Выбор оптимальных параметров механизма подъема

Выбор оптимальных параметров механизма подъема

 

Механизация подъемно-транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских работ в подавляющем большинстве осуществляется с помощью кранов различных типов. От эффективности работы кранов во многом зависит производительность и качество выполненных работ в строительстве, промышленности, судостроении, сельском хозяйстве, на транспорте.

Одной из наиболее важных задач, решаемых на стадии начальной проектирования и модернизации существующих схем строительно-монтажных  кранов, является задача оптимального выбора схем механизмов и металлоконструкций с точки зрения наилучшего использования по метало- и энергоемкости.

Проектирование, изготовление и эксплуатация кранов мостового типа и других специальных кранов на рельсовом ходу имеют ряд специфических особенностей. Краны являются сложными пространственными конструкциями с различной жесткостью опор, имеют значительный собственный вес и большую грузоподъемность, отличаются многоколесными механизмами передвижения и балансирной установкой движителей по сложным схемам. Единичность исполнения и технические характеристики кранов ставят их в раздел уникальных машин. В связи с этим изготовление и тщательное испытание опытных образцов невозможно или требует больших материальных затрат.

В данном разделе мы исследуем механизм подъема козлового крана. Суммарные приведенные затраты на механизмы подъема являются значительными, учитывая высокое качество материалов деталей и узлов механизмов, требования по долговечности, энергозатраты при эксплуатации кранов. Снижение затрат достигается на основе оптимизации механизмов подъема с применением теории и методов оптимального проектирования, которые получают все большее распространение в технике. Кроме того, по России эксплуатируются около 80 % грузоподъемных кранов с истекшим нормативным сроком службы, что требует сокращения сроков проектирования, а поэтому необходима разработка гибких систем автоматизированного проектирования механизмов.

Механизмы подъема кранов на рельсовом ходу выполняют с различной кратностью полиспастов. Проектирование механизмов с минимальными металлоемкостью и энергозатратами на подъем возможно при обоснованном выборе кратности полиспаста, количества навиваемых ветвей на барабан, числа приводов и схемы привода. Наилучший вариант компоновки определяется на основе (рис. 1) предлагаемой методики оптимального проектирования механизмов подъема.

Базовый механизм подъема проектируется с кратностью полиспаста 4 и двойной навивкой на барабан, которое принимается возможно минимальным из рекомендаций. Для него рассчитаны и подобраны все составляющие механизма – двигатель, редуктор, тормоз, муфты.

Оптимальность выбора механизма определим при помощи коэффициента оптимальности по металлоемкости:

     (1)

где  вес барабан, текущего варианта и базового соответственно;

вес двигателей, текущего варианта и базового соответственно;

вес редукторов, текущего варианта и базового соответственно;

вес канатов, текущего варианта и базового соответственно;

вес открытой зубчатой передачи, текущего варианта и базового соответственно;

Проведем расчет для нескольких вариантов механизмов подъема с различным кратностью полиспаста 3 и 5.

Расчет состоит в следующем:

1. Определяем диаметр каната

Для этого найдем усилие в канате, набегающем на барабан [1, стр. 182]:   

      (2)

где g – ускорение свободного падения;

iп – кратность грузового полиспаста;

aп – количество грузовых полиспастов;

hп – кпд грузового полиспаста [4, стр. 271].

      (3)

где  hб – кпд блоков (0,95), [1, стр. 259];

       (4)

где  – коэффициент запаса прочности каната [9, стр. 24, табл. 2.3]:

По найденному усилию подбираем канат.

2. Находим и подбираем параметры  грузового барабана:

Шаг нарезки барабана [1, стр. 189]:

tн=dк+2       (5)

толщина стенки барабана [4, стр. 267]:

.       (6)

где  [sСЖ] – допускаемые напряжения, для Сталь 20Л [sСЖ]=180 Н/мм2 [1, стр. 192, табл. 27]

Требуемый диаметр барабана по средней линии навитого стального каната  [1, стр. 169]:

;       (7)

где   – коэффициент зависящий от типа машины, привода механизма и режима его работы [1, стр. 25, табл. 2.4];

Длина каната, навиваемого на барабан [1, стр. 192]:

      (8)

Наименьшее число витков нарезки барабана [1, стр. 190]:

     (9)

Полная длина нарезной части барабана:

       (10)

Так как барабан с двойной нарезкой, то

lполн=Lн+2×lк+l0      (11)

где  lк – длина конечного участка барабана, на котором размещается крепление каната к барабану;

l0 – длина не нарезной центральной части барабана (l0=150 мм);

3. Определяем мощность двигателя и подбираем редуктор.

4. Выбираем тормоз.

Схемы компоновки механизма подъема в зависимости от кратности полиспаста представлены на рис. 1.

Рис. 1. Схемы компоновки механизмов передвижения

а – кратность 3; б – кратность 4, в – кратность 5.

 

Полученные в ходе расчетов результаты сведем в таблицу:

 

Таблица 1. Составляющие приводов механизм передвижения.

	Кратность 3	Кратность 4	Кратность 5
Каната ГОСТ  7669–80, мм	39,5	34,5	31
Длина каната, м	60	80	100
Мотор-редуктор	BN225S4 314 L3	BN225S4 314 L3	BN225S4 314 L3
Мощность, кВт	37	37	37
Передаточное число	62,6	62,6	62,6
Открытая зубчатая передача	8,45	4,8	4,78
Диаметр барабана, мм	1000	1000	1000
Длина барабана, мм	1553	1590	1648
Толщина стенки барабана, мм	19	17	15

Из справочных данных выпишем вес узлов и механизмов и сведем их в таблицу 2.

 

Таблица 2. Вес узлов и механизмов механизма передвижения.

	Кратность 3	Кратность 4	Кратность 5
Канат, кг	364,8	364	365,5
Мотор-редуктор, кг	520	520	520
Открытая зубчатая передача, кг	54	46	46
Барабан, кг	723	662	606
Итого, кг	1661,8	1592	1537,5

 

 

Для первого варианта, с кратностью, коэффициент оптимальности составит:

Аналогично проведем расчеты для всех вариантов и полученные результаты сведем в таблицу 3 и построим график зависимости коэффициента от кратности полиспаста.

 

Таблица 3. Коэффициент оптимальности зависящий от диаметра ходовых колес.

	Кратность 3	Кратность 4	Кратность 5
kо	4,27	4	3,92

 

Рис. 2. График зависимости коэффициента металлоемкости от кратности полиспаста.

 

Из полученных результатов видим, что наиболее оптимальной с точки зрения металлоемкости будет вариант кратностью полиспаста 5 рис. 1, в.