Основные кинематические схемы механизмов подъема груза.

 

Механизмы подъема грузаустанавливаются на всех грузоподъемных машинах. Их конструкция и методы расчета характерны не только для кранов общего, но и для машин специального назначения. В данной теме приведены кинематические и энергосиловые расчеты приводов.

Механизмы подъема груза – это механизм, предназначенный для вертикального перемещения груза и состоящий из полиспастной системы и лебедки.

Грузовые лебедкиможно использовать не только в механизмах подъема груза, но и в механизмах изменения вылета стрелы, а также в качестве тяговых лебедках на кранах и других подъемно-транспортных машинах.

Грузовая лебедка – это машина для подъема грузов канатом, навиваемым на барабан.

В подъемных механизмах применяют в основном силовые полиспасты для уменьшения усилия в канате и снижения передаточного числа редуктора.

Полиспаст – это система подвижных и неподвижных блоков, огибаемых канатом или цепью, которая предназначена для выигрыша в силе – силовые полиспасты или скорости – скоростные полиспасты.

Классификация механизмов подъема грузов.

1. В зависимости от конструктивной схемы их можно разделить на два основных типа:

- с жесткой кинематической схемой — канатным или цепным приводом, ходовым винтом или зубчатой рейкой;

- с фрикционным приводом — канатоведущнм шкивом (применяется только в подъемниках).

2. По типу и количеству двигателей приводы бывают:

- электрические (основной привод) одно- и двухдвигательные;

- гидравлические;

- пневматические.

Наиболее широко применяют канатные лебедки с электроприводом; довольно перспективными являются механизмы подъема с гидроприводом. В пожаро- и взрывоопасных производствах применяют пнемопривод в механизмах подъема грузов.

3. По типу передач механизмы подъема бывают:

- с цилиндрическим редуктором;

- с планетарным редуктором;

- с волновым редуктором (последние пока не нашли должного применения).

Червячные передачи в механизмах подъема устанавливают редко по причине низкого к. п. д. и повышенного износа.

Механизмы подъема груза, кинематические схемы которых даны на рисунке 6.1, состоят из следующих основных частей: полиспаста, грузозахватного устройства, барабана, редуктора, тормоза и двигателя.

Кинематическая схема механизма подъема с крюковой подвеской показана на рисунке 6.1, а. Электродвигатель 1 соединен с цилиндрическим редуктором 4 и барабаном 5 при помощи муфт 2, 3; полумуфта 3 со стороны редуктора выполнена с тормозным шкивом, на котором установлен колодочный тормоз. Редукторы могут выполняться с валами по обе стороны для различной компоновки механизмов подъема. На барабан наматывается канат полиспаста 6 с грузозахватным приспособлением 7.

Кинематическая схема механизма подъема с грузовым электромагнитным захватом 8 отличается от обычной наличием дополнительного барабана 9 для наматывания и сматывания токоподводящего кабеля при подъеме и опускании груза (рисунок 6.1, б). Привод этого барабана может осуществляться от канатного барабана с помощью зубчатой или ценной передач, а также от отдельного привода. Вследствие различных скоростей наматывания ветвей каната и кабеля передаточное число передачи 10 между барабанами будет равно

                                                     (6.1)

где ,  - угловые скорости вращения соответственно канатного и кабельного барабанов;

                                               (6.2)

 - скорость подъема груза, м/с;  - передаточное число полиспаста;

,                                              (6.3)

,  - диаметры канатного и кабельного барабанов.

Тогда

                                     (6.4)

В грейферных кранах на тележке устанавливают два одинаковых механизма — один для подъема, другой для замыкания грейфера (рисунок 6.1, в) или двухбарабанную лебедку с планетарной передачей и двумя двигателями (большей мощности для подъема, меньшей — для замыкания грейфера).

 

 

 

Рисунок 6.1 – Кинематические схемы механизмов подъема груза

 

Механизмы с планетарными редукторами. На рисунке 6.1, г показана кинематическая схема механизма с двухдвигательным приводом и планетарным редуктором. Валы электродвигателей 1, 5 соосны и вращают центральные колеса z ₁ и z ₂ различных диаметров. Колеса z ₁ и z ₂ приводят во вращение сателлит z ₄, укрепленный в водиле 3, которое связано с приводной шестерней двухступенчатого редуктора 6, который вращает барабан 7 Вал двигателя 1 проходит внутри пустотелого вала, соединяющего водило с шестерней редуктора.

Механизм подъема позволяет работать на четырех скоростях: 1 — максимальная скорость при вращении обоих двигателей в одном направлении; 2— при вращении только двигателя 1; 3 — при вращении только двигателя 5; 4 — минимальная при вращении двигателей 1 и 5 в противоположных направлениях.

