3 Как на эффективность работы влияет веревка
Избежать зажатия и перекручивания веревки можно, если использовать дополнительные приспособления, к примеру, монтажные платы, которые позволяют разнести ролики относительно друг друга. Категорически не рекомендуем применять в полиспастах растягивающиеся веревки, поскольку в сравнении с обычными статическими изделиями они очень серьезно проигрывают в эффективности. Собирая блок для подъема грузов, специалисты используют и грузовую, и отдельную веревки, которые прикрепляются к объекту независимо от подъемного приспособления.
Эксплуатация отдельных веревок дает некоторое преимущество. Суть заключается в том, что отдельная веревка предоставляет возможность предварительно или заранее собрать всю конструкцию. К тому же, можно существенно облегчить проход узлов, поскольку используется вся длина веревки. Единственный недостаток – это невозможность фиксировать груз в автоматическом режиме. Грузовые же веревки могут похвастаться именно такой особенностью, поэтому в случае возникновения необходимости в автофиксации груза воспользуйтесь именно грузовой веревкой.
Большое значение имеет обратный ход. Данный эффект является неизбежным, поскольку в момент снятия, а также при перехватывании веревки или остановке на отдых груз непременно двигается в обратную сторону. От качества используемых блоков, а также всего устройства в целом зависит то, насколько сильно груз уйдет обратно. Можно предотвратить возникновение данного явления, если приобрести специальные ролики, обеспечивающие пропуск веревки исключительно в одном направлении.
Расскажем немного о том, как правильно крепить грузовую веревку к подъемному механизму. Далеко не всегда даже самый предусмотрительный мастер обладает веревкой необходимой длины, которая требуется для крепления динамической части блока. Поэтому разработано несколько способов крепления механизма:
При помощи схватывающих узлов. Эти узлы завязываются в пять оборотов из репшнуров, сечение которых не превышает 8 мм. Использование подобных узлов является самым эффективным и, соответственно, распространенным. По словам специалистов, узлы являются очень прочными и надежными. Лишь нагрузка свыше 13 кН способна привести к сползанию такого узла
Важно то, что даже при сползании узел никоим образом не деформирует веревку, оставляя ее в целости и сохранности. Применение зажимов общего назначения
Данные приспособления можно использовать даже в сложных климатических условиях, к примеру, на мокрых или обледенелых веревках
Нагрузка в 7 кН способна привести к сползанию зажима, что приводит к повреждению веревки, хотя и не очень сильному. Персональные зажимы. Они применяются только при небольших работах, поскольку нагрузка свыше 4 кН приводит к сползанию зажима и последующему обрыву веревки.
Определение КПД полиспаста
Введение………………………………………………………………………………………….3 Задание, исходные данные………………………………………………………………………4 Определение КПД полиспаста………………………………………………………………….5 Определение натяжения ветви каната, идущей на барабан…………………………………..6 Подбор каната по разрывному усилию………………………………………………………….7 Определение размеров барабана………………………………………………………8 Подбор электродвигателя………………………………………………………………………10 Подбор редуктора………………………………………………………………………………11 Подбор тормоза…………………………………………………………………………………13 Кинематическая схема………………………………………………………………………….15
Введение
Основной грузоподъемный механизм – лебедка, применяется как самостоятельно, так и в качестве составной части строительных кранов.
Лебедка состоит из барабана, на который навивается канат, зубчатых и червячных передач, тормоза и двигателя.
Лебедки с механическим приводом выполняются одно- или многобарабанными, с приводом от электродвигателя.
Однобарабанные реверсивные лебедки с электроприводом пригодны в комбинации с полиспастами для подъема грузов любой массы. Лебедки этого типа имеют сварную раму, на которой установлен барабан, двухступенчатый зубчатый редуктор, тормоз, электродвигатель.
Электродвигатель с редуктором соединяется упругой муфтой, одна из половин которой является одновременно тормозным шкивом.
Тормоз двухколодочный с короткоходовым электромагнитом. Электрическая часть магнита включена параллельно электродвигателю привода. Спуск груза принудительный – реверсированием (изменением направления вращения) двигателя. Скорость спуска равна скорости подъема или несколько превышает ее.
Рис. 1. Общая расчетная схема механизма подъема груза:
1 – строящееся здание; 2 – груз; 3 – направляющий блок; 4 – стрела крана; 5 – канат (трос); 6 – барабан; 7 – эл. Двигатель; 8 – редуктор; 9 — полиспаст
Задание, исходные данные
Требуется:
- Подобрать канат по ГОСТу.
