Определение высоты перемещения груза при полном изменении вылета стрелы

РАСЧЕТ МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА

 

Выбор кинематической схемы

 

Для выбора кинематической схемы механизма крана необходимо ознакомиться с конструкциями механизмов, которые применяются на разных типах судовых кранов [3]. Здесь следует четко уяснить: из каких сборочных единиц состоит механизм; назначение каждой единицы; их конструктивные особенности; как передается силовой поток от двигателя к рабочему органу.

Первоначально определяется схема запаcовки тросов (рис. 1.1) и кратности полиспастов.

 

FQ

Уравнительный полиспаст uур=3

Грузовой полиспаст uг=1

лопарь шкентеля

А)

 

FQ

mQ

Уравнительный полиспаст uур=3

Грузовой полиспаст uг=2

лопарь шкентеля

Б)

 

FQ

mQ

лопарь шкентеля

Грузовой полиспаст uг=3

Уравнительный полиспаст uур=3

В)

 

FQ

mQ

лопарь шкентеля

Уравнительный полиспаст uур=3

Грузовой полиспаст uг=4

Г)

 

Рис. 1.1. Схемы запасовки грузового троса механизма подъема стреловых кранов

 

 

Грузовым полиспастом называется устройство, представляющее собой систему блоков и тросов, предназначенное для получения выигрыша в силе. Полиспаст характеризуется кратностью u. Кратностью полиспаста называется отношение числа ветвей троса n_T, сбегающих с подвижных блоков, к числу ходовых концов (лопарей) n_л,

 

.

 

Кратностью грузового полиспаста называется отношение числа тросов, на которых висит груз к числу лопарей. В зависимости от числа лопарей полиспасты бывают одинарными и сдвоенными. В состав механизма подъема груза судовых стреловых кранов входит грузовой и уравнительный полиспаст. Уравнительный полиспаст, в отличие от грузового, не предназначен для уменьшения натяжения троса и служит только для горизонтального перемещения груза и для уравновешивания стрелы.

 

 

mQ

М

l l3 l2 L l1 R B R A TБ

Fшк

 

Рис.1.2. Кинематическая схема привода: 1 – аксиально-поршневой насос; 2 – радиально-поршневой мотор; 3 – тросовый барабан; 4 – ленточный тормоз.

 

 

Кратность грузового полиспаста стреловых кранов назначается по грузоподъемности крана в соответствии с такими рекомендациями:

для приводов с радиально-поршневыми гидромоторами с вращающейся шайбой и аксиально-поршневыми гидромоторами

(1.1)

для приводов с радиально-поршневыми гидромоторами с эксцентриковым валом

 

(1.2)

 

 

где Q – грузоподъемность крана, т.

 

 

Fшк

mQ

Рис.1.3. Кинематическая схема привода: 1 – аксиально-поршневой насос; 2 – радиально-поршневой мотор; 3 – тросовый барабан; 4 – дисковый тормоз; 5 – редуктор.

 

 

Определение высоты перемещения груза при полном изменении вылета стрелы

 

Длина стрелы определяется согласно общей схеме крана рис. 1.6 из DA₁BE, м

, (1.3)

 

где L_max – максимальный вылет стрелы, м;

a_min – минимальный угол наклона стрелы, по правилу Регистра 4.2.1 для легких стрел (Q £10 т) a_min =15°, для тяжелых стрел (Q >10 т) a_min =25°.

Высота расположения нока стрелы при максимальном вылете (рис. 1.4 из DA₁BE), м

, (1.4)

при минимальном вылете

 

, (1.5)

 

где a_max – максимальный угол наклона стрелы, град, который определяется из D DBA₂ (рис.1.4).

 

 

Lmax

Lmin

A

Dh

amin

E

D

B

A1

A2

h2

h1

h3

Vп

Vс

nкр

l2

l1

amax

Рис. 1.4. Общая схема судового крана

 

Перемещение нока по высоте, м

 

. (1.6)

 

Требуемая высота портала, м

 

, (1.7)

где u_у – кратность уравнительного полиспаста, которая принимается u_у =1¸5 (рис.1.1-1.3).

Расстояние между блоками портала и нока на максимальном вылете, м

 

, (1.8)

 

на минимальном вылете, м

 

. (1.9)

 

Отклонение груза от горизонтали при изменении вылета стрелы (с неработающем механизмом подъема), м

 

, (1.10),

 

где – допускаемое отклонение груза от горизонтали при изменении вылета от L_max до L_min, согласно Регистру .

