Полиспасты, гибкие грузовые органы, блоки

Лекция №2 I. Полиспасты. Классификация, кратность, КПД. II. Гибкие элементы. Стальные канаты. Сварные и пластинчатые цепи. III. Барабаны, блоки, звездочки. I. Полиспасты. Полиспастами называют систему подвижных и неподвижных блоков, огибаемых канатом или цепью, которая предназначена для выигрыша в силе – силовые полиспасты или скорости – скоростные полиспасты. В подъемных механизмах применяют в основном силовые полиспасты, для уменьшения усилия в канате и снижения передаточного числа редуктора. В зависимости от схем группировки блоков различают кратные и степенные. Под кратностью полиспаста понимают отношение числа ветвей грузового каната, к которым подвешен груз, к числу ветвей каната, идущих к барабану подъемного механизма. Полиспасты состоят из 2-х групп блоков – подвижной и неподвижной. В зависимости от количества канатов, идущих к барабану, полиспасты делятся на одинарные и сдвоенные. У одинарных полиспастов только одна ветвь грузового каната навивается на барабан, у сдвоенных – 2. У одинарных полиспастов верхние блоки неподвижны, нижние подвижны, т.е. перемещаются вместе с грузом. В неподвижном полиспасте сила натяжения во всех ветвях каната одинакова: , где - число ветвей каната, на которых подвешен груз. Для одинарного полиспаста является кратностью или передаточным числом . При подъеме груза в следствии потерь в блоках и от жесткости каната при изгибе натяжение в ветвях распределяется неравномерно. Соотношение между отдельными натяжениями каната при подъеме груза: . Уравнение равновесия системы: , после преобразований: . КПД полиспаста определяет как отношение полезной работы при подъеме груза на высоту , к затраченной работе : ; . Недостатком одинарных полиспастов является то, что вместе с подъемом груз перемещается по горизонтали, вследствие чего изменяются величины реакций опор барабана и трудно установить точно груз. Сдвоенные полиспасты обеспечивают строго вертикальное перемещение груза, реакции в опорах барабана распределяются равномерно. Сдвоенный полиспаст состоит из 2-х одинарных полиспастов с уравнительным блоком. На барабан навиваются две ветви каната полиспаста. Уравнительный блок при подъеме или опускании груза не вращается и служит для уравнивания длин правой и левой ветви каната полиспаста при неравномерной вытяжке. Поэтому, его диаметр меньше, чем у основных и располагается он по оси симметрии сдвоенного полиспаста. Кратность сдвоенного полиспаста: , т.е. равна половине ветвей, на которых подвешен груз, или числу подвижных блоков в крюковой подвеске. КПД сдвоенного полиспаста, вместо следует брать кратность : ; Кратность полиспастов механизмов подъема зависит от и определяется технико-экономическими расчетами. Чем больше кратность полиспаста, тем меньше диаметры каната, блоков, барабана, и меньше передаточное число редуктора, масса и габариты, но с другой стороны при этом увеличиваются длины каната, барабана и число блоков. Неподвижным называют блок, ось которого не перемещается вместе с грузом при подъеме и опускании последнего. Подвижным называют блок, ось которого перемещается вместе с грузом. II. Гибкие грузовые органы. К ним относятся канаты и цепи. Стальные проволочные канаты являются основным типом гибких органов, применяемых в ГПМ. Они имеют следующие достоинства: высокую прочность, небольшую погонную массу, большую гибкость во всех направлениях, возможность работы на высоких скоростях, бесшумность работы, большую долговечность и надежность. Канаты изготавливают из высокопрочной стальной проволоки диаметром 0,2-3 мм. Классифицируются они по следующим признакам: 1. по типу свивки: канаты с точечным касанием (ТК) отдельных проволок между слоями при разносторонней свивке; канаты с линейным касанием (ЛК) проволок смежных слоев по всей длине при односторонней свивке; канаты с точечно-линейным касанием (ТЛК), где 2 слоя проволок свиты в одну сторону, а 3-й в противоположную. 2. по направлению свивки: правая и левая. 3. по виду свивки: крестовая, где проволоки в прядях свиты в одну сторону, а пряди в канат – в противоположную; односторонняя – направление свивки проволок в пряди и прядей канате совпадают; комбинированная, в которой проволоки в пряди свиты во взаимно-противоположных направлениях, а пряди в канат свиты вправо или влево. 