3.5. Вопросы для самопроверки

1. Назовите виды канатов из растительных и синтетических волокнистых материалов.

2. По каким параметрам определяется диаметр необходимого каната?

3. Назовите виды стальных проволочных канатов.

4. Как различаются канаты по типу свивки прядей?

5. Что такое величина «е» и от чего она зависит?

6. Какими способами увеличивают длину каната?

7. Что такое сварная цепь и как определяются ее размеры?

8. Виды шарнирных цепей и их отличие от сварных.

Раздел 4. Тяговые устройства грузоподъемных машин

Тяговые устройства грузоподъемных машин позволяют осуществлять связь и создавать направление между подъемным механизмом и гибким органом, а также гибким органом и грузом.

К тяговым устройствам относятся: барабаны (тросовые и фрикционные), блоки, звездочки и полиспасты (скоростные и силовые).

Рассмотрим их конструкции и предъявляемые к ним требования.

4.1. Барабаны

С помощью тросовых барабанов крутящий момент подъемного механизма преобразуется в тяговое усилие гибких органов. Выбирая на себя гибкий тяговый орган, барабаны сообщают тяговому органу и грузу поступательное движение. Барабаны изготовляются в виде цилиндров. Как правило, канаты и цепи на поверхности барабана укладываются в один слой в специально проточенные канавки по винтовой линии. Многослойная навивка и гладкая поверхность барабанов допускаются на кранах с групповым приводом, в подъемных механизмах временного характера (строительные и вспомогательные лебедки). Это объясняется тем, что многослойная навивка, хотя и позволяет сократить габариты барабанов, но в то же время вызывает повышенный износ каната и неравномерную скорость навивки.

В большинстве случаев в грузоподъемных машинах применяют нарезные барабаны для однослойной навивки каната. Винтовые канавки, нарезанные на поверхности барабана, увеличивают поверхность соприкосновения, устраняют трение между соседними витками и уменьшают напряжения смятия и износ каната. Поэтому при нарезных барабанах срок службы каната увеличивается.

Профили канавок показаны на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Профили канавок

Профиль канавок выбирается по нормали МН 5365—64 «Барабаны грузовые электрических кранов. Профиль канавок для каната». Шаг нарезки t выбирается следующим образом:

для цепных барабанов:

t = 3,5 d + (2 ÷ 3) мм;

для канатных барабанов:

t = d_K + (2 ÷ 3) мм,

где t – шаг канавки;

d – диаметр цепной стали;

d_K – диаметр каната.

Радиус канавки в обоих случаях принимается равным 0,54· d (d_K)

Канавки для каната бывают двух видов: нормальные и глубокие. Глубокие канавки применяются в том случае, когда грузовая ветвь каната идет вверх. Реборды канавок способствуют удержанию каната. В остальных случаях применяют нормальную канавку. Размеры канавок нормализованы и даются в справочниках.

Конструкция барабана может быть литой (рис.4.2) или сварной.

Рисунок 4.2. Канатный барабан

Рабочую длину барабана можно выразить формулой

l=n·t , (4.1)

где п - число витков на барабане;

t – шаг витков нарезного барабана.

Число витков определяется из соотношения:

, (4.2)

где Н – высота подъема крюка;

т – кратность полиспаста; при отсутствии полиспаста т = 1;

D_б – диаметр барабана;

n_з – запасные витки для разгрузки деталей крепления к барабану конца каната; п₃ = 1,5 ÷ 2;

п_к – число витков, занятых креплением конца каната на барабане, п_к =2÷2,5.

Диаметр барабана или блока, огибаемого канатом, определяют по формуле

D≥d_к (e – 1), (4.3)

где D – диаметр барабана или блока по дну канавки;

е – коэффициент, зависящий от типа грузоподъемной машины и режима ее эксплуатации. Подбирается из справочников.

Канат для механизма подъема

d_к – диаметр каната определяют по справочным данным исходя из условия:

Отсюда (4.4)

где K_k – коэффициент запаса прочности каната, принимаемый в зависимости от типа грузоподъемной машины, характера и режима эксплуатации;

- максимальное рабочее напряжение в полиспасте

- разрывное усилие каната в целом, по условию которого из соответствующего ГОСТа принимаются размеры каната.

Подставляя значение п в формулу рабочей длины барабана, получим:

, (4.5)

где d_к – диаметр каната;

а – зазор между канатами; а = 0,05 ÷0,2d_к.

При наматывании на барабан двух канатов рабочая длина будет удвоенной. При этом на барабане делаются две нарезки – правая и левая.

Полная длина барабана зависит от его конструкции, толщины бортов, длины посадочных мест для зубчатых колес и пр.

Радиус канавки определяют из соотношения:

r ≈ 0,54 d_к

Барабаны выполняются литыми из чугуна (не ниже марки СЧ15 – 32) или из стали (не ниже 25 ЛΙΙΙ) и сварными из стали (не ниже марки ВСт3сп). Стенки барабана испытывают сложное напряжение сжатия, кручения и изгиба. При барабанах длиной менее трех диаметров напряжения изгиба и кручения не превышают обычно 10–15% от напряжения сжатия. Поэтому основным расчетом стенки барабана является расчет на сжатие. При огибании канатом с натяжением S барабана диаметром D давление на элементарную дугу кривой с центральным углом:

(4.6)

Напряжение сжатия стенки барабана определяется по теории напряженного состояния кольца, нагруженного равномерно распределенным по его внешней поверхности давлением. Наибольшее напряжение сжатия возникает на внутренней поверхности кольца и оказывается равным (по формуле. Лямэ):

(4.7)

(4.8)

где δ – минимальная толщина стенки барабана.

Толщина стенки δ₁ определяется по эмпирическим формулам: для канатного барабана δ₁ = 0,02 D_б (0,6 ÷ 1,0) см, причем, у чугунных барабанов δ₁ ≥1,2 см; для цепных барабанов δ₁ = (0,75 ÷ 1,3)d₁, где d₁ – диаметр цепной проволоки, см.

Поверочный расчет толщины стенки барабана при его длине L < 3D производят на сжатие от равномерно распределенной нагрузки q.

, (4.9)

где натяжение каната;

D₁ – наружный диаметр барабана;

t – шаг нарезки.

Максимальное напряжение сжатия в толстостенной трубе, подверженной извне давлению интенсивностью q, определяют по формуле Ламе:

, (4.10)

где D₂ – внутренний диаметр барабана. Но так как:

D₁ – D₂ =2δ

и D₁ + D₂ =2(D₁ –δ) ,

то (4.11)

или, упрощенно считая, что D₁ – ≈ D₁, получаем:

(4.12)

Эти формулы справедливы для барабана с одним слоем каната. Запас прочности должен быть для стальных барабанов не менее 2 относительно предела текучести σ_т и для чугунных барабанов не менее 5 относительно предела прочности при сжатии σ_{в сж}.

Рисунок 4.3. К расчету барабана

Для барабанов, имеющих значительную длину (L≥ЗD), следует вести расчет на изгиб, кручение и сжатие.

При расчете на изгиб барабан рассматривают как балку, свободно лежащую на ступицах (рис. 4.3, б). Нагрузка (натяжение каната) приложена к середине барабана, следовательно,

Величина крутящего момента:

Напряжение изгиба стенки барабана:

(4.13)

и напряжение кручения:

(4.14)

В случае необходимости учета всех видов напряжений результирующее напряжение для стальных барабанов:

σ_сумм= ; (4.15)

Приведенный метод расчета является широко распространенным в инженерных практических расчетах. Однако надо иметь в виду, что он является приближенным методом, рассматривающим тело барабана как бесконечную трубу, и в нем не рассматриваются вопросы местных напряжений, возникающих в месте стыка обечайки с лобовиной и в местах установки ребер жесткости.

Для нормальной работы каната и повышения его долговечности следует обеспечить правильное набегание каната на блок или барабан так чтобы не создавался резкий перегиб каната, и этим избежать нежелательного нажатия каната на край реборды, которое приводит к повышенному износу каната и возможности излома реборды блока. Для этого канат не должен отклоняться от плоскости, проходящей через плоскость блока, более чем на угол (рис. 4.4.), зависящий от формы ручья блока:

(4.16)

где угол раствора ручья блока 2α = 60°, что допускает отклонение каната γ до 6°. При набегании каната на барабан угол γ, условно отсчитываемый от оси блока (рис. 4.5., а), при практических расчетах принимается не более 2° для гладких барабанов, где витки каната ложатся вплотную друг к другу, и не более 6° для нарезных барабанов. Величина этого угла определяет минимальное расстояние оси направляющего блока относительно оси барабана. Так, для нарезных барабанов:

для гладких:

2°

где l – длина барабана.

Этими же углами при верхнем положении крюковой обоймы определяется и длина b ненарезанной части барабана сдвоенного полиспаста (рис. 4.5, б). Максимальная возможная длина ненарезанного участка

b_max = В + 2h_min tg γ

и минимальная возможная длина этого участка: b_min = В – 2h_min tg γ ,

где В – расстояние между центрами блоков крюковой обоймы.

Рисунок 4.4. Схема для определения допускаемого угла отклонения каната на блоке

Для правильной укладки каната на барабан, а также для предохранения каната от его смещения и запутывания при ослаблении каната применяют канатоукладчики различных типов (рис. 4.5), В канатоукладчике (рис. 4.5., а) канат 2 проходит через блок 1, имеющий возможность перемещаться вдоль оси 3 под действием усилия каната. В этом случае канат набегает на барабан перпендикулярно оси барабана независимо от угла набегания каната на блок, что и обеспечивает правильную укладку каната. Правильную укладку и невозможность смещения каната обеспечивает и канатоукладчик (рис. 4.5., б), в котором канат 2 проходит между двумя подпружиненными гладкими роликами 4 или прижимается к барабану одним роликом 4 (рис. 4.5., в), установленным на подпружиненных рычагах 5.

При многослойной навивке наибольшее применение имеет канатоукладчик (рис. 4.5., е), состоящий из каретки 7 с направляющими блоками, совершающей челночное движение по направляющей 3 под действием винта 6, имеющего левую и правую нарезки. Винт 6 через цепную или зубчатую передачу 8 имеет привод от вала барабана, и каретка перемещается вдоль осп барабана на один шар навивки каната за каждый оборот барабана.

У барабанов, имеющих винтовую нарезку, для предотвращения выпадения каната из винтовой нарезки при его ослаблении применяются канатоукладчики (рис. 4.5., д), состоящие из кольца-гайки 9, перемещающейся при вращении барабана по его нарезке и по направляющей 3. Укладываемый канат проходит через окно в гайке.

Рисунок 4.5. Схемы канатоукладчиков