Конструкция канатного тормоза и его расчет

УДК 621.86

КОНСТРУКЦИЯ КАНАТНОГО ТОРМОЗА И ЕГО РАСЧЕТ

В.Ю. Анцев, В. А. Ермоленко, П.В. Витчук, Е.Е. Майоров

Рассмотрены конструкции тормозов механизмов грузоподъемных машин и их недостатки. Предложена конструкция канатного тормоза, состоящего из цилиндрического тормозного шкива, трех стальных канатов, разветвителя с клиновыми зажимами и двух замыкающих элементов равного усилия. Рассмотрена возможность применения предлагаемого канатного тормоза в механизмах грузоподъемных машин. Приведен пример расчета канатного тормоза.

Ключевые слова: грузоподъемная машина, канатный тормоз, механизм, механизм подъема, опорно-поворотное устройство, тормоз, тяговая способность.

Механизмы грузоподъемных машин оборудуют тормозами, обеспечивающими остановку груза и фиксацию его в подвешенном состоянии (в механизмах подъема) и остановку механизма на определенной длине тормозного пути (в механизмах передвижения и поворота).

В механизмах грузоподъемных машин тормоза располагают, как правило, на быстроходном валу механизма с наименьшим крутящим моментом. В этом случае от тормоза требуется наименьший тормозной момент, а сам он компактен. В качестве тормозного шкива часто используют полумуфту соединения двигателя с редуктором, расположенную на быстроходном валу редуктора. Это позволяет несколько приблизить тормоз к рабочему органу механизма по кинематической цепи [1, 2]. Недостатком такой конструкции является то, что разрушение редуктора или муфты может привести к аварии.

В механизмах поворота башенных и автомобильных кранов часто применяют трехступенчатые редукторы [1, 2]. Это приводит к тому, что тормозной шкив, установленный на быстроходном валу редуктора, оказывается кинематически отделен от поворотной платформы на величину трех боковых зазоров в зубчатых зацеплениях. В случае изменения направления ветра может произойти неуправляемый поворот стрелы крана на угол, соответствующий сумме этих зазоров, приведенных к стреле крана.

Поэтому в шахтных подъемных машинах тормоз располагают непосредственно на валу барабана. При этом применяют колодочные тормоза, в которых замыкающим элементом служит пружина, а размыкающим - гидроцилиндры [3, 4]. Недостатком такой конструкции являются значительные габариты и масса.

Для улучшения массогабаритных показателей механизмов могут быть использованы ленточные тормоза, состоящие из цилиндрического тормозного шкива, гибкой стальной ленты, концы которой связаны с силовым рычагом [1, 2].

Такие тормоза имеют ряд существенных недостатков:

1. На тормозной вал действует изгибающая сила (и как следствие изгибающий момент), равная геометрической сумме натяжений на концах ленты, так как усилия, действующие на концы ленты со стороны привода и опор ленты, направлены в одну сторону.

2. Тормозной момент зависит от направления вращения цилиндрического шкива, что следует из формулы Эйлера.

3. Лента является одноэлементным изделием, поэтому ее обрыв влечет за собой непрогнозируемый отказ тормоза; именно по этой причине запрещено применение ленточных тормозов во многих механизмах грузоподъемных машин, например, в механизмах подъема лифтов.

Вышеизложенное подтверждает рациональность разработки конструкции тормоза, отвечающей следующим требованиям: достаточность тормозного момента; возможность установки непосредственно на рабочем органе; компактность; отсутствие усилия, изгибающего тормозной вал; низкая вероятность отказа; простота монтажа гибкого элемента на механизмах, например, поворотных платформах.

Предлагается конструкция канатного тормоза (рис. 1), которая содержит цилиндрический тормозной шкив 5 и охватывающий его гибкий элемент, состоящий из трех стальных многопроволочных канатов 1, 2 и 3. Один конец каждого из канатов, составляющих гибкий элемент, кинематически связан с приводом равного усилия 6, а второй конец соединен с раз-ветвителем 4, закрепленным на цилиндрическом шкиве. Приводы равного усилия содержат замыкающий и размыкающий элементы.

Рис. 1. Конструкция канатного тормоза: 1, 2, 3 - стальные канаты; 4 -разветвитель; 5 - шкив цилиндрический; 6 - привод равного усилия

Предлагаемый канатный тормоз работает следующим образом. Замыкающие элементы равного усилия (например, пружины) постоянно натягивают концы канатов 1-3 (тормоз нормально-замкнутого типа). При

этом усилия пружин, приведенные к геометрической оси тормозного шкива 4, взаимно уничтожаются. В качестве размыкающего элемента могут быть использованы гидроцилиндры или электрические магниты.

Такой тормоз можно устанавливать непосредственно на рабочем органе механизма грузоподъемной машины, например, на крановом опорно-поворотном устройстве (рис. 2). В качестве тормозного шкива канатного тормоза может быть использована любая вращающаяся цилиндрическая поверхность, например, наружное кольцо кинематически связанного со стрелой подшипника опорно-поворотного круга 4, опирающегося катками 11 на неповоротную платформу 10. Внизу цилиндрической поверхности установлен упор 12, на который опираются канаты 1-3. Для обеспечения примерно одинаковой долговечности канатов, составляющих гибкий элемент, канат 2 предлагается выполнять с вдвое большим диаметром, чем у канатов 1 и 3. Фиксация каната на цилиндрической поверхности осуществляется при помощи разветвителя 6, состоящего из трех клиновых зажимов 7-9. Для исключения возможности проскальзывания разветвителя по поверхности наружного кольца подшипника опорно-поворотного круга предусмотрена фрикционная накладка 5.

Рис. 2. Установка канатного тормоза на опорно-поворотном устройстве: 1, 2, 3 - канаты; 4 - опорно-поворотный круг;

5 - фрикционная накладка; 6 -разветвитель; 7, 8, 9 - клиновые зажимы; 10 - неповоротная платформа; 11 - каток; 12 - упор

В случае обрыва нескольких проволок канатов прочность каната практически не уменьшается. Кроме того, при подконтрольной эксплуатации обрывы проволок каната подсчитывают и фиксируют в журнале. По достижении браковочного числа обрывов проволок (например, в соответствии с ISO 4309 - 3...13 обрывов на длине каната, равной шести диаметрам каната или 6...26 обрывов на длине каната, равной тридцати диаметрам каната) канат подлежит замене. При отсутствии нарушения правил эксплуатации крана обрыв каната переходит из класса внезапных отказов в

77

класс постепенных отказов, то есть становится прогнозируемым. Изношенный канат можно заменить при плановом ремонте и таким образом предупредить отказ тормоза.

Площадь поверхности цилиндрической части поворотного круга, занимаемая канатами 1 - 3, существенно меньше площади, занимаемой стальной лентой, используемой в ленточных тормозах с аналогичным тормозным моментом [2]. Поэтому канатный тормоз может быть расположен на опорно-поворотном устройстве крана (подшипнике), который обычно имеет небольшую ширину.

При монтаже канатного тормоза, в отличие от ленточного тормоза, длина каната и диаметр цилиндрического шкива могут быть значительно большими. Это позволит расширить область применения тормоза и использовать его в различных крупногабаритных поворотных платформах, например, опорно-поворотных устройствах антенн. Большой тормозной момент обеспечивается благодаря большому углу обхвата цилиндрического шкива канатами и вследствие большого усилия, которое выдерживает канат, а также благодаря применению каната без смазки.

Если применять тормоз в качестве стояночного или аварийного, то абразивный износ каната будет отсутствовать ввиду отсутствия скольжения каната по цилиндрической поверхности.

Величина тормозного момента, развиваемого канатным тормозом, может быть рассчитана по формуле Эйлера аналогично другим фрикционным передачам с гибким элементом и цилиндрическим шкивом. При этом возможно варьировать в достаточно широком диапазоне приведенным коэффициентом трения на основе введения в конструкцию огибаемой поверхности ручьев (канавок) специальных профилей поперечного сечения, как у лифтовых канатоведущих шкивов [5 - 7].

Предлагаемый канатный тормоз симметричен относительно плоскости, проходящей через ось вращения тормозного шкива и центр развет-вителя 4 (рис. 1). Поэтому центр разветвителя можно считать условно неподвижной точкой, которой воспринимается сила наибольшего натяжения. В этом случае могут быть использованы расчетные формулы из [1 или 2] для «простого» ленточного тормоза.

Замыкающее усилие F, направленное вправо, примем равным приблизительно усилию двух канатов, направленному влево (рис.1) и равном усилию каждой из двух пружин. Тогда тормозной момент

М =

где а = р = 3,14 рад - угол обхвата тормозного шкива одной из симметричных частей тормоза; / = 0,2 - коэффициент трения несмазанного каната по стальному тормозному шкиву, Б - диаметр тормозного шкива.

78

В отличие от формулы, приведенной в [1], вместо радиуса Я принят диаметр тормозного шкива Б, так как предлагаемый канатный тормоз может быть условно представлен как два симметричных «простых» ленточных тормоза.

По формуле (1) получим:

М =

По формуле (2) можно рассчитать замыкающее усилие *.

Например, пусть заданы: диаметр поворотной части Б =2 м и максимальный тормозной момент М = 2 • 105 Н- м, действующий на стрелу грузоподъемного крана при штормовом ветре (скорость ветра 30 м/с). Из формулы (2) получим:

* = М- = ^ » 5,35 • 104 н.

1,87Б 1,87 • 2

Примем коэффициент использования каната (коэффициент запаса по разрывной прочности) = 2,5 [1].

Получим условие выбора канатов:

- меньшего диаметра (канаты 1 и 3 на рис. 2):

[*] > ^ = ^^ » 6,7 • 104;

2 2

- большего диаметра (канат 2 на рис. 2):

[*] > * • 2р = 5,35 • 104 »13,4 • 104,

где ] - разрывное усилие каната в целом, принимаемое по соответствующим стандартам.

