УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ СЕКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ СТРЕЛЫ КРАНО-МАНИПУЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Устройство для соединения секций грузоподъемной стрелы крано-манипуляторной установки
Полезная модель относится к области подъемно-транспортного машиностроения, а именно к устройствам для разъемных соединений элементов металлоконструкций грузоподъемных машин, в частности, к устройствам для разъемных соединений смежных секций шарнирно-сочлененных грузоподъемных стрел крано-манипуляторных установок.
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели и принятой за ее прототип является конструкция шарнирно-сочлененной грузоподъемной стрелы крано-манипуляторной установки, состоящая из нескольких последовательно закрепленных между собой секций, устройство для соединения которых в единую кинематическую цепь выполняется с помощью цилиндрических шарниров, обеспечивающих при работе крано-манипуляторной установки возможность поворота смежных секций друг относительно друга вокруг оси шарнира с помощью приводных гидроцилиндров [Суфтин, С.Г. Основы создания и развития автомобильных кранов-манипуляторов / С.Г. Суфтин. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 303 с.].
Существенным недостатком рассмотренного прототипа является увеличение с течением времени эксплуатации крано-манипуляторной установки уровня динамических ударных нагрузок на транспортируемый груз и металлоконструкцию установки вследствие развития износа отверстий проушин цилиндрических шарниров с увеличением диаметра отверстий и, как следствие, с увеличением зазора между шарнирными пальцами и поверхностью отверстий проушин. Решение задачи сохранения исходных технико-экономических показателей работы крано-манипуляторной установки в течение всего нормативного срока его эксплуатации в условиях постепенно нарастающего износа цилиндрических шарниров требует принятия конструктивных мер, направленных на исключение повышения уровня динамических ударных нагрузок.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является снижение уровня динамических ударных нагрузок на транспортируемый груз и металлоконструкцию крано-манипуляторной установки в процессе эксплуатации, а, следовательно, повышение показателей надежности и коэффициента технического использования крано-манипуляторной установки в целом.
Для решения указанной технической задачи в устройстве для соединения секций грузоподъемной стрелы крано-манипуляторной установки, образованном двумя парами проушин, каждая из которых неподвижно закреплена на конце металлоконструкции одной из соединяемых смежных секций стрелы, изготовлена из толстостенного листового проката и имеет соосные отверстия для установки в них шарнирного пальца для создания цилиндрического шарнира, шарнирный палец выполнен удлиненным за счет исполнения цилиндрического хвостовика шарнирного пальца, на котором установлено металлическое кольцо, имеющее возможность свободного скольжения относительно поверхности хвостовика, а к наружной поверхности этого кольца по его периметру одним своим концом неподвижно прикреплены расположенные радиально по отношению к продольной оси шарнирного пальца пружины растяжения-сжатия равной длины, второй конец которых имеет неподвижное крепление к одной из смежных секций грузоподъемной стрелы крано-манипуляторной установки. Как вариант исполнения, шарнирный палец выполнен удлиненным с обеих сторон за счет исполнения симметрично расположенных двух цилиндрических хвостовиков шарнирного пальца.
Полезная модель поясняется более подробно с помощью чертежей. Все не требующиеся для непосредственного понимания полезной модели элементы исключены. На фиг. 1 показана исходная конструкция устройства для соединения смежных секций стрелы крано-манипуляторной установки (вид сбоку); на фиг. 2 - исходная конструкция устройства для соединения смежных секций стрелы (разрез А-А на фиг. 1); на фиг. 3 - схема реализации взаимного смещения смежных секций стрелы при износе отверстий проушин; на фиг. 4 - модернизированное устройство для соединения смежных секций стрелы (продольный разрез); на фиг. 5 - модернизированное устройство для соединения смежных секций стрелы (разрез Б-Б на фиг. 4); на фиг. 6 - схема, поясняющая принцип работы модернизированного устройства для соединения смежных секций стрелы; на фиг. 7 - вариант исполнения модернизированного устройства для соединения смежных секций стрелы (продольный разрез).
Исходная конструкция устройства для соединения смежных секций шарнирно-сочлененной грузоподъемной стрелы крано-манипуляторной установки включает следующие элементы. Устройство для соединения смежных секций 1 и 5 (фиг. 1-5, 7) грузоподъемной стрелы образовано двумя парами проушин 2 и 4 (фиг. 1-7), каждая из которых неподвижно закреплена на конце металлоконструкции одной из соединяемых смежных секций стрелы, а именно: проушины 2 (фиг. 1-7) неподвижно закреплены на конце металлоконструкции секции 1 (фиг. 1-5, 7) с помощью сварных швов 7 (фиг. 2, 3, 5, 7), проушины 4 (фиг. 1-7) неподвижно закреплены на конце металлоконструкции секции 5 (фиг. 1-5, 7) с помощью сварных швов 8 (фиг. 2, 3, 5, 7). Проушины 2 и 4 (фиг. 1-7) изготовлены из толстостенного листового проката и имеют соосные отверстия для установки в них шарнирного пальца 3 (фиг. 1-3, 5, 7) для создания цилиндрического шарнирного соединения смежных секций 1 и 5 (фиг. 1-5, 7) грузоподъемной стрелы крано-манипуляторной установки. С помощью приводного гидроцилиндра 6 (фиг. 1) обеспечивается возможность поворота смежных секций 1 и 5 (фиг. 1-5, 7) друг относительно друга вокруг оси шарнира. Для предохранения поверхностей контактирования шарнирного пальца 3 (фиг. 1-3, 5, 7) и отверстий проушин 2 и 4 (фиг. 1-7) от попадания загрязнений (пыли, влаги, абразивных частиц и т.п.) и возможности их смазки устанавливаются крышки - глухие 9 (фиг. 2, 3, 5) и с центральным отверстием 10 (фиг. 2, 3, 5, 7) для прохождения шарнирного пальца 3 (фиг. 1-3, 5, 7), которые с помощью разъемного болтового соединения крепятся к проушинам 2 и 4 (фиг. 1-7) соответственно.
1
2
1
2
1
4
2
3
2
С течением времени эксплуатации крано-манипуляторной установки из-за процессов фрикционного изнашивания поверхности отверстий проушин 2 и 4 (фиг. 1-7) в условиях трения скольжения между ними и поверхностью шарнирного пальца 3 (фиг. 1-3, 5, 7) при действии высокого контактного давления, обусловленного, в первую очередь, весом транспортируемого груза, происходит постепенная выработка отверстий проушин 2 и 4 (фиг. 1-7), т.е. увеличение их диаметра. Как результат, в цилиндрическом шарнирном соединении появляются зазоры: δ (фиг. 3) - между поверхностью отверстия проушины 2 (фиг. 1-7) и поверхностью шарнирного пальца 3 (фиг. 1-3, 5, 7); δ (фиг. 3) - между поверхностью отверстия проушины 4 (фиг. 1-7) и поверхностью шарнирного пальца 3 (фиг. 1-3, 5, 7). Максимально допустимая выработка отверстий для соединения элементов металлоконструкции грузоподъемных машин регламентируется нормативно-распорядительными документами Ростехнадзора России и составляет 1,5…4% исходного диаметра отверстия (по чертежу). Таким образом, в цилиндрических шарнирах шарнирно-сочленных грузонесущих стрел крано-манипуляторных установок допускается эксплуатация при наличии зазоров до 5…8 мм (в зависимости от размера отверстия) и только при превышении этих значений требуется ремонт. При наличии указанных зазоров δ и δ (фиг. 3) появляется возможность взаимного перекоса вертикальных плоскостей, в которых совершается движение смежных секций 1 и 5 (фиг. 1-5, 7) относительно исходного нейтрального положения 0-0 (фиг. 3). Диапазон значений перекоса секции 5 (фиг. 1-5, 7) относительно секции 1 (фиг. 1-5, 7) характеризуют крайние положения I-I и II-II (фиг. 3), причем крайнее положение I-I (фиг. 3) обусловлено опиранием проушин 4 (фиг. 1-7) на шарнирный палец 3 (фиг. 1-3, 5, 7) в крайних точках Г и Г (фиг. 3), а крайнее положение II-II (фиг. 3) - опиранием в крайних точках Г и Г (фиг. 3). В процессе совершения относительного поворотного движения смежных секций 1 и 5 (фиг. 1-5, 7) грузоподъемной стрелы с помощью приводного гидроцилиндра 6 (фиг. 1) в условиях естественного раскачивания транспортируемого груза будет происходить попеременное практически мгновенное изменение пар точек опирания проушин 4 (фиг. 1-7) на шарнирный палец 3 (фиг. 1-3, 5, 7), сопровождающееся ударом. Как показывают результаты компьютерного моделирования данного процесса, длительность удара составляет 0,02…0,03 с, а ударное ускорение достигает значительной величины - до 16 м/с, вследствие чего в шарнире возникают дополнительные ударные нагрузки на металлоконструкцию смежных секций 1 и 5 (фиг. 1-5, 7) и дополнительные динамические напряжения до 100…120 МПа, соизмеримые по величине с нормально действующими эксплуатационными напряжениями. Наличие кратковременно действующих переменных напряжений отрицательно сказывается на усталостной долговечности и надежности соединения секций грузонесущих стрел крано-манипуляторных установок, может инициировать возникновение и развитие усталостных трещин в материале проушин и основном материале самих секций, снижает точность позиционирования грузозахватного органа в пространстве при манипулировании перемещаемым грузом.
Суть полезной модели заключается в следующем. Шарнирный палец 3 (фиг. 1-3, 5, 7) выполняется удлиненным за счет добавления к нему как единого целого хвостовика 11 (фиг. 4-7). На хвостовик 11 (фиг. 4-7) устанавливается металлическое кольцо 12 (фиг. 4-7), которое имеет скользящую посадку, обеспечивающую возможность свободного вращения металлического кольца 12 (фиг. 4-7) по поверхности хвостовика 11 (фиг. 4-7). К наружной поверхности металлического кольца 12 (фиг. 4-7) по его периметру одним своим концом неподвижно крепятся пружины растяжения-сжатия 13 (фиг. 4-7) равной длины. Вторым концом пружины растяжения-сжатия 13 (фиг. 4-7) неподвижно крепятся к втулке 14 (фиг. 4-7), которая с помощью кругового сварного шва 15 (фиг. 5, 7) неподвижно закреплена на проушине 4 (фиг. 1-7) секции 5 (фиг. 1-5, 7) грузоподъемной стрелы крано-манипуляторной установки. Пружины растяжения-сжатия 13 (фиг. 4-7) располагаются радиально по отношению к продольной оси шарнирного пальца 3 (фиг. 1-3, 5, 7). Для предохранения поверхности контактирования хвостовика 11 (фиг. 4-7) и металлического кольца 12 (фиг. 4-7), а также пружин растяжения-сжатия 13 (фиг. 4-7) от загрязнений (пыли, влаги, абразивных частиц и т.п.) и возможности их смазки устанавливается глухая крышка 16 (фиг. 5, 7), которая с помощью разъемного болтового соединения закрепляется на втулке 14 (фиг. 4-7). Внутренняя полость В (фиг. 4-7) заполняется пластичным смазочным материалом - консистентной смазкой.
1
2
1
2
0
I
0
I
0
I
0
I
1
2
6
0
I
I
0
II
I
0
II
Полезная модель работает следующим образом. В начальный период эксплуатации крано-манипуляторной установки, когда зазоры δ и δ (фиг. 3) соответствуют своим номинальным значениям согласно чертежа, т.е. являются практически незначимыми, хвостовик 11 (фиг. 4-7) шарнирного пальца 3 (фиг. 1-3, 5, 7) свободно вращается внутри металлического кольца 12 (фиг. 4-7), не оказывая на него никакого давления. В исходном положении относительно хвостовика 11 (фиг. 4-7) металлическое кольцо 12 (фиг. 4-7) удерживается пружинами растяжения-сжатия 13 (фиг. 4-7), имеющими равную длину. По мере формирования зазоров δ и δ (фиг. 3) эксплуатация крано-манипуляторной установки начинает сопровождаться перекосом при поворотном движении секций относительно продольной оси шарнирного соединения и ударными явлениями (подробно описаны выше), связанными с попеременным практически мгновенным изменением пар точек опирания проушин 4 (фиг. 1-7) на шарнирный палец 3 (фиг. 1-3, 5, 7). При перекосе любой их смежных секций, например, 5 (фиг. 1-5, 7) относительно исходного нейтрального положения 0-0 (фиг. 3) происходит относительное смещение хвостовика 11 (фиг. 4-7) шарнирного пальца 3 (фиг. 1-3, 5, 7). На фиг. 6 исходное нейтральное положение поперечного сечения хвостовика 11 (фиг. 4-7) показано тонкими линиями с центром сечения в точке O (фиг. 6), а смещенное положение вследствие перекоса до крайнего положения I-I (фиг. 3) - основными линиями с центром смещенного сечения в точке O (фиг. 6). Таким образом, при перекосе секции стрелы поперечное сечение хвостовика 11 (фиг. 4-7) смещается по линии O-O (фиг. 6). Вместе со смещением хвостовика 