Тема. Розрахунок механізму підйому мостового крана

Мета: ознайомлення з особливостями роботи та вимогами до електропривода кранових механізмів; набуття навичок розрахунку параметрів кінематичної схеми, потужності двигуна механізму підйому мостового крана.

 

Рекомендації щодо виконання

Вибір поліспаста

Як відомо, поліспаст – система оперезаних канатом рухомих і нерухомих блоків, яка забезпечує виграш або в силі, або у швидкості. Поліспаст характеризують його кратністю або передаточним числом:

, (1.1)

де – обертальна швидкість барабана, м/с; – швидкість підйому вантажу, м/с; – кількість несучих гілок каната; – кількість гілок каната, що збігають з барабана.

Кранові поліспасти виготовляються простими або здвоєними. У мостових кранах застосовуються тільки здвоєні поліспасти, тому число гілок каната, які збігають з барабана, завжди дорівнює . Кількість несучих гілок каната варто вибрати з табл. 1.1.

Розрахунок і вибір каната

Канат варто вибрати за розрахунковим розривним зусиллям у наступному порядку [32, 43, 44, 70]:

- визначити найбільше зусилля , що приходиться на одну гілку каната

, (1.2)

- визначити розрахункове розривне зусилля:

, (1.3)

де – номінальна вага вантажу, який піднімають, Н; – вага вантажопідйомного пристрою, Н; – число несучих гілок каната в поліспасті; – коефіцієнт корисної дії поліспаста (вибирають за табл. 1.1); – коефіцієнт запасу міцності каната, який визначають за табл. 1.2.

Вибір каната відповідно до ДСТУ відбувається за розрахунковим розривним зусиллям додатка [32, додат. I–IV, c. 451–457], при цьому повинна виконуватись вимога:

,

де – найбільше розривне зусилля у вибраному канаті.

Таблиця 1.1 – ККД поліспаста при різних значеннях вантажопідйомності

Вантажопідйомність, т		2–6	10–16	20–30	40–60	60–100
Кількість несучих гілок каната			4–6	6–8	8–10	10–12
ККД поліспаста для блоків на втулках	0,94	0,94	0,94– 0,92	0,92– 0,9	0,92–0,9	0,9– 0,85	0,85
ККД поліспаста для блоків на підшипниках	0,98	0,98	0,98– 0,96	0,96– 0,94	0,96– 0,94	0,94–0,91	0,91

 

Необхідно пам’ятати, що в кранах загального призначення найбільш часто використовуються канати з межею міцності дроту при розтягуванні кг/мм². Отже, вибравши канат за розрахунковим розривним зусиллям з відповідною межею міцності при розтягуванні, необхідно розрахувати фактичний коефіцієнт запасу міцності вибраного каната і порівняти його з коефіцієнтом запасу міцності узяти з табл. 1.2:

. (1.4)

Міцність каната забезпечується, якщо дотримується умова:

.

Довжина каната, який накручується на барабан, визначається співвідношенням:

, (1.5)

де – висота підйому вантажу, м; – число несучих гілок каната в поліспасті.

Вибір барабана

У механізмах підйому з безпосереднім навиванням на барабан застосовують подвоєний поліспаст, що забезпечує вертикальне переміщення вантажу при підйомі та спуску, однакове навантаження на підшипники барабана і ходові колеса візка.

Канатні барабани кранів виготовляються литими чи звареними і мають дві ґвинтові нарізки (ліву і праву). Барабани найчастіше встановлюються з жорстким з’єднанням на валах або осях, які обертаються за допомогою підшипників кочення чи ковзання. Передача обертального моменту від приводного електродвигуна до барабана відбувається через редуктор, за допомогою зубчатих муфт і фланцевих з'єднань.

Діаметр канатного барабана визначається відповідно до норм Держтехнагляду:

, (1.6)

де – коефіцієнт, що залежить від режиму експлуатації механізму (див. табл. 1.2); – діаметр каната, мм.

