Сравнительная оценка гибких органов

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 44Следующая ⇒

Рассмотренные типы гибких органов подъемного механизма — пеньковые и проволочные канаты, сварные и шарнирные цепи существенно различаются своими механическими и эксплуатационными качествами — гибкостью, относительной прочностью, надежностью, характером износа, поперечными размерами и весом 1 пог. метра Чтобы установить области рационального применения различных гибких органов, подытожим и сопоставим их характерные особенности.

Пеньковые канаты вследствие малой прочности, которая, кроме того, понижается от истирания волокон и их разложения под действием влаги, почти не применяются в качестве гибкого органа подъемных механизмов, но широко используются для обвязки грузов при подвеске их на крюк.

Сварные цепи значительно тяжелее стальных канатов. Их надежность ниже, чем у проволочных канатов, не обнаруженная своевременно некачественная сварка одного звена может привести к внезапному разрушению цепи при подъеме груза. В отношении гибкости во всех направлениях сварные цепи лучше всех прочих гибких органов, но передача усилия между соседними звеньями у них явно неблагоприятна – теоретически звенья соприкасаются в одной точке, вследствие чего эти места звеньев цепи подвергаются при работе интенсивному износу. Спокойная и бесшумная работа сварных цепей обеспечивается при сравнительно небольших рабочих скоростях до 0,1 м/сек.

Шарнирные грузовые цепи, хотя элементы их изготовляются из высококачественных сталей с соответствующей термической обработкой, оказываются не легче сварных. Шарнирные цепи обладают гибкостью только в плоскости, перпендикулярной к осям шарниров, не допуская изгиба в плоскости шарниров. Даже небольшие искривления цепи в этом направлении (например, при раскачивании подвешенного груза) приводят к одностороннему нагружению ее и перенапряжению пластин. Надежность шарнирных цепей вследствие применения для их изготовления высококачественных сталей и отсутствия сварки безусловно выше, чем у сварных цепей. Допускаемые рабочие скорости шарнирных цепей также выше, чем у сварных цепей.

Таким образом, при безотносительном сравнении проволочных канатов и цепей все эксплуатационные преимущества оказываются на стороне канатов.

Несмотря на это, сварные и шарнирные цепи все-таки применяются в качестве гибкого органа подъемных механизмов в соответствующих случаях. Одной из причин применения цепей является то, что при заданной грузоподъемности диаметр приводной звездочки получается значительно меньше, чем диаметр канатного барабана. В связи с этим уменьшается грузовой момент и, следовательно, передаточное отношение, габариты и вес передаточного механизма. Типичным примером подобных механизмов являются переносные ручные тали, в которых поэтому и применяются в качестве гибкого органа сварные и шарнирные цепи, а не проволочные канаты.

Лекция № 6 (2 часа)

Полиспасты

План лекции

6.1Назначение полиспастов.

6.2Типы полиспастов.

6.3 Определение КПД полиспаста

Назначение полиспастов

Полиспаст – это система нескольких подвижных и неподвижных блоков, связанных общим гибким органом (канатом или цепью).Название произошло от греческого слова «рolyspaston», что означает "натягиваемый многими канатами". Принцип действия полиспастов основан на законах использовании рычажных систем и блоков. В основу действия полиспастовтакже положено золотое правило механики: выигрываешь в силе – проигрываешь в расстоянии (и наоборот).

Полиспасты применяются для подьема и подтягивания груза. Введение полиспастов в подьемный или стреловой механизмы крана позволяет уменьшить натяжение тягового органа и грузовой момент на барабане.

Самая простая схема подвешивания груза изображена на рисунке 6.1, а, где один конец каната закреплен на барабане, а на другом конце находится груз массой Q.При этом в канате возникает усилие F= Q.

При увеличении массы грузаQ в канате такжебудет увеличиваться и усилиеF. Так как от величины этого усилия зависят диаметры каната, блоков и барабана, то это приведет к увеличению их размеров и стоимости.