- Определить диаметр, длину и канатоемкость грузового барабана.
- Определить необходимую мощность двигателя и выбрать его тип.
- Определить общее передаточное число лебедки и подобрать её тип.
- Выбрать тип тормоза и определить вес тормозного груза.
Начертить кинематическую схему подъемного механизма (с указанием всех размеров передач и тормозного устройства).
Исходные данные:
- Вес поднимаемого груза Q, кг – 2000;
- Высота подъема груза, Н×м – 50;
- Скорость подъема груза, м/мин – 30;
- Режим работы механизма – средний;
- Схема подвески груза – Б;
- Лебедка: электрическая, реверсивная с индивидуальным приводом, двигатель лебедки электрический, тормоз колодочный.
Рис. 2. Схема полиспастной подвески груза
1 – одноступенчатый редуктор; 2 – соединительная муфта; 3 – колодчатый тормоз: 4 – электродвигатель; 5 – барабан; 6 – канат; 7 – полиспаст.
Определение КПД полиспаста
Если соединить по определенной схеме несколько подвижных и неподвижных блоков, закрепленных в обоймах, огибаемых гибким элементом (канатом, цепью), то такое устройство называется полиспастом.
Кратность полиспаста определяется числом ветвей каната, на которых подвешен груз, и характеризуется, во сколько раз достигается выигрыш в силе. Блоки различают направляющие с неподвижными осями и блоки ведущие, служащие для передачи крутящего момента. К первой группе относятся блоки, применяемые для изменения направления канатов при работе грузоподъёмных механизмов.
Диаметр блока подбирают в зависимости от сечения гибких элементов. Так, для стреловых кранов на автомобильном, гусеничном и железнодорожном ходу:
Dбл > 16 × dк – при легком режиме;
Dбл > 18 × dк – при среднем режиме;
Dбл > 20 × dк – при тяжёлом режиме;
При набегании каната на блок тратится работа на деформацию каната и на трение в опорах, что характеризуется КПД блока.
При многократном полиспасте:
– КПД блока на подшипниках скольжения принят равным .
Определение натяжения ветви каната, идущей на барабан
Определить усилие в канате, навиваемом на барабан, можно по формуле:
,
где – вес поднимаемого груза, кН;
– вес подвесных приспособлений, кН (принимаем за 5% от веса груза);
– кратность полиспаста;
– КПД полиспаста.
кН.
(внимание ошибка!!!) значение равно 7,15 кН
Расчет полиспаста
Расчетные операции для определения усилий, действующих на элементы системы в ходе работы, нужно начинать с определения параметров и сил, воздействующих на блок:
- сила воздействия груза (Sн);
- тяговая сила мотора (Sc);
- α – угол отклонения;
- D – диаметр блока (ручья);
- d – диаметр втулки.
Стоит сразу отметить, что современные устройства такого типа фактически не имеют углов отклонения. Поэтому (ввиду отсутствия практического смысла) ими можно пренебречь, а в дальнейших расчетах принять синус этого угла за единицу.
Для блока уравнение моментов сил выглядит так:
Sс*R = Sн*R + q*Sн*R + N*f*d/2
- SнR – это момент силы, с которой на систему воздействует груз;
- q – это коэффициент, определяющий жесткость троса при огибании ролика (определяется экспериментально), он учитывает силы, обусловленные структурой витков самого троса или каната;
- N – нагрузка на ось блока;
- f – коэффициент, определяющий силу трения втулки блока.
Для реального практического расчета показатель q не имеет значения. Точнее, его показатель настолько мал в сравнении с силой трения во втулке, что его можно не учитывать. В таком случае формула выглядит так:
Sс*R = Sн*R + N*f*d/2
Находим нагрузку N. Она определяется разницей в нагрузках на трос с разных сторон блока:
N = 2*Sн*R*sin(α)
А поскольку мы опускаем углы, упрощаем формулу до:
N = 2*Sн*R
Объединив все получим формулу определения КПД подъемного устройства:
Убрав незначительные параметры, формула упрощается до:
ηп = 1/(1+2*f*d/D)
Эта формула показывает, что для КПД системы самое важное значение имеет качество применяемых в ней блоков и их материалов. Чем ниже их сила трения, тем выше показатель КПД
- 97% – принимаемое среднее, если в элементах используются бронзовые втулки и подшипники качения;
- 95% – применяются подшипники скольжения;
- 93% и ниже – запыленные места, агрессивные природные условия работы механизма, высокая температура.
Теперь расчет сил на один блок нужно применить на соответствующее их количество в системе.
S1 = S0* ηп
S2 = S1*ηп = S0* ηп * ηп = S0*( ηп)2
Sn = S0*( ηп)n
Сумма усилий с формулой преобразования геометрической прогрессии позволит получить показатель S0 в прямой зависимости от веса поднимаемого груза (Р).
S0 = P*(1 — ηп)/(1 — (ηп)n+1
Кроме того, в зависимости от конструкции системы вероятно придется учитывать нагрузки на остальные обводные ролики, КПД работы каких также стоит учитывать при расчете.
Система блоков — полиспаст
Полиспаст — система подвижных и неподвижных блоков, соединенных гибкой связью (канаты, цепи) используемая для увеличения силы или скорости подъема грузов. Используется полиспаст в случаях, если необходимо прилагая минимальные усилия поднять или переместить тяжелый груз, обеспечить натяжение и т.п. Простейших полиспаст состоит всего из одного блока и каната, при этом позволяет в два раза снизить тяговое усилие, необходимое для подъема груза.
Обычно в грузоподъемных механизмах применяют силовые полиспасты, позволяющие уменьшить натяжение каната, момент от веса груза на барабане и передаточное число механизма (тали, лебедки). Скоростные полиспасты, позволяющие получить выигрыш в скорости перемещения груза при малых скоростях приводного элемента. Они применяются значительно реже и используются в гидравлических или пневматических подъемниках, погрузчиках, механизмах выдвижения телескопических стрел кранов.
Основной характеристикой полиспаста является кратность. Это отношение числа ветвей гибкого органа, на котором подвешен груз, к числу ветвей наматываемых на барабан (для силовых полиспастов), либо отношение скорости ведущего конца гибкого органа к ведомому (для скоростных полиспастов). Условно говоря, кратность это теоретически рассчитанный коэффициент выигрыша в силе или скорости при использовании полиспаста. Изменение кратности полиспаста происходит путем введения или удаления из системы дополнительных блоков, при этом конец каната при четной кратности крепится на неподвижном элементе конструкции, а при нечетной кратности — на крюковой обойме.
В зависимости от количества ветвей каната, закрепленных на барабане грузоподъемного механизма, можно выделить одинарные (простые) и сдвоенные полиспасты. В одинарных полиспастах, при наматывании или сматывании гибкого элемента вследствие его перемещения вдоль оси барабана, создается нежелательное изменение нагрузки на опоры барабана. Также в случае отсутствия в системе свободных блоков (канат с блока крюковой подвески непосредственно переходит на барабан) происходит перемещение груза не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости.
Для обеспечения строго вертикального подъема груза применяют сдвоенные полиспасты, (состоящие из двух одинарных), в этом случае на барабане закрепляются оба конца каната. Для обеспечения нормального положения крюковой подвески при неравномерной вытяжке гибкого элемента обоих полиспастов применяют балансир или уравнительные блоки. Такие полиспасты применяют в основном в мостовых и козловых кранах, а также в тяжелых башенных кранах для того, чтобы можно было использовать две стандартные грузовые лебедки вместо одной крупногабаритной большой мощности, а также для получения двух или трех скоростей подъема груза.
В силовых полиспастах при увеличении кратности можно использовать канаты уменьшенного диаметра, и как следствие уменьшить диаметр барабана и блоков, снизить массу и габариты системы в целом. Увеличение кратности позволяет снизить передаточное число редуктора, но одновременно требует большей длины каната и канатоемкости барабана.
Скоростные полиспасты отличаются от силовых тем, что в них рабочая сила, обычно развиваемая гидравлическим или пневматическим цилиндром, прикладывается к подвижной обойме, а груз подвешивается к свободному концу каната или цепи. Выигрыш в скорости при использовании такого полиспаста получается в результате увеличения высоты подъёма груза.
При использовании полиспастов следует учитывать, что используемые в системе элементы не являются абсолютно гибкими телами, а имеют определенную жесткость, поэтому набегающая ветвь не сразу ложится в ручей блока, а сбегающая ветвь не сразу выпрямляется. Это наиболее заметно при использовании стальных канатов.
Устройство полиспаста и условия его работы
Основная область применения полиспастов – стреловые механизмы кранов. Всё многообразие полиспастов может быть сведено к двум требованиям: либо увеличить силу (силовые полиспасты), либо поднять скорость (скоростные полиспасты). В подъёмных кранах чаще используются первые, а подъёмниках – вторые. Таким образом, схемы скоростных и силовых полиспастов взаимно обратные.
В состав полиспаста входят следующие составляющие:
Блоки с неподвижными осями
Блоки с подвижными осями.