11 (фиг. 4-7) происходит соответствующее смещение металлического кольца 12 (фиг. 4-7). Так как втулка 14 (фиг. 4-7), неподвижно закрепленная на поверхности проушины 4 (фиг. 1-7) секции 5 (фиг. 1-5, 7) грузоподъемной стрелы, при этом не смещается, то происходит деформация пружин растяжения-сжатия 13 (фиг. 4-7): часть этих пружин, располагающихся в направлении смещения хвостовика 11 (фиг. 4-7) по линии O-O (фиг. 6), испытывает сжатие, а другая часть, располагающихся в противоположном направлении смещения хвостовика 11 (фиг. 4-7) по линии O-O (фиг. 6), - растяжение. Во всех деформированных пружинах растяжения-сжатия 13 (фиг. 4-7) возникают упругие усилия F F, …, F (фиг. 6). Усилия в отдельных пружинах пропорциональны их жесткости и величине их сжатия (или растяжения) относительно исходной длины. Усилия, возникающие в отдельных пружинах растяжения-сжатия 13 (фиг. 4-7), суммируются, создавая общее усилие сопротивления F, направленное против направления смещения хвостовика 11 (фиг. 4-7) по линии O-O (фиг. 6) и передающееся посредством металлического кольца 12 (фиг. 4-7) на хвостовик 11 (фиг. 4-7) и шарнирный палец 3 (фиг. 1-3, 5, 7) в целом, оказывая на последний тормозящее воздействие. При изменении пары точек опирания проушин 4 (фиг. 1-7) на шарнирный палец 3 (фиг. 1-3, 5, 7), т.е. при переходе из крайнего положения I-I (фиг. 3) в крайнее положение II-II (фиг. 3), поперечное сечение хвостовика 11 (фиг. 4-7) смещается по линии O-О-O (фиг. 6). При этом аналогичным образом возникает усилие сопротивления F, тормозящее смещение хвостовика 11 (фиг. 4-7) по линии O-O-O (фиг. 6). Автоматическое возникновение тормозящей силы F, величина и направление действия которой соответствуют величине и направлению смещения шарнирного пальца 3 (фиг. 1-3, 5, 7), вызывает снижение величины ударного ускорения и, как следствие, снижение уровня дополнительных ударных нагрузок и напряжений в металлоконструкциях смежных секций 1 и 5 (фиг. 1-5, 7), чем и достигается положительный результат от использования рассматриваемой полезной модели.
Как вариант исполнения, шарнирный палец 3 (фиг. 1-3, 5, 7) выполнен удлиненным с обеих сторон за счет исполнения симметрично расположенных двух цилиндрических хвостовиков 11 (фиг. 4-7) шарнирного пальца 3 (фиг. 1-3, 5, 7). В этом случае возникает пара разнонаправленных усилий сопротивления F (фиг. 6), создающих тормозящий восстанавливающий момент смещению хвостовиков 11 (фиг. 4-7), что обеспечивает более равномерное воздействие на шарнирный палец 3 (фиг. 1-3, 5, 7).
Технико-экономический результат от внедрения полезной модели достигается за счет снижения вероятности повреждения транспортируемого груза и уровня действующих на металлоконструкцию крана-манипулятора динамических ударных нагрузок, что обеспечивает повышение показателей надежности и коэффициента технического использования крана-манипулятора в целом. Это приводит к снижению материально-финансовых затрат при эксплуатации крана-манипулятора. Экономический эффект при использовании полезной модели при изготовлении или модернизации кранов-манипуляторов машин для сварки трубопроводов составит 0,4 млн. руб. на одну машину.