Таблиця 1.2 – Коефіцієнти для різних режимів експлуатації механізму

Режим експлуатації	Значення коефіцієнта,	Коефіцієнт запасу гальмування,	Коефіцієнт запасу надійності каната,
Легкий		1,5
Середній		1,75	5,5
Важкий		2,0
Дуже важкий		2,5

 

Вибір барабана відбувається за розрахунковим діаметром , діаметром каната і висотою підйому вантажу з [32, додат. XVI, с. 476–477]; при цьому стандартний діаметр барабана, що вибирається, може бути прийнятий на 15 % менше значення, одержаного за формулою (1.6).

Діаметр робочих блоків у поліспасті також визначають співвідношенням (1.6), а їх вибір здійснюють за [32, додат. V, c. 458–459].

Розрахунок передаточного числа редуктора механізму підйому

За заданою швидкістю підйому вантажу і синхронною швидкістю електродвигуна розраховується передаточне число редуктора:

, (1.7)

де – кутова швидкість барабана, рад/с; – синхронна кутова швидкість електродвигуна, рад/с.

Швидкість каната, який навивається на барабан:

, (1.8)

де – швидкість підйому вантажу, м/с; – передаточне число і кратність поліспаста; – швидкість каната, лінійна швидкість барабана, м/с.

Швидкість обертання барабана, рад/с:

, (1.9)

де – швидкість каната, м/с; – діаметр канатного барабана, м.

Таким чином, передаточне число редуктора, необхідне для розрахунку статичних моментів механізму підйому, знаходять за співвідношенням (1.7). Редуктор вибирають, виходячи з розрахункової потужності, числа обертів вала електродвигуна, передаточного числа обертів і режиму роботи механізму. Тому остаточно редуктор вибирають тільки після розрахунку статичних навантажень та вибору електродвигуна.

Розрахунок потужності та попередній вибір електродвигуна механізму підйому

Розвинутий електродвигуном статичний момент, при підйомі корисного вантажу,Н м:

, (1.10)

де – сила тяжіння корисного вантажу, Н; – сила тяжіння вантажозахоплювального механізму (гак, грейфер, магніт, кліщі та под.), Н; – діаметр барабана, м; – повне передаточне число проміжних передач від вала електродвигуна до вантажозахоплювального пристрою з урахуванням кратності поліспаста; – ККД підйомного механізму, який ураховує втрати на тертя в редукторах, барабані, підшипниках, блоках і т. д., який знаходиться за кривими 1–6 рис. 1.6 для різних значень номінального ККД , що вибирають за табл. 1.3.

Таблиця 1.3 – Значення ККД для механізмів крана

Тип механізму	Номінальний ККД при опорах 1Д \ при опорах
	кочення	ковзання
	Механізми підйому
з циліндричним редуктором	0,8–0,85	0,7–0,8
з черв'ячною передачею	0,65–0,7	0,65–0,7
	Механізми пересування
з циліндричним редуктором	0,8–0,9	0,75–0,85
з черв'ячною передачею	0,65–0,75	0,65–0,75

 

Статичний момент при підйомі порожнього вантажозахоплювального пристрою розраховують за формулою :

, (1.11)

де – ККД неробочого ходу знаходиться за кривою, яка відповідає номінальному ККД (див. рис. 1.6).

У режимах спуску розрізняють силовий і гальмівний спуск вантажів.

Силовий спуск застосовують для легких вантажів, сила тяжіння яких не в змозі перебороти сили тертя в механізмі. У цьому випадку статичний момент , зумовлений дією сили ваги вантажу, що спускається, менший за момент

Рисунок 1.6 – Залежності при

тертя в крановому механізмі , й опускання вантажу здійснюється електродвигуном, увімкненим на спуск (III квадрант). Гальмівний спуск використовують при опусканні важких вантажів ; при цьому для запобігання вільному падінню вантажу електродвигун створює гальмівний момент, переходячи в генераторний режим і обмежуючи швидкість спуску.

При гальмівному спуску номінального вантажу :

. (1.12)

При силовому спуску порожнього вантажозахоплювального пристрою момент, що розвивається електродвигуном:

. (1.13)

Попередній вибір потужності двигуна механізму підйому здійснюють методом середньоквадратичного моменту:

. (1.14)

де – тривалість роботи механізму в режимах підйому і спуску вантажу при відповідних статичних моментах. За відсутності точних даних про час перехідних процесів будуть: .

Тоді вираз (1.14) набуде вигляду:

. (1.15)

Для врахування перехідних процесів в електроприводі при пуску і гальмуванні попередній розрахунок потужності двигуна здійснюється з деяким запасом, кВт:

, (1.16)

де – коефіцієнт запасу, що враховує вплив динамічних навантажень; – задана синхронна швидкість двигуна, рад/с; – середньоквадратичний момент, Нм.

Перерахунок потужності двигуна на стандартну відносну тривалість вмикання, кВт:

, (1.17)

де ТВ_к % – тривалість вмикання за стандартним рядом; ТВ % – фактична тривалість вмикання механізму.

За розрахованим значенням потужності і відповідною їй стандартною тривалістю вмикання ТВ_к, а також за заданою синхронною швидкістю робиться попередній вибір двигуна [32, 43, 70]. При цьому повинна дотримуватися умова:

, (1.18)

де – номінальна потужність двигуна.

Після вибору двигуна слід уточнити передаточне число редуктора:

, (1.19)

і визначити фактичну швидкість підйому.

Фактична швидкість підйому вантажу:

, (1.20)

де – передаточне число редуктора, розраховане за (1.7); – номінальна кутова швидкість двигуна, рад/с; – номінальна швидкість обертання двигуна, об/хв.; – стандартне передаточне число обраного редуктора.

Отримане значення повинне мало відрізнятися від величини заданої швидкості підйому .

За потужністю , уточненим передаточним числом і заданим режимом роботи крана необхідно вибрати редуктор, користуючись [32, додат. LV с. 509-512].

Вибір гальма механізму підйому

При виборі гальмівного пристрою механізму підйому варто виходити з умов надійного утримання вантажу в піднятому стані, у цьому випадку значення гальмівного моменту визначаємо користуючись співвідношенням:

, (1.21)

де – статичний момент при спуску номінального вантажу; – коефіцієнт запасу гальмування, який вибирається з табл. 1.2 для відповідного режиму роботи.

Знаючи величину гальмівного моменту за [32, додат. L–LII, c. 517–523] вибирають гальмо, визначають величину діаметра гальмівного шківа, за яким підбирають з’єднувальну муфту, що слугує для механічного з'єднання приводного двигуна з редуктором. Муфта вибирається за [32, додат. XLVII, c. 513].

Приклад виконання самостійної роботи

Для механізму підйому з параметрами: вантажопідйомність – 30 т; проліт крана – 31,5 м; висота підйому – 14 м; швидкість підйому – 10 м/хв .; вага крана – 40 т; ПВ механізму підйому – 38 %; синхронна швидкість двигуна механізму підйому – 600 об/хв; вага вантажозахоплювального пристрою – 0,9 трозрахувати параметри кінематичної схеми, потужність електродвигуна та здійснити його вибір.

Розв’язок

Вибір поліспаста

Передаточне число поліспаста:

,

де – кількість несучих гілок каната; – кількість гілок каната, які спускаються з барабана.

Розрахунок і вибір каната

Визначимо найбільше зусилля, що припадає на одну гілку каната:

53,69 10³ Н,

де = 0,94 – коефіцієнт корисної дії поліспаста.

Розрахункове розривне зусилля: 268,45 10³ Н,

де беремо = 5 для легкого режиму експлуатації.

З урахуванням вимоги вибираємо канат за [32, додат. 1–1V, с. 451–457]: стальний з подвійним завиванням, типу ЛК-3, конструкції 6х25 (1+6; 6+12)+1о.с. (ГОСТ 7665-69), з діаметром 24,0 ммдля розрахункового рівня міцності дроту 20797,3 Н/мм² ( 2120,00кгс/мм² ), площа перерізу всіх дротів 2107,8 Н (214,86 кгс) та розривним зусиллям 28652Н (29200кгс ).

Умова вибору каната виконується: 290 10³ Н > 268,45 10³ Н.

З урахуванням вибраного типу каната фактичний коефіцієнт запасу міцності буде дорівнювати: 290 10³ / 53,69 10³ = 5,4. Міцність каната забезпечується.

