действуют усилия F.

У
15
равнение моментов сил, действующих на водило h2:

2K (Da2 + Dg2) = Fr, где Da2 и Dg2 – диаметры колес а2 и g2, r – плечо приложения силы F. Следовательно: .

Вращающий момент М двигателя D2: M = KDa2.

3. ГРЕЙФЕРНЫЕ ЛЕБЕДКИ
3.1. Требования к грейферным лебедкам
Для управления двухканатными грейферами служат грейферные лебедки, к которым предъявляется ряд требований, как общих, так и специфических.

Схема двухканатного грейфера с за­мыкающим 3 и поддерживающим П канатами дана на рис. 12.

Грейферные лебедки должны удовлетворять общим требованиям к специальным лебедкам. Конструкция грейферной лебедки должна быть блочной; в частности, для кинематической связи между двигателями и барабанами должны, как правило, применяться редукторы, а не открытые зубчатые передачи. Расположение двигателей, тормозов. барабанов, редукторов, число опор осей и валов, размещение и тип соединительных муфт должны при всех вариантах работы исключать статическую неопределимость осей и валов, что важно не с позиции упрощения расчета, а для исключения влияния неточностей изготовления и монтажа на нагруженность элементов лебедки.

Особые требова­ния к грейферным двухбарабанным лебедкам сводятся к следующему: л
16
ебедка должна обеспечивать все сочетания вращений замыкающего и поддерживающего барабанов, необходимые для выполнения рабочих операций при черпании, подъеме (спуске) и раскрытии на весу для любого типа двухканатного грейфера; необходимо иметь автоматический (т.е. не требующий от крановщика специальных переключений) переход от черпания к подъему, что особенно важно для условий, когда крановщику не видно место взятия груза.


Рис. 12. Схемы грейферов: двухканатного обычного (а,б) и подгребающего (в).

1 – нижняя траверса, 2 – челюсти, 3 – тяги, 4 – замыкающий полиспаст, 5 – верхняя траверса, 6 – поддерживающие канаты, 7 – поддерживающий барабан, 8 – замыкающий барабан
Рассмотрим более подробно требования к кинематике грейферных лебедок.

В
17
о время черпания замыкающий барабан вращается на подъем, а замыкающий канат 3 (рис. 12) движется вверх.

Поддерживающий канат П должен иметь ограниченное малое натяжение, не мешающее процессу черпания.

Известно, что траектория режущих кромок грейфера при черпании (кривая зачерпывания) однозначно определяется двумя группами фак­торов: геометрическими и весовыми характеристиками грейфера и физико-механическими свойствами материала; при этом единственное управление процессом черпания осуществляется со стороны замыкающе­го каната, стягивающего обе траверсы. От кривой зачерпывания, в ко­нечном счете, зависят траектории всех точек грейферного механизма и, в частности, направление движения верхней траверсы грейфера для любой фазы черпания. Скорость и направление движения поддерживаю­щего каната должны в точности отвечать движению верхней траверсы, к которой поддерживающий канат присоединен. В грейферах обычного типа с кривой зачерпывания, близкой к параболе, верхняя траверса при закрытии грейфера перемещается вниз на величину f (рис. 12, а, б), что должно быть в точности воспроизведено поддерживающим канатом; та­ким образом, в этом случае поддерживающий барабан при черпании дол­жен вращаться на спуск.

Иная картина получается у подгребающего грейфера (рис. 12, в), предназначенного для захвата тонкого слоя матери­ала, распределенного по днищу вагона или трюма судна. Челюсти подгребающего грейфера стягиваются горизонтальным полиспастом замыка­ющего каната 3 (замыкающий барабан вращается на подъем) при почти горизонтальной кривой черпания. Верхняя траверса грейфера, к кото­рой укреплен поддерживающий канат П, во время черпания движется вверх; при этом в поддерживающем канате образуется слабина, которая должна немедленно устраняться вращением поддерживающего барабана на подъем со скоростью, значительно меньшей скорости вращения замы­кающего барабана.

В
18
зависимости от кривой черпания для промежуточных положений грейферных механизмов между началом и концом черпания возможно кра­тковременное движение верхней траверсы в направлениях, противополож­ных указанным на рис. 12. В любом случае движение верхней травер­сы грейфера вверх или вниз следует считать двумя характерными си­туациями, которые могут встретиться при черпании.

Таким образом, при черпании скорость замыкающего каната зада­ется двигателем, а величина и направление скорости поддерживающего каната задаются верхней траверсой грейфера. Для любого типа двухканатного грейфера скорость замыкающего каната при черпании много больше скорости поддерживающего каната.

Подъем груженого грейфера должен начинаться сразу же после закрытия челюстей. В начале этой стадий происходит синхронизация движений обоих канатов, которые в конце черпания, как было выяснено, имели существенно различные скорости. В дальнейшем оба каната дви­нутся вверх с одинаковыми скоростями.

Раскрытие груженого грейфера на весу происходит при встреч­ном относительном движении траверс грейфера, что возможно:

при остановленном поддерживающем канате и движении за­мыкающего каната вниз;

при остановленном замыкающем канате и движении поддер­живающего каната вверх;

при совмещенном во времени движении поддерживающего каната вверх и замыкающего вниз.

Спуск (подъем) порожнего грейфера происходит при соответству­ющем синхронном движении обоих канатов. Для увеличения производи­тельности крана желательно иметь возможность совмещения вертикаль­ного движения грейфера с раскрытием или закрытием, для чего необхо­димо движение обоих канатов с различными скоростями.

Кинематические требования к работе грейферных лебедок предста­влены в таблице.

Остановимся теперь на требованиях к компоновке лебедки, свя­занных с типом крана.

В кранах мостового типа (мостовых, козловых, мостовых перегру­жателях с тележками) канаты идут к грейферу непосредственно с бара­банов лебедки (рис. 13, а).

В
19
стреловых кранах с прямой (рис. 13, б), или сочлененной (рис. 14) стрелами между барабанами и грейфером имеются направляющие блоки. Барабаны могут располагаться соосно (рис. 14, а) или параллельно (рис. 13, 14, б).

Т а б л и ц а

  1   2


Федеральное агентство по образованию
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации