Общая характеристика и параметры. Для уменьшения нагрузок на механизм изменения вылета, для обеспечения устойчивости крана и безопасности работы стреловые системы портальных кранов

Для уменьшения нагрузок на механизм изменения вылета, для обеспечения устойчивости крана и безопасности работы стреловые системы портальных кранов уравновешивают подвижными противовесами. К уравновешивающим устройствам предъявляются следующие требования.

1. Уравновешенность стрелы нужно обеспечить на всем диапазоне вылетов; в соответствии с техническими условиями (ТУ) на портальные краны АО «Подъемтрансмаш» отклонение от уравновешенности допускается не более 15 % от момента, создаваемого весом стрелового устройства на наибольшем вылете относительно корня стрелы.

2. Предпочтительно, чтобы на наибольшем вылете неуравновешенный момент действовал в сторону уменьшения, на наименьшем — в сторону увеличения вылета, а на одном из промежуточных вылетов имело бы место положение устойчивого равновесия стреловой системы, к которому она будет стремиться при отказе механизма изменения вылета; желательно, чтобы это выполнялось без груза, с грузом и с грузозахватом. На рис. 1.47 представлены два графика стрелового неуравновешенного момента М_н = М_стр + М_пр, где М_стр и М_пр — моменты весов стреловой системы и противовеса, приведенные к корню стрелы (положительные моменты действуют в сторону увеличения вылета).

Рис. 1.47. Графики изменения стрелового неуравновешенного момента Мн.(кривые 1 и 2 см. пояснения в тексте)

Кривая 2 недопустима, поскольку при отказе механизма изменения вылета стреловая система будет с ускорением двигаться к одному из крайних вылетов, а не к устойчивому положению А при кривой 1.

3. Система уравновешивания должна быть простой по конструкции и отвечать ограничениями по компоновке (приемлемость расположения шарниров, обеспечение регламентированного заднего габарита поворотной части, удаленность от мертвых положений, расходимость противовеса и колонны на наименьшем вылете, форма противовеса и т.д.) Желательно, чтобы противовес был расположен достаточно далеко от оси вращения крана и приближался к ней по мере подъема стрелы, что способствует равновесию поворотной части с грузом.

Рассмотрим схемы уравновешивающих устройств, применяемых на портальных кранах (см. рис. 1.34). Противовес на консоли стрелы (рис. 1.48) обеспечивает полное уравновешивание на всех вылетах веса прямой стрелы, у которой центр тяжести находится на постоянном расстоянии от оси качания О₁.

Рис. 1.48. Схема уравновешивающего устройства с противовесом на консоли

Условие уравновешивания G_пr_п= G_c r_c, причем r_c = a_c сosa_c,
r_п = a_п cos a_п. Таким образом, должен быть принят вес противовеса

(1.66)

Правая часть (1.66) не зависит от вылета лишь при a_с = a_п, т.е. когда центры тяжести стрелы и противовеса и корень стрелы О₁ лежат на прямой. Система с противовесом на стреле проста по конструкции, в ней нет сложной рычажной системы, но противовес располагается на двух консолях задней части стрелы, между которыми должна размещаться кабина крана (что может привести к двухъярусному расположению оборудования в кабине). Консоли испытывают значительный изгиб от горизонтальных сил инерции при вращении крана. Вес стрелы и противовеса проходит через ось качания стрелы О₁ на расстоянии R_к от оси вращения и создает большой опрокидывающий момент и давления на передние катки опорно-поворотного устройства. На поворотной части нередко нужен неподвижный противовес для устойчивости крана против опрокидывания.

Рассмотренная система обеспечивает полное уравновешивание только для прямых стрел. Для шарнирно-сочлененных стрел, где момент от веса стрелового устройства, приведенный к оси качания стрелы, изменяется по вылету, полное уравновешивание не обеспечивается.

Достаточно универсально и наиболее широко используется устройство с шарнирным четырехзвенником, расположенным над поворотной платформой (см. рис. 1.41) (схемы уравновешивающих устройств с шарнирным шестизвенником [15]). Найдем выражения для моментов от веса элементов стрелового устройства М_стр и противовеса М_пр, приведенных к оси качания стрелы.

Потенциальная энергия П элементов системы изменения вылета (без груза) складывается из двух составляющих:

П = П_с + П_п,(1.67)

где П_с и П_п — соответственно потенциальные энергии звеньев стрелового и уравновешивающего устройств, которые в соответствии со схемой на рис. 1.41 определяются по формулам

П_с = – G_c l_цс sinj_c – G_x (l_c sinj_c – l_цх sina_x) –

– G_от (d_от sinh_от + l_ц.от sina_от), (1.68)

П_п = – G_п (d_п sinh_п – l_п sina_п),(1.69)

где G_c, G_x, G_от, G_п– соответственно веса стрелы, хобота, оттяжки и противовеса; l_цс, l_цх, l_ц.от – длины, определяющие положения центров масс стрелы, хобота и оттяжки (см. рис. 1.41).