За табл. 1.2 для легкого режиму експлуатації = 5. Перевіримо міцність каната: ; 5,4 > 5.

Визначимо довжину каната: 84 м.

Вибір барабана

Діаметр канатного барабана:

456 мм.

За [32, додат. XVI, с. 476–477] вибираємо барабан БК 510 мм.

Робимо перевірку .

Діаметр робочих блоків у поліспасті за [32, додат. XVI, с. 476–477] 600 мм.

Попередній розрахунок передаточного числа редуктора механізму підйому

Передаточне число редуктора:

32,04 32,00,

де 1,96 – кутова швидкість барабана, с^-1; 62,8 – синхронна кутова швидкість електродвигуна, с^-1.

Швидкість обертання барабана: 18,73 об/хв.

Розрахунок потужності та попередній вибір електродвигуна механізму підйому

Статичний момент при підйомі корисного вантажу:

1005,4 Нм,

де – повне передаточне число проміжних передач від вала електродвигуна до вантажозахоплювального пристрою з урахуванням кратності поліспаста; – ККД механізму крана при його номінальному навантаженні.

Статичний момент при підйомі порожнього вантажозахоплювального пристрою :

78,09 Нм.

При гальмівному спуску номінального вантажу :

643,49 Нм.

При силовому спуску порожнього вантажозахоплювального пристрою момент, що розвивається електродвигуном:

31,2 Нм.

Середньоквадратичний момент:

597,12 Нм.

Попередній розрахунок потужності двигуна:

44,998 кВт,

де – коефіцієнт запасу, що враховує вплив динамічних навантажень.

Перерахунок потужності двигуна на стандартну відносну тривалість вмикання, кВт:

55,477 кВт.

За розрахованим значенням потужності і відповідною стандартною тривалістю вмикання ТВ_к = 25 %, а також за заданою синхронною швидкістю робимо попередній вибір двигуна за [32, 43, 24]: асинхронний двигун з фазним ротором типу МТН 612–10 з параметрами 70 кВт; 560 об/хв (вимога вибору 77кВт > 55,477 кВт виконується).

Уточнене передаточне число:

29,86.

За потужністю , уточненим передаточним числом і заданим режимом роботи крана вибираємо редуктор [32, додат. XLV с. 509–512]: тип Ц2-400, кВт; 32,42.

Тоді фактична швидкість підйому вантажу:

0,15 м/с = 9 м/хв.

Вибір гальма механізму підйому

Гальмовий момент: 965,2 ,

де =1,5 – коефіцієнт запасу гальмування.

За [32, додат. L–LII, c. 517–523] вибираємо гальмо: тип ТКТ–300/500, Нм (100 ) та мм, яке відреґульоване на розрахунковий гальмівний момент.

За [32, додат. XLVII, c. 513] вибираємо муфту: зубчата муфта з гальмовим шківом мм, найбільший крутильний момент, який передає муфта Нм (320 кгс м), момент інерції 0,4621 Н м с² (0,0471 кгс м с²).

Завдання для самостійної роботи

Для механізму підйому, технічні дані якого наведено у додатку Б розрахувати:

- параметри кінематичної схеми;

- потужність електродвигуна та здійснити його вибір.

Примітка. Для виконання завдання необхідно знати конструктивні особливості роботи кранових електроприводів, режими їх роботи, умови вибору елементів кінематичної схеми механізму підйому.

Контрольні запитання

1. Надати характеристику режимів роботи кранового електрообладнання.

2. Сформулювати вимоги до ЕП кранових механізмів?

3. З яких механізмів складається крановий електропривод?

4. Навести та пояснити кінематичну схему механізму підйому.

5. Для чого використовується і як вибрати поліспаст?

6. Як вибирається канат і барабан натягу?

7. Як розраховується потужність ЕД механізму підйому?

Література: [26, С. 5 – 101; 29, С. 159 – 161, 184 – 188; 32, С. 51 – 176; 57, С. 223 – 295; 58, С. 95 – 203; 60, С. 425 – 446; 70, С. 5 – 88].

Практичне заняття № 2