Поскольку момент на барабане равен произведению усилия в канате на радиус барабана (Т_б= FR_б), то с ростом Fбудет увеличиваться крутящий момент, что приведет к увеличению массы и габаритных размеров механизм подъема, который станет громозким, тяжелым и экономически не выгодным.

В этой связи есть смысл уменьшить усилие в канате, за счет подвеса груза не на одной, а на нескольких ветвях каната:двух (рисунок 6.1, б) или трех (рисунок 6.1, в). В первом случае натяжение каната уменьшается в два раза, а во втором – в три раза, что, соответственно, позволит снизить массу, габариты и стоимость элементов подъемного механизма.

Рисунок 6.1 – Схемы запасовки простейших полиспастов: 1 – барабан; 2 – канат: 3 – неподвижный блок; 4 – крюковая подвеска; 5 – подвижный блок

Одной из основных характеристик полиспаста является кратность, которая определяется как отношение скорости навивания каната на барабан υ_бар к скорости подъема груза υ_гр:

(6.1)

В общем случае кратность полиспаста равна числу ветвей каната, на которых подвешен груз. Кратность полиспаста, изображенногона рисунке 6.1, а – u_п= 1, на рисунке 6.1, б – u_п = 2, на рисунке 6.1, в – u_п = 3.

Типы полиспастов

По принципу действия различаютсиловые и скоростные полиспасты. Силовые полиспасты позволяют выиграть в силе, а скоростные – в скорости.

Полиспаст, изображенный на рисунке 6.2, а является силовым, т.к. груз Qподвешен на двух ветвях каната (u_п = 2). Для этих полиспастов сила тягиF_oи скорость подъема груза уменьшаются в два раза. На практике чаще применяют полиспасты этого типа.

Рисунок 6.2 – Схемы силового (а) и скоростного (б) полиспаста

Полиспаст, изображенный на рисунке 6.2, б, называется мультипликатором. Кратность подобных полиспастов определяется по обратной зависимости:

(6.2)

где υ_п – скорость перемещения обоймы полиспаста.

При использовании подобных полиспастов сила тяги F и скорость подъема грузаυ_гр увеличиваются в два раза, т.е. это скоростной полиспаст. Эти полиспасты применяют главным образом в гидравлических и пневматических автомобильных подъемниках для увеличения скорости подъема автомобиля по сравнению со скоростью движения поршня.

Полиспаст состоит минимум из двух блоков: неподвижного, прикрепляемого к подъемному приспособлению («земле»), и подвижного, к которому крепится поднимаемый груз. Оба блока соединяются между собой канатом. Если число рабочих нитей полиспаста, идущих к подвижному блоку, четное, то конец каната закрепляют к верхнему неподвижному блоку (рисунок 6.3, а, б), а если нечетное – к нижнему подвижному блоку (рисунок 6.3, в, г).

Рисунок 6.3 – Схемы одинарных полиспастов: а, б – с ветвью, сходящей с верхнего блока;в, г – с ветвью, сходящей с нижнего блока

Если канат полиспаста сбегает с верхнего неподвижного блока, то этот блок считается отводным, что необходимо учитывать при расчете полиспастов.

Полиспасты, показанные на рисунке 6.3, называются одинарными, т.к. на барабан наматывается одна ветвь каната (а = 1). При использовании полиспастов, показанных на рисунке 6.3, в, г груз может отклоняться от вертикальной трассы перемещения. Если по технологическим или иным причинам требуется строго прямолинейный подъем груза, то используют сдвоенныеполиспасты, у которых на барабан навиваются два конца канат (а = 2). Подобные полиспасты применяют в мостовых, козловых и других кранах.

Сдвоенный полиспаст (рисунок 6.4) включает барабан 1, на котором закреплено оба конца каната 2. Канат огибает уравнительный блок 3 и подвижные блоки 4 крюковой подвески 5.

При одновременном наматывании обоих концов каната средняя точка на уравнительном блоке 3 остается неподвижной. Уравнительный блок при подъеме груза не вращается и только при неравномерной вытяжке концов каната слегка поворачивается вокруг оси.

