1. Цель работы. На примере изучения устройства и методов расчета электрореверсивной лебедки:
- закрепить и углубить знания устройства грузоподъемных механизмов и установления их параметров;
- углубить знания и приобрести навыки производства типовых расчетов грузоподъемных механизмов;
- иллюстрировать применение в практических расчетах рядов предпочтительных чисел, параметрических и типоразмерных рядов, методов стандартизации.
1.1. Исходные данные для расчета:
- масса поднимаемого груза с грузозахватными устройствами, т;
- высота подъема груза, м;
- скорость подъема груза, м/мин;
- расстояние между осью барабана и осью отклоняющего блока, м;
- кратность полиспаста;
- количество обводных блоков;
- режим работы механизма по ИСО 4301/1;
- продолжительность включения, %.
1.2. Требуется:
- определить размеры барабана и число слоев навивки каната;
- подобрать канат и установить диаметр обводных блоков;
- подобрать редуктор, двигатель, муфту, тормоз.
1.3. В работе должны быть приведены:
- схемы, описание устройства, принцип действия и область применения строительных лебедок;
- схема механизма подъема груза (рисунок 1), включающая полиспаст, отклоняющий и обводные блоки (с указанием расстояния между осью барабана и осью отклоняющего блока, а также высоты подъема груза);
- схема полиспаста заданной кратности (рисунок 2);
- схема редуктора с указанием межосевых расстояний, чисел зубьев передач и габаритных размеров (рисунок 3);
- эскиз принятой втулочно-пальцевой муфты с тормозным шкивом (или зубчатой муфты с тормозным шкивом) с указанием основных размеров (рисунок 4);
- схема принятого тормоза с указанием основных размеров (рисунок 5);
- компоновочная схема электрореверсивной лебедки с указанием основных размеров (рисунок 7).
 |
Рисунок 1 - Схема механизма подъема груза
 |
Рисунок 2 - Схемы полиспастов
 |
Рисунок 3 - Схема редуктора
 |
Рисунок 4 - Схема муфты
Рисунок 5 - Схема тормоза
 |
 |
Рисунок 6 - Схема электродвигателя
Рисунок 7 - Компоновочная схема электрореверсивной грузовой лебедки
Для работы 1 «Определение основных параметров и расчет механизма подъема груза» рекомендуется литература [1, 3-13, 16].
2. Определение основных параметров полиспаста и барабана лебедки
2.1. Определение КПД полиспаста. Коэффициент полезного действия полиспаста, особенно при его большей кратности, в значетельной степени влияет на тяговое усилие в канате, мощность двигателя подъемного механизма, тормозной момент. При определении КПД полиспаста следует определить в первую очередь, с какого блока (подвижного или неподвижного) канат поступает на барабан лебедки или обводные блоки.
2.2. Если канат сбегает с подвижного блока, то
если канат сбегает с неподвижного блока, то
где 
- коэффициент полезного действия блока, учитывающий потери, связанные с преодолением жесткости каната при огибании блока (см. табл. 1 приложения А);
1, 2, 3 … n – количество ветвей каната, включая тянущую (на схеме полиспаста обозначена со стрелкой (см. рисунок 2));
iП – кратность полиспаста согласно выданному заданию (см. методические указания [1]).
Характеристику опоры и условия ее работы для выбора КПД блоков принимают самостоятельно.
2.3. Определение натяжения в ветви каната, идущей на барабан, Н
,
где 
- масса поднимаемого груза с грузозахватными устройствами, кг;
- ускорение свободного падания, 9,81 м/с 2;
- КПД обводного блока, принимаемый равным КПД блока полиспаста (табл. 1 приложения А);
к - количество обводных блоков (по заданию).
2.4. Режим работы механизма устанавливают по выданному заданию согласно методическим указаниям [1].
2.5. Подбор каната грузоподъемного механизма осуществляется в соответствии с требованиями “Правил устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов” [3] по формуле, кН
,
где F 0 - расчетное разрывное усилие каната в целом, принимаемое при проектировании по данным Государственного стандарта, кН;
- наибольшее натяжение в ветви каната, идущей на барабан (без учета динамических нагрузок), кН;
- минимальный коэффициент запаса прочности каната (см. табл. 2 приложения А).
2.6. Определив значение F 0, подбирают канат согласно ГОСТу по расчетному разрывному усилию каната в целом. Характеристики канатов применительно к ГОСТ 2688-80, 7665-80 приведены в работе [7, 12, 13] и в табл. 5 приложения А.
При использовании официальных изданий ГОСТов следует учитывать связь между единицами силы (1 кгс = 9, 81 Н).
2.7. Для механизмов подъема со свободной подвеской груза следует выбирать канаты крестовой свивки как менее раскручивающиеся. Если груз движется в направляющих, то следует отдавать предпочтение канатам односторонней (параллельной) свивки.
2.8. После того, как канат подобран, выписывают его полную характеристику, например, «Канат двойной свивки типа ЛК-Р конструкции 6×19 (1 + 6 + 6/6) + 1 о.с. диаметром 11 мм с разрывным усилием каната в целом 66,75 кН, ГОСТ 2688-80» или «Канат двойной свивки типа ЛК-З конструкции 6×25 (1 + 6; 6 + 12) + 1 о.с. диаметром 8,1 мм с разрывным усилием каната в целом 33,95 кН, ГОСТ 7665-80».
2.9.Определение основных размеров барабана. Одним из основных размеров барабана является его диаметр 
. При определении диаметра следует учитывать правила Госнадзорохрантруда Украины [3], согласно которым
,
где 
- диаметр каната, мм;
h 1 - коэффициент, зависящий от режима работы механизма (см. табл. 3 приложения А).
2.10. Определенный диаметр барабана округляют до ближайшего большего значения 
согласно ГОСТ 6636-69 [16] (табл. 4 приложения А). Далее определяют диаметр барабана по центру витков каната, мм
.
2.11. Определяют рабочую длину каната, наматываемого на барабан, м
где Н – высота подъема груза, м;
іП – кратность полиспаста.
2.12. Определяют общее количество витков каната на барабане
,
где 
- количество рабочих витков каната на барабане при однослойной навивке
;
zзакр = 2 - 3 – минимальное количество витков для закрепления каната;
zзап = 2 – минимальное количество запасных витков;
2.13. Определяют длину барабана с нарезанной рабочей частью из условия размещения всего рабочего участка каната на барабане в один слой, мм
,
где 
- общее количество витков каната на барабане;
- шаг нарезки барабана, мм
мм.
2.14. Определяют максимально допустимую рабочую длину барабана с учетом допустимого угла отклонения 
каната от нормали к оси барабана, мм
,
где 
- расстояние между осью барабана и осью отклоняющего блока, м;
= 6° - максимально допустимый угол отклонения оси каната от нормали к оси барабана
2.15. При однослойной навивки каната на барабане с нарезанными винтовыми канавками можно принять 
=0,1.
2.16. Проверяют, выдерживаются ли условия
.
Если оба эти условия удовлетворяются, то принимают однослойную навивку каната на барабан с нарезанными винтовыми канавками без канатоукладчика. В этом случае длина барабана
.
2.17. Если хотя бы одно из условий по п. 2.16 не выдерживается, то применяют многослойную навивку с канатоукладчиком. Схемы канатоукладчиков приведены в работе [6].
2.18. В случае многослойной навивки каната на барабане определяют количество витков каната в каждом слое
, (*)
где lp - рабочая длина каната, м;
n – принятое количество слоев навивки;
Dб – диаметр барабана по центру витков каната, м;
dк – диаметр каната, м.
Формула (*) была выведена исходя из условия, что рабочая длина каната равна канатоемкости барабана, то есть 
.
2.19. Рабочая длина гладкого барабана (при многослойной навивке каната барабан выполняют гладким), мм
.
2.20. Определяют диаметр барабана по ребордам, мм
,
где n – принятое количество слоев навивки.
2.21. Толщину стенки барабана принимают по эмпирическим формулам:
для чугунных:
мм;
для стальных:
мм.
Из условия технологии изготовления литых барабанов d ³ 12 мм.
2.22. Определяют толщину реборды, мм
.
Толщина реборды должна быть не более толщины стенки.
2.23. Округляют габаритную длину барабана:
при однослойной навивке каната можно выполнить барабан, как без реборд, так и с ребордами, в последнем случае габаритная длина барабана, мм
;
при многослойной навивке каната барабан выполняют с ребордами, тогда габаритная длина барабана, мм
.
2.24. Округляют габаритную длину барабана 
до размеров согласно ГОСТ 6636-69 [16] (см. табл. 4 приложения А).
2.26. Определяют диаметр отклоняющихся, обводных блоков, мм
,
где - диаметр каната, мм;
h 2 - коэффициент, зависящий от режима работы механизма (см. табл. 3 приложения А);
Определенный диаметр блока 
округляют до ближайшего большего значения согласно ГОСТ 6636-69 [16] (см. табл. 4 приложения А).
3. Подбор электродвигателя
3.1. Мощность электродвигателя определяют по формуле, кВт
,
где - наибольшее натяжение в ветви каната, идущей на барабан, кН;
- скорость навивки каната на барабан, м/с (п. 3.2.);
- КПД механизма лебедки (п. 3.3).
3.2. Величину определяем с учетом кратности полиспаста механизма подъема, м/с
где 
- скорость подъема груза, м/мин;
iП – кратность полиспаста.
3.3. Коэффициент полезного действия механизма лебедки
,
где 
- КПД барабана, равный 0,96;
- КПД редуктора, равный 0,94.
3.4. Пользуясь данными [7, 12, 13] или табл. 6, 7 и 8 приложения А, подбирают двигатель мощностью, ближайшей к N, с учетом заданной продолжительности включения ПВ.
3.5. Техническая характеристика выборного электродвигателя и его геометрические параметры записываются в следующем виде:
Характеристика двигателя
| Показатели | Значения показателей |
| Тип двигателя | МТF 411-6 |
| Мощность на валу при ПВ = 40%, кВт | |
| Частота вращения вала двигателя, мин -1 | |
| Максимальный момент, Н·м | |
| Момент инерции ротора, кг · м 2 | 0,510 |
| Масса, кг | |
| Габаритные размеры, мм: | |
| высота | |
| ширина | |
| длина |
Размеры двигателя выписывают из источников [7, 12, 13] или табл. 9 и 10 приложения А.
4. Подбор редуктора
4.1. Определяют необходимую частоту вращения вала барабана, мин -1
,
где 
- скорость навивки каната на барабан, м/с (п. 3.2.)
4.2. Определяют необходимое расчетное передаточное число редуктора
где 
и 
- соответственно частота вращения вала электродвигателя и барабана, мин -1
4.3. Редуктор выбирают, исходя из синхронной скорости вращения вала электродвигателя, мощности, режима работы и необходимого передаточного числа. Исходные данные для подбора редукторов помещены в работах [7, 12, 13] или в табл. 11, 12 и 13 приложения А. Причем, если расчетом получено передаточное число u £50, то рекомендуется выбирать цилиндрические редукторы серии Ц2; если передаточное число u >50, то рекомендуется выбирать коническо-цилиндрические редукторы серии КЦ2. Техническую характеристику редуктора и его межосевые расстояния записывают в следующем виде:
Характеристика принятого редуктора
| Показатели | Значения |
| Обозначение, серия | Ц2-400 |
| Передаточное число | 16,3 |
| Выходной конец тихоходного вала | М |
| Схема сборки | |
| Мощность, передаваемая редуктором, кВт | 42,8 |
| Частота вращения, мин -1 | |
| Режим работы | Т |
| Межосевые расстояния, мм | |
| быстроходной ступени | |
| тихоходной ступени | |
| Масса, кг | |
| Габаритные размеры, мм: | |
| высота | |
| ширина | |
| длина |
Размеры редуктора выписывают из источников [7, 12, 13] или табл. 14, 15 и 16 приложения А.
4.4. После выбора редуктора осуществляют расчет фактической скорости подъема груза
где uг – скорость подъема груза по заданию, м/мин;
- расчетное передаточное число редуктора (п. 4.2);
- передаточное число принятого редуктора.
4.5. Отклонение фактической скорости подъема груза от заданной
,
где 
и 
- соответственно заданная и фактическая скорость подъема груза, м/мин.
5. Определение тормозного момента.
5.1. Статический момент на валу барабана, создаваемый наибольшим рабочим грузом, Н·м
.
5.2. Момент на тормозном валу, Н·м
.
5.3. Необходимый тормозной момент устанавливают с учетом коэффициента запаса торможения, который зависит от режима работы механизма. Тормозной момент равен, Н·м
где 
- коэффициент запаса торможения (табл. 17 приложения А).
6. Подбор тормоза
6.1. Тормоз подбирают по величине тормозного момента по [7, 12, 13] или по табл. 20 и 21 приложения А.
