1

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет

(СибАДИ)»

Ю.В. Ремизович, О.В. Абдулаева

ИННОВАЦИИ

В ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ ТЕХНИКЕ

Учебное пособие

Омск ♦ 2017

СибАДИ

2

УДК 621.87: 621.867 ББК 39.92: 39.931

Р38

Рецензенты: канд. техн. наук, проф. А.И. Демиденко (СибАДИ);

д-р техн. наук, проф. С.В. Корнеев (ОмГТУ)

Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве учебного пособия.

Ремизович, Юрий Владимирович. Р38 Инновации в грузоподъемной технике [Электронный ресурс] : учебное

пособие / Ю.В. Ремизович, О.В. Абдулаева ; кафедра «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод». – Электрон. дан. − Омск : СибАДИ, 2017. – Режим доступа: http://bek.sibadi.org/fulltext/esd276.pdf, свободный после авторизации. – Загл. с экрана. ISBN 978-5-93204-947-1.

Посвящено поиску и обоснованию методов управления скоростями крановых механизмов средствами механики.

Имеет интерактивное оглавление в виде закладок. Предназначено для аспирантов, обучающихся по направлению подготовки

«Машиностроение». Будет полезно студентам, обучающимся по направлениям подготовки

бакалавров, магистров «Наземные транспортно-технологические комплексы», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» и по специальности «Наземные транспортно-технологические средства» и другим механическим специальностям вузов.

Рекомендуется также инженерно-техническим работникам, занимающимся проектированием грузоподъемных машин.

Текстовое (символьное) издание (2,0 МБ) Системные требования : Intel, 3,4 GHz ; 150 МБ ; Windows XP/Vista/7 ;

1 ГБ свободного места на жестком диске ; программа для чтения pdf-файлов Adobe Acrobat Reader ; Google Chrome

Редактор О.А. Соболева Издание первое. Дата подписания к использованию 10.03.2017

Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5 РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1

© ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2017

Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукция маркировке не подлежит.

СибАДИ

3

Введение

Грузоподъемная техника включает механизмы с ручным приводом (МРП) и грузоподъемные машины (ГПМ) – краны. В свете последних изменений в законодательстве о ГПМ краны получили наименование «подъемные сооружения» (ПС). Назначение кранов – подъем и перемещение грузов в пределах определенного ограниченного пространства: цех, строительная площадка и т.д. Если ограничить сферу движения грузов преимущественно перемещением по горизонтали, то к грузоподъемной технике с определенной натяжкой могут быть отнесены конвейеры: ленточные, цепные и т.д.

Предлагаемые далее инновационные решения технических задач приложимы к кранам и конвейерам. На решения технических задач накладывают ограничения конъюнктура рынка и собственно суть инноваций.

Конъюнктура рынка – соотношение спроса и предложения. Спрос будет зависеть, помимо прочего, от технического уровня грузоподъемной техники. Создавать новую технику необходимо с обеспечением высоких технических, эксплуатационных показателей, а также показателей безопасности и экологичности.

В последнее время уделяется большое внимание вопросам внедрения инноваций и энергосберегающих технологий. Инновации – это технические решения на основе последних достижений фундаментальной науки. Создание инновационных продуктов означает решение технических задач на уровне изобретений с соответствующей патентной защитой, т.е. патентование. Одним из направлений решения энергосбережения является изыскание способов управления скоростью рабочих движений, осуществляемых от асинхронных электродвигателей переменного тока за счет использования устройств и средств механики. В настоящее время для управления частотой вращения электродвигателей используются электротехнические приемы с воздействием на параметры питающей электросети. Все это не может не сопровождаться неэффективными затратами электроэнергии. Подобные электротехнические устройства, например частотное тиристорное регулирование с элементами электроники, требует грамотного обслуживания. Для этого необходимы специалисты соответствующей квалификации. В данном издании указан ряд инновационных разработок механического типа для обеспечения энергосбережения.

СибАДИ

4

Одним из видов законодательства в науке и технике является использование международных стандартов (ISO) и международной системы единиц (SI). В пределах данного пособия необходимо придерживаться следующих заимствований из системы СИ (SI) и их обозначений:

Q – грузоподъемность, кг; F – сила, Н;

QgG = – сила тяжести, Н; L )( – длина, м; t – время, с; P – мощность, кВт; p – давление, МПа; σ – напряжение, МПа; n – частота вращения, мин-1; T – момент (изгибающий, вращающий), Н⋅м. При расчетах для получения правильного результата в формулы

подставлять указанные размерности.

СибАДИ

5

1. НОВОЕ В ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВЕ О ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ ТЕХНИКЕ

До 2013 г. основным документом, регламентирующим проектирование,

изготовление, монтаж и эксплуатацию грузоподъемных машин, были «Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов» [1].

12 ноября 2013 г. Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору своим приказом № 533 отменила указанные «Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов» [1] и ввела взамен «Правила безопасности опасных производственных объектов, на которых используются подъемные сооружения». Этим документом установлены федеральные нормы и правила (ФНП) промышленной безопасности в соответствие с федеральным законом от 21 июля 1997 г. №116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».

ФНП устанавливают требования к деятельности в области промышленной безопасности на опасных производственных объектах (ОПО), на которых используются стационарно установленные грузоподъемные механизмы (далее подъемные сооружения), в том числе к работникам ОПО.

Положения ФНП распространяются на организации независимо от их организационно-правовых форм и форм собственности, которые используют ПС на территории Российской Федерации. ФНП в части терминов и определений соответствуют техническому регламенту Таможенного союза ТР ТС 010/2011 «О безопасности машин и оборудования» и Техническому регламенту «О безопасности колесных транспортных средств».

Требования ФНП распространяются на следующие ПС и оборудование, используемое совместно с ПС: грузоподъемные краны всех типов, мостовые краны-штабелеры, краны-трубоукладчики, краны-манипуляторы, строительные подъемники, подъемники и вышки, электрические тали, краны-экскаваторы, предназначенные для работы с крюком (электромагнитом), сменные грузозахватные органы (крюки, грейферы, магниты) и сменные грузозахватные приспособления (траверсы, захваты, стропы), рельсовые пути (для опорных и подвесных ПС).

СибАДИ

6

ФНП устанавливают требования к специализированным организациям, выполняющим работы по монтажу, ремонту, реконструкции и эксплуатации ПС, а также к сотрудникам специализированных организаций, причем разделяют сотрудников на работников (специалисты, имеющие высшее или среднее специальное образование) и персонал (лица рабочих профессий).

ФНП устанавливают требования: к материалам, используемым для изготовления ПС; к видам и методам сварки; оборудованию, используемому для контроля материалов и качества сварных швов; средств поверки измерительных приборов и устройств безопасности.

Количественные показатели, используемые при проектировании и эксплуатации ПС, приведены в приложениях 1–8 ФНП и в основном соответствуют Правилам [1].

2. УПРАВЛЕНИЕ СКОРОСТЬЮ ПОДЪЕМА ГРУЗА

В КРАНОВОМ МЕХАНИЗМЕ (ВАРИАНТ 1) Особенностями работы крановых механизмов, в частности

механизма подъема груза (МПГ), являются: изменение нагрузки в больших пределах и направлениях действия, широкий диапазон регулирования скорости при различных значениях и знаках нагрузки; работа в повторно-кратковременном режиме при большом числе включения в час; вероятность перегрузок; жесткое воздействие факторов окружающей среды [2].

Для электропривода крановых механизмов изготовляют специализированные серии электрических машин: асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (в том числе двух- и трехскоростные), с фазным ротором и двигатели постоянного тока. Соотношение удельных стоимостей (р./кВт) данных двигателей 1,7:1:2,2 [2].

Для управления двигателями с целью обеспечения требующегося диапазона изменения скорости используют силовые кулачковые контроллеры (КК); магнитные контроллеры (МК); системы: Г–Д; ПЧН–АД. Соотношение стоимостей указанных управляющих устройств 1:5,3:15:50 [2]. Кроме того, используют системы ТПН–АД, УВ–Д и др. Всем им в той или иной мере присущи недостатки: низкие энергетические показатели, ступенчатое регулирование скорости, высокая стоимость, необходимость квалифицированного обслуживания и т.д. [2].

СибАДИ

7

Сравнительные показатели по массе различных типов электропривода при мощности двигателя 30 кВт составляют:

Тип кранового электропривода и управляющего устройства Масса, кг

СКК………………………………………………………………………. 480 СМК переменного тока………………………………………………… 630 СМК переменного тока с динамическим торможением или источником встречного напряжения……………………………..

720

СМК постоянного тока…………………………………………………. 1140 СМК асинхронным короткозамкнутым двигателем…………………. 900 Система Г–Д…………………………………………………………….. 1700 Система ПЧН–АД……………………………………………………..... 1260

Масса двигателя мощностью 30 кВт составляет 315–335 кг [2]. Таким образом, за счет системы управления масса электропривода может увеличиваться в 2–5 раз.

Используют крановые механизмы двух модификаций: моноблочный и раздельный. При моноблочном исполнении механизм содержит один типовой комплект, включающий двигатель, муфту-тормоз, редуктор, рабочий орган (барабан, зубчатое колесо и др.). Для механизмов раздельного типа (как правило, механизм передвижения крана) характерно наличие двух и более типовых комплектов.

Несмотря на удвоенное количество комплектующих единиц, раздельный привод в определенных условиях оказывается наиболее дешевым. Кроме того, поочередное включение (выключение) двигателей такого механизма позволяет обеспечить плавное трогание (остановку), например башенного крана [3], с уменьшенными по сравнению с обеспечивающими системой управления динамическими нагрузками.

Крановые МПГ раздельного типа (два двигателя или два барабана) не нашли широкого применения, так как решали частные задачи, например задачу порожних перемещений грузов малой массы включением одного двигателя [4].

Цель данной инновационной разработки – обосновать возмож-ность и целесообразность исключения электротехнических систем управления, применяемых ныне в крановых механизмах, с обеспечением нужного диапазона скоростей за счет средств и приемов механики. Для достижения указанной цели предложен МПГ, кинематическая схема которого изображена на рис. 2.1.

Механизм содержит двойной комплект, включающий электродвигатель 1, муфты-тормозы 2, редукторы 3, барабаны 4 и 6, а

СибАДИ

8

также полиспаст 5 и счетчик оборотов 7. При вращении одного из барабанов (4 или 6) полиспаст работает как одинарный; при вращении обоих барабанов – как сдвоенный.

Рис. 2.1. Кинематическая схема механизма подъема груза

Счетчик оборотов 7 позволяет контролировать запас каната на

барабане [4]. Электродвигатель 1 – асинхронный с короткозамкнутым ротором (типа МТКF) выбран как наиболее дешевый, экономичный и надежный [2]. Редуктор 3 – цилиндрический двух- или трехступенчатый. Основное отличие состоит в том, что барабаны 4 и 6 имеют разные диаметры по центрам витка каната. Допустим диаметр 4D барабана 4 больше диаметра 6D барабана 6. Скорость кv , м/с, каната, наматываемого на барабан, зависит от диаметра D , м, и частоты бn , мин-1, вращения барабана [4]

.60/бк Dnv π= Поскольку двигатели и редукторы одинаковые, то при 11 nn ′= и

33 pp uu ′= частоты вращения барабанов будут равны 64 бб nn = (здесь

1n′ – частота вращения второго двигателя, а 3pu′ – передаточное число второго редуктора). Так как 4D > 6D , то скорость 1кv каната, наматываемого на барабан 4, будет больше скорости 2кv каната,

СибАДИ

9

наматываемого на барабан 6. Разность скоростей будет пропорциональна разности диаметров

)()( 6421 DDfvv кк −=− . В целом скорости vг1 − vг8 груза, обеспечиваемые данным

механизмом, можно определить по формулам, приведенным в табл. 2.1 (uп − кратность полиспаста, численно неизмененная при его работе как по одинарной, так и по сдвоенной схеме. Скорости vг3 ,

−4гv наименьшие (посадочные); −− 85 гг vv номинальные; ,1гv −2гvускоренные (форсированные)).

Таблица 2.1 Определение скоростей механизма подъема груза

Позиция на рисунке

2.1

Направление вращения барабана1

Формула для определения скорости груза2

46

+–

+ пккг uvvv /)( 211 +=46

–+

– пккг uvvv /)( 212 +=46

++

+ пккг uvvv /)( 213 −=46

–+

– пккг uvvv /)( 214 −=46

+0 пкг uvv /15 =+

46

–0

– пкг uvv /16 =46

0–

+ пкг uvv /27 =46

0+

– пкг uvv /28 =1Знак «+» – вращение по часовой стрелке, «–» – против, 0 – барабан невращается 2Знак «+» подъем груза, знак «–» опускание

Номинальную (паспортную) скорость груза назначают исходя из типа крана, характера груза, вида работ, группы режима и пр. [4]. Примерный скоростной режим при подъеме груза «с веса» представлен на диаграмме (рис. 2.2). Периоды it∆ пуска (разгона) на каждом этапе малы (≈0,5 с) из-за жесткой естественной характеристики асинхронных двигателей. Скорость 3гv зависит только от разности диаметров барабанов и может быть сколь угодно малой (0,01–0,05 м/с).

СибАДИ

10

Если ускорение все же окажется неприемлемым из-за величины it∆ , то можно применять двигатели серии МАП или двух- (трехскоростные) МТКF. Во всяком случае громоздкая и дорогая система управления будет исключена.

Рис. 2.2. Примерная диаграмма скоростного режима

механизма подъема с грузом (1) и без груза (2) Главное преимущество рассмотренного МПГ – наличие посадочных

скоростей, столь необходимых при монтажных работах и операциях, плавный пуск с минимальными динамическими воздействиями на металлоконструкцию, сокращение цикла. Диапазон регулирования посадочной скорости 43 : гг vv =1:20 и более.

Для управления двигателями достаточно иметь стандартные магнитные пускатели с кнопками «пуск», «стоп» и клавиши, объединяющие кнопки «пуск–пуск», «пуск–стоп», «стоп–стоп» обоих двигателей. Определение мощности и методика выбора двигателей требуют дополнительных исследований. Решающее влияние при этом будут иметь группа режима и перегрузочная способность (не менее трехкратной) двигателей серии МТКF.

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется редуктором и каково его назначение в приводе

машины?

СибАДИ

11

2. Каковы основные причины потери мощности в редукторе. 3. Приведите достоинства многоступенчатых передач по

сравнению с одноступенчатыми передачами.

3. УПРАВЛЕНИЕ СКОРОСТЬЮ ПОДЪЕМА ГРУЗА КРАНОВЫМ МЕХАНИЗМОМ (ВАРИАНТ 2)

Одна из особенностей работы МПГ – высокие динамические

нагрузки. Это относится и к приводам (приводным станциям) наклонных цепных конвейеров. В обоих случаях необходим плавный пуск (разгон), а для грузоподъемных кранов кроме того необходимо обеспечить малые (посадочные) скорости, т.е. приблизительно 10-кратный диапазон изменения скорости подъема – опускания груза.

В работе [5] показана неэффективность электротехнических и электронных устройств для управления скоростью подъема груза при использовании асинхронных двигателей трехфазного тока и обоснована возможность управления этой скоростью, обеспечиваемой МПГ с помощью только механических устройств. В работе [6] подобная задача решена применением в механизме плавного пуска двухступенчатого планетарного редуктора, обгонной и фрикционной муфт.

Предлагаемый МПГ (рис. 3.1) содержит основной редуктор 1, муфту-тормоз 2, двигатель 3, барабан 4 и полиспаст 5 (в этой части механизм выполнен по типовой схеме). Число ступеней редуктора 1, кратность полиспаста 5 и другие параметры можно изменять в зависимости от грузоподъемности Q , диапазона скоростей гv груза.

Предлагаемый механизм дополнен редуктором 6, входной вал которого муфтой 7 соединен с двигателем 8. Редуктор 6 двухпоточный: на входном (быстроходном) валу 9 закреплены шестерни 10 и 11, находящиеся в зацеплении с промежуточными («паразитными») зубчатыми колесами 12 и 13 соответственно, которые расположены на валу 14 и связаны с ним посредством встроенных обгонных муфт 19. Передача мощности через редуктор 6 (второй поток) осуществляется зацеплениями зубчатых колес 12 и 15, 13 и 16. Выходной вал 17 редуктора 6, на котором закреплены зубчатые колеса 15 и 16, соединен фрикционной электромагнитной муфтой 18 с быстроходным валом редуктора 1. В зубчатые колеса 12, 13 встроены полумуфты 19 (рис. 3.2), жестко закрепленные на валу 14, и ролики 20, замыкающие (размыкающие) кинематическую цепь в зависимости

СибАДИ

12

от направления вращения. При разомкнутой цепи колесо 12 или 13 вращается относительно вала 14 на подшипниках 21.

Рис. 3.1. Кинематическая схема механизма подъема груза

Рис. 3.2. Схема обгонной муфты

Работает механизм следующим образом. При включении

двигателя 8 напряжение подается на нормально-разомкнутую муфту 18 и на нормально-замкнутый тормоз муфты-тормоза 2, т.е. муфта 18 включается, соединяя выходной и входной валы редукторов 1 и 6;

СибАДИ

13

тормоз 2 выключается, обеспечивая вращение валов редуктора 1. При вращении ротора двигателя 8, например по часовой стрелке, вращение передает от шестерни 10 на колесо 12 и далее по цепи, т.к. обгонная муфта, встроенная в колесо 12, включена; колесо 13 при этом вращается вхолостую, т.к. его обгонная муфта разомкнута. Поскольку муфта 18 замкнута, то вращаются валы, зубчатые колеса редуктора 1 и барабан 4. Благодаря полиспасту 5 груз перемещается, например вверх, плавно и с минимальной заданной скоростью 1гv . Через определенный промежуток времени включают двигатель 3, при этом выключаются двигатель 8 и муфта 18. Тормоз муфты-тормоза 2 остается расторможенным. Ротор двигателя 3 перед включением вращался вхолостую, что способствует плавному увеличению скорости 2гv подъема груза до наибольшего (номинального) значения.

Основные операции подъема – опускания груза при погрузочно-разгрузочных работах, включая холостые перемещения, выполняются с использованием двигателя 3, редуктора 1 и полиспаста 5. Для перемещения груза с малыми скоростями включают двигатель 8, и через редуктор 6 включается вся кинематическая цепь.

На механизмы грузоподъемного крана при неустановившемся движении (пуск, торможение) кроме статических нагрузок действуют динамические нагрузки, вызванные вращающимися и поступательно движущимися массами [7]. Тогда

,иппвсп ТТТТ ++= где пТ – пусковой момент механизма; сТ – статический момент (при режиме установившегося движения груза, т.е. при движении с постоянной скоростью); ивТ – инерционный момент от вращающихся масс, приведенный к валу двигателя; ипТ – инерционный момент от поступательно движущихся масс.

Слагаемые моменты можно определить по формулам

;2 ηр

кбс u

DFzТ = ;55,9 t

bInТив = ,55,9ηntQvТ

2г

ип =

где −бz число ветвей каната, закрепленных на барабане; −кF сила натяжения каната; −D диаметр барабана; −рu передаточное число редуктора (в общем случае 61uuu = , где −61,uu передаточные числа редукторов 1 и 6; для определения скорости г2v следует использовать

СибАДИ

14

значение 6u ); −η общий КПД; −I момент инерции ротора двигателя 3 или 8 соответственно; ≈b 1,2– коэффициент, учитывающий момент инерции вращающихся деталей (валов, зубчатых колес и т.д.); −t время пуска (разгона); −n частота вращения вала двигателя; −Q масса груза; −гv скорость груза.

Для МПГ фактическое время пуска при подъеме груза рекомендуется [7] определять по формуле

η)(55,9

)(55,92сср

гсср ТТn

QvТТ

bInt−

+−

= ,

где −срT среднее значение момента, развиваемого двигателем. Достоверное значение срT можно определить при наличии

циклограммы работы МПГ. При потоке грузов, масса Q которых изменяется по случайному закону, разброс значений срT недопустимо велик. Но в любом случае система управления частотой вращения вала двигателя должна обеспечить необходимое значение времени t . Однако это нельзя рассматривать как самоцель – важно обеспечить при пуске допустимое ускорение, т.к. только это уменьшает динамическое воздействие на металлоконструкцию крана, раскачивание груза и т.д.

Двигатель МПГ выбирают по мощности

kQgvР г

η310= ,

где −g ускорение свободного падения; −k обобщенный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации (тип рабочего органа, группа режима, способ управления и т.д.).

Для привода цепных наклонных конвейеров с частыми остановками (более 8 в смену) также необходимо обеспечить плавный пуск. Задача сводится к уменьшению динамической составляющей общего сопротивления движению ходовой части конвейера

)(6012

1х.ч

ц

2х.ч

д qkqpz

lvF += ,

где −дF динамическая сила; −чхv . скорость движения ходовой части; −l длина конвейера; −1z количество зубьев приводной звездочки; −цp шаг цепи; −q погонная масса груза; −х.чq погонная масса

СибАДИ

15

ходовой части; −1k коэффициент, учитывающий влияние длины конвейера (при l <20 м, 1k =2).

Конвейеры работают в нереверсивном режиме, поэтому в редукторе 6 достаточно одного потока мощности (например через зубчатые колеса 10, 12, 15), т.е. редуктор 6 упрощается.

По приведенным выше формулам выполнен расчет МПГ мостового крана для случая подъема груза «с веса». Исходные данные: Q =20 т; 1гv =0,02 м/с; 2гv =0,2 м/с; 1u =20 (первая ступень – 5; вторая – 4); 6u =10 (первая ступень – 5; вторая – 2); n =730 мин-1 (для обоих двигателей); η=0,85.

Результаты расчета: мощности двигателей 8 и 3 соответственно 5 и 50 кВт; вращающие моменты, передаваемые муфтами 7 и 18 соответственно 65 и 600 Н∙м (последнее значение приемлемо для фрикционной электромагнитной муфты 18).

Отличие предлагаемой схемы МПГ от варианта, представленного в работе [5], состоит в последовательном расположении редукторов вместо параллельного, наличии обгонных муфт (для нереверсивных машин типа конвейера – одной муфты), а также фрикционной муфты с электромагнитным управлением.

Кинематическая схема предлагаемого МПГ сложнее, чем используемых. Но отсутствие системы управления двигателем, например тиристорного (частотного) типа, гарантирует его преимущество по массово-габаритным показателям и стоимости в 2–3 раза; по затратам на электроэнергию – более чем в 5 раз. Таким образом, 10-кратное изменение скорости подъема – опускания груза обеспечивается только механическими устройствами, управление которыми не требует высокой квалификации обслуживающего персонала. Управлять двигателями можно с помощью магнитных пускателей и кнопочных постов «пуск–стоп». Наличие двух двигателей и двух редукторов повышает срок службы МПГ.

Контрольные вопросы

1. Как устроена зубчатая муфта? Какие смещения валов она

компенсирует? 2. Для чего предназначена фрикционная муфта с

электромагнитным управлением? 3. Как устроены обгонные муфты, где их применяют?

СибАДИ

16

4. РЕДУКТОР С ИЗМЕНЯЕМЫМ ПЕРЕДАТОЧНЫМ ЧИСЛОМДЛЯ КРАНОВЫХ МЕХАНИЗМОВ

Неотъемлемой частью всех крановых механизмов является редуктор. В основном это горизонтальные зубчатые редукторы с постоянным передаточным числом.

Разновидностью редукторов можно считать коробки перемены передач (КПП) транспортных средств (ТС), имеющих, как правило, переменное передаточное число. Переключение передач в ТС происходит «с разрывом потока мощности». Такой вариант трудноосуществим в МПГ. Управление скоростью подъема груза осуществляют в МПГ посредством тиристорного привода с привлечением средств электроники и многократным преобразованием электроэнергии, что затратно [2]. Известно, что автоматические КПП (АКПП) некоторых разновидностей ТС имеют в своем составе две фрикционные многодисковые муфты, работающие в масляной ванне.

Цель данной инновационной разработки – обосновать возможность создания редуктора с переменным передаточным числом для крановых механизмов: перемещения крана, тележки и поворота.

Редуктор (рис. 4.1) содержит корпус 1 и валы 2, 3, 4, 5 и 6 соответственно. Между валами 2 и 3 установлена муфта 7, между валами 4 и 5 – муфта 8. Редуктор содержит три пары зубчатых колес: 9 и 10 – первая ступень; 11 и 12 – вторая ступень; 13 и 14 – третья ступень. Вал 4 соединен через муфту-тормоз 15 с двигателем 16. Вал 6 соединен с рабочим органом, например ходовым колесом 17. Редуктор оснащен механизмом 18 управления муфтами 7, 8.

Схема механизма 18 представлена на рис. 4.2. Кроме упомянутых элементов: валов 2 и 3, 4 и 5, муфт 7 и 8 механизм 18 содержит пару «винт-гайка» 19 и 20 соответственно. На гайке 20 закреплены две вилки: 21, связанной с подвижной полумуфтой муфты 7; 22, связанной с аналогичной полумуфтой муфты 8. Винт 19 приводится во вращение двигателем 23 через муфту-тормоз 24. Может быть предусмотрена предохранительная фрикционная муфта 25. Движение гайки 20 ограничено концевыми выключателями 26 и 27.

При трогании с места крана (тележки) должно быть обеспечено время t пуска или ускорение a , которые могут быть определены по формулам [7]

СибАДИ

17

;)()(55,9

)(55,9

2

ηδ

cсрcср ТTnvQm

ТTInt

−+

+−

=

,)2( gmgF

Dk

fdDfd

kzza

хк

pв

хк

вп

−

+−

+= µϕ

ϕ

где −δ коэффициент запаса ( =δ 1,2); −I момент инерции механической системы, приведенной к валу двигателя; −n частота вращения вала двигателя; −срT средний пусковой момент;

−cT статический момент; −m масса крана (тележки); −Q масса груза; −v скорость установившегося движения; −η общий КПД; −пz количество приводных ходовых колес; −z общее количество

колес крана (тележки); −ϕ коэффициент сцепления колеса с рельсом ( =ϕ 0,12 на открытой площадке); −ϕk коэффициент запаса сцепления ( ≥ϕk 1,2); −f коэффициент трения в опоре ходового колеса; вd и

−хкD диаметры вала и колеса соответственно; −µ плечо реактивной силы, м; −pk коэффициент трения реборды (для тележки =pk 1,1; для крана =pk 1,1…2,5); −g ускорение свободного падения. Формула определения ускорения a в данном случае справедлива для обеспечения трогания порожнего крана (тележки) без буксования, при этом a=0,1…0,2 м/с2.

Время пуска находится в пределах 3…5 с и обеспечивается в существующих механизмах с редуктором с постоянным передаточным числом системой управления двигателем, например тиристорной или включением в цепь питания ротора дополнительных сопротивлений. Данные системы управления двигателем приводят к дополнительному расходу электроэнергии.

Работа механизма передвижения крана (тележки) с предлагаемым редуктором происходит следующим образом.

В исходном положении муфта 7 (рис. 4.1) замкнута, муфта 8 разомкнута. При включении двигателя 16 движение передается через зубчатые колеса 1–10, 11–12, 13–14 на ходовое колесо 17. Три указанные ступени обеспечивают редуктору наибольшее передаточное число. По истечении времени пуска =t 3…5 с в зависимости от особенностей технологической операции (с грузом,

СибАДИ

18

его массы, отсутствие груза) с помощью механизма 18 муфту 7 размыкают, а муфту 8 замыкают. При этом движение от двигателя 16 на колесо 17 будет передаваться через колеса 13–14, передаточное число которых будет в 3…5 раз меньше общего передаточного числа редуктора. Соответственно увеличится скорость v крана (тележки).

Рис. 4.1. Схема редуктора

Работа механизма 18 (рис. 4.2) происходит следующим образом.

Для управления муфтами 7, 8 (их замыкания или размыкания) включают двигатель 23. Винт 19, вращаясь, смещает гайку 20, например влево. Гайка 20 посредством вилок 21, 22 размыкает муфту 7 и замыкает муфту 8. В конце пути включают двигатель 23 с противоположным направлением вращения, гайка 20 смещается вправо, муфта 8 размыкается, муфта 7 замыкается, и вращение от двигателя 16 на колесо 17 будет передаваться через упомянутые три ступени редуктора. Будет обеспечено плавное замедление крана (тележки). Через 3…5 с выключают двигатель 16. Остановка крана (тележки) происходит под воздействием тормоза 15. Плавный разгон и остановка крана (тележки) уменьшают раскачивание груза, динамические напряжения в металлоконструкциях.

Можно рекомендовать следующие передаточные числа по ступеням редуктора: =1u 5; =2u 2; =3u 6. Тем самым, общее передаточное число =рu 60. Такие значения 321 ,, uuu противоречат

СибАДИ

19

общепринятым канонам. Но, исходя из специфики редуктора, может быть принята допустимой, не влияющей на его работоспособность и ресурс.

Скорость v движения крана (тележки) связана с частотой вращения хкn колеса соотношением [7]

,60/хкхкnDv π= где −хкD диаметр ходового колеса.

Рис. 4.2. Схема механизма переключения передач

Частота вращения хкn будет зависеть от частоты вращения 1n

двигателя и включенной передачи, т.е. pхк unn /1= или ./ 312 unnхк =

Таким образом могут быть реализованы скорость крана (тележки) на участке разгона в пределах 0,05…0,5 м/с и до 0,5…1,5 м/с на участке основного перемещения в соответствии с технологической операцией. Двигатель целесообразно использовать с частотой вращения 750 или 1000 мин-1 с короткозамкнутым ротором или двухскоростной той же мощности.

Момент T , Н∙м, передаваемый фрикционной муфтой, можно определить по формуле [8]

,.11

. iсрiiz

ii

z

iiсрii rSpfrFfТ

д∑∑==

==

СибАДИ

20

где −дz количество пар дисков; −if коэффициент трения стальных дисков в масляной ванне, =if 0,05; −iF сила сжатия дисков;

−iсрr . средний радиус дисков; −ip среднее контактное давление; −iS площадь одной пары дисков.

Массово-габаритные параметры фрикционных муфт в масляной ванне следующие [9]: муфта № 14, передаваемый момент 1000 Н∙м, размеры 200×260 мм, масса 25 кг; муфта № 16 момент 2500 Н∙м, 265×375 мм, масса 50 кг. Данные параметры следует признать приемлемыми для встраивания в зубчатый редуктор. Известно, что четырехступенчатая планетарная КПП содержит две муфты и два тормоза.

Для работы механизма 18 управления муфтами можно использовать самотормозящую пару «винт-гайка» или использовать для удержания полумуфт в крайних положениях тормоз 24. В современных приводах получили широкое распространение шарико-винтовые пары (ШВП) [10]. Один из вариантов ШВП показан на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема модуля с низкоскоростным (моментным) вентильным двигателем

Якорная обмотка вентильного двигателя состоит из двух систем, каждая из которых подключена к своему коммутатору. Для преобразования вращательного движения двигателя в возвратно-поступательное движение штока 1 использована ШВП, имеющая высокий КПД (до 0,98) и минимальную погрешность позиционирования. Гайка ШВП выполняет функции ротора электродвигателя.

СибАДИ

21

Постоянные магниты 2 индукторов изготовлены из сплава SmCo5. Модуль имеет компактную конструкцию с высокими динамическими свойствами. Усилие на штоке 1 до 75 кН. Скорость до 0,1 м/с. Ход до 180 мм.

Контрольные вопросы

1. Какие виды сцепных фрикционных муфт различают? 2. Почему преимущественное применение среди фрикционных

муфт имеют многодисковые муфты? 3. Что подразумевается под шарико-винтовой передачей?

5. МЕХАНИЗМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ В РЕДУКТОРЕ

Неотъемлемой частью всех крановых механизмов является редуктор. В основном это горизонтальные зубчатые редукторы с постоянным передаточным числом.

Разновидностью редукторов можно считать КПП ТС, в том числе АКПП. В данных КПП используют планетарные передачи с двухкаскадной электронно-гидравлической системой управления [11,12]. Для переключения передач используют фрикционные элементы: муфты и тормоза. На каждой передаче может быть включено различное сочетание фрикционных элементов: две муфты и тормоз; два тормоза и муфта и т.д. Для управления муфтами и тормозами в качестве силового привода используют кольцевые гидроцилиндры. В АКПП легковых автомобилей используют роликовые обгонные муфты, которые обладают односторонним действием.

ТС с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) имеют 4…8 скоростей вперед и одну скорость заднего хода, зависящих от частоты вращения ДВС. В крановых механизмах при всех рабочих операциях должно быть обеспечено возвратно-поступательное движение с одинаковым управлением скоростями за счет реверсирования электродвигателя.

Из изложенного следует сделать вывод, что применение КПП ТС для крановых механизмов невозможно. Известны предложения по редуктору с переменным передаточным числом для крановых механизмов передвижения [13].

СибАДИ

22

Цель данной инновационной разработки – обосновать возможность создания механизма переключения передач редуктора в виде фрикционного устройства типа роликовой обгонной муфты, действующего при любом из двух направлений вращения ведущего вала и обеспечивающего включение (выключение) передачи, а также в качестве тормоза.

На рис. 5.1 изображен фрагмент кинематической схемы редуктора. Шестерня 1 передает вращение на колесо 2, закрепленное на шлицевом валу 3. В колесо 2 встроен механизм переключения 4. Для управления механизмом используется устройство, состоящее из ползуна 5, перемещаемого по валу 3 вилкой 6. Вилка 6 тягой 7 соединена с ШВП 8, приводимой во вращение электродвигателем 10 через муфту 9. ШВП закреплена в стенке 11 редуктора. Концевые выключатели 12 ограничивают ход ползуна 5 в необходимых пределах.

Рис. 5.1. Фрагмент кинематической схемы редуктора

Собственно механизм переключения изображен на рис. 5.2. Он

содержит втулку 4, в расточки которой и колеса 2 помещены конические ролики 13, соединенные сепаратором (не показан). Втулка 4 соединена с ползуном 5 кинематической связью 14.

На рис. 5.3 показан вариант выполнения кинематической связи 14. Во втулку 4 установлено наружное кольцо 15 радиально-упорного шарикоподшипника, зафиксированное пружинным стопорным кольцом 16. В ползуне 5 установлено внутреннее кольцо 17 подшипника и зафиксировано кольцом 18. Тем самым обеспечена

СибАДИ

23

независимость вращения деталей 4, 5 и передача силового воздействия при включении (выключении) механизма.

Рис. 5.2. Схема механизма переключения передач

Работает механизм переключения передач следующим образом.

В исходном положении втулка 4 находится в левом положении. Ролики 13 заклинены, и происходит передача вращающего момента T от шестерни 1 на колесо 2 независимо от направления вращения (по или против часовой стрелке). Для выключения передачи включают электродвигатель 10. В ШВП 8 вращательное движение преобразуется в поступательное и тяга 7 через вилку 6 отводит ползун 5, а тем самым и втулку 4 через связь 14, вправо. Взамен натяга между роликами 13 и соответствующими коническими поверхностями втулки 4 и колеса 2 появляется зазор. Втулка 4 вращается; колесо 2 неподвижно. Передача момента T невозможна.

Рис. 5.3. Схема кинематической связи

СибАДИ

24

Как известно, зубчатые передачи бывают прямозубые, косозубые и шевронные [14, 15]. В зацеплении при передаче вращающего момента возникают силы: окружная и радиальная – в прямозубых и шевронных; окружная, радиальная и осевая – в косозубых. Для их определения используют формулы

;2 wt dTF = ;2 wtwr dTtgF α= ,2 wa dTtgF β= где tF , rF , −aF силы окружная, радиальная и осевая соответственно;

−wd начальный диаметр зубчатых колес; −α tw угол зацепления; −β угол наклона линии зуба.

Из этого следует, что наиболее приемлемым для данного случая переключения передач является шевронное зацепление, в котором осевые силы уравновешены (шестерня 1 закреплена на валу неподвижно в осевом направлении).

Рис. 5.4. Определение точек приложения сил

В основу расчета данного механизма может быть принята

долговечность hL в часах [14] ,)/)(6/10( 5 p

eh FCnL = где −n частота вращения вала двигателя; −C коэффициент динамической работоспособности; =p 3,33; −eF эквивалентная нагрузка, которая может быть определена по формуле

,)( тarve KKyFFхKF δ+= где −ух, коэффициент радиальной и осевой ( 0=aF ) сил соответственно ( х =0,4); −vK коэффициент учета вращения деталей 2

СибАДИ

25

или 4; −δK коэффициент безопасности (для редукторов δK =1,3…1,5); −тK температурный коэффициент ( тK =1,25 при температуре 2000С)

[14]. Под действием радиальной силы rF в механизме возникает

внутренняя осевая сила sF (рис. 5.4), которую следует приложить к ползуну 5.

Предложена и обоснована простая и надежная конструкция механизма переключения передач в редукторе. Тем самым появляется возможность разработать редуктор с переменным передаточным числом и с его помощью управлять скоростями рабочих операций: скорости крана, крановой тележки и др.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается принцип работы коробки перемены

передач? 2. Что определяет такое понятие, как «нагрузочная способность

передачи», и какая ступень редуктора является более нагруженной? 3. В чем заключаются преимущества и недостатки передачи

«винт-гайка»? 6. РЕДУКТОР С РЕГУЛИРУЕМЫМ ПЕРЕДАТОЧНЫМ

ЧИСЛОМ

Все крановые механизмы содержат редуктор. В зависимости от типа крана и механизма редуктор может быть одно-, двух или трехступенчатым, т.е. иметь от одной до трех пар зубчатых колес. Каждая пара зубчатых колес имеет постоянное передаточное число, как и редуктор в целом. Для управления (изменения) скоростей рабочих операций: передвижения крана, тележки – используют тиристорный электропривод, работа которого сопровождается преобразованием электроэнергии, что приводит к потерям.

Исходя из изложенного, следует признать актуальным разработку редуктора с регулируемым передаточным числом. Такой редуктор позволит управлять скоростями рабочих операций средствами механики с использованием обычного промышленного электропривода.

Попытки создания редукторов с переменным передаточным числом предпринимались неоднократно [13].

СибАДИ

26

К наиболее близким по технической сущности к редукторам с регулируемым передаточным числом могут быть отнесены планетарные КПП ТС, в том числе АКПП [12, 13].

Для переключения передач в КПП используют фрикционные муфты и тормоза по три указанных элемента на каждой передаче. Для управления муфтами и тормозами используют гидропривод (кольцевые гидроцилиндры) или электропривод [16].

В КПП легковых автомобилей используют неуправляемые роликовые обгонные муфты одностороннего действия.

КПП ТС непригодны для использования в приводах крановых механизмов, т.к. они не могут обеспечить возвратно-поступательное движение крана (тележки).

Кинематическая схема предлагаемого редуктора изображена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Кинематическая схема редуктора

Редуктор содержит входной вал 1, на котором закреплена

шестерня 2, находящаяся в зацеплении с зубчатым колесом 4, закрепленном на валу 3. На валу 3 закреплены шестерни 5, 6 и 7, находящиеся в зацеплении с колесами 8, 9 и 10. Упомянутые зубчатые колеса 8, 9, 10 закреплены на выходном валу 11. В каждое колесо 8, 9, 10 встроены муфты 12, 13 и 14 соответственно. Каждая из упомянутых муфт управляется механизмами 15, 16, 17 переключения

СибАДИ

27

передач. Конструкции встроенных муфт и механизмов переключения передач описаны в разд. 5.

Редуктор содержит (см. слева направо) четыре зубчатых пары (ступени) с передаточными числами 1u , 2u , 3u , 4u .

Следовательно, передаточные числа 1пu , 2пu , 3пu передач будут: на первой 211 uuuп = ; на второй – 312 uuuп = ; на третьей – 413 uuuп = .

В наибольших масштабах используются мостовые краны грузоподъемностью Q=20–25 т. Скорости перемещения указанных кранов и их тележек находятся в диапазоне 0,5–1,5 м/с. При пуске (разгоне) крана (тележки) происходит раскачивание груза и динамические воздействия на металлоконструкцию, сокращающие срок ее работы. Поэтому необходим плавный пуск (разгон) крана (тележки) с ускорением a не более 0,2 м/с2. Обеспечить данные условия возможно при соответствующем переключении передач в предлагаемом редукторе.

Передаточное число пu передачи для указанного диапазона скоростей v крана (тележки) можно определить по формуле

,60vnDu хкп π= где −хкD диаметр ходового колеса крана (тележки); −n частота вращения вала двигателя. Приняв хкD =0,25–0,32 м; 1n =1000–1500 мин-1 и исходя из стандартного ряда передаточных чисел редуктора 2,5; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0 можно предложить разбивку передаточных чисел по ступеням и итоговые скорости перемещения крана (тележки) (табл. 6.1).

Таблица 6.1 Параметры редуктора и крана (тележки)

Передача

Ступень Передаточное

число

Частота вращения

колеса, мин-1

Скорость крана

(тележки), м/с

1 2 3 4

1-я + + – – 32 30 0,4 2-я + – + – 16 60 0,8 3-я + – – + 10 100 1,4

Знак «+» муфта включена, знак «–» выключена

Передаточное число 1u первой ступени желательно иметь наименьшим. Но при трех передачах это неосуществимо. Вероятен вариант редуктора с муфтами в шестернях, но это неизбежно повлечет искусственное увеличение размеров зубчатых передач.

СибАДИ

28

Для первой ступени редуктора может быть рекомендовано косозубое зацепление; для остальных трех – шевронное. При шевронном зацеплении осевая сила Fа=0; радиальная wtwr dTtgF α2= , где −T вращающий момент; −twα начальный диаметр зубчатых колес. Радиальную силу rF можно выразить через параметры тел качения [17]

,cosβ= zdkF мr где −мk численный коэффициент, характеризующий статическую стойкость муфты (k =2,2) [17]; −z количество тел качения; d и − диаметр и длина тел качения; −β угол контакта тел качения с поверхностями полумуфт.

Обгонная муфта с цилиндрическими роликами имеет сходство с предложенной конструкцией муфты. На ролик обгонной муфты действуют силы: нормальная NF и касательная TF , при этом

,)2/(2

мN zD

TctgF α=

где −α угол заклинивания (α ≅ 50); −мD диаметр поверхности наружной полумуфты.

Зная силу NF , можно определить контактные напряжения кσ , возникающие на линии контакта ролика с поверхностью

,2418,0dEFN

к =σ

где −E модуль нормальной упругости. Величина кσ может составлять 900–1200 МПа (большие значения

при работе муфты в режиме тормоза). Привод механизмов переключения передач 15 и 16 может быть

объединен: при выключении муфты 12 в течение 0,5 с включается муфта 13 с необходимым «перекрытием» [12], т.е. когда одна муфта еще не выключилась, а вторая включается, что способствует плавности движения крана (тележки). Для включения (выключения) муфты достаточно перемещение втулки на ~0,5 мм. При значительных моментах (Т >1кНм) возможно двухрядное или четырехрядное расположение роликов. При трехвальном исполнении возможна разработка редуктора с 4–6 передачами, в том числе КПП ТС, более компактная, чем современные планетарные КПП ТС.

СибАДИ

29

Контрольные вопросы

1. Как устроена автоматическая коробка передач? 2. Как устроены планетарные передачи, каковы их преимущества

и недостатки? 3. От каких факторов зависит направление окружной и осевой

сил в косозубой передаче?

7. УПРАВЛЕНИЕ ТОРМОЗАМИ КРАНОВЫХ МЕХАНИЗМОВ Крановые механизмы содержат тормоза различного типа.

Преимущественно используют двухколодочный тормоз. Каждый тормоз имеет устройство управления, которое включает устройство замыкания (чаще всего пружина сжатия) и устройство размыкания того или иного электротехнического типа. Выявилась тенденция усложнения устройств управления тормозами. Они становятся все более громоздкими и энергоемкими. Необходим поиск новых технических решений в области принципов управления тормозами с обеспечением дистанционного регулирования тормозного момента.

Тормоза предназначены для поглощения кинетической энергии движущихся масс крана, его механизмов и груза и используются как для стопорения, так и для регулирования скорости движения [7]. Они различаются по конструкции (колодочные, ленточные, дисковые, конические), назначению (спускные, стопорные), принципу действия (нормально замкнутые, нормально разомкнутые или автоматические). Преимущественное применение находят колодочные нормально замкнутые тормоза. Дисковые тормоза применяют в талях, конические – в механизмах с ручным приводом [7].

В механизмах подъема груза и изменения вылета стрелы с машинным приводом должны быть установлены нормально замкнутые тормоза, автоматически размыкающиеся при включении привода механизма [1]. В механизмах передвижения и поворота применяют как нормально замкнутые, так и комбинированные тормоза, т.е. такие, которые при штатной эксплуатации работают как нормально разомкнутые, а в аварийной ситуации – как нормально замкнутые.

Двухколодочный тормоз, как и любой другой, содержит фрикционную пару, в данном случае (рис. 7.1) колодки 3 (с накладкой или без) и шкив 4, устройство замыкания в виде пружин 1 и 2,

СибАДИ

30

устройство размыкания в виде однофазного электромагнита клапанного типа в составе якоря 5 и катушки 6. В состав тормоза любого типа входит шарнирно-рычажная система (на рис. 7.1 не обозначена).

Рис. 7.1. Схема двухколодочного тормоза

с электромагнитом клапанного типа Применительно к колодочным тормозам справедливы следующие

зависимости [7]: – тормозной момент тТ , развиваемый тормозом

;1

штрт fDFТ η=

– результирующая сила рF , которую должно развивать устройство замыкания

);/(1 шттр fDТF η= – давление р между шкивом и колодкой

[ ];)( рАfDТр тт ≤= – необходимое усилие пF основной пружины

,вп FFF += где −f коэффициент трения между колодкой и шкивом;

−тD диаметр тормозного шкива; −шη КПД рычажной системы ( ≈шη 0,95); , −1 длины плеч рычагов; −вF усилие вспомогательной

СибАДИ

31

пружины (служит для обеспечения гарантированного зазора между шкивом и колодкой при выключении тормоза); −А площадь рабочей поверхности одной тормозной колодки

,360/ 0BDА тβπ= где −B ширина колодки; −β угол обхвата шкива одной колодкой (β≈700); [ ]−р допускаемое давление (от 0,2 до 2,0 МПа в зависимости от фрикционной пары).

При установочном зазоре ε между колодкой и шкивом ход h пружины в тормозе 1ε=h .

Выбор электромагнитов для двухколодочных тормозов производят на основании зависимости

),/(4 тт fDTW ε= где −W работа, производимая электромагнитом.

Для электромагнитов с поступательным движением якоря ,ямhkFW =

где −мF тяговое усилие электромагнита; −h ход якоря; −яk коэффициент использования хода якоря ( яk =0,85).

Для электромагнитов клапанного типа ,ям kТW ϕ=

где −мТ момент электромагнита; −ϕ угол поворота якоря. Для данного типа устройства размыкания тормоза выявились

недостатки: ограниченный ресурс (не более 1 млн срабатываний); шумовое загрязнение окружающей среды (резкие щелчки). Главный недостаток – невозможность дистанционного изменения тормозного момента. Необходимо остановить работу и вручную регулировать усилие (затяжку) пружины. Чтобы избежать указанного недостатка стали применять тормоза с электрогидравлическим толкателем (рис. 7.2). Толкатель электрогидравлический (ТЭГ) – комбинирован-ное устройство, состоящее из электродвигателя, насоса и гидроцилиндра, работает бесшумно, ресурс до 10 млн срабатываний.

Некоторые зависимости для тормоза с ТЭГ [18]: – усилие 1F , приложенное к рычагам

);/(11 штт fDTF η= – усилие F пружины

;/ 321 FF = – усилие pF размыкания

СибАДИ

32

./15,1 3 pp FF =

С другой стороны, 4/2пp dpF π= ,

где −p давление жидкости в ТЭГ; −пd диаметр поршня ТЭГ;

2 , 3 , −p длины плеч рычагов.

Рис. 7.2. Схема колодочного тормоза с электрогидравлическим толкателем

У тормоза с ТЭГ также невозможно дистанционно изменять

тормозной момент. Кроме того, для механизмов передвижения с большим ходом (кран, тележка) ТЭГ остаётся включенным длительное время (2…3 мин). Наличие в ТЭГ вращающихся деталей приводит к износу их.

Для уменьшения этого недостатка разработан [19] тормоз (рис. 7.3) с комбинированным управлением. Размыкание производит ТЭГ 1, после чего отключается. Дальнейшее удержание колодок в разомкнутом состоянии обеспечивает электромагнит 2. Достигнуто плавное и бесшумное размыкание с уменьшением износа деталей ТЭГ. Дистанционное изменение параметра настройки – тормозного момента – в этой конструкции невозможно.

В какой-то мере избавлен от этого недостатка тормоз (рис. 7.4) ТКПА-200, предлагаемый НПО «Подъемтранссервис» (журнал «Подъемно-транспортное дело», 2010 г., №1, 3-я стр. обложки). Тормоз содержит два среднеходовых магнита постоянного тока. Уверяют, что обеспечено плавное и ступенчатое торможение. В

СибАДИ

33

указанном материале рекламного характера принцип (алгоритм) управления не раскрыт.

Рис. 7.3. Колодочный тормоз с комбинированным

устройством размыкания

Рис. 7.4. Схема двухколодочного тормоза с двумя

среднеходовыми магнитами постоянного тока Из представленного обзора устройств управления тормозами

вытекает тенденция усложнения их конструкции, которая позволяет достичь каких-то промежуточных результатов, но не обеспечивает главного – возможности дистанционного изменения тормозного момента. Исходя из анализа достоинств и недостатков существующих тормозов предложен вариант системы управления тормозом (рис. 7.5).

СибАДИ

34

Рис. 7.5. Схема колодочного тормоза со специальным

устройством размыкания Устройство замыкания – пружина в сочетании с рычажно-

шарнирной системой по схеме для тормоза с ТЭГ (рис. 7.2). Устройство размыкания содержит шаговый электродвигатель

(ШЭД) 1, шлицевую муфту 2 и ШВП 3. Согласно «Википедии» ШЭД – это синхронный бесщеточный

электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. При использовании 4-х основных полюсов угол поворота (шаг) ротора 3,60. При большем количестве полюсов можно обеспечить шаг в пределах долей градуса. ШЭД широко распространены и используются в роботах, станках. Предлагаются ШЭД на любые параметры (мощность до 3 кВт) с комплектами управления [20].

ШВП также широко распространены и используются в приводах роботов, станков с ЧПУ и позволяют реализовать усилия до 70 кН, ход серийных образцов до 7 метров [21].

Работает предлагаемое устройство размыкания следующим образом. При подаче напряжения на электродвигатель кранового механизма поступает электрический ток на программируемую систему управления ШЭД 1. Она может быть настроена так, что выдает на ШЭД наибольшее количество импульсов, при которых колодки тормоза отходят на величину ε , обеспечив гарантированное растормаживание. При отключении двигателя механизма система управления обеспечивает обратный ход ШЭД с соответствующим замыканием тормоза. Изменяя количество импульсов, подаваемых на

СибАДИ

35

ШЭД, можно осуществлять плавное растормаживание или затормаживание механизма крана, т.е. дистанционное изменение тормозного момента, в том числе компенсацию износа накладок. При повороте вала ШЭД 1 вращение через муфту 2 передается на ШВП 3, гайка которого неподвижна. За счет вертикального перемещения винта ШВП происходит, через шарнирно-рычажную систему, отвод (подвод) колодок тормоза.

Некоторые зависимости для ШВП: – скорость вv винта, м/с 60/вврв npzv = ; – крутящий момент вТ , Н∙м, на винте при силе сопротивления

сF , Н, )(tg22 ρα +=

dFТ cв ;

– передаточное число рв zpdu /2π= , где −вp шаг винта; −рz количество заходов резьбы; −вn частота вращения винта; −2d средний диаметр резьбы; −α угол подъема винтовой линии, )]/([arctg 2dp πα = ; −ρ угол трения, ,arctgf=ρ (здесь −f коэффициент трения между витками гайки и винта). Для ШВП ≈= ρtgf 0,005…0,01.

Разработанное устройство управления тормозом на основе ШЭД и ШВП, обеспечивающее плавное и бесшумное замыкание (размыкание) тормоза с дистанционным регулированием тормозного момента, обладает патентной чистотой и конструктивной простотой по сравнению с разработками последних лет.

Контрольные вопросы

1. Как подразделяют тормоза по принципу действия? 2. Как устроен и работает шаговый электродвигатель, где его

применяют? 3. С какой целью в приводах применяют тормоза с

электрогидравлическим толкателем?

