CC BY
38
МАШИНОВЕДЕНИЕ, СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ И ДЕТАЛИ МАШИН
УДК 621.86
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЯГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИУРЕТАНОВОЙ ЛЕНТЫ
В.Ю. Анцев, П.В. Витчук, Н.А. Витчук, Н.Д. Рейхерт
Отмечена перспективность использования полиуретановой ленты в качестве тягового органа и растянутого элемента ряда машин. Приведена конструкция лабораторной установки для исследования тяговых характеристик передач трением. Приведены результаты экспериментального исследования тяговых характеристик поли-уретановой ленты.
Ключевые слова: полиуретановая лента, тяговая характеристика, передача трением, лабораторная установка, исследование.
В настоящее время в большинстве грузоподъемных установок тяговым элементом является стальной канат [1-5 и др.]. Основным недостатком стального каната является его плохая приспособленность к работе с блоками и шкивами, обусловленная сложностью формы каната, его жесткостью, склонностью к закручиванию и др., что обуславливает возникновение возрастающих усталостных напряжений в отдельных проволоках и прядях каната. Для устранения этого недостатка изменяют конструкцию каната и технологию его изготовления (например, используют фасонно-прядные канаты), повышают статический запас прочности каната, увеличивают размеры органов навивки.
Для ряда механизмов и машин проф. А.И. Борохович в качестве тягового органа вместо стального каната предложил использовать стальную ленту [6]. Автором были проведены теоретические и экспериментальные исследования стальной ленты:
- в качестве тягового органа на грузовых лифтах различной грузоподъемности; на пассажирском лифте; на шахтных машинах бобинного и многоканатного подъема со шкивом трения; в опускной секции толкающего конвейера; в механизме подъема и замыкания челюстей двухчелюстного грейфера; в механизме открывания днища ковша экскаватора; в механизме подъема вильчатого погрузчика;
- в качестве растянутого элемента стрел и подвесок экскаваторов и кранов, стропов.
В результате исследований было доказано, что стальная лента имеет ряд существенных преимуществ по сравнению со стальным канатом: огибает блоки и шкивы даже небольших диаметров, не вызывая повышения в ней напряжений; агрегатная прочность ленты позволяет практически полностью использовать механические свойства ее материала; при попадании влаги на поверхность тяговая способность снижается незначительно.
Основным недостаткам стальной ленты является то, что она представляет собой одноэлементное изделие, поэтому ее обрыв относится к классу внезапных (непрогнозируемых) отказов. Поэтому применение стальных лент в механизмах большинства грузоподъемных установок недопустимо или ограничено.
В начале 2000-х годов фирмами OTIS (Отис, США) и SCHINDLER (Шиндлер, Швейцария) были изготовлены лифты, в механизмах подъема которых в качестве тягового элемента была использована полиуретановая лента, армированная стальными многопроволочными канатами [7, 8]. Несколько позднее подобные механизмы подъема были использованы в подъемниках рюкзачного типа для перемещения автомобильных кузовов. Отличительной особенностью полиуретановой ленты является то, что наряду с преимуществами стальной ленты она является многоэлементным изделием, разрушение которого происходит постепенно, то есть обрыв ленты может быть заблаговременно предотвращен.
К сожалению, информация, приводимая об этих, несомненно, перспективных тяговых элементах, носит разрозненный и преимущественно рекламный характер, а их конкретные технические и эксплуатационные характеристики практически отсутствуют.
Это обусловливает актуальность экспериментального исследования тяговых характеристик полиуретановой ленты.
Усилие T натяжения гибкого элемента, охватывающего шкив (барабан) и натянутого по концам силами T1 и T2, в любом месте по дуге обхвата между точками А и В (рис. 1) определяется из уравнения
T = Tjef j, (1)
где f - коэффициент трения скольжения; j - угловая координата рассматриваемого сечения; e - основание натуральных логарифмов [6].
Откуда
f = М (2)
j
Для точки В, где j = a и T = T2, уравнение (1) можно записать в следующем виде:
^ =efa. (3)
T1
Уравнение (3) показывает, что при полном использовании силы трения предельное отношение натяжений T1 и T2 есть функция коэффициента трения f и угла обхвата a (в радианах) и что во избежание скольжения гибкого элемента это отношение не должно превышать величины e fa , которую часто называют тяговым коэффициентом.
74
Рис. 1. Распределение сил натяжения гибкого элемента
на ведущем шкиве
Коэффициент трения, следовательно, и тяговый коэффициент, зависят от нагрузки тягового элемента [9]. Явление объясняется изменением количества точек контакта с поверхностью шкива при изменении нагрузки. Это сопровождается изменением нормальных давлений на изменяющейся поверхности контакта, вследствие чего понижаются значения коэффициента трения. Этот факт объясняет, что расчет тягового коэффициента по формуле носит «прикидочный» характер. Фактическое его значение должно определяться экспериментально для нагрузок, характерных проектируемой машине.
Для экспериментального исследования тяговых характеристик по-лиуретановой ленты была разработана и изготовлена лабораторная установка для исследования передач трением с гибким тяговым элементом. В качестве прототипов были использованы известные конструкции установок, разработанные кафедрами «Подъемно-транспортные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана [9], «Транспортно-технологические машины и оборудование» Пензенского государственного университета (ПГУ) [10], «Подъемно-транспортные машины и оборудование» Тульского государственного университета [11]. Основным преимуществом разработанной лабораторной установки по сравнению с прототипами [9-11] является ее универсальность. Установка позволяет исследовать тяговые характеристики различных тяговых органов (полиуретановых и стальных лент, стальных канатов, плоских и клиновых ремней ременных передач) в диапазоне углов обхвата от 90 до 200° с рабочей нагрузкой до 5000 Н. Это позволяет использовать установку при проведении лабораторных работ по различным дисциплинам.
Установка (рис. 2) работает следующим образом. Вращение на тяговый орган 3 передается с установленного на стойке 4 электродвигателя 1 через червячный редуктор 2. Сбегающая ветвь тягового элемента 5 связана с рычагом 6, на конец которого подвешивают грузы 7. С целью выигрыша в силе рычаг 6 установлен шарнирно через комплект подшипников, а точка крепления гибкого элемента расположена ближе к оси вращения рычага 6, чем точка подвеса груза 7.
С целью компенсации неточностей монтажа, а также угла закручивания (при исследовании стального каната) набегающая ветвь тягового элемента связана с тензокольцом через шаровой шарнир 9.
75
Рис. 2. Установка для экспериментального определения тяговой способности передач трением с гибким тяговым элементом: 1 - электродвигатель; 2 - червячный редуктор;
3 - тяговый орган; 4 - стойка; 5 - тяговый элемент; 6 - рычаг;
7-грузы; 8 - тензоколъцо с датчиком; 9 - шаровой шарнир
Для установки был изготовлен комплект тяговых органов (с плоской поверхностью и с ручьями), на каждом из которых выполнено по три ступени диаметром 100, 150 и 200 мм соответственно.
В качестве исследуемого образца была взята полиуретановая лента CP41D-20 от лифта OTIS Gen2.
Параметры ленты: разрывная нагрузка [F] = 32000 Н; количество лент п = 3; коэффициент запаса прочности Щ =15,3; ширина 30 мм; толщина 3 мм; армирование 12 стальными канатами диаметром 1,67 мм конструкции 7x7.
Параметры лифта: грузоподъемность <2 = 630 кг; масса кабины <2^=617 кг; масса противовеса <2п=944 кратность подвески / = 2; диаметр шкива трения D = 100 мм.
Приблизительно определим рабочий диапазон изменения натяжений в ветви полиуретановой ленты со стороны кабины (динамика движения лифта, потери на трение в канатно-блочной системе и в башмаках кабины и противовеса, а также степень неуравновешенности тягового элемента условно не учтены):
- порожняя кабина: Тх = = 611 9„ юоо Н;
\-п 2-3
(0 + 0v)-g (630 + 617)-9,81
- груженая кабина: Тх = —6 = ^-'—— - 2000 Н.
i-п 2-3
На основе этих данных при проведении эксперимента максимальное значение было с некоторым запасом увеличено до -3000 Н.
Также при проведении эксперимента было принято следующее:
- диаметр шкива трения D = 100 мм;
- шаг изменения нагрузки в сбегающей ветви 30 кг (294 Н);
- угол обхвата лентой шкива трения а = 90; 135; 180°.
Опыты в эксперименте повторялись троекратно для каждого из сочетаний нагрузки и угла обхвата лентой шкива трения.
Зависимость отношения натяжений в набегающей и сбегающей ветвях полиуретановой ленты от натяжения в сбегающей ветви приведена на рис. 3.
2.4_
2,1
1,8
1.5~~
1,2
0 750 1500 2250 3000
Рис. 3. Зависимость 71/72 от 72
Результаты расчета коэффициента трения для экспериментально полученных значений натяжений в набегающей и сбегающей ветвях поли-уретановой ленты даны в таблице.
Результаты расчета коэффициента трения
т, кг 72, Н а = 90° а = ] 135° а = 180°
/ /ср / /ср / /ср
30 294 0,165 0,162 0,170 0,170 0,194 0,196
0,163 0,166 0,196
0,159 0,173 0,199
60 589 0,201 0,200 0,207 0,210 0,221 0,221
0,204 0,210 0,224
0,195 0,212 0,219
90 883 0,219 0,222 0,225 0,225 0,238 0,235
0,225 0,229 0,232
0,223 0,221 0,235
120 1180 0,250 0,251 0,238 0,240 0,254 0,255
0,256 0,242 0,255
0,247 0,240 0,257
150 1470 0,251 0,255 0,255 0,255 0,265 0,262
0,254 0,254 0,262
0,259 0,256 0,260
180 1770 0,255 0,252 0,253 0,256 0,269 0,266
0,250 0,256 0,264
0,252 0,259 0,265
210 2060 0,256 0,256 0,260 0,258 0,266 0,267
0,262 0,258 0,267
0,250 0,255 0,269
Окончание
m, кг 72, Н a = 90° a = ] 135° a = 180°
f /ср f /ср f /ср
240 2350 0,253 0,256 0,261 0,260 0,269 0,267
0,262 0,263 0,267
0,256 0,257 0,266
270 2650 0,256 0,257 0,264 0,264 0,271 0,269
0,253 0,267 0,267
0,262 0,260 0,268
300 2940 0,255 0,260 0,261 0,264 0,269 0,269
0,260 0,267 0,271
0,265 0,265 0,267
По результатам расчета можно сделать заключение, что с приемлемой точностью в расчетах можно использовать значение f = 0,245...0,265. Также любопытным является тот факт, что с увеличением нагрузки на по-лиуретановую ленту тяговый коэффициент возрастает. Тогда как у стального каната он наоборот уменьшается.
Список литературы
1. Александров М.П. Грузоподъемные машины. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 552 с.
2. Анцев В.Ю., Витчук П.В. Обеспечение долговечности лифтовых канатоведущих шкивов // Тяжелое машиностроение. 2013. № 11-12. С. 3741.
3. 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. 436446.
4. Конструкция канатного тормоза и его расчет / В.Ю. Анцев, В. А. Ермоленко, П.В. Витчук, Е.Е. Майоров // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 5. С. 75-81.
5. Лифты: учебник для вузов / под общей ред. Д.П. Волкова. М.: Изд-во АСВ, 1999. 480 с.
6. Борохович А.И. Грузоподъемные установки с ленточным тяговым органом. М.: Машиностроение, 1980. 191 с.
7. Лифт Otis Gen2. Официальный сайт компании Otis [Электронный ресурс]. URL: http://otis.com/site/ru/pages/Gen2Elevator.aspx (дата обращения: 03.11.2018).
8. Лифт Schindler 3300. Официальный сайт компании Schindler [Электронный ресурс]. URL: http:www.schindler.com/ru/internet/ru/reshenija-po-peredvizheniju / produkty/lifty/schindler-3300.html (дата обращения: 03.11.2018).
9. Семенов Л.Н. Передача силы трением гибкого элемента о шкив: метод. указания к лаб. работам. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1970. 22 с.
10. Исследование тяговой способности канатоведущего шкива лебедки: метод. указания к лаб. работе по курсу «Подъемники» / Н.Е. Курно-сов [и др.] / под ред. Н.Е. Курносова. Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. 12 с.
11. Толоконников А.С. Машины непрерывного транспорта: метод. указания к лаб. работам. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 53 с.
Анцев Виталий Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, Anzev@tsu. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Витчук Павел Владимирович, канд. техн. наук, доцент, Vitchuk a hmstu. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»,
Витчук Наталья Андреевна, канд. техн. наук, доцент, Vitchuk.Natalyaa mail.ru, Россия, Калуга, Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского,
Рейхерт Надежда Дмитриевна, студент, reikhert. nadiaayandex. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
EXPERIMENTAL STUDY OF TRACTION CHARACTERISTICS OFPOLYURETHANE TAPE
V.Yu. Antsev, P.V. Vitchuk, N.A. Vitchuk, N.D. Reihert
Noted the prospects of using polyurethane tape as a traction hody and a stretched element of number machines. Given the design of a laboratory stand for studying the traction characteristics of friction gears. Presented the results of an experimental study of polyurethane tape traction characteristics.
Key words: polyurethane tape, traction characteristic, friction gear, laboratