Проектирование грейферной лебедки с фрикционной муфтой

• Введение
• 1. Выбор канатов
• 2. Выбор двигателя
• 3. Определение числа оборотов барабана и передаточного числа механизма подъема
• 4. Выбор редукторов
• 5. Выбор тормозных муфт
• 6. Выбор тормозов
• 7. Выбор и расчет фрикционной муфты
• 8. Определение длины барабанов
• 9. Определение времен разгона и торможения механизма подъема
• Литература

В данном курсовом проекте необходимо спроектировать грейферную лебедку с фрикционной муфтой, кинематическая схема которой представлена на рис. 1. Исходные данные для проектирования представлены в табличном виде.

Рис. 1. Кинематическая схема грейферной лебедки с фрикционной муфтой.

Грейферные лебедки предназначены для управления двухканатными (четырехканатными) грейферами и должны удовлетворять следующим требованиям ([1], стр.5):

· Конструкция лебедки должна быть блочной; в частности, для кинематической связи между двигателями и барабанами должны применяться редуктора, а не открытые зубчатые передачи;

· Взаимное расположение узлов лебедки должно быть увязано с типом крана. Для данного типа крана канаты идут к грейферу непосредственно с барабанов лебедки;

· Расположение двигателей, тормозов, редукторов и барабанов, число опор, осей и валов, размещение и тип соединительных муфт должны при всех вариантах работы исключать статическую неопределимость осей и валов;

· Лебедка должна обеспечивать все сочетания вращений замыкающего и поддерживающего барабанов, необходимые для выполнения рабочих операций при черпании, подъеме, спуске и раскрытия на весу для любого типа двухканатного грейфера;

· необходимо иметь автоматический переход от черпания к подъему, что особенно важно для условий, когда крановщику не видно место взятия груза.

Рассмотрим работу лебедки по стадиям работы грейфера. ([1], стр.14):

Черпание.

Тормоз открыт, барабан З вращается на подъем. Фрикцион Ф замкнут малым усилием, создаваемый пружиной Пр; давление рычага ГТ на фрикцион отсутствует.

Верхняя траверса грейфера движется вверх. Правый диск фрикциона, вращающийся на подъем от двигателя Э, увлекает за собой барабан П, который, вращаясь на подъем с меньшей скоростью, наматывает на себя высвобождающийся поддерживающий канат, исключая образование его «слабины» .

Подъем груженого грейфера.

После закрытия челюстей грейфера происходит отрыв грейфера от материала и его подъем на замыкающих канатах. Поддерживающий барабан П увлекается во вращение на подъем аналогично случаю при черпании. Его частота вращения, задаваемая фрикционом Ф, будет соответствовать скорости подъема грейфера на замыкающих канатах.

Раскрытие грейфера на весу.

В случае лебедки с фрикционной муфтой для раскрытия грейфера возможен только вариант управления с остановкой поддерживающего барабана П и вращением на спуск замыкающего барабана 3. Для остановки поддерживающего барабана включается тормоз Двигатель Э и барабан 3 вращаются на спуск. Правый диск фрикциона вращается на спуск; левый диск фрикциона, связанный с поддерживающим барабаном, неподвижен. Между дисками происходит скольжение.

Спуск (подъем) раскрытого грейфера. Для перехода к вертикальному перемещению раскрытого грейфера нужно вначале замкнуть фрикцион толкателем ГТ и увеличить передаваемый фрикционом момент, а затем выключить тормоз (обратный порядок выключения тормоза и включения толкателя недопустим, т.к. сразу же после выключения тормоза грейфер закроется под действием веса челюстей и повиснет на замыкающих канатах). Изменение усилий в канатах, при выполнении рабочих операций с грейфером, для одномоторной лебедки представлено на рис. 2.

Рис. 2. Изменение усилий в канатах для одномоторной лебедки.

грейферная лебедка фрикционная муфта

1. Выбор канатов

В кранах мостового типа канаты идут к грейферу непосредственно с барабанов лебедки, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Расположение барабанов и направление канатов в кране мостового типа.

Так как по условию грузоподъемность крана 32 тонны, а применение полиспастов кратностью более 1 на грейферах практически невозможно, то для уменьшения усилий в канатах будем использовать сдвоенный полиспаст (на барабан одновременно наматываются две ветви каната) кратностью 1.

Расчет и выбор канатов для одномоторной грейферной лебедки производят по усилиям при подъеме груженого грейфера только для замыкающего каната. Поддерживающий канат принимаем такого же типоразмера, как и замыкающий. Выбор каната производится по величине разрывного усилия каната в целом :

где: — минимальный коэффициент использования каната (минимальный коэффициент запаса прочности каната), принимаемый по данным табл.1.1 ([2], стр.5): ;

— наибольшее натяжение ветви каната для четырехканатного грейфера, определяемое по формуле ([1], стр.26):

где: — грузоподъемность крана, кг;

— вес грейфера, кг;

— тип полиспаста — сдвоенный;

— кратность полиспаста;

— КПД всех направляющих блоков между грейфером и барабаном лебедки.