Обводные блоки.
Обводочные барабаны.
Все вышеперечисленные элементы располагаются преимущественно в вертикальной компоновке, причём место размещения барабана зависит от наличия обводных блоков: сверху, если такие блоки отсутствуют, и снизу – если присутствуют.
Количество блоков с неподвижными осями всегда на один меньше, чем с подвижными. При этом общее количество блоков определяет (для силовых полиспастов) кратность увеличения суммарного усилия на механизме. Количество обводных блоков определяется размерами узла: с увеличением числа таких блоков усилие также увеличивается.
Силовые полиспасты, назначение и устройство которых характеризуется несколькими параметрами, важнейшим из которых является нагрузка, развиваемая в подъёмном механизме. Она увеличивается с увеличением расчётной грузоподъёмности крана, кратности устройства (количества ветвей каната, на которых подвешен груз) и КПД блока. КПД учитывает потери на трение в осевых опорах, а также потери, определяемые жёсткостью каната или цепи.
Полиспастов может быть несколько, тогда суммарная нагрузка на блок пропорционально уменьшается. Одинарные полиспасты конструктивно проще, но и наименее эффективны. В них один конец неподвижно закрепляется на неподвижном элементе, а второй – на барабане. При этом угол отклонения весьма ограничен из-за опасности схода каната с блока. Наличие обводного блока существенно улучшает условия работы механизма: нагрузка становится симметричной, что снижает износ каната, и увеличивает допустимую скорость вращения блоков. Устойчивость действия полиспаста зависит также от расстояния между обводным и основными блоками. С увеличением этого параметра надёжность полиспаста как функционального узла возрастает, хотя одновременно увеличивается (из-за наличия соединительной оси) и его сложность.
Другими схемами полиспастов, применяемых на практике, являются:
- Сдвоенные трёхкратные, когда в схеме присутствует три рабочих блока и два обводных;
- Сдвоенные трёхкратные, снабжённые уравнительной траверсой. Вариант используется в грузоподъёмной технике, которая эксплуатируется в тяжёлых и особо тяжёлых условиях.
https://youtube.com/watch?v=nbbklUjHmxQ%3F
Скоростные полиспасты
Скоростной полиспаст — по существу обращённый силовой полиспаст, то есть усилие (обычно от гидравлического или пневматического силового цилиндра) прикладывается к подвижной обойме, а груз подвешивается к сбегающему концу каната. Выигрыш в скорости при использовании такого полиспаста получается в результате увеличения высоты подъёма груза, которая равна произведению хода поршня силового цилиндра на кратность полиспаста. Во многих кранах по конструктивным соображениям механизм подъёма груза расположен не над крюковой обоймой. В этом случае появляется необходимость в установке между полиспастом и барабаном неподвижных направляющих блоков. Наибольшее применение в грузоподъёмных машинах находят:
Одинарные силовые полиспасты. В одинарных — один конец каната закреплён на барабане, другой на неподвижной части конструкции крана или крюковой обойме, барабан имеет нарезку в одну сторону.
Отношение скорости в ветви (для одинарных полиспастов) каната, набегающей на барабан, к скорости подъёма груза называют кратностью полиспаста. Её обозначают буквой «а». Недостатком схем одинарных полиспастов является нежелательное изменение нагрузки, действующей на опоры барабана при подъёме или опускании груза.
Сдвоенные силовые полиспасты. Сдвоенные: оба конца закреплены на барабане; барабан имеет нарезку в правую и левую стороны. Такие полиспасты можно рассматривать как два одинарных. Сдвоенный полиспаст имеет верхний блок, называемый уравнительным. Он предназначен для выравнивания длины ветвей каната при неравномерном их вытягивании. Уравнительный блок может быть заменён рычагом. При этом вместо одного каната устанавливаются два, что особенно выгодно в механизмах с большой кратностью, для которых требуются канаты большой длины. При чётной кратности уравнительный блок расположен на неподвижной оси, при нечётной кратности — на подвижной оси крюковой обоймы.