Например, по ГОСТ 2688 для маркировочной группы 1770 МПа получим для канатов:

- меньшего диаметра ^ = ^=11 мм; ]=8,32-104 Н;

- большего диаметра й 2=15 мм; ]=15,2-104 Н.

Высота разветвителя может быть приблизительно рассчитана как удвоенная сумма диаметров всех канатов:

Н = 2(й1 + й2 + й3) = 2(11 +15 +11) = 74 мм.

Это приемлемо, так как ширина всех типовых подшипников диаметром 2 м, применяемых для опорно-поворотных устройств, составляет более, чем 74 мм.

Применение предлагаемого канатного тормоза позволит уменьшить вероятности обрыва стального гибкого элемента, устранить усилие, изгибающее вал тормозного шкива, или усилие, действующее на опорно-поворотное устройство, а также упростить монтаж гибкого элемента на крупногабаритных поворотных платформах и применить готовое изделие (канат) вместо ленты на тормозных шкивах большого диаметра.

79

Список литературы

1. Александров М.П. Грузоподъемные машины. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 552 с.

2. Александров М.П. Тормоза подъемно-транспортных машин. М.: Машиностроение, 1976. 383 с.

3. Траубе Е.С, Найденко И.С. Тормозные устройства и безопасность шахтных подъемных машин. М.: Изд-во Недра 1980. 256 с.

4. Федорова З.М., Лукин И.Ф, Нестеров А.П. Подъёмники. Киев: Высшая школа, 1976. 296 с.

5. Анцев В.Ю., Витчук П.В., Федоров А.В. Способы увеличения тяговой способности канатоведущего шкива // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 1. С.436 - 446.

6. Анцев В.Ю., Витчук П.В. Расчет параметров канатоведущего шкива лифта в процессе износа // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 2-6 (292). С. 116 - 122.

7. Анцев В.Ю., Сероштан В.И., Витчук П.В. Многовариантный подход к определению параметров канато-блочной системы лифта // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 10. С. 71 - 78.

Анцев Виталий Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой An-zev@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ермоленко Владимир Алексеевич, канд. техн. наук, доц., tvermolen-ko@rambler.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),

Витчук Павел Владимирович, канд. техн. наук, zzz Ventor@yandex. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),

Майоров Евгений Евгеньевич, студент, maybesovsky@yandex. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

ROPE BRAKE DESIGN AND CALCULATION V.J. Anzev, V.A. Ermolenko, P. V. Vitchuk, E.E. Majorov

Considered designs of brake mechanisms of hoisting machines and their shortcomings. Offered design of the rope brake, consisting cylindrical brake pulley, three steel ropes, a splitter with V-shape clips and two closing elements of equal effort. Considered application possibility of the offered rope brake in mechanisms of hoisting machines. Given example of calculation of a rope brake.

Key words: hoisting machine, rope brake, mechanism, hoisting mechanism, support-rotating device, brake, traction ability.

Antsev Vitaliy Yurievich, doctor of technical science, professor, manager of department, Anzev@tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ermolenko Vladimir Alekseevich, candidate of technical science, tvermolen-ko@rambler.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,

Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical science, zzzVentor@yandex.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,

Majorov Evgenij Evgen 'evich, student, maybesovsky@yandex. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch

УДК 621.86

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО

ЛЕНТОЧНОГО ТОРМОЗА

П.В. Витчук, В. А. Ермоленко, П. А. Гладышев

Рассмотрены преимущества и недостатки ленточных тормозов. Предложено использовать полиуретановую ленту, армированную стальными канатами, в качестве тягового элемента тормоза. Приведены условия, которые должны быть выполнены при проектировании дифференциального ленточного тормоза. Представлена методика проектирования дифференциального ленточного тормоза. Дан алгоритм реализации представленной методики на ЭВМ.

Ключевые слова: грузоподъемная машина, ленточный тормоз, механизм, механизм подъема, полиуретановая лента, тормоз, тяговая способность.

Безопасная эксплуатация грузоподъемных машин обеспечивается на основе введения в их конструкцию надежных тормозов.

В механизмах грузоподъемных машин применяют следующие типы тормозов: колодочные (рабочим элементом является колодка, взаимодействующая с наружной цилиндрической поверхностью тормозного барабана); ленточные (с рабочим элементом в виде гибкой ленты, взаимодействующей с тормозным барабаном); дисковые (с рабочим элементом в виде целых колец или отдельных сегментных колодок) и конические [1, 2].

В механизмах грузоподъемных машин наиболее часто применяют нормально-замкнутые двухколодочные тормоза с наружным диаметральным расположением тормозных колодок относительно тормозного шкива и пружинным замыканием колодок на шкиве. Тормоза такого типа, как правило, устанавливают на быстроходном валу механизма. Это объясняется тем, что возрастание крутящего момента приводит к значительному увеличению габаритов тормоза [1]. Поэтому основным недостатком колодочного тормоза является его удаленность по кинематической цепи от рабочего органа, то есть при отказе промежуточных элементов кинематической цепи может произойти авария, например, падение груза.

81