4. по количеству прядей: одно-, трех-, пяти-, шести-, семи-, восьми- и восемнадцатипрядные. Конструкция канатов имеет индекс, включающий буквенные и цифровые обозначения: , означает, что канат имеет 6 прядей по 19 проволок в каждой и 1 органический сердечник. Цифры в скобках обозначают, что в центре каждой пряди размещена 1 проволока, вокруг которой во втором слое расположены 6 проволок, а в наружном слое 6 проволок одного и 6 другого диаметра (6/6). Условное обозначение канатов записывают таким образом: например грузовой канат башенного крана: 24,0-Г-1-Л-О-Н-18(ГОСТ 2688-69). Это означает, что канат имеет наружный диаметр 24 мм, грузовой, первой марки из светлой проволоки (не обозначается), левой односторонней свивки, нераскручивающийся с временным сопротивлением разрыву 18 МПа. Канаты односторонней свивки имеют меньшую жесткость, больший срок службы по сравнению с канатами крестовой свивки, у них недостаток - самораскручивание. Поэтому такие канаты применяют только в подъемниках. В значительной мере работоспособность каната определяют конструкция и качество сердечников. Сердечники в канате служат опорой прядей, придают канату гибкость и удерживают смазку. Наиболее широко в ГПМ применяют шестипрядные канаты крестовой свивки с числом проволок 222 и 366; для подъемников используют канаты параллельной свивки. В последнее время все чаще применяют двухслойные канаты с повышенной эластичностью вследствие малого диаметра проволоки. Долговечность канатов зависит от соотношения диаметров блоков и каната и расчетного коэффициента запаса прочности; чем меньше это отношение и запас прочности, тем ниже долговечность каната. Основными причинами преждевременного выхода каната из строя являются: неправильный выбор конструкции каната, материала, абразивный износ, нерегулярная смазка. Для повышения долговечности каната необходимо стремится к уменьшению числа блоков и избегать изгибов в противоположных направлениях. Срок службы канатов односторонней свивки в 1,25…1,5 раза больше, чем крестовой из-за большей длины контакта проволочек с поверхностью касания и меньшей жесткости. На долговечность канатов влияют материал и футеровка блоков. Чугунные увеличивают срок службы каната примерно в 1,3 раза по сравнению со стальными. Степень износа каната определяется числом оборванных проволочек на длине одного шага. Шаг свивки каната определяют следующим образом. На поверхности какой-либо пряди наносят метку, от которой отсчитываю вдоль центральной оси каната столько прядей, сколько их имеется в сечении каната (например, 6 в шестипрядном канате) и на следующей после отсчета пряди (в данном случае на седьмой) наносят вторую метку. Расстояние между метками принимают за шаг свивки каната. Имеется таблица браковки каната, где указывается конструкция канатов, какой свивки и сердечником, и число обрывов проволок на длине одного шага свивки каната, при котором канат должен быть забракован. Если груз подвешен на 2-х канатах, то каждый канат бракуется в отдельности, причем допускается замена одного более изношенного каната. При обнаружении в канате оборванной пряди канат к дальнейшей работе не допускается. Расчет канатов по нормам Госгортехнадзора с водится к определению максимального натяжения и разрывного усилия, по которому выбирают тип и размеры каната. Натяжение одной ветви одной ветви каната полиспаста при подъеме номинального груза: , где - число ветвей полиспаста; - КПД полиспаста. Разрывное усилие , где - коэффициент запаса прочности каната, выбирают в зависимости от назначения машины и группы режима работы: - для кранов, - для подъемников с людьми, - для пассажирских лифтов. Грузовые цепи. Они делятся на сварные и пластинчатые. Сварные цепи применяются в талях, подъемных механизмов малой грузоподъемности и с ручным приводом, а также для подвешивания грузов к кранам. Изготавливают сварные цепи из стали 10, Ст 3ц, Ст 2 без применения серы и фосфора. Способы сварки: электродуговая, кузнечная, горновая. После изготовления для снятия внутренних напряжения цепи отжигают. Находящиеся в эксплуатации стропы должны иметь бирку с указанием номера, даты испытания и допустимой нагрузки. Все … приспособления должны периодически осматриваться лицом, на которое возложено их обслуживание, но не реже чем через каждые 10 дней и через каждые 6 месяцев испытываться нагрузкой, вдвое превышающей номинальную. Износ звена сварной цепи допускается не более 10% первоначального диаметра цепи. Сварные цепи проходят испытания на разрыв под нагрузкой, вдвое превышающей ее номинальную грузоподъемность. Испытание цепи проводятся в течении 10 минут. По конструкции сварные различают короткозвенные, когда шаг цепи и длиннозвенные ; по степени точности – калиброванные и некалиброванные. Калиброванные короткозвенные цепи применяют в качестве приводных. Расчет цепей затруднителен, так как каждое звено на блоках или барабане испытывает сложные деформации – растяжения, изгиба, контактные напряжения. Поэтому цепи, как и канаты выбирают по разрывному усилию, принимая коэффициент запаса прочности: для смешанного привода , для ручного . Максимальное натяжение цепи зависит не только от веса груза и количества ветвей , но и от угла наклона . \ Натяжение цепи (а): , , . Чем больше угол , тем больше натяжение ветви; при . Допустимый угол , тогда (б) . Достоинства сварных цепей: большая гибкость во всех направлениях, простота конструкции, малые габариты цепного привода. Недостатки: большая масса, недостаточная надежность, большая чувствительность к динамическим нагрузкам, малые скорости движения цепи. Пластинчатые цепи. Они состоят из пластин, соединенных между собой валиками. Число пластин зависит от грузоподъемности и может быть равным 2…12. Применяют в талях и подъемных механизмах, при больших нагрузках и малой высоте подъема. Их изготавливают из стали 40, 45, 50 и испытывают как сварные. Выбирают цепи по разрывному усилию. Пластинчатые цепи имеют те же недостатки, что и сварные, но они более надежны и обеспечивают более плавную работу привода, чем сварные. Недостатком пластинчатых цепей является то, что они могут изгибаться только в плоскости, перпендикулярной осям шарниров, значительная масса и стоимость по сравнению со сварными, а также большой износ шарниров цепей. III. Блоки. Для направления гибких тяговых органов применяют желобчатые блоки (а). Блоком называется механизм в виде колоса с желобом по окружности, через который перекинут гибкий канат. Блоки делятся на ведущие и направляющие. Ведущие блоки служат для передачи крутящего момента с одного вала на другой, направляющие блоки применяют для изменения направления цепей и канатов при подъеме и опускании грузов. Их изготавливают из серого или модифицированного чугуна СЧ 15-32, стали марки 25Л. Блоки больших диаметров выполняют сварной конструкции из стали. Диаметр блока определяют из условий долговечности в зависимости от диаметра каната, типа механизма и группы режима работы: - диаметр блока по центру каната, - диаметр по дну желоба, - диаметр уравнительного блока не влияет на долговечность каната. Значение «е» зависит от типа машины и группы режима работы механизма (е=16…35), для лифтов е=41…46. Для увеличения долговечности каната радиус желоба = > радиуса каната , высота желоба . Блоки монтируют на подшипниках качения, что повышает КПД полиспаста. Частота вращения подвижного блока полиспаста - , где - скорость подъема, м/с; - кратность полиспаста. Для повышения долговечности блоков и канатов практикуется футеровка желоба пластмассами, капроном и алюминием. При это срок службы увеличивается в 2-2,5 раза. Звездочки. Звездочки для сварных цепей выполняют литыми из чугуна или стали. Звенья сварной цепи ложатся на звездочки в специальные гнезда, выполненные по форме звена. Поэтому звездочка представляет собой многогранник, длина грани которого равна длине звена цепи. Она захватывает набегающую цепь, звенья которой ложатся в углубления и создают силу натяжения. Для получения компактного цепного привода с минимальными габаритами и массой, наименьшее количество гнезд на звездочке . Диаметр звездочки: , где - шаг цепи, - диаметр прутка, из которого сварена цепь, z – количество гнезд на звездочке. Звездочки пластинчатых цепей изготавливают из стали ковкой, прокаткой и литьем. Они представляют собой зубчатые колеса, зубья которых захватывают цепь и создают крутящий момент. , где z – число зубьев звездочки. Для уменьшения габаритов привода принимают . Канатные барабаны. Типы барабанов: 1. с наре6зной и гладкой поверхностями; 2. обычной конструкции; 3. цилиндрические, конические, криволинейной формы. В большинстве ГПМ применяют барабаны с винтовыми канавками для наматывания каната в один слой. Назначение канавок –уменьшить напряжение смятия, устранить трение между соседними витками, уменьшить износ и повысить долговечность каната. Многослойная навивка каната позволяет сократить длину барабана, но при этом увеличивается износ каната и скорость навивки становится переменной. Поэтому барабаны с такой навивкой имеют ограниченное применение. По способу изготовления барабаны бывают: литые из чугуна (СЧ 15-32) или стали (сталь 25Л); сварные из стали или толстостенных труб с нарезными канавками и сварно-литые. профили канавок на барабан. В нарезных барабанах с обоих концов предусмотрены реборды, барабаны для сдвоенных полиспастов выполняют без реборд. Барабаны имеют цилиндрическую форму, но когда требуется уменьшения натяжения наматываемого каната, применяют барабаны конической или другой формы, которая обеспечивает постоянство крутящего момента привода. В тяговых лебедках применяют фрикционные барабаны. Диаметры барабана по оси каната и по дну канавок принимают такие же значения, как и для блоков . Профили и размеры канавок на барабане выбирают из условий обеспечения долговечной и надежной работы каната. Радиус канавки , где - диаметр каната. - шаг винтовой линии: , глубина канавок для обычных барабанов . Длина нарезной части барабана, характеризуется канатоемкостью, зависит от длины наматываемого каната, определяемого высотой подъема груза h? диаметром барабана D и числом ветвей полиспаста m. Число витков барабана при одинарном полиспасте: ; где - высота подъема груза; - число ветвей каната; - средний диаметр барабана; - число запасных витков, ; - число витков для крепления каната. Длина барабана: . Длина барабана при сдвоенных полиспастах: , где - длина средней части барабана. , где - расстояние между осями крайних блоков крюковой подвески; - расстояние между осями барабана и блоков подвески в крайнем верхнем положении. Длина каната при многослойной навивки на барабан (канатоемкость барабана): (1), где - число витков в слое; - диаметр барабана первого слоя; - диаметр по второму слою. При слоев каната на барабане будет: . Подставив значения в формулу (1), получим: В фрикционных барабанах тяговых лебедок канат не наматывается, а несколько постоянных витков, перекатываясь создают тяговое усилие от сил трения, зависящих от угла обхвата барабана канатом. Необходимое число витков определяется из условий создания требуемой силы тяги при небольшом усилии рабочего. Соотношение натяжений набегающего и сбегающего ветвей каната определяют по формуле Эйлера: , где - минимальное число витков на барабане; - основание натурального логарифма; - коэффициент трения между барабаном и канатом. Расчет на прочность. Толщину стенки барабана определяют из условия сжатия, учитывая что он нагружен равномерно-распределенной нагрузкой. Напряжение сжатия барабана: , где - шаг винтовой линии; - толщина стенки барабана. При многослойной навивки каната: , где - коэффициент, учитывающий число слоев навивки каната, - коэффициент, учитывающий ослабление натяжения нижних витков при навивки последующих: - для стальных барабанов, - для чугунных. Допускаемое напряжение для стальных и чугунных барабанов: , , где - запас прочности: для чугунных ; для стальных . Толщина стенки барабана: , где - коэффициент, учитывающий влияние изгибающих напряжений, которые возникают при навивки каната; - коэффициент, отражающий влияние на нагрузку барабана деформаций стенки и каната. , где - модуль продольной упругости каната и барабана; - площадь сечения всех проволок каната. Способы крепления каната на барабане. Конструкция крепления каната должна быть надежной, доступной для осмотра, удобной для смены каната и простой в изготовлении. Канат в месте крепления не должен подвергаться резкому изгибу. Различают следующие способы крепления каната: наружными планками, внутренней прижимной планкой, с помощью клина. Последние 2 способа могут быть осуществлены только в литых барабанах. По правилам Госгортехнадзора планку необходимо крепить двумя болтами или применять не менее 2-х одноболтовых планок. Широкое применение получил способ крепления наружными планками. Крепление внутренней прижимной планкой применяется в барабанах с многослойной навивкой каната. Крепление с помощью клина применяют при небольших диаметрах каната (до 12 мм). Во избежания повреждения каната кромками прижимной планки изгибать свободный конец каната под прижимной планкой или возле нее категорически запрещено. Крепление прижимной планки к барабану лебедки должно обеспечивать надежный контроль за состоянием крепления в процессе эксплуатации и удобный доступ для подтяжки болтов и при необходимости замены каната. Следует помнить, что в соответствии с правилами по кранам на барабане лебедки между концевым креплением и ходовой ветвью каната постоянно должны находиться неприкосновенные ветки каната, которые не когда не должны сматываться с барабана, даже при опускании крюковой подвески в крайнее нижнее положение. Минимальное количество дополнительных витков каната – 1,5. Назначение указанных дополнительных витков каната - уменьшить величину усилия в канате под прижимными планками. Канат удерживается силой трения между канатом и планкой, канатом и барабаном. Натяжение каната перед прижимной планкой меньше натяжения ветви каната из-за наличия на барабане 1,5…2 запасных витков. , где - коэффициент трения между канатом и барабаном, - угол обхвата канатом барабана. В расчетах принимают: и . По нормам Госгортехнадзора количество крепежных болтов должно быть не менее 2-х. Усилие растяжения болта: , где - угол обхвата барабана канатом при переходе от одной канавки планки к другой; - приведенный коэффициент трения между планкой и барабаном. Кроме растяжения болты испытывают также изгиб. Момент, изгибающий болт: , где - плечо изгиба.