Если условие (1.10) не возможно выполнить, то следует поступить следующим образам: увеличить, например на 0,5м высоту портала А и далее пересчитать с учетом формул (1.8.), (1.9) и (1.10) величину и проверить условие . Если величина стала больше предыдущей, то высоту портала А, следует уменьшить на 0,5 м и вновь повторить расчет, используя метод последовательных приближений до выполнения неравенства

 

Выбор троса

КПД полиспаста, согласно выбранной схеме

 

, (1.11)

 

где h_бл – КПД блока, в соответствие с требованиями Регистра h_бл =0,98;

u_г – кратность грузового полиспаста;

n_бл – количество направляющих блоков уравнительного полиспаста.

Максимальное натяжение лопаря шкентеля (троса, навиваемого на барабан), кН

, (1.12)

 

где – вес груза, кН,

, (можно принять ),

Q – грузоподъемность крана, т.

Разрывное усилие троса, кН

 

, (1.13)

 

где k – коэффициент запаса прочности, определяется по табл. 1.1 – правило Регистра 2.3.7

 

 

Таблица 1.1

Тросы стальные	Запас прочности при грузоподъемности, т
10 и менее	11-160	161 и более
Шкентели, топенанты и тали оттяжек стрел, грузовые и стреловые тросы кранов и съемных деталей

 

 

Здесь SWL (допускаемая рабочая нагрузка) – максимально допустимое статическое усилие (правило Регистра 1.2.40), , кН.

Трос выбирается по разрывному усилию

 

, (1.14)

 

где – допускаемое разрывное усилие троса, кН.

Выбор троса проводится по Приложению 1 (табл. 1 или табл. 2). Регистр (правило 9.5.2) рекомендует применять тросы с пределом прочности от 1275 до 1770 МПа, с диаметром поволок в наружном слое прядей не менее 0,6 мм с одним органическим сердечником и с числом проволок не менее 114, проволочки должны быть оцинкованными.

Необходимо указать тип каната (ЛК– Р, ЛК– РО, ЛК– З), его диаметр d_Т (мм), площадь сечения проволок S_п (мм²), допускаемое разрывное усилие троса (кН), маркировочную группу (МПа), вид покрытия поверхностей проволок, а также ГОСТ.

Выбор крюковой подвески

Для судовых грузовых кранов применяются два типа грузовых подвесок. Первый тип применяется при грузоподъемности Q £10 т и кратности грузового полиспаста (тали) u_г =1, показан на рис. 1.5. Второй тип используется при грузоподъемности Q >10 т и кратности грузового полиспаста (тали) u_г =2, такая подвеска изображена на рис. 1.11.

Первый тип (рис.1.5). Проектирование подвески состоит в выборе ее несущих элементов:

1) выбор грузового гака (рис. 1.6) производится согласно условию

 

, (1.15)

 

где – допускаемая нагрузка гака, кН, Приложение 2 табл. 1.

Геометрические размеры гаков показаны в Приложении 2 табл. 1.

 

Рис. 1.5. Грузоваяподвеска:

1 – грузовой гак (шкентель-гак); 2 – грузовая скоба; 3 – цепь;

4 – упорный подшипник вертлюга; 5 – противовес (груша);

6 – крепление шкентеля

 

 

2) выбор грузовой скобы (рис. 1.6) выполняется по условию

 

, (1.16)

 

где – допускаемая нагрузка скобы, кН, Приложение 2 табл. 2.

Геометрические размеры грузовых скоб указаны в Приложении 2 табл. 2.2.

3) выбор грузовой цепи выполняется по условию

 

, (1.17)

 

где – допускаемая нагрузка цепи, кН, Приложение 2 табл. 3.

Геометрические размеры грузовых скоб представлены в Приложении 2 табл. 3.

 

 

 

Рис. 1.6. Грузовой гак (шкентель-гак

 

Рис. 1.7. Грузовая скоба:

1 – скоба; 2 – штырь; 3 – шплинт

 

4) выбор вертлюжного противовеса (рис. 1.8) выполняется по условию

 

, (1.18)

 

где – допускаемая нагрузка противовеса, кН, Приложение 2 табл. 4.

Геометрические размеры вертлюжного противовеса показаны в Приложении 2 табл. 4.