Так как обобщенные моменты определяются по формуле то дифференцируя (1.68), найдем после преобразований выражение для стрелового момента М_СТР в виде

М_СТР = [ G_c l_цс + (G_x + 0,5G_от) l_c] cosj_c –

– u_x [G_x l_цс cosa_x – 0,5G_от l_2x cos(a_x + e₂)], (1.70)

где КПФ первого порядка u_x и углы a_х и e₂ определяются соответственно по формулам (1.53), (1.52), (1.51).

Введем КПФ для u_П первого порядка выражением вида

(1.71)

положительное направление a_п показано на рис. 1.41. В соответствии со схемой на рис. 1.49, расстояние от точки крепления тяги противовеса к стреле до точки О₄

(1.72)

Угол a_п в соответствии с принятым положительным направлением определится как

a_П = – (p + h_П – e_П – g₁ – g₂), (1.73)

где тригонометрические функции углов g₁ и g₂ определяются по формулам:

sing₁ = D₃ / 2L_T f_П, cos g₁ = D₄ / 2 L_T f_П,sin g₂ = l_Т sin(j_c + e_c +

+h_П) / L_T, cos g₂ = [d_П + l_Т cos (j_c + e_c + h_П)] / L_T,(1.74)

. (1.75)

Продифференцировав по времени зависимость (1.73), получим для u_Пвыражение вида

, (1.76)

где L_T и D₃определяются по формулам (1.72) и (1.75).

Дифференцируя выражение (1.69), найдем момент М_ПР, приведенный к оси качания стрелы по выражению вида

M_ПР = G_П l_П u_П сos a_П,(1.77)

где a_Попределяется по формуле (1.73). Используя выражения (1.74), окончательно получим:

(1.78)

Стреловой неуравновешенный момент М_Н = М_СТР + М_ПР.

Недостаток рассмотренной схемы уравновешивания – трудность обеспечения ограниченного заднего габарита поворотной части, что часто приводит к весьма сложным формам противовеса.

АО «Подъемтрансмаш» совместно с кафедрой ТТС (ранее ПТСМ) СПбГПУ для новой серии портальных кранов разработало уравновешивающее устройство с противовесом на качающемся рычаге с расположением под поворотной платформой (см. рис. 1.49). Это позволяет (при некотором увеличении массы стрелы) снять многие компоновочные ограничения, понизить общий центр тяжести крана.

Рассмотрим определение момента противовеса М_ПР для этой схемы.

Расстояние L_Т в соответствии со схемой на рис. 1.49 найдем в виде

(1.79)

В соответствии с принятым положительным направлением

a_П = p + h_П – e_П – g₁ – g₂. (1.80)

Тригонометрические функции вспомогательных углов g₁ и g₂ определяются по формулам (1.74) подстановкой величин l_Т и h_П со знаком минус.

Продифференцировав по времени соотношение (1.80), найдем КПФ первого порядка u_Ппо формуле

,

где D₃ определяется по выражению (1.75), L_Т — по (1.79).

Потенциальная энергия сил тяжести противовеса (см. рис. 1.49) определяется по формуле

П_П = G_П (d_П sin h_П + l_П sin a_П). (1.81)

Момент от веса противовеса M_ПР, приведенный к оси качания стрелы, определяется по формуле M_ПР = – ¶П_П / ¶j_С = – G_П l_П u_П cos a_П, где a_П определяется по выражению (1.80).

После преобразований получим

(1.82)

где L_Т, D₃, D₄ и u_П определяются соответственно по формулам (1.79), (1.75), (1.81).

Рис. 1.49. Схема уравновешивающего устройства с противовесом на качающемся рычаге с расположением под поворотной платформой

Выражения (1.76) и (1.77) для u_П и М_ПР при верхнем расположении уравновешивающего устройства (рис.1.49,а) можно записать в виде:

(1.83)

(1.84)

где L_Т, D₃, D₄ определяются по формулам (1.72) и (1.75). Формулы для определения u_ПиМ_ПРпри расположении уравновешивающего устройства под поворотной платформой (рис.1.49) получаются из (1.83) и (1.84) заменой знаков перед l_T, h_П, e_П (во всех выражениях, включая (1.72), Е₁, Е₂ на противоположные.

Схемы уравновешивающих устройств с подвижным противовесом (постоянного веса и складывающимся), движущимся поступательно, приведены в литературе [5, 15].