1.10. ВЫБОР И РАСЧЕТЫ СТОПОРЯЩИХ И ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ
Общие сведения. Для стопорения кранов и их механизмов, а также удержания груза на весу и регулирования скорости при его опускании используют остановы и тормоза.
В качестве остановов в грузоподъемных машинах преимущественно применяют храповые механизмы (для удержания груза на весу).
Тормоза предназначаются для поглощения кинетической энергии движущихся масс крана, его механизмов и груза и используются как для стопорения, так и для регулирования скорости движения. Они различаются по конструкции (колодочные, ленточные, дисковые, конические), назначению (спускные, стопорные), принципу действия (нормально замкнутые, нормально разомкнутые или автоматические). Преимущественное применение находят колодочные нормально замкнутые тормоза. Реже применяются ленточные (в лебедках и механизмах стреловых кранов с групповым приводом). Дисковые тормоза применяют в талях, конические — в механизмах с ручным приводом. Стопорные тормоза предназначены только для остановки и удержания груза на весу, с помощью спускных тормозов можно, кроме того, изменять скорость опускания груза.
В механизмах подъема груза и изменения вылета стрелы с машинным приводом должны быть установлены нормально замкнутые тормоза, автоматически размыкающиеся при включении привода механизма. В механизмах передвижения и поворота применяют как нормально замкнутые, так и комбинированные тормоза, т. е. такие, которые в нормальных условиях работают как нормально разомкнутые, а в аварийных условиях — как тормоза нормально замкнутые действием замыкающего усилия.
Тормоза обычно устанавливаются на наиболее быстроходном валу механизма, где действует наименьший крутящий момент (чаще всего на одной из полумуфт соединения двигателя с редуктором). Выбираются они исходя из расчетного тормозного момента. Из табл. III.5.11...III.5.14 можно выбрать подходящий типоразмер двухколодочного тормоза, имеющий наиболее близкий к расчетному тормозной момент, с регулировкой тормоза до расчетного момента.
Если расчетный тормозной момент одним тормозом не обеспечивается, допускается установка двух тормозов (например, на двух концах вала электродвигателя).
Храповые механизмы (рис. 1.7). Они состоят из храпового колеса 1 кинематически связанного с грузовым валом, и собачки 2, установленной на неподвижной оси 3. Зубья храпового колеса имеют форму, при которой собачка не препятствует вращению механизма при подъеме груза и задерживает движение при опускании груза.
Храповое устройство обычно устанавливается на быстроходном валу привода, где действует наименьший вращающий момент, однако в ряде случаев для повышения надежности размещается на других валах, в том числе и на валу барабана.
Модуль т храпового колеса (мм) определяется из расчета кромок зубьев на смятие (в положении, когда собачка упирается в вершину зуба колеса). При внешнем зацеплении
где Т — вращающий момент на валу храпового колеса, Н·м; z — число зубьев храпового колеса; ψ — коэффициент ширины зуба колеса, ψ=b/m; b — ширина зуба храпового колеса, мм; [q] — допускаемая линейная распределенная нагрузка, Н/м.
Табл. 1.37. Допускаемые значения ψ, [q] и [σи] для зуба храпового колеса
|
Материал храпового колеса |
ψ |
[q], МН/м |
[σи], МПа |
|
Чугун СЧ12 Чугун СЧ15 |
1,5…6,0 |
0,15 |
30 |
|
Сталь 35ЛП Сталь 45ЛП |
1,5…4,0 |
0,30 |
80 |
|
СТ3 |
1,0…2,0 |
0,35 |
100 |
|
Сталь 45 |
1,0…2,0 |
0,40 |
120 |
При модуле храпового колеса m≤6 мм производится проверка зуба на изгиб:
где [σи] — допускаемое напряжение изгиба, МПа.
Рекомендуемые значения ψ, [q], [σи] приводятся в табл. 1.37.
