Расчет реечных и винтовых механизмов изменения вылета

 

Схема стрелового устройства с реечным механизмом вылета показана на рисунке 5.1, а схема реечного и винтового механизмов – на рисунках 5.2 и 5.4.

Компоновочные схемы реечных и винтовых механизмов измене­ния вылета стрелы представлены на рис 5.1 и 5.4. Кинематические схемы механизмов показаны на рис. 5.2 и 5.4. На схемах приняты следующие обозначения

l₁, l₂ - расстояния от ведущей шестерни привода до точки (Е) крепления рейки к стреле соответственно при минимальном (L_min) и максимальном(L_max) вылетах, м;

D_ш - диаметр ведущей шестерни механизма, м (D_ш = 0,16 ¸ 0,24 м);

Fр - усилие в рейке, кН;

r_р - плечо силы, м;

u _р - скорость движения рейки при изменении вылета, м/с;

F_в - усилие в винте, кН;

r_в- плечо силы, действующей в винте;

u _в - скорость поступательного движения винта, м/с;

Количество электродвигателей зависит от выбранной схемы привода (один или два). В последнем случае одиниз них может исполь­зоваться в качестве тормозного электродвигателя, т.е. для регули­рования скорости изменения вылета и для предварительного подтормаживания механизма при остановке.

Предварительное подтормаживание может осуществляется и при наличии одного двигателя путем перевода его в режим электри­ческого торможения, что достигается корректировкой характеристи­ки электродвигателя. Последующее торможение системы осуществляется с помощью тормозов.

В механизмах изменения вылета применяются двухколо­дочные тормозные устройства нормально-замкнутого типа с электрогидравлическим толкателем.

 

Рисунок 5.1 – Схема уравновешенного стрелового устройства с реечнм механизмом изменения вылета

1 – электродвигатель; 2 – упругая муфта с тормозным шкивом; 3 – редуктор; 4 – муфта зубчатая; 5 – демпфер; 6 – рейка зубчатая; 7 – сферический двухрядный роликовый подшипник; 8 – шестерня; 9 – вал; 10 – тормоз типа ТКГ

Рисунок 5.2 – Схема реечного механизма вылета

 

 

Рисунок 5.3 – Кривые нагрузки на рейку механизма изменения вылета

Рисунок 5.4 – Схема уравновешенного стрелового устройства с винтовым механизмом вылета

 

При использовании двух и более тормозных устройств часть из них также выполняет функции первой ступени торможения, а дру­гие применяются для полного торможения. Удержание стрелы осущест­вляется всеми тормозными устройствами.

Редукторы реечных и винтовых механизмов, показанных на рисунках 5.2 и 5.4, имеют передаточное число (Uр = 40...70), открытые передачи U_оп = 4...9. Общее передаточное число механизмов U_общ=300...650.

В качестве исходных данных (основного вида нагрузок) при расчетах всех перечисленных выше типов механизмов принимают величину суммарного момента М_А относительно опорного шарнира стрелы (точка А).

5.2.1 Определение суммарного момента относительно опорного шарнира стрелы (т. А)

 

Суммарный момент M_Ai, кН ^. м /6, 7, 12/

M_Ai = ± М_нс ± М_нг ± М_α ± М_в + М_ц,

 

где М_нc - неуравновешенный момент стреловой системы, кН ^. м;

М_нг - неуравновешенный грузовой момент, кН ^. м;

М_α - момент, возникающий при отклонении груза от вертикали на угол α, кН ^. м;

М_в - момент от действия ветра на стреловое устрой­ство, кН ^. м;.

М_ц - момент от действия центробежных сил инерции масс стрелы и хобота, возникающий при вращении крана, кН ^. м.

Момент от сил инерции стрелы при изменении вылета не учитывается ввиду его малости. Для механизмов изменения вылета стрелы плавучих кранов учитывается дополнительный момент М_кр, вызванный креном и дифферентом понтона крана, т. е.

М¢_А = М_А + М_кр

 

Характер изменения суммарного момента М_А и его от­дельных слагаемых для шарнирно-сочлененного стрелового устрой­ства с прямым хоботом в зависимости от вылета (L) показан на рисунке 5.5

Суммарный момент и его отдельные слагаемые рассчитываются для фиксированных значений положения стрелового устройства (i = 1, 2, 3, 4, 5), характеризующих определенное положение устройства. Для определен­ности будем полагать, что i = 1 и, i = 5 соответствует L_min и L_max, i = 3 - среднему вылету L_cр; i = 2, i = 4 - промежуточным положениям стрелы (рисунок 5.5).

 

Рисунок 5.5 – Характер (приближенный) изменения моментов, действующих на стреловое устройство (определяется для каждого конкретного типа крана)

5.2.2 Определение мощности и выбор двигателя

для реечного и винтового механизмов

 

Мощность двигателя N, кВт /6/

,

где:

- средняя квадратичная нагрузка на рейку (винт), кН;

- скорость рейки, м/с;

- кпд привода.

Нагрузка

,

где F_к – средняя нагрузка на рейку за время t_к, кН (рисунок 5.3)

t_в – время изменения вылета, с.

Средняя скорость рейки (винта ), м/с

,

где l_max и l_min – расстояния от шестерни до точки присоединения рейки к стреле на наибольшем и наименьшем вылетах, м (l_min=l₁; l_max=l₅)

Время изменения вылета t_в, с, определяется по формуле

,

где - скорость изменения вылета, м/с, являющаяся характеристикой крана;

η=η₁η₂η₃ - общий кпд механизма;

η₁ - кпд реечного зацепления;

η₂ - кпд редуктора;

η₃ - кпд стреловой системы (η₃ = 0,8...0,9)

При несовпадении значений относительной продолжительности включения ПВ%, заданных в техническом задании (ТЗ) на проектирование (или определяемым по циклограмме), со значением ПВ%, указанном в каталоге на двигатели, расчетное задание уточняют по формуле:

По полученному N_рас по каталогу выбирают электродвигатель.

Условие выбора электродвигателя:

N_кат ≥ N_рас

 

 

5.2.3 Проверка электродвигателя

на кратковременную перегрузку

 

Условие проверки:

0,8М_max ≥ M_IImax,

 

где M_max - максимальный крутящий момент выбранного электродвигателя (определяется по каталогу), Н ^. м;

M_IImax – максимальный крутящий момент от действующих нагрузок, приведенный к валу двигателя, определенный для второго расчетного случая (ветровая нагрузка р_II = 250 Па), угол отклонения грузовых канатов α_II= 2 α_I (для монтажного крана α_II=6^о, для грейферного α_II=10^о)

M_IImax = max {M_IIi},

 

M_IIi = (± М_нс ± М_нг ± М_αII ± М_в + М_ц)_i ,

где U_об = n_д/ n_ш - общее передаточное число реечного механизма;

U_об = n_д/ n_в - общее передаточное число винтового механизма;

n_д - частота вращения вала электродвигателя, об/мин.;

 

 

n_ш, n_в - частота вращения шестерни и винта, об/мин:

;

 

где S - шаг винтовой нарезки, м;

D_ш – диаметр шестерни, м;

z - число заходов нарезки;

u _p, u _в - скорость перемещения рейки и винта, м/с.

 

 

5.2.4 Выбор редуктора

 

Условия выбора редуктора реечного механизма изменения вылета:

- U_pед = U_об

 

- [N_ред] ≥ N_рас , ,

 

где [N_ред] - мощность, которую можно подвести к быстроходному валу редуктора при n_Б=n_д, n_Б – частота вращения быстроходного вала редуктора, кВт.

 

5.2.5 Выбор тормоза

 

Тормоза стреловых устройств должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Тормоз должен удерживать стреловое устройство в рабочем состоянии; для выполнения этого требования необходимо:

 

Mт ≥ 1,5 M_IImax,

 

где Мт - тормозной момент, который приводится в каталогах на тормозные устройства.

2.Тормоз должен удерживать стреловое устройство в нера­бочем состоянии на наименьшем вылете. Это требование выполняется, если:

 

М_т > 1,15M­ _III,

 

где_­

 

M­ _III - момент на валу электродвигателя, определенный для третьего расчетного случая нагрузок (р_III=1000...2000 Па) при минимальном вылете. Для снижения динамических нагрузок допускается установка двух тормозов с коэффициентом запаса у одного не менее 1,1, у второго - не менее 1,25 /22/.

 

5.2.6 Проверка механизма на время разгона

и на время торможения

 

Выбранный электродвигатель проверяют на время разгона при действии момента М_Imax соответствующего первому расчетному случаю, нагрузок.

Условие проверки: tp≤5…6 c

Кроме того, двигатель проверяют на время разгона при действии минимального статического момента М_{c min}, при отсутствии ветра (р_в=0), груза (Q=0), и при невращающемся кране (F_ц=0).

Условие проверки: t_p≥1,0…1,5 c

 

Время разгона определяют по формуле:

 

,

 

где Е - кинетическая энергия стреловой системы;

n_д- частота вращения вала электродвигателя;

h - КПД механизма;

M_пср - средний пусковой момент двигателя;

М_н- номинальный момент двигателя;

М_с- статический момент;

J_я, J_м - маховые моменты ротора электродвигателя и муфты.

Кинетическую энергию стреловой системы определяют по формуле /3/

Е=0,5[1/3(m_cL_c²w_c²+m_OТL_OТ²w_OТ²)+m_xL_x²w_x²+m_прL_пр²w_пр²],

 

где m_c;m_OТ ; m_x; m_пр - масса стрелы, оттяжки, хобота; противовеса, кг;

L_c; L_OТ; L_x; L_пр - длина стрелы, оттяжки, хобота, противовеса, м;

w_c; w_OТ; w_x; w_пр -угловая скорость вращения стрелы, оттяжки, противовеса, 1/с.

Время торможения механизма рассчитывается по формуле /12/:

 

,

где М_Т - тормозной момент.

При М_с = М_{с max} должно быть t_т ≤4...5 с;

при М_с = М_{с min} должно быть t_т≥1...1,5 с.