СибАДИ

36

8. ПРИВОД МЕХАНИЗМА С ГИБКИМ ТЯГОВЫМ ЭЛЕМЕНТОМ

В качестве гибкого элемента используют цепи, стальные канаты,

в данном случае принята конвейерная лента. Срок службы конвейерной резинотканевой ленты в наибольшей степени зависит от количества перегибов ленты на барабанах. Стремление повысить тягово-сцепные свойства привода за счет увеличения угла обхвата барабана лентой с доведением его численного значения до 400≥α о (двухбарабанный привод) сокращает долговечность ленты из-за ее расслоения.

Увеличить тяговую силу с одновременным уменьшением количества перегибов ленты можно за счет использования привода, схема которого изображена на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Схема привода

Привод (рис. 8.1) содержит два двигателя 1, два редуктора 2,

барабан 3 (один из трех) и ленту 4. Двигатель 1 прифланцован к редуктору 2. Тихоходный вал редуктора выполнен полым со шлицевым соединением вала барабана.

Схема редуктора изображена на рис. 8.2. Вал 5 редуктора соединен шлицевой втулкой с валом двигателя. На валу 5 закреплено зубчатое колесо (шестерня) 6, находящееся в зацеплении с колесом 8, закрепленным на валу 7. Колесо 8 находится в зацеплении с промежуточным («паразитным») колесом 10, закрепленным на валу 9 и находящимся в зацеплении с колесом 12, закрепленным на валу 11. Валы 7, 9, 11 соединены с валами барабанов. Расположение барабанов показано на рис. 8.3.

СибАДИ

37

Рис. 8.2. Схема редуктора

Рис. 8.3. Схема расположения барабанов

Барабан 3 приводится во вращение от вала 7; барабан 14 – от вала

9; барабан 13 – от вала 11. Барабаны 3 и 13 вращаются с одинаковой частотой, но имеют разный диаметр: 13D > 3D . Разность )( 313 DD − составляет 20…30 мм. Поскольку линейная скорость v по средней линии толщины ленты 4 связана с частотой вращения n и диаметром D′ ( лDD δ+=′ ) барабана известным соотношением

60/nDv ′π= , то при указанной разности диаметров 13D и 3D скорость 13v будет больше 3v . Разность в скоростях может составлять (3…5)%, что

СибАДИ

38

сопоставимо с удлинением ленты под воздействием тягового усилия. Большая скорость на поверхности барабана 13 позволяет компенсировать упругую деформацию (удлинение) ленты, обеспечивает дополнительное прижатие ленты к барабану 3 с необходимым увеличением тягово-сцепных свойств привода. Суммарный угол α обхвата лентой барабанов 3 и 13 не превышает 190о. В применяемых ныне двухбарабанных приводах 400≥α о. Двухкратное уменьшение угла обхвата с соответствующим уменьшением перегибов ленты приведет к двойному увеличению долговечности ленты.

Контрольные вопросы 1. Отчего зависит выбор типоразмера конвейерной ленты? 2. Какие способы увеличения тяговой способности приводного

барабана существуют? 3. Отчего зависит угол обхвата барабана лентой?

СибАДИ

39

Заключение Представлен обзор новейших разработок по совершенствованию

крановых механизмов. Указанные разработки выполнены в СибАДИ в рамках научной концепции «Управление параметрами крановых механизмов средствами механики». На примере наиболее массовых типов башенных и мостовых кранов с электроприводом показаны варианты устройств, обеспечивающих управление (регулирование) таким важнейшим параметром, как скорость (подъема груза, перемещения крана, тележки), прямо влияющим как на производительность машины, так и на динамические нагрузки без преобразования электрической энергии. Последний фактор также повышает экономичность крана.

Все технические решения по рассмотренным вариантам выполнения тех или иных устройств управления скоростями обладают патентной чистотой, просты и надежны в эксплуатации.

СибАДИ

40

Библиографический список

1. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов. ПБ 10-382-00 : обязательны для министерств, ведомств, объединений, организаций и предприятий независимо от формы собственности, а также для индивидуальных предпринимателей / Госгортехнадзор России. – М. : НЦ ЭНАС, 2006. – 223 с.

2. Справочник по кранам : в 2-х т. Т. 1 : Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчета кранов, их приводов и металлических конструкций / В.И. Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др. ; под общ. ред. М.М. Гохберга. – М. : Машиностроение, 1988. – 536 с.

3. Чумичев, В.В. Электроприводы переменного тока башенных кранов модульной системы / В.В. Чумичев, С.В. Горохов // Строительные и дорожные машины. – 1990. – № 11. – С. 11–13.

4. Вайнсон, А.А. Подъемно-транспортные машины : учеб. для вузов / А.А. Вайнсон. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1989. – 535 c.

5. Ремизович, Ю.В. Управление скоростью подъема груза в крановом механизме / Ю.В. Ремизович // Вестник машиностроения. – 2004. – № 6. – С. 27– 28.

6. Хадеев, Р.Г. О механизме плавного пуска / Р.Г. Хадеев // Вестник машиностроения. – 2010. – № 8. – С. 84–85.

7. Кузьмин, А.В. Справочник по расчетам механизмов подъемно-транспортных машин : справ. / А.В. Кузьмин, Ф.Л. Марон. – 2-е изд., перераб. и доп. – Минск : Вышэйшая школа, 1983. – 350 c.

8. Добровольский, В.А. Детали машин / В.А. Добровольский [и др.]. – М. : Машгиз, 1959. – 581 с.

9. Современное машиностроение. Ч. 5 : Основы машиноведения. Конструкция, параметры и основы конструирования, Кн. 3 : Муфты и тормоза приводов машин: атлас / П.Н. Учаев [и др.]. – 4-е изд., испр. – 2006. – 296 с.

10. Иванов, А.А. Основы робототехники : учебное пособие / А.А. Иванов. – М. : ФОРУМ, 2012. – 224 с.

11. Румянцев, Л.А. Новые планетарные коробки перемены передач / Л.А. Румянцев // Строительные и дорожные машины. – 2014. – № 6. – С. 40–44.

12. Румянцев, Л.А. Устройства управления планетарной коробкой перемены передач / Л.А. Румянцев // Строительные и дорожные машины. – 2014. – № 11. – С. 31–35.

13. Ремизович, Ю.В. Редуктор с изменяемым передаточным числом для крановых механизмов / Ю.В. Ремизович // Вестник СибАДИ. – 2014. – № 3 (37). – С. 22–26.

14. Приводы машин : справочник / В.В. Длоугий, Т.И. Муха, А.П. Цупиков, Б.В. Януш. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л. : Машиностроение, 1982. – 383 c.

15. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя : в 3 т. Т.2 : [справочник специалиста] / В.И. Анурьев ; ред. И.Н. Жесткова. – 9-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 2006. – 960 с.

СибАДИ

41

16. Пат. 2527415 Российская Федерация, МПК F16H 61/26, B60K 20/00 Система автоматизированного переключения передач в механической КПП / Хрящев Ю.Е., Дойников К.В. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «ЯГТУ», ООО «ДВС-Агрегат». – № 2013133120/11 ; заявл. 16.07.2013 ; опубл. 27.08.2014, Бюл. № 24. – 7 с. : ил.

17. Биргер, И.А. Расчет на прочность деталей машин : справочное издание / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1993. – 640 c.

18. Ремизович, Ю.В. Транспортно-технологические машины : учебное пособие / Ю.В. Ремизович, О.В. Курбацкая. – Омск : СибАДИ, 2014. – 156 с.

19. Карасев, Д.А. Развитие конструкций колодочных тормозов с комбинированным приводом / Д.А. Карасев, Н.И. Ивашков, А.Д. Костромин // Подъемно-транспортное дело. – 2010. – № 1. – С. 2–3.

20. Электронный ресурс: http://electroprivod.ru/stenmotopr.htm (01.10.2014 г.). 21. Электронный ресурс: http:// www.thk.com/?q=ru/node/5523 (01.10.2014 г.).

СибАДИ