Применение
Обычно полиспаст является частью механизмов подъёма и изменения вылета стрелы подъёмных кранов и такелажных приспособлений
Самостоятельно полиспаст применяется для подъёма (опускания) небольших грузов (например, шлюпок на судах)
Сдвоенные полиспасты имеют широкое применение в механизмах подъёма многих кранов — мостовых, консольных, козловых и других, где постоянство давлений на опоры барабана во время подъёма или спуска груза важно для обеспечения равномерной загрузки металлоконструкции моста под обоими рельсами. Полиспаст в альпинизме
В горном туризме и альпинизме полиспаст применяется для натяжения перил и переправ, для подъёма пострадавшего (например, провалившегося в трещину)
Используется система из двух схватывающих узлов или механических зажимов, например жумаров. В промышленном альпинизме этот же принцип используется в такелажных работах при подъёме конструкций. Оригинальным решением специфического альпинистского полиспаста является так называемый полиспаст Мунтера. Степенной полиспаст применяется при электрификации железных дорог для натяжения проводов контактной сети. Небольшие полиспасты используются для натяжения подвесных кабелей связи и силовых кабелей, а также несущих тросов при строительстве подвесных линий по столбам и по крышам домов: мускульная сила человека обычно не позволяет натянуть большой пролёт кабеля достаточно сильно. Полиспаст может использоваться для вытягивания застрявшего в грунте автомобиля, если нет лебёдки.
Как производить расчеты для полиспаста
Несмотря на то что теоретически конструкция полиспаста предельно простая, на практике не всегда ясно, как поднять груз с помощью блоков. Как понять, какая кратность понадобится, как выяснить КПД подъемника и каждого блока в отдельности. Для того чтобы найти ответы на эти вопросы, нужно выполнить расчеты.
Расчет отдельного блока
Расчет полиспаста нужно выполнять из-за того, что условия работы далеки от идеальных. На механизм действуют силы трения в результате движения троса по шкиву, в результате вращения самого ролика, какие бы подшипники ни применялись.
Кроме того, на стройплощадке и в составе строительной техники редко применяется гибкая и податливая веревка. Стальной канат или цепь обладают гораздо большей жесткостью. Так как для сгибания такого троса при набегании на блок требуется дополнительное усилие, его тоже нужно обязательно учитывать.
Для расчета выводят уравнение моментов для шкива относительно оси:
SсбегR = SнабегR + q SнабегR + Nfr (1)
В формуле 1 показаны моменты таких сил:
- Sсбег – усилие со стороны сбегающего каната;
- Sнабег – усилие со стороны набегающего каната;
- q Sнабег – усилие, для сгибания/разгибания каната с учетом его жесткости q;
- Nf – сила трения в блоке, с учетом коэффициента трения f.
Для определения момента все силы умножаются на плечо – радиус блока R или радиус втулки r.
Сила набегающего и сбегающего троса возникает в результате взаимодействия и трения нитей каната. Поскольку сила для сгибания/разгибания троса существенно меньше остальных, вычисляя воздействие на ось блока, этим значением часто пренебрегают:
N = 2 Sнабег×sinα (2)
В этом уравнении:
- N – воздействие на ось шкива;
- Sнабег – усилие со стороны набегающего каната (принимается примерно равным Sсбег;
- α – угол отклонения от оси.
Блок полиспаста
Расчет полезного действия блока
Как известно, КПД – коэффициент полезного действия, то есть насколько результативна была выполненная работа. Его рассчитывают, как отношение выполненной и затраченной работ. В случае с блоком полиспаста применяется формула:
ηб = Sнабег/ Sсбег = 1/(1 + q + 2fsinα×d/D) (3)
В уравнении:
- 3 ηб – КПД блока;
- d и D – соответственно, диаметр втулки и самого шкива;
- q – коэффициент жесткости гибкой связи (каната);
- f – коэффициент трения;
- α – угол отклонения от оси.
Из этой формулы видно, что на КПД влияет строение блока (посредством коэффициента f), его размер (через отношение d/D) и материал каната (коэф. q). Максимальное значение КПД можно получить, используя втулки из бронзы и подшипники качения (до 98%). Подшипники скольжения дадут до 96% коэффициент полезного действия.
На схеме изображены все силы S на разных ветвях каната
Как высчитать КПД всей системы
Подъемный механизм состоит из нескольких блоков. Суммарный КПД полиспаста не равен арифметической сумме всех отдельных составляющих. Для вычисления используют куда более сложную формулу, а точнее – систему уравнений, где все силы выражаются через значение первичной S0 и КПД механизма:
- S1=ηп S0;
- S2=(ηп)2 S0; (4)
- S3=(ηп)3 S0;
Sn=(ηп)n S0.
КПД полиспаста при разной кратности
Поскольку значение КПД всегда меньше 1, с каждым новым блоком и уравнением в системе значение Sn будет стремительно уменьшаться. Суммарный КПД полиспаста будет зависеть не только от ηб, но и от количества этих блоков – кратности системы. По таблице можно найти ηп для систем с разным количеством блоков при разных значениях КПД каждого.