Схема механизма подъема с гидроприводом приведена на рисунке 6.1, д. Особенностью этого механизма является широкий диапазон изменения скоростей, что очень важно для монтажных и механосборочных кранов. Электродвигатель 1 приводит в движение регулируемый насос 2, от которого жидкость под высоким давлением поступает в высокомоментный гидромотор 3 (радиально-поршиевой с дисковым тормозом). От него через муфту и редуктор 4 сообщается вращение барабану 5.

В отдельных случаях применяют механизм подъема груза с открытой зубчатой передачей вместо трехступенчатого редуктора (рисунок 6.1, е). Этот механизм состоит из двигателя 1, муфты с тормозным шкивом 2, тормоза 3, редуктора 4, открытой зубчатой пары 5, барабана 6. С целью обеспечения правильной укладки каната на барабан с многослойной навивкой используют специальное устройство – канатоукладчик (рисунок 6.1, ж). Подъемный канат перед навивкой на барабан 1 проходит через блок 2 между двумя цилиндрическими роликами 4, установленными на каретке 6. Каретка расположена на винте 7 с двойной резьбой, который приводится в движение цепной передачей 3. При вращении винта 7 каретка 6 перемещается по направляющими, обеспечивая правильную укладку каната.

 

Рисунок 6.2 – Механизм подъема автомобильного крана {с групповым приводом)

Механизмы подъема с групповым приводом. От двигателя внутреннего сгорания автомобиля (рисунок 6.2) движение через редуктор отбора мощности 10, пару конических передач, главный реверс 8, зубчатые передачи передается к барабанам механизма подъема 5, механизма замыкания грейфера 6, механизма изменения вылета 3.

Соединение барабанов с главным валом 4 обеспечивается с помощью фрикционных муфт 1, а торможение – с помощью тормозов 2, располагаемых непосредственно на барабанах этих механизмов. Включение фрикционной муфты сопровождается растормаживанием барабана. С помощью зубчатого реверса 7, зубчатой передачи 9 ведется управление работой крана при повороте.

 

 

Полиспасты.

 

Существуют два основных типа полиспастов: силовые полиспасты  и скоростные полиспасты.

Силовой полиспаст – это полиспаст, служащий для выигрыша в силе.

Скоростной полиспаст – это полиспаст, служащий для выигрыша в скорости.

Скоростные полиспасты находят ограниченное применение в тихоходных гидравлических и пневматических механизмах. Блоки в полиспасте делятся на подвижные, перемещающиеся в пространстве, и неподвижные.

Силовые и скоростные зависимости двух типов полиспастов можно проследить на соответствующих подвижных блоках.

Для силового полиспаста (рисунок 6.3, а) натяжение S_K и скорость ветви u _K каната:

                         (6.5)

где Q _Г – вес поднимаемого груза, u _Г — скорость подъема груза; h — к. п. д. блока.

Для скоростного полиспаста (рисунок 6.3, б) сила на поршне и его скорость будут равны:

                   (6.6)

К. п. д. канатного блока учитывает потери на трение в опорах и жесткость каната; h =0,98 для блоков на подшипниках качения и h =0,95 для блоков на подшипниках скольжения.

 

Рисунок 6.3 – Полиспасты для выиграша в силе (а) и скорости (б)

 

       По конструкции полиспасты бывают одинарные и сдвоенные.

Одинарный полиспаст – это полиспаст, у которого один конец каната подвижный (наматывается на барабан лебедки), а второй – закреплен на подвижной или неподвижной обойме, то есть системе блоков.

Сдвоенный полиспаст – это полиспаст, у которого оба конца каната подвижны, то есть наматываются на барабан.

Одинарные полиспасты. Верхние блоки (обойма) неподвижны (в пространстве), нижние блоки (обойма) подвижны – перемещаются вместе с грузом (рисунок 6.4).

Недостатком одинарных полиспастов является то, что вместе с подъемом груз перемещается также по горизонтали, вследствие чего изменяются величины реакции опор барабана и затрудняется точность установки груза.

 

Рисунок 6.4 – Одинарные полиспасты:

а – при сбегании каната с неподвижной обоймы, б – при сбегании каната с подвижной обоймы

 

       Для того, чтобы при работе полиспаста большой кратности не происходил перекос подвижной обоймы используются сдвоенные полиспасты (рисунок 6.5). Сдвоенные полиспасты обеспечивают строго вертикальное перемещение груза, реакции в опорах барабана распределяются равномерно.

 

Рисунок 6.5 – Сдвоенные полиспасты:

а – при сбегании канатов с неподвижной обоймы, б – при сбегании каната с подвижной обоймы

Сдвоенный полиспаст состоит из двух одинарных полиспастов с уравнительным блоком. На барабан (с правой и левой винтовой нарезкой) навиваются две ветви каната полиспаста.

Уравнительный блок – это блок, служащий для уравнивания длин правой и левой ветвей каната сдвоенного полиспаста при неравномерной вытяжке.

Уравнительный блок при подъеме (опускании) груза не вращается. Диаметр уравнительного блока принимают меньше, чем у основних блоков, и располагается он по оси симметрии сдвоенного полиспаста: в верхней обойме при четной (рисунок 6.5, б) и в нижней (рисунок 6.5, а) при нечетной кратности.

       Полиспасты характеризуются кратностью или передаточным числом u _П. Кратность силового полиспаста показывает – во сколько раз позволяет этот полиспаст выиграть в силе.

Кратность полиспаста – это отношение скорости навивки каната на барабан к скорости подъема груза.

Кратность полиспаста определяется по формуле:

                                           (6.7)

где  - скорость каната, наматываемого на барабан,  - скорость подъема груза.

С другой стороны, кратность одинарного полиспаста равняется числу ветвей каната, на которых висит груз. Для сдвоенных полиспастов кратность равна половине числа ветвей, на оторых висит груз.

Для одинарного полиспаста m является кратностью или передаточным числом = m.

Кратность сдвоенного полиспаста

,                                          (6.8)

где m – число ветвей каната полиспаста, на которых висит груз.

Кратность полиспастов механизмов подъема зависит от грузоподъемности и определяется технико-экономическими расчетами. Чем больше кратность полиспаста, тем меньше диаметры каната (но не менее допустимого), блоков и барабана и меньше передаточное число редуктора, масса и габариты, но с другой стороны при этом увеличиваются длины каната, барабана и число блоков.

На основании технико-экономических расчетов и практического опыта установлены пределы оптимальных значений кратности полиспастов в зависимости от грузоподъемности кранов общего назначения:

Q _Г, т                   5 10…15 20…30 40…50 75…125

u _П                         2  2…3   3…4     4…5     5…6

В неподвижном полиспасте сила натяжения во всех каната одинакова:

                                    (6.9)

При подъеме груза вследствие потерь в блоках на трение и от жесткости каната при изгибе натяжение в ветвях каната распределяются неравномерно. Поэтому эти потери учитываются к. п. д. полиспаста h _ПОЛ.

 

Вывод к. п. д. одинарного полиспаста.

Пусть дан одинарный полиспаст (рисунок 6.6), у которого канат сбегает с подвижного блока. Примем, что к. п. д. блоков известно и к. п. д. подвижных и неподвижных блоков равны.

 

Обозначим:

h - к. п. д. блока,

h _ПОЛ – к. п. д. полиспаста,

N _ПОЛ – полезная мощность, затрачиваемая на подъем груза,

N _ПОЛН – полная мощность, затрачиваемая на подъем груза,

S_K, u _K – усилие и скорость каната, который наматывается на барабан лебедки,

Q _Г, u _Г – вес и скорость поднимаемого груза,

S ₁, S ₂, S ₃, … S_n – усилия в ветвях каната.

 

Рисунок 6.6 – Расчетная схема одинарного полиспаста

 

К. п. д. полиспаста – это отношение полезной мощности к полной мощности, затрачиваемой на подъем груза,

       (6.10)

       Как видно из расчетной схемы полиспаста, представленного на рисунке 6.6, усилие в ветви каната, идущего на барабан лебедки, везде одинаково и составляет S ₁=S _K.

       Когда канат пройдет через нижний блок, усилие во второй ветви каната будет меньше из-за потерь на трение, которое учитываем к. п. д. блока, тогда S₂=S₁×h=S _K ×h.

       Когда канат пройдет через верхний блок, усилие в третьей ветви каната будет S₃=S₂×h=S _K ×h² и т.д.

Тогда усилие в n-ой ветви каната составит S_n=S_К×h^n-1.

Составим уравнение равновесия системы, представленной на рисунке 6.6,

              (6.11)

       Вынесем S_К за скобки:

Разделим полученное уравнение на S_К

      

       Подставим полученное выражение в уравнение (6.10) и определяем к. п. д. одинарного полиспаста, у которого канат сбегает с подвижной обоймы,

.                               (6.12)

       Аналогично можно вывести к. п. д. одинарного полиспаста, у которого канат сбегает с неподвижной обоймы. В результате получим:

.                                  (6.13)

       Тогда при одинарном полиспасте усилие в канате, наматываемом на барабан лебедки, с учетом потерь на трение составит:

                                         (6.14)

При сдвоенном полиспасте усилие в одной ветви каната, наматываемом на барабан лебедки, с учетом потерь на трение составит:

                                (6.15)

где m – число ветвей каната полиспаста, на которых висит груз.