а)

б)

Рисунок 6.4 – Схема (а) и крюковая подвеска (б) сдвоенного

полиспаста

Сдвоенный полиспаст по существу представляет два отдельных полиспастакратностью u_п = 2, нагруженных силой Q/2.

Определение КПД полиспастов

К числу важнейших характеристик любого полиспаста относит коэффициент полезного действия (КПД), который отражает эффективность его использования.

У полиспаста для выигрыша в силекратностью u_п (рисунок 6.5), нагрузку на канат без учета трения в блоках определяют по формуле

(6.3)

гдеQ – грузоподъемность крана.

Однако, при огибании блока канатом, часть мощности теряется вследствие трения в осях блоков и преодоления изгибной жесткости каната. Поэтому натяжение ведущей ветви каната увеличится, что учитывается коэффициентом полезного действия (КПД)

(6.4)

Следовательно, в реальном полиспасте натяжение сбегающей ветви каната при подъеме груза

(6.5)

а при спуске груза

(6.6)

При этом скорость каната, наматываемого на барабан υ_бар = u_пυ_гр, а длина каната при высоте подъема Н составляет: L = Hu_п.

В полиспасте для выигрыша в скорости сила тяги F = Qu_п/η_п,а скорость подъема обоймы полиспастаυ_п = υ_гр/ u_п.

Рисунок 6.5 – Схема нагружения одинарного полиспаста

Обычно полиспасты имеют более сложную схему (см. рисунок 6.3) и содержат значительно больше подвижных и неподвижных блоков, а также ветвей каната. Для определения общего КПД подобных систем, развернем все полиспасты в плоскую схему (рисунок 6.6).

Определим натяжение ветвей каната для случая, когда концевая ветвь каната, идущая на барабан лебедки, сбегает с верхнего отклоняющего блока (рисунок 6.2, а). Для этого обозначим натяжение ветви каната, сбегающей с последнего блока как F₁, тогда натяжение предыдущих ветвей:

(6.7)

где n = u_п – количествоветвей полиспаста.

Рисунок 6.6 –Расчетная схема

Чтобы определить натяжение F₁мысленно рассечемканаты плоскостью I-I и составим уравнение равновесия нижней части.

(6.8)

откуда

(6.9)

Для полиспастов, у которых тянущая ветвь сходит с нижнего подвижного блока (рисунок 6.6, в) уравнение равновесия имеет вид:

(6.10)

откуда

(6.11)

Решая совместно уравнения (6.5) и (6.9), а также (6.5) и (6.11) получим:

- для полиспаста с верхней тянущей ветвью

(6.12)

- для полиспаста с нижней тянущей ветвью

(6.13)

Числитель правой части равенства (6.13) представляет собой сумму членов убывающей геометрической прогрессии, у которой первый член равен единице, знаменатель прогрессииη_бл, а число членов прогрессии u_п. Вычисляя по известной из курса алгебры формуле сумму членов прогрессии, получим значение КПД полиспаста, когда канат сбегает с нижнегоподвижного блока:

	(6.14)

При сбегании каната с верхнегонеподвижного блока необходимо учитывать потери на неподвижных направляющих блоках, поэтому

(6.15)

где n – число дополнительных обводных блоков.

КПД блока зависит от вида его подшипников, состояния смазки и определяется опытным путем. Процесс определения КПД довольно сложная процедура, поэтому на практике пользуются специальной таблицей со значениями КПД.

Таблица 6.1 – Коэффициент полезного действия блока

Тип подшипника	Условия работы
Скольже- ния	плохая смазка	0,94	0,88	0,83	0,78	0,74	0,67	0,65	0,61
Скольже- ния	нормаль. смазка	0,96	0,92	0,88	0,85	0,81	0,78	0,75	0,72
Качения	плохая смазка	0,97	0,94	0,91	0,89	0,86	0,83	0,81	0,78
Качения	нормаль. смазка	0,98	0,96	0,94	0,92	0,90	0,88	0,87	0,85