Колодочные тормоза. Чаще применяют двухколодочные тормоза с шарнирно-закрепленными на рычагах колодками и с пружинным или грузовым замыканием. Для размыкания тормоза используются электромагниты (длинноходовые и короткоходовые), электрогидравлические и электромеханические толкатели.
На рис. 1.8 представлена схема колодочного тормоза с короткоходовым электромагнитом. Основная пружина 1 используется для замыкания тормоза, а вспомогательная пружина 2 обеспечивает отход колодок от тормозного шкива. На каждый из рычагов действует результирующая сила F=F0 — FB, где Fo — усилие основной пружины, Н; FB — усилие вспомогательной пружины (обычно принимается в пределах 20...60 Н). Требуемая результирующая сила при заданных тормозном моменте Тт и размерах тормоза определяется по формуле
где f — коэффициент трения между колодкой и шкивом (табл. 1.38); η— КПД рычажной системы тормоза (η = 0,9...0,95); D — диаметр тормозного шкива, м; l, l1 — длины плеч рычагов тормоза (см. рис. 1.8), м.
Требуемое усилие основной пружины F0=F+FB.
Давление между шкивом и колодкой
где — тормозной момент, развиваемый тормозом, Н·м; А — площадь рабочей поверхности одной тормозной колодки, м2:
В — ширина колодки (принимается на 5...10 мм меньше ширины шкива), м; β – угол обхвата шкива одной колодкой: β = 60...110°; [р] — допускаемое давление, МПа (см. табл. 1.38).
При установочном зазоре между колодкой и шкивом ε (табл. 1.39) ход пружины в тормозе
На рис. 1.9 показана схема тормоза с электрогидравлическим толкателем, на рис. 1.10 — с длинноходовым электромагнитом и замыканием от веса специального груза.
Табл. 1.38. Допускаемое давление [р] и коэффициент трения f в колодочных тормозах
|
Материал трущихся поверхностей |
[р], МПa |
f |
|
|
стопорный тормоз |
спускной тормоз |
||
|
Чугун и сталь по чугуну |
2,0 |
1,5 |
0,15 |
|
Сталь по стали |
0,4 |
0,2 |
0,2 |
|
Тормозная асбестовая лента по чугуну и стали |
0,6 |
0,3 |
0,35 |
|
Вальцованная лента по чугуну и стали |
0,6 |
0,4 |
0,42 |
Табл. 1.39. Рекомендуемые установочные зазоры между колодкой и шкивом
|
Диаметр шкива D, мм |
Установочный зазор Σ, мм |
|
100 |
0,6 |
|
200 |
0,8 |
|
300 |
1,0 |
|
400; 500 |
1,25 |
|
600; 700; 800 |
1,5 |
В этих тормозах вертикальное усилие F создается пружиной или грузом, при этом где усилие F1 на рычаг определяется так же, как и в тормозах с короткоходовыми электромагнитами. Необходимая для замыкания тормоза по рис. 1.10 масса груза (кг)
где mр – масса рычага, кг; тя – масса якоря электромагнита, кг; l4, lp, lя, lг — длины плеч, м.
Усилие (Н) растормаживания гидравлическим толкателем или длинноходовым электромагнитом: .
Ход пружины в тормозе по рис. 1.9 (при отходе колодки от шкива на ε)
Ход груза в тормозе по рис. 1.10
Выбор электромагнитов для двухколодочных тормозов производится на основании зависимости
где Wэ — работа, производимая электромагнитом, Дж.
Для электромагнитов с поступательным движением якоря
где FM — тяговое усилие электромагнита, Н; hм — ход якоря электромагнита, м; k — коэффициент использования хода якоря электромагнита: k = 0,8...0,85.
Для электромагнитов клапанного типа
где Тм — момент электромагнита, Н·м; φ — максимально допустимый угол поворота якоря, рад.
Ленточные тормоза. Тормозной момент в этих тормозах создается за счет трения гибкой ленты о тормозной шкив. Замыкание тормоза происходит за счет специального груза, а размыкание — с помощью электромагнита. В зависимости от схемы закрепления концов ленты различают простые, дифференциальные и суммирующие тормоза (рис. 1.11). Нормально замкнутый простой ленточный тормоз (рис. 1.11, а) применяется обычно (в механизмах подъема) при тормозном моменте, направленном в одну сторону.
Необходимая масса груза (кг)
где F2 — натяжение сбегающей ветви ленты, Н; mр — масса рычага, кг; тя — масса якоря электромагнита, кг; l2, lp, lя, lг — длины плеч, м.
Необходимый ход рычага h при отходе ленты от шкива на ε где α—угол обхвата шкива лентой, рад.
Необходимая масса груза (кг) для создания тормозного момента в дифференциальном ленточном тормозе (рис. 1.11,6)
где F1 — натяжение набегающей ветви ленты, Н.
Ход рычага где ε — отвод ленты, м.
Подбором плеч l1 и l2 можно обеспечить требуемый тормозной момент при данной массе груза. Для того чтобы не произошло самозатягивание ленты, необходимо выполнение условия
где f — коэффициент трения между лентой и шкивом (табл. 1.38); е — основание натурального логарифма; l2= (2,5...3) l1; l1 = 30...50 мм.
Суммирующий ленточный тормоз (рис. 1.11, в). Он обеспечивает постоянство тормозного момента независимо от направления вращения шкива и поэтому может быть использован в механизмах передвижения и поворота.
Табл. 1.40. Допускаемое давление [р] в ленточных тормозах, МПа
|
Тип тормоза |
Материал трущихся поверхностей |
|||
|
стальная лента по чугунному или стальному шкиву |
тормозная асбестовая лента по стальному или чугунному шкиву |
вальцованный и формованный фрикционный материал по металлическому шкиву |
дерево по чугунному шкиву |
|
|
Стопорный |
1,5 |
0,6 |
0,8 |
0,6 |
|
Спускной |
1,0 |
0,3 |
0,4 |
0,4 |
Необходимая масса груза (кг) в этом тормозе
Ход рычага
Для определения натяжения ленты в ленточных тормозах используются известные зависимости Эйлера.
Натяжение набегающей ветви
сбегающей ветви
Давление (МПа) между лентой и шкивом непостоянно и изменяется от рmin до рmax, при этом
где В — ширина ленты, м.
Должно соблюдаться условие рmax ≤ [р], где [р] — допускаемое давление в ленточных тормозах (табл. 1.40).
Лента и элементы ее крепления рассчитываются по усилию F1. Электромагниты для ленточных тормозов подбирают из условия
где W— работа на тормозном элементе, Дж, которая определяется по формулам:
для простого ленточного тормоза
для дифференциального
для суммирующего
где ε — отвод ленты, м.
Табл. 1.41. Коэффициент трения f и допускаемое давление [р] (МПа) в дисковых тормозах
|
Материалы трущихся поверхностей |
Вид смазки |
|||||
|
масляная ванна |
густая смазка |
без смазки |
||||
|
f |
[р] |
f |
[р] |
f |
[р] |
|
|
Сталь по стали или чугуну |
0,06 |
0,8 |
0,1 |
0,4 |
0,15 |
0,3 |
|
Прессованный и вальцованный фрикционный материал по металлу |
0,16 |
1,2 |
0,12 |
1,0 |
0,42 |
0,6 |
|
Тканый и плетеный фрикционный материал по металлу |
0,12 |
0,8 |
0,1 |
0,6 |
0,15 |
0,3 |
Дисковые тормоза. Тормозной момент в этих тормозах (рис. 1.12) создается за счет трения между неподвижными 1 и подвижными 2 дисками, прижимаемыми друг к другу пружиной. Замыкание тормоза производится также весом груза (грузовые тормоза) или усилием человека.
Осевое усилие, создающее тормозной момент Тт,
где z — число пар поверхностей трения; f — коэффициент трения между дисками (табл. 1.41); Rc— средний радиус поверхности трения, м:
RH и RВ — наружный и внутренний радиусы дисков, м.
Давление (МПа) на поверхностях трения
Центробежный дисковый тормоз (рис. 1.13). Тормоза этого типа предназначены для регулирования скорости опускания груза, используются главным образом в лебедках подъемников. На диске 2, закрепленном на валу 1, установлен диск 4, который имеет возможность осевого перемещения. Расположенные на диске 4 грузы 5 под действием центробежной силы стремятся сблизить диски 2 и 4 и зажать расположенный между ними неподвижный фрикционный диск 3. Пружина 6 стремится раздвинуть диски 2 и 4. Fa определяется из условия, что при заданной частоте вращения тормоз еще не включается:
где mг — масса одного груза, кг; п - частота вращения грузов, мин-1; l1, l2 — плечи рычага, м; r — расстояние центра тяжести грузов до оси вращения вала 1, м; zг — число грузов (от 2 до 6); Тт — тормозной момент на валу тормоза при спуске груза, Н·м; Dн, Dв – наружный и внутренний диаметры дисков трения, м.
Давление (МПа) на поверхностях трения дисков
где допускаемое давление [р] принимается по табл. 1.41.
Тепловой расчет тормозов. Этот расчет имеет целью ограничение нагрева поверхностей трения. Упрощенный расчет основан на уравнении теплового баланса тормоза
где Q0 — количество теплоты, выделяющееся на поверхности трения в течение часа; Q1 — количество теплоты, отводимое в течение часа в окружающую среду лучеиспусканием; Q2— количество теплоты отводимое в течение часа конвекцией при неподвижном шкиве; Q3 — количество теплоты, отводимое в течение часа конвекцией с поверхности вращающегося шкива.
Q0, Q1, Q2, и Q3 (Вт) определяются по формулам (1.104)...(1.109).
(1.104)
где — приведенный к тормозному валу момент инерции вращающихся и поступательно движущихся элементов крана и груза, кг·м2; nт — частота вращения тормозного шкива, при которой начинается торможение, мин-1; z — число торможений в час, принимаемое в зависимости от режима работы механизма (легкий — 60; средний —120; тяжелый — 180; весьма тяжелый — 300); ρ — коэффициент, устанавливающий соотношение между энергией движущихся масс механизма и энергией, затрачиваемой на их торможение:
для механизмов подъема
(1.105)
для механизмов передвижения
(1.106)
kт — коэффициент запаса торможения (см. табл. 2.9); Тс — момент сопротивления передвижению механизма с грузом; Тт — тормозной момент.
(1.106)
где с1 — коэффициент излучения от полированной поверхности: с1 = 1,5 Вт/(м2·град4); с2— коэффициент излучения от матовой поверхности, с2=5 Вт/(м2·град4); А1 — площадь поверхности трения тормозного шкива, не закрытой тормозными колодками, м2; А2 — площадь торцевых поверхностей тормозного шкива, м2; t — максимально допускаемая температура нагрева для данного фрикционного материала (для тканой ленты — 200 °С, для вальцованной — 220°; для чугуна и стали — 150°С); t2 — температура окружающей среды (принимается равной 35 °С).
(1.108)
где α — коэффициент теплопередачи от неподвижной поверхности, контактирующейся с воздухом, α = 5,8...8,7 Вт/(м2·°С); А3 — площадь поверхности шкива, не перекрытой колодками, м2:
(1.109)
(1 — ПВ) — часть общего времени работы тормоза, в течение которого шкив неподвижен; ПВ — относительная продолжительность включения механизма (в долях единицы):
,
где A4 — площадь внутренней и наружной поверхностей обода шкива без учета площадей поверхностей, перекрытых.колодками, м2, которые имеют среднюю скорость υ0, м/с; , , ..., — площади (м2) колец на боковых поверхностях шкива, имеющих соответственно средние скорости υ1, υ2, …, υi, м/с.