 

Рис. 1.8. Вертлюжный противовес:

1 – ушко нижнее;2 – кольцо уплотнительное; 3 – корпус;

4 – винт установочный; 5 – подшипник; 6 – гайка круглая;

7 – штифт конический; 8 – серьга; 9 – штырь; 10 – шплинт

 

 

Противовес применяют, для того чтобы шкентель был постоянно натянут и не соскакивал с блоков при подъеме порожнего гака. Во избежание вращения поднимаемого груза противовес совмещают с вертлюгом.

Второй тип (рис. 1.9). Выбор подвески такого типасводится к выполнению двух условий:

первое условие –вес груза должен быть меньше допустимой нагрузки подвески

 

, (1.19)

 

– максимально допустимая нагрузка (SWL) подвески, кН, Приложение 3;

второе условие – режим работы крюковой подвески должен соответствовать режиму работы механизма.

Выбор подвески производится по Приложению 3 (табл. 1).

 

Рис. 1.9. Грузовая двухканатная подвеска

 

 

Расчет блоков

Блоки являются составной частью полиспастов (талей) и служат для поддержания и направления тросов. Их изготавливают в основном литьем из чугуна СЧ 15, стали 25 Л (для больших нагрузок и тяжелых режимов работы). Конструкция блока показана на рис. 1.10. Она должна обеспечить свободное перемещение в них троса и исключить его защемление в ручьях.

 

Рис. 1.10. Блок на подшипниках качения:

1 – ось блока; 2 – каналы подвода пластичной смазки;

3 – кольцо-распределитель смазки; 4 – крышка уплотнительная; 5 – блок

 

При определении диаметров блоков следует исходить из того что, чем меньше диаметр блока, тем больше напряжения изгиба троса и меньше срок его службы. Диаметр блоков по дну канавки, что определяется согласно рекомендациям Регистра, (1.5.5.2) должен быть не меньше, мм

 

. (1.20)

 

Диаметр блоков по центру наматываемого троса, мм

 

. (1.21)

 

Профили канавок блоков определяются по Приложению 4 табл. 1.

Частота вращения блока, мин^-1

, (1.22)

 

где V_т – скорость троса на блоке, м/с,

 

, (1.23)

V_под – скорость подъема груза, м/с;

D_0бл – диаметр блока по центру навивания троса, м.

Долговечность подшипника в часах

 

, (1.24)

L – долговечность подшипника, L =10 млн. оборотов.

Эквивалентная нагрузка подшипника, кН

 

, (1.25)

где X, Y – коэффициент радиальной и осевой нагрузки, X = 1, Y = 0 при F_a =0;

V – коэффициент вращения, при вращении наружного кольца подшипника V =1,2;

F_r – радиальная сила, действующая на подшипник (рис.1.11);

F_a – осевая сила, действующая на подшипник;

K_б – коэффициент безопасности, K_б =1,4;

K_T – температурный коэффициент, K_T =1.

Требуемая динамическая грузоподъемность подшипников, кН

 

. (1.26)

 

Требуемая динамическая грузоподъемность одного подшипника, кН

 

. (1.27)

 

По каталогу [6] или [7] выбираются шарикоподшипники радиальные однорядные по условию

, (1.28)

 

где – паспортная (каталожная) динамическая грузоподъемность подшипника, кН.

Необходимо указать характеристики выбранного подшипника: № – обозначение; d – внутренний диаметр; D – наружный диаметр; B – ширина; , – динамическая и статическая грузоподъемности.

Изгибающий момент в опасном сечении оси (рис. 1.11), кН×мм

 

, (1.29)

 

где R_A – реакция в опоре А, которая определяется из уравнения равновесия сил (рис. 1.11) кН,

 

;

 

l₁ – расстояние от опори до центра подшипника (рис. 1.12 и рис. 1.13), мм. Можно принять , B – ширина подшипника., мм.

 

F

F

l1

l2

l1

F

F

RA

RB

Mи

wбл

Fшк.max

F»2Fшк.max

Fшк.max

Рис. 1.11. Расчетная схема нагружения оси блоков нока стрелы

(на примере схемы запасовки тросов, показанной на рис.1.3)

 

 

Условие прочности оси блока на изгиб, МПа

 

, (1.30)

 

где – допускаемые напряжения изгиба, МПа, ,

– предел текучести материала, МПа, Приложение 5 табл. 1;

S – запас прочности оси, S =2…4.

 

 

Расчет барабана

Барабаны предназначены для укладки троса и преобразования вращательного движения в поступательное при перемещении груза. Барабаны могут изготавливаться литыми (материал – СЧ 15 ГОСТ 1412-85, Сталь 25Л ГОСТ 977-75) или сварными (Сталь Ст3 ГОСТ 380-71).