Для грейферных кранов соответствует номинальной грузоподъемности.

Разрывное усилие каната:

Выбираем по ГОСТ 3088–80 канат диаметром 45,5 мм, грузового назначения, марки I, с цинковым покрытием проволоки, нераскручивающийся, двойной многопрядный типа ЛК-Р 1819+1о. с., маркировочной группы 1568 (160 кгс/мм2).

Полное обозначение: 45,5 — Г — I — С — Н — 1568 (160)

Выбранный канат имеет разрывное усилие в целом не менее .

Минимальный диаметр барабанов, огибаемых стальными канатами, определяется по формулам. ([2], стр.4):

Принимаем:

где: — коэффициент выбора диаметра барабана, определяемый по данным табл.1.2 ([2], стр.5).

2. Выбор двигателя

Требуемую мощность двигателей определяют как мощность, необходимую для подъема веса Q+G грейфера с заданной скоростью (Статическая мощность двигателей):

где: — грузоподъемность крана, кг;

— вес грейфера, кг;

— общий КПД механизма подъема:

где: — КПД полиспаста, ([4], стр.271);

— КПД барабана, при установке подшипников качения на его ось, ([4], стр.237);

— КПД узлов лебедки между двигателем и барабанами;

— КПД зубчатой муфты;

— КПД упругой муфты;

— КПД фрикционной муфты;

— КПД зубчатой передачи;

— КПД редуктора.

Получаем:

Предварительно выбираем два двигателя по мощности с учетом заданного значения ПВ=40%. Согласно указаниям в ([3], стр.239) выбираем два асинхронных трехфазных крановых двигателя с фазным ротором серии МТН в закрытом обдуваемом исполнении (степень защиты 1Р44 по ГОСТ 14 254–80). Условное обозначение: МТН 711−10 ХЛ1

Технические характеристики:

Мощность на валу при ПВ=40%,…100 кВт

Частота вращения вала …584 об/мин

КПД …89,5%

…4560 Нм

Момент инерции …10,25 кгм2

Масса …1550 кг.

Ввиду установки второго двигателя, а также применения сдвоенного полиспаста, кинематическая схема лебедки будет иметь вид, представленный на рис. 4.

Рис. 4. Кинематическая схема грейферной лебедки с фрикционной муфтой (Вариант с двумя двигателями).

3. Определение числа оборотов барабана и передаточного числа механизма подъема

Частота вращения барабана, об/мин, определяется ([3], стр.395):

Передаточное число механизма подъема (лебедки):

Определим максимальный момент на тихоходном валу редуктора по формуле:

где — КПД фрикционной муфты;

Находим:

4. Выбор редукторов

В соответствии с полученным передаточным числом и максимальным моментом на тихоходном валу, подбираем:

Для последующего соединения с поддерживающим и замыкающим барабанами (Р1), (Р2): цилиндрический горизонтальный двухступенчатый крановый редуктор с межосевым расстоянием 1000 мм, варианта сборки 31 и 11 с тихоходным валом с зубчатым венцом.

Условное обозначение: Ц2 — 1000−70 — 31 М ГОСТ 16 162–85. — для замыкающего барабана;

Ц2 — 1000−70 — 11 М ГОСТ 16 162–85. — для поддерживающего барабана;

Так как в справочной литературе отсутствует редуктор данного типоразмера с требуемым передаточным числом, то ступени редуктора были заменены с целью обеспечения требуемых параметров.

Полученное передаточное число:. Тогда, примем максимальный вращающий момент на тихоходном валу редуктора .

Определим расчетную мощность на валу двигателя по формуле:

где: — мощность на тихоходном валу редуктора;

— Номинальный вращающий момент на выходном валу редуктора, [Нм];

Находим:

Расчетная мощность на валу двигателя:

Таким образом, выбранный редуктор удовлетворяет всем необходимым параметрам.

Характеристики редуктора:

передаточное число ;

максимальный вращающий момент на тихоходном валу .

При компоновке необходимо добиться, чтобы действительная скорость подъема груза не отличалась от заданной более чем на 10%:

Получаем, что действительная скорость отличается от заданной на:

Т.о. необходимое условие выполнено.

5. Выбор тормозных муфт

При проектировании компоновки механизма подъема между электродвигателем и редуктором крутящий момент передается при помощи муфт.

Выбираем муфты в зависимости от передаваемого вращающего момента и условий работы по формуле V.2.27 ([3], стр.305):

где: — расчетный вращающий момент;

— действующий вращающий момент;

— допускаемый (табличный) вращающий момент, который способна передать муфта.

— коэффициент запаса прочности;

где: — коэффициент, учитывающий степень ответственности соединения;

— коэффициент режима работы;

— коэффициент углового смещения.

Находим:

Расчетный вращающий момент:

Т.о. для передачи крутящего момента выбираем втулочно-пальцевую муфту с тормозным шкивом по ОСТ 24.848.03 — 79 со следующими характеристиками ([3], стр.308):

Номинальный вращающий момент ;

Число пальцев — 10;

Тормозной момент ;

Момент инерции

Масса ;

Диаметр тормозного шкива .

Для передачи крутящего момента от на поддерживающий барабан выбираем зубчатую муфту, одна часть которой является тихоходным валом редуктора, выполненным в виде зубчатого венца; вторая — соединена с ось барабана при помощи шлицевого соединения.

6. Выбор тормозов

Механизм подъема должен быть снабжен автоматически действующим тормозом нормально-замкнутого типа. Тормоз должен устанавливаться на таком кинематическом звене механизма, которое жестко связано с барабаном. В качестве тормозного шкива будем использовать размещенную на валу редуктора одну из половин втулочно-пальцевой муфты, соединяющей двигатель с редуктором. Тормоз выбирают по тормозному моменту, нужному для удержания неподвижно висящего груза с коэффициентом запаса торможения ([3], стр.401).

где: — статический момент на барабане приведенный к валу двигателя при торможении;

Тормоз (см. рис.1) в цепи замыкающего барабана рассчитывается от веса груженого грейфера, приведенного к валу тормоза.

Находим:

Выбираем по табл. V.2.23 ([3], стр.284) тормоз постоянного тока ТКГ — 500 с приводом от электрогидравлического толкателя со следующими характеристиками:

Тормозной момент: =2500 Нм;

Диаметр тормозного шкива: ;

Тип толкателя: ;

Масса тормоза:

Тормоз настраиваем (исходя из требуемого тормозного момента) на .

Тормоз (см. рис.1) включаемый при раскрытии грейфера, также можно выбирать по приведенному к валу тормоза моменту от веса груженого грейфера, хотя это несколько больше момента от усилий в поддерживающих канатах при раскрытии грейфера. Запас торможения для тормоза берется не менее 1,15.

Тормозной момент определяется по формуле:

Применение колодочного тормоза при таком значении тормозного момента невозможно, поэтому в данной ситуации необходимо применить нормально разомкнутый ленточный тормоз, схема которого приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1 Схема простого ленточного тормоза.

Тормозной момент простого тормоза с изменением направления вращения при прочих параметрах изменяется в раз. Тормоз устанавливается так, что наибольший тормозной момент развивается при торможении опускающегося груза.

Тормозной момент простого тормоза определяется по формуле ([3], стр.289):

где: — вес тормозного рычага, Н;

— усилие в пружине, Н;

— коэффициент трения, по [4. с.277], ;

— угол обхвата, рад;

— диаметр тормозного шкива, м;

а, b, d — плечи действующих усилий, м;

— КПД, .

В качестве тормозного рычага выбираем квадрат:

Рис. 6.2 Профиль тормозного рычага.

Принимаем следующие длины плеч:

Вес тормозного рычага, при выбранных значениях составляет 66,52 кг в одном метре, следовательно:

Выразив усилие в пружине, получим:

По ([6], стр.155) выбираем тарельчатые пружины типа динамического действия с размерами, , :

Пружина тарельчатая Н Д 100Ч40Ч6Ч2,2 ГОСТ 3057– — 54

Усилие одной пружины при деформации 0,65f составляет 41 000 Н, при деформации 0,8f составляет 49 000 Н. Для получения нужного осевого перемещения пружины на 7,8 мм (т.к. необходимо обеспечить зазор между тормозной лентой и тормозным шкивом в 1,6 мм, а при выбранных размерах рычага перемещение пружины должно составлять 7,8 мм), следует поставить 3 секции.

Рис. 6.3 Схема установки пружин.

Для включения (замыкания) тормоза будем использовать систему из двух электрогидравлических толкателей Т-160Б с номинальным усилием 1600 Н и ходом штока 140 мм.

Рис. 6.4 Схема установки электрогидравлических толкателей.

7. Выбор и расчет фрикционной муфты

Если наибольший момент трения, развиваемый муфтой, меньше момента сил сопротивления ведомой части, то сцепления не произойдет, и муфта будет буксовать, поэтому необходимым условием работоспособности муфты является неравенство:

Фрикционная муфта Ф (см рис. 1.) рассчитывается по приведенному к валу фрикциона моменту от усилия в поддерживающих канатах, равного. Это усилие, которое должно создаваться пружиной. На стадии спуска (подъема) раскрытого грейфера в поддерживающих канатах увеличиваются усилия до значения, поэтому необходимо увеличить потребную силу включения за счет установки гидротолкателя.

В качестве фрикционной муфты выбираем дисковую муфту с несколькими поверхностями трения, расчетная схема которой представлена на рис. 7.1.

Рис. 7.1 Схема муфты с плоскими поверхностями трения.

Потребная сила включения муфты определяется по формуле ([8], стр.188):

где: — средний диаметр рабочих поверхностей;

— коэффициент трения (накладки на асбестовой основе) ([4], стр.277);

— число пар поверхности трения;

для определения суммарного усилия пружины и гидротолкателя;

для определения усилия пружины.

Тогда потребная осевая сила, создаваемая пружиной:

По ([6], стр.155) выбираем тарельчатые пружины типа динамического действия с размерами, , :

Пружина тарельчатая Н Д 280Ч190Ч10Ч5 ГОСТ 3057–54

Суммарное усилие пружины и гидротолкателя:

Тогда, усилие, которое должен обеспечить гидротолкатель, определяется:

В качестве привода муфты будем использовать электрогидравлический толкатель Т-160Б и систему рычагов (пруток диаметром 40 мм.), схема которого представлена на рис. 7.2.

Рис. 7.2 Схема привода фрикционной муфты.

8. Определение длины барабанов

Для механизма подъема выбираем барабан для однослойной навивки каната. Канавки, нарезанные на поверхности барабана (по винтовой линии), увеличивают поверхность соприкосновения, чем уменьшают напряжения смятия, устраняют трение между соседними витками и износ каната, что увеличивает срок его службы.

Профиль канавки барабана для каната при однослойной навивке и необходимые размеры приведены на рис. 8.1.

Рис. 8.1 Профиль канавки барабана для каната при однослойной навивке.

Длина нарезанной части барабана, при сдвоенном полиспасте, определяется ([3], стр.265):

где: — расстояние между нарезками, которое назначается в зависимости от расстояния между блоками крюковой обоймы, на которые приходит канат с барабана, с учетом допустимых углов схода каната с блоков и барабана, при ;

Принимаем:; - расстояние между канатами ([7], стр.85): — между замыкающими канатами; - между поддерживающими канатами; - расстояние от оси барабана до верхней траверсы в крайнем верхнем положении грейфера; - шаг навивки каната, определяется по табл.2.13. ([3], стр.262); - число витков нарезки на одной половине барабана при однослойной навивке; где: — высота подъема крюка; - диаметр намотки; - число запасных витков, регламентированные правилами Госгортехнадзора, которые должны оставаться на барабане при низшем рабочем положении грузозахватного приспособления ([6], стр.123); - число неприкосновенных витков, регламентированные правилами Госгортехнадзора для уменьшения натяжения каната в месте его закрепления на барабане (число витков занятых креплением) ([6], стр.124);

Находим:

Длина нарезанной части поддерживающего барабана:

Длина нарезанной части замыкающего барабана:

9. Определение времен разгона и торможения механизма подъема

Проверку двигателя по времени пуска, с, при подъеме груза выполняют по формуле ([3], стр.395):

где: — момент инерции ротора двигателя;

— момент инерции тормозной муфты;

— средний пусковой момент двигателя, Нм;

— номинальный момент двигателя, Нм;

— номинальная мощность двигателя;

— кратность среднего пускового момента двигателя, табл. VI.2.5 ([3], стр.396). Находим:

Согласно рекомендациям ([3], стр.396) время пуска и торможения должно быть не менее 1 — 2 с.

Время пуска:

Проверку тормоза по времени торможения, с, при спуске груза выполняют по формуле ([3], стр.396):

Время торможения:

Таким образом, оба условия выполнены.

1. Грейферные лебедки: Метод. указания к курсовому проекту по курсу «Специальные краны» / Сост. Н. А. Баранов, Л. Г. Серлин: СПб, 1983.

2. Специальные грузоподъемные машины: Метод. указания по курсовому проектированию/ Сост.д.Е. Бортяков, А. Н. Орлов: СПб. Гос. Тех. ун-т. СПб, 1995.28 с.

3. Справочник по кранам: в 2 т. Т.1/ под редакцией М. М. Гохберга. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. — 536 с., ил.

4. Справочник по кранам: в 2 т. Т.2/ под редакцией М. М. Гохберга. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. — 559 с., ил.

5. Справочник по муфтам/ Под. ред.В. С. Полякова.2-е изд., испр. и доп. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1979. — 344 с., ил.

6. Анурьев В. И. «Справочник конструктора-машиностроителя». В 3х т. Т.3. — 5е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1979. — 559 с., ил.

7. Справочник. «Крановые грузоподъемные устройства» .А. А. Вайсон. Москва, «Машиностроение», 1982.

8. Ряховский О. А. «Справочник по муфтам». — Л.: Политехника, 1991. — 384 с., ил.