6.2. Техническую характеристику тормоза записывают в следующем виде:
Характеристика принятого тормоза
| Показатели | Значения |
| Тип тормоза | ТКТ-200 |
| Тормозной момент (максимальный), Н·м | |
| Диаметр тормозного шкива, мм | |
| Допускаемая продолжительность включения ПВ, % | |
| Масса, кг | |
| Габаритные размеры, мм: | |
| высота | |
| ширина | |
| длина |
7. Подбор муфты
7.1. Соединение вала электродвигателя с валом редуктора осуществляется при помощи упругой втулочно-пальцевой или зубчатой муфты. Целесообразно, чтобы роль тормозного шкива выполняла одна из полумуфт. При этом используются работы [7, 12, 13] или табл. 18 и19 приложения А.
7.2. Муфта выбирается по наибольшему передаваемому моменту. При выборе муфты необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:
- момент, передаваемый муфтой, должен быть равен или больше тормозного момента 
;
- диаметр тормозного шкива муфты 
должен быть равен диаметру необходимого тормозного шкива 
для выбранного тормоза.
7.3. После выбора муфты выписывают ее техническую характеристику в следующем виде:
Характеристика муфты
| Показатели | Значения |
| Обозначение муфты | МУВП с тормозным шкивом |
| Момент, передаваемый муфтой (наибольший), Н·м | |
| Диаметр тормозного шкива, мм | |
| Ширина шкива, мм | |
| Момент инерции, кг × м 2 | 0,1274 |
| Масса, кг |
8. Проверка работоспособности тормоза
8.1. Окружное тормозное усилие 
между поверхностями трения каждой колодки двухколодочного тормоза с поверхностью трения шкива определяют по формуле, Н
,
где 
- диаметр тормозного шкива, м.
8.2. Нормальное давление колодок на шкив, Н
,
где 
- коэффициент трения вальцованной ленты по чугуну (стали) при отсутствии смазки =0,42
8.3. Площадь соприкосновения со шкивом, м 2
,
где - диаметр тормозного шкива, м;
- ширина колодки, м (обычно принимается на 5-10 мм меньше ширины шкива);
- угол обхвата колодкой шкива, град. Для тормозов ТКТГ и ТКТ угол 
70°.
8.4. Среднее удельное давление между колодкой и шкивом, Н/м 2.
.
8.5. Должно соблюдаться условие
,
где 
- допускаемое удельное давление, для вальцованной ленты по металлу =0,4 МПа для спусковых тормозов и =0,6 МПа для стопорных тормозов.
8.6. Проверяют тормоз по нагреву из условия
,
где 
=2,5×106 Вт/м2 – допускаемая величина показателя нагрева;
- линейная скорость точки на поверхности тормозного шкива, м/с.
Величину находим из формулы, м/с
,
где - диаметр тормозного шкива, м;
- частота вращения тормозного вала (вала электродвигателя), мин -1.
На этом заканчивается расчет грузоподъемного устройства. Далее приводится техническая характеристика и компоновочная схема электрореверсивной грузовой лебедки, вычерченная в масштабе (см. рисунок 7). В характеристике отражаются исходные данные задания и обоснованные расчетом характеристики механизма.
Техническая характеристика механизма подъема груза
1. Масса поднимаемого груза, т.
2. Высота подъема, м.
3. Кратность полиспаста.
4. Режим работы механизма.
5. Продолжительность включения, %.
6. Канат (условное обозначение каната).
7. Количество обводных (включая отклоняющих) блоков.
8. Барабан (гладкий, с нарезанными канавками), размеры в мм:
- габаритная длина;
- рабочая длина;
- диаметр;
- диаметр по ребордам;
- толщина стенки;
- шаг нарезки;
- число слоев навивки.
9. Двигатель:
- тип;
- мощность на валу при ПВ %, кВт;
- частота вращения вала двигателя, мин -1.
10. Редуктор:
- обозначение;
- передаточное число;
- передаваемая мощность, кВт;
- частота вращения быстроходного вала, мин -1;
- режим работы.
11. Муфта:
- тип;
- наибольший передаваемый момент, Н·м;
- диаметр тормозного шкива, мм;
- ширина шкива, мм;
- момент инерции муфты, кг × м 2.
12. Тормоз:
- тип;
- тормозной момент, Н·м;
- диаметр тормозного шкива, мм;
- допускаемое значение ПВ, %;
- среднее удельное давление между колодками и шкивом, МПа.