Диаметр нарезного барабана по дну канавки, который определяется согласно рекомендациям Регистра (1.5.5.2), должен быть не меньше, мм (рис.1.12).

 

Рис.1.12. Профиль винтовых канавок барабанов

 

На практике диаметр D_Б1 принимают большим, что приводит к увеличению срока службы троса

 

.. (1.31)

 

Расчетный диаметр барабана по центру наматываемого каната (рис.1.14), мм

. (1.32)

 

Профиль канавок барабанов определяется по Приложению 6 табл. 1. Необходимо записать все выбранные характеристики барабана. В большинстве случаев используется однослойная навивка троса, что позволяет исключить контакт витков и увеличить срок его службы.

Длина троса наматываемого на барабан, м

 

, (1.33)

 

где H – высота подъема груза, м;

u _г – кратность грузового полиспаста.

Число рабочих шлагов (витков) нарезной части барабана

. (1.34)

Общее число шлагов (витков) нарезной части барабана

 

, (1.35)

 

где z_з – число запасных шлагов, по правилам Регистра (1.5.5.6) принимают z_з =2;

z_к – число шлагов для крепления троса, по правилам Регистра (1.5.5.4) принимают z_к =2.

Длина нарезной части барабана, мм

 

, (1.36)

 

где p – шаг нарезки (рис.1.12), мм.

Полная длина барабана (рис.1.13), мм

 

, (1.37)

 

где l_p – ширина реборды, мм.

 

lн

lр

lр

lк

Lб

Рис. 1.13. Размеры барабана

 

Толщина стенки барабана определяется из условия прочности на сжатие, мм

 

, (1.38)

 

где – допускаемое напряжение сжатия, МПа,

– для чугунных барабанов, для стальных барабанов;

s_b, s_T – предел прочности и предел текучести материала, МПа, Приложение 5;

S – коэффициент запаса прочности материала, S =4…4,25 – для чугунных барабанов, S =1,4…1,5 – для стальных барабанов.

Исходя из условий изготовления толщина литых барабанов мм.

Вращающий момент, передаваемый барабаном, кН×м

 

, (1.39)

 

где D_б – расчетный диаметр барабана, м.

Изгибающий момент, который испытывает барабан, кН×м

 

, (1.40)

 

где F_ст1 – реакция со стороны ступицы диска на ось, , кН;

l – расстояние между дисками барабана, принимается ориентировочно , м.

Барабан, кроме напряжений сжатия, испытывает также действие напряжений изгиба и кручения. Если выполняется отношение , то расчет на прочность по указанным напряжениям не проводят. Условие прочности стенки барабана при совместном действии напряжений изгиба и кручения

, (1.41)

 

где j – коэффициент приведения напряжений, j =0,75;

W – экваториальный момент сопротивления стенки барабана, м³,

;

[ s_и ] – допускаемое напряжение изгиба, МПа.

В судовых кранах, оборудованных гидравлическим приводом, наибольшее распространение получили конструкции с радиально-поршневым двигателем с кулачковой шайбой (рис. 1.14), в котором силовой поток передается непосредственно от гидромотора к барабану;

Рис. 1.14. Грузовая лебедка, оборудованная радиально-поршневым гидромотором с кулачковой шайбой: 1 – ленточный тормоз; 2 – радиально-поршневой гидромотор)у которого вращается корпус); 3 – барабан; 4 – передняя опора; 5 – задняя опора; 6 – гидроцилиндр тормоза.

 

 

Рис. 1.15. Грузовая лебедка, оборудованная радиально-поршневым гидромотором с эксцентриковым валом:

1 – радиально-поршневой гидромотор; 2 – зубчатая муфта; 3 – барабан; 4 – шкив ленточного тормоза.

 

с радиально-поршневым двигателем с эксцентриковым валом (рис. 1.15), в котором движение передается от гидромотора на барабан через зубчатую муфту; с аксиально-поршневым гидромотором (рис. 1.18), в котором движение передается на барабан с использованием зубчатого редуктора.

 

Рис. 1.16. Грузовая лебедка, оборудованная аксиально-поршневым гидромотором: 1 – аксиально-поршневой гидромотор; 2 – упругая муфта; 3 – барабан; 4 – дисковый тормоз.

Схема консольной установки барабана, показанная на рис. 1.16, широко применяется при отношении длины барабана к его диаметру , для нее характерно существенное упрощение конструкции.