Грузоподъемные устройства машиностроительных производств
По конструкции и виду выполняемых работ грузоподъемные устройства подразделяют на три группы: подъемные механизмы, краны и подъемники.
Подъемные механизмы (полиспасты, тали, лебедки и домкраты) приводятся в действие вручную или двигателем при помощи механических, гидравлических и пневматических передач и имеют одно или два (реже) рабочих движения. Эти устройства применяют для подъема сравнительно небольших грузов (обычно до 10 т) при монтаже и демонтаже оборудования, при обслуживании технологических машин и аппаратов, на складах, при проведении несложных строительных работ. Рабочие скорости подъема грузов домкратами и талями с электроприводом составляют 1…10 м/мин, а лебедками – до 20 м/мин.
Краны охватывают обширную группу более сложных грузоподъемных машин, имеющих не менее двух рабочих движений. Они имеют несколько механизмов, установленных на общем остове в виде металлических конструкций, и служат для перемещения штучных и сыпучих грузов в вертикальном и горизонтальном направлениях. В зависимости от назначения, условий работы и конструкции устройств для горизонтального перемещения груза (краны) бывают поворотные (рисунок 2) и мостового типа (рисунок 3). Следует отметить многообразие конструктивных разновидностей кранов (стреловых, настенных, башенных, портальных, кабельных, мостовых, велосипедных, самоходных и др.). В машиностроительном производстве преимущественное применение получили поворотные консольные, мостовые краны, кран-балки, краны-штабелеры.
Рисунок 2 - Консольно-поворотный кран с вращающейся колонной: 1 – механизм подъема; 2 – механизм поворота крана; 3 – крюковая подвеска.
Рисунок 3 – Кран мостового типа
Основными характеристиками машин являются: грузоподъемность; скорости подъема, перемещения и поворота; высота подъема; пролет; вылет; габаритные размеры; масса; мощность; база.
Подъемники характеризуются наличием кабины или платформы, которые перемещаются в направляющих. Различают подъемники грузовые (для подъема грузов), пассажирские (для подъема людей) и грузопассажирские; их выполняют стационарными или передвижными.
Типовыми крановыми механизмами являются: механизм подъема груза в виде лебедки в комбинации с полиспастом, несущим грузозахватное устройство; механизм передвижения крана или какой-либо его части; механизм изменения вылета, изменяющий в стреловых кранах положение грузового крюка относительно остова; механизм вращения поворотной части крана.
Механизм подъема груза
Обычно механизм подъема грузоподъемных машин состоит из лебедки и полиспастной системы (рисунок 4).
Рисунок 4 - Схемы компоновки лебедки механизма подъема груза: 1 – двигатель; 2 – редуктор; 3 – барабан; 4 – муфта; 5 – тормоз; 6 – зубчатая передача.
При разработке конструкции лебедки необходимо учитывать схему компоновки узлов механизма подъема и конструктивное выполнение соединения редуктора с барабаном. Компоновка узлов двигателя 1 и барабана 3 по разные стороны от редуктора (рисунок 4,а) отличается удобством монтажа и обслуживания, но имеет большие габаритные размеры. Более компактной по сравнению с предыдущей является схема, показанная на рисунке 4, б, однако она имеет большой размер по ширине из-за значительных размеров муфты 4, соединяющей редуктор с барабаном. В наиболее рациональной монтажной схеме (рисунок 4, в) соединение редуктора с барабаном выполнено путем установки одной из опор оси барабана в расточке тихоходного вала редуктора. Чтобы избежать применения дорогого и громоздкого трехступенчатого редуктора при небольших скоростях подъема, применяют механизмы с открытой тихоходной зубчатой передачей (рисунок 4, г).
При расчете механизма подъема рекомендуется придерживаться приведенной ниже последовательности.
2.1.1 Выбор каната и элементов крюковой подвески
По приведенной (заданной) схеме полиспаста определяют силу максимального натяжения каната:
(1)
где G – вес груза; ZК.Б – число ветвей каната, навиваемых на барабан; uП – передаточное число (кратность) полиспаста; ηП – КПД полиспаста (таблица 2); ηН.БЛ – КПД направляющих (обводных) блоков.
Таблица 2 – КПД полиспаста
| Тип подшипников блоков полиспаста | Передаточное число (кратность) полиспаста, uп | ||||
| Скольжения (ηН.БЛ =0,96) | 0,98 | 0,96 | 0,94 | 0,92 | 0,90 |
| Качения (ηН.БЛ =0,98) | 0,99 | 0,98 | 0,97 | 0,96 | 0,95 |
Типоразмер каната выбирают преимущественно из условия:
(2)
где Fразр – разрывная сила каната (см. прил. П1); zр – коэффициент использования каната (коэффициент запаса прочности), минимальные значения которого приведены в таблице 3 в зависимости от группы классификации механизма по ИСО 4301/1. Здесь же дано примерное соответствие групп режимов установленных ИСО 4301/1, ГОСТ 25835–83 и правилами Госгортехнадзора РФ (ГГТН).
На грузоподъемных машинах общего назначения при однослойной навивке на барабан рекомендуется применять приведенные в приложении П1 два типа шестипрядных стальных канатов двойной свивки с одним органическим сердечником.
По заданной грузоподъемности подбирается крюковая подвеска (приложение П6.1).
Таблица 3 – Значения коэффициента запаса прочности каната
| Группа классификации режима работы механизма | Режим работы по правилам Госгортехнадзора (ГГТН | Канат | ||
| Подвижный | Неподвижный | |||
| По ИСО 4301/1 | По ГОСТ 25835-83 | ZP | ||
| М1 | 1М | Легкий (л) | 3,15 | 2,5 |
| М2 | 1М | Легкий (л) | 3,35 | 2,5 |
| М3 | 1М | Легкий (л) | 3,55 | 3,0 |
| М4 | 2М | Легкий (л) | 4,00 | 3,5 |
| М5 | 3М | Легкий (л) | 4,50 | 4,0 |
| М6 | 4М | Средний (с) | 5,60 | 4,5 |
| М7 | 5М | Тяжелый (т) | 7,10 | 5,0 |
| М8 | 6М | Весьма тяжелый (вт) | 9,00 | 5,0 |
Крюки нашли преимущественное применение в грузоподъемных механизмах как универсальное грузозахватное приспособление. Крюки, предназначенные для непосредственного или с помощью чалочных стропов подвешивания грузов, делятся по конструкции (ГОСТ 6627–74) на однорогие (приложение П6.2) и двурогие. Изготовляют крюки ковкой или штамповкой из стали 20 с последующим отжигом.
Стандартные крюки подбирают по грузоподъемности без проверочного расчета. Грузоподъемность у выбранного крюка должна быть больше заданной (приложение П6.3). Крюки единичного производства рассчитывают на прочность как брус большой кривизны. При этом его хвостовик рассчитывают на растяжение по допускаемому напряжению [σ]р = 0,25...0,28 σт , а криволинейную часть – в зависимости от режима работы по напряжению [σ]р = σт /(1,05...1,65).
Минимальную высоту гайки 3 (рисунок 5) определяют из условия прочности резьбы на срез при [τ]≈0,6[σ]р:
(3)
где d1 – внутренний диаметр резьбы; k1 – отношение высоты опасного (расчетного) сечения витка резьбы к шагу S; для метрической резьбы k1 = 0,87; для трапецеидальной k1 = 0,65; kН – коэффициент неравномерности распределения нагрузки между витками резьбы; kН = 5S/d при d/S < 9; kН = 0,56 при d/S > 9; d – наружный диаметр резьбы.
Рисунок 5 – К расчету элементов крюковой подвески
Крюковую траверсу 1 рассчитывают как свободно опертую балку пролетом l, нагруженную посредине весом груза G. Траверсу изготовляют из стали 40 или 45. Напряжение изгиба в среднем опасном сечении:
(4)
где l – расстояние между щеками обоймы; b и h – соответственно ширина и высота траверсы; d0 – диаметр отверстия для крюка.
Запас прочности должен превышать предел текучести (учитывая сложную конфигурацию траверсы) в 3 раза.
Цапфы траверсы рассчитывают также на изгиб и проверяют по давлению между цапфой и щекой. Допускаемое напряжение принимают не более 35 МПа.
Щеки 2 (рисунок 5) крюковой обоймы изготовляют из листовой стали марки Ст 3. Их рассчитывают на растяжение по формуле Ляме:
(5)
где R, r и δ – размеры (рисунок 5); [σ]р = σт /s (s = 3,5...4).
Гайка 3 хвостовика крюка 5 опирается на сферическую шайбу или на упорный шарикоподшипник 4 (при грузоподъемности более 3,2 т). Упорные подшипники рассчитывают по статической грузоподъемности при нагрузке, составляющей 1,25 номинального веса.
2.1.2 Основные размеры блоков и барабана
Определение размеров блоков и диаметра барабана. Назначение блока – поддержание и изменение направления движения каната диаметром dК. Блоки подразделяют на подвижные, ось которых перемещается в пространстве, и неподвижные. Разновидностью неподвижных блоков является уравнительный блок, который при подъеме и опускании груза не вращается, а служит для уравнивания длины неравномерно вытягивающихся ветвей каната в сдвоенном полиспасте.
Блоки для канатов изготовляют из стали литьем, сваркой или штамповкой. Для литых блоков применяют сталь с механическими свойствами не хуже, чем у стали 45Л-11, для штампованных – не хуже, чем у стали 45, и для сварных – не хуже, чем у стали Ст 3.
Профиль ручья блока должен обеспечивать беспрепятственный вход и выход каната и иметь наибольшую площадь соприкосновения с ним (наибольшую площадь поверхности ручья). Исходя из этого рекомендуется соотношение основных размеров блоков принимать такими, как показано на рисунке 6.
Минимальные диаметры барабанов D, блоков Dбл и уравнительных блоков Dур.бл, огибаемых стальными канатами, определяют по формулам:
(6)
где h1, h2, h3 – коэффициенты выбора диаметров соответственно барабана, блока и уравнительного блока; значения их приведены в таблице 4.
Рисунок 6 – Ручей блока
Таблица 4 – Коэффициенты выбора диаметров
| Группа классификации механизма по ИСО 4301/1 | h1 | h2 | h3 |
| М1 | 11,2 | 12,5 | 11,2 |
| М2 | 12,5 | 14,0 | 12,5 |
| М3 | 14,0 | 16,0 | 12,5 |
| М4 | 16,0 | 18,0 | 14,0 |
| М5 | 18,0 | 20,0 | 14,0 |
| М6 | 20,0 | 22,4 | 16,0 |
| М7 | 22,4 | 25,0 | 16,0 |
| М8 | 25,0 | 28,0 | 18,0 |
С увеличением отношения D /dк долговечность каната возрастает, так как уменьшаются напряжения изгиба и контактные.
Полученный по формуле (6) диаметр барабана D следует округлить в большую сторону до значения из ряда: 160; 200; 250; 320; 400; 450; 500; 560; 630; 710; 800; 900 и 1000 мм.
Определение длины барабана (рисунок 7). Поверхность барабана может быть гладкой или желобчатой. В грузоподъемных механизмах с машинным приводом применяется однослойная навивка каната на барабан в желобки, нарезанные по винтовой линии.
Значение шага навивки каната t принимают из приближенного соотношения (большее значение для малых диаметров каната):
(7)
Полученная величина t должна быть кратной 0,5 мм.
В сдвоенном полиспасте нарезка желобчатой канавки на барабане с одной стороны правая, а с другой левая.
Длину барабана определяют по формуле:
(8)
где lн – длина нарезки между осями крайних витков каната 1/2 барабана (при одинарном полиспасте для всего барабана);
(9)
Рисунок 7 – Расчетная схема приводного барабана
– число витков каната, навиваемых на барабан при подъеме груза на расчетную высоту подъема;
(10)
Lк – длина каната, навиваемая на 1/2 барабана (для одинарного полиспаста на весь барабан);
(11)
H – высота подъема груза; uп – кратность полиспаста; Z1 ≥ 1,5 витка – неприкосновенные витки, по правилам Госгортехнадзора РФ не свиваются с барабана;
l1 – длина барабана, используемая для крепления каната;
(12)
l0 – расстояние от оси крайнего витка каната до края барабана;
(13)
b – длина не нарезная средней части барабана;
(14)
B3 – расстояние между осями наружных блоков крюковой подвески (таблица П2.1); hmin – минимальное расстояние между осью барабана и осью блоков крюковой обоймы, мм; (см. ниже); α – максимальный допустимый угол отклонения каната от нормали к оси барабана; принимается α ≤ 6°.
| Грузоподъемность G, кН | 32…50 | 100…125 | 150…200 | |
| hmin, мм | 600…650 | 1000…1050 | 1150…1200 |
Предварительно можно принимать hmin ≈ 3D.
Применение гладкого барабана допускается в тех случаях, когда по конструктивным причинам необходима многослойная навивка каната на барабан, например в лебедках.
Общая длина каната, наматываемого на гладкий барабан (рисунок 8):
(15)
где i – число витков каната в слое; z – число слоев навивки.
Рабочую длину гладкого барабана при многослойной навивке определяют в зависимости от длины навиваемого каната Lк, числа слоев навивки каната z, диаметров барабана D и каната dк:
(16)
Рисунок 8 – Схема гладкого барабана
Рисунок 9 – Толщина стенки обечайки барабана
Выбор толщины стенки грузоподъемного барабана. Барабаны изготовляют литыми (из чугуна или стали) или сварными. Последние на 35...40 % легче. В механизмах подъема, относящихся к группам режимов работы М7 и М8, применяют только стальные барабаны.
Выбранная толщина стенки барабана δ (рисунок 9) должна обеспечивать достаточную прочность и соответствовать технологическим возможностям его изготовления. Толщину стенки предварительно определяют по эмпирическим формулам:
для чугунных барабанов:
мм (17)
Для стальных барабанов:
мм (18)
Выбранную толщину стенки проверяют на прочность при совместном действии изгибающего М и вращающего Т моментов:
(19)
При длине барабана lб < 3DН наиболее опасной деформацией является сжатие стенок, поэтому проверку толщины обечайки барабана проводят на сжатие:
(20)
где Fmax – максимальная сила натяжения грузового каната; t – шаг навивки каната;
[σ]сж – допускаемое напряжение, определяемое в зависимости от материала барабана и группы режима работы механизма (таблица 5).
Определение диаметра оси барабана и выбор подшипников. При расчете оси барабана предварительно составляют схему действия сил натяжения каната Fmax с учетом способа соединения выходного вала редуктора с барабаном и числа ветвей каната, закрепленных на барабане (рисунок 10). Следует помнить, что при одинарном полиспасте на барабане закреплена одна ветвь (рисунок 10, а), при сдвоенном – две (рисунок 10, б).
Расстояние между опорами l определяют после эскизной проработки узла барабана с использованием соотношений подобия, получаемых путем анализа существующих конструкций механизмов подъема. На величину l влияют зазор между барабаном и опорой, ширина основания опоры, толщина реборды, ширина зубчатого венца (при компоновке по рисунку 4, г) и др.
Ось барабана испытывает напряжение изгиба от действия силы натяжения канатов Fmax.
Таблица 5 – Значения допускаемого напряжения [σ]сж, МПа
| Марка материала барабана | Группа классификации режима работы механизма по ИСО 4301/1 | ||||
| М1, М2, М3 | М4 | М5 | М6, М7 | М8 | |
| Ст 3 сп | |||||
| 35Л | |||||
| 55Л | |||||
| 09Г2С | |||||
| 15ХСНД | |||||
| СЧ18 | - | ||||
| СЧ24 | - |
Рисунок 10 – Расчетная схема оси барабана
Нагрузка на опору В оси при использовании одинарного полиспаста (рисунок 10, а):
(21)
Изгибающие моменты:
в сечении I–I (середине левой ступицы барабана):
(22)
в сечении II-II (середине правой ступицы барабана):
(23)
Нагрузки на опоры А и В оси при положении Fmax на барабане, показанном на рисунке 10, б (сдвоенном полиспасте),
(24)
(25)
Изгибающие моменты:
в сечении I–I
(26)
в сечении II-II
(27)
Диаметр оси в расчетных сечениях определяется по формуле:
(28)
где MИ – изгибающий момент, действующий в расчетном сечении; [σ]и – допускаемое напряжение.
При наличии в расчетном сечении оси галтели, шпоночного паза, отверстия или напрессованных деталей допускаемые напряжения следует уменьшить примерно на 25 %.
Ось устанавливают на сферические опоры. В качестве опор могут быть использованы радиальные сферические шарикоподшипники или роликоподшипники, которые допускают значительный перекос колец (до 2...3°) и, следовательно, могут самоустанавливаться.
2.1.3 Выбор привода
Выбор электродвигателя. Во-первых, относительная продолжительность включения двигателя ПВдв должна быть равна среднему значению относительной продолжительности включения электрооборудования ПВ (указанной в задании). Во-вторых, номинальная мощность двигателя:
(29)
Максимальная статическая мощность:
(30)
где ηпр = 0,80...0,85 – предварительное значение КПД механизма;
G – вес номинального груза; v – скорость подъема груза.
В крановых механизмах подъема наибольшее применение получили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором серии MTKF при группах режимов работы механизма М1...М6, с фазным ротором серий MTF и МТН при группах режимов работы механизма М7 и М8. Для привода электроталей, кран-балок, легких поворотных кранов можно применять двигатели серии 4АС с повышенным скольжением. Технические данные двигателей приведены в приложении П2.
Двигатели общего назначения серии АИР не рассчитаны на работу в повторно-кратковременном режиме и не могут использоваться в грузоподъемных машинах.
Выбор передаточного механизма. Передаточное число редуктора:
(31)
где nдв, nб – частота вращения соответственно двигателя и барабана.
Частота вращения барабана определяется в зависимости от скорости каната, которая равна скорости подъема груза v, умноженной на кратность полиспаста uП, и расчетного диаметра барабана DН:
(32)
Выбор типоразмера редуктора производиться по прил. П3 из следующих условий.
1. Расчетный эквивалентный момент на тихоходном валу редуктора:
где ТН – номинальный вращающий момент на тихоходном валу, приводится в приложении П3 или рассчитывается исходя из допускаемых значений мощности редуктора и частоты вращения его тихоходного вала.
В механизмах подъема ввиду относительной малости динамических нагрузок можно принимать расчетный эквивалентный момент приблизительно равным статическому:
(33)
где КД – коэффициент долговечности, принимаемый в предварительных расчетах равным 0,5; Тmax – наибольший статический момент на валу барабана механизма подъема;
(34)
DН – диаметр барабана; ZК.Б – число ветвей каната, идущих к барабану от полиспаста; 0,98 – КПД барабана.
2. Передаточное число редуктора uр не должно отличаться от требуемого передаточного числа uр.тр более чем на 15 %:
(35)
Если последнее условие не выполняется, можно предпринять следующие:
- выбрать другой тип редуктора (например, трехступенчатый вместо двухступенчатого) с бόльшим передаточным числом;
- изменить требуемое передаточное число путем изменения частоты вращения барабана и его диаметра (при этом надо повторить все расчеты, связанные с определением диаметра барабана);
- ввести в кинематическую схему механизма открытую зубчатую передачу.
В механизмах подъема груза применяют преимущественно цилиндрические редукторы: двухступенчатые типов Ц2У, Ц2Н, ЦДНД, ЦДН, Ц2, РК и трехступенчатые типов Ц3У, ЦТНД и ГК. Технические данные редукторов частично приведены в прил. П3.
Затем уточняют частоту вращения барабана, скорость подъема груза и момент электродвигателя.
2.1.4. Выбор тормоза
Выбор производиться из условия, что номинальный тормозной момент выбранного тормоза ТТ.Н больше расчетного ТТ.Р, т.е.:
(36)
Расчетный тормозной момент:
(37)
где КТ – коэффициент запаса торможения. Значения КТ приведены ниже;
| Группа режима работы механизма | М1…М5 | М6 | М7 | М8 |
| Коэффициент КТ | 1,5 | 1,75 | 2,0 | 2,5 |
ТСТ – статический вращающий момент при торможении груза;
(38)
где uМЕХ – полное передаточное число механизма, включая передаточное число полиспаста; η – КПД механизма.
В механизмах подъема груза широко применяются автоматические нормально замкнутые тормоза с пружинным замыканием и электромагнитным или электрогидравлическим приводом типов ТКТ, ТКП, ТКГ, ЭМТ-2 (приложение П4). При группах режимов работы М6, М7, М8 рекомендуется применять тормоза с электрогидравлическим проводом типа ТКГ.
В качестве тормозного шкива целесообразно применить одну из полумуфт соединительной муфты. Рекомендуется использовать унифицированную муфту (см. приложения П5.3 или П5.4).
2.1.5 Проверка электродвигателя на пусковые нагрузки
Определение продолжительности периода разгона. Наибольшее время разгона на подъем определяется по приближенной формуле:
(39)
где nДВ – частота вращения двигателя, мин-1; 
– общий маховый момент механизма с грузом, кг⋅м2; 
– средний пусковой момент двигателя, Н⋅м; ТСТ.Р – момент статических сопротивлений при подъеме, приведенный к валу двигателя, Н⋅м.
Общий маховый момент:
(40)
где 
маховой момент соответственно ротора электродвигателя и тормозной муфты, кг⋅м2 (приложения П2 и П5); 
- маховой момент поступательно движущихся частей механизма и груза (m – общая масса груза и подвески, кг; v – скорость установившегося поступательного движения, м/мин; nБ– частота вращения барабана, мин-1).
Для механизмов обычного типа можно принимать:
(41)
Значения определяют по формуле:
(42)
где Тн = РДВ / ωДВ – номинальный момент двигателя, Н⋅м; ψП – кратность среднего пускового момента электродвигателя, см. ниже.
| Тип электродвигателя | MTKF | MTKH | 4AC | 4AE | MTF; MTH |
| ψП | 1,3…2,6 | 1,6…2,4 | 1,65…1,80 | 1,1…1,8 | 1,5…1,6 |
Статический момент при разгоне:
43)
где G – вес груза, Н; DН – диаметр барабана по оси навиваемого каната, м; uМЕХ и ηМЕХ – соответственно передаточное число и КПД всего механизма подъема.
Допустимое время разгона обычно принимают [tП] = 1…2 c. Если оно окажется существенно больше рекомендуемых значений, следует выбрать другой, более мощный двигатель той же продолжительности включения и с той же или близкой частотой вращения.
Проверка времени торможения. При расчете механизма подъема груза наибольшее время торможения получается при опускании груза, поскольку статический момент от веса груза препятствует остановке механизма. Время торможения tТ рассчитывают аналогично периоду разгона tП, только следует заменить момент ⎯ номинальным тормозным моментом выбранного тормоза. Момент от веса груза на тормозном валу ТСТ.Т при торможении отличается от момента при пуске ТСТ.Р, поскольку потери в механизме уменьшают работу, совершаемую тормозом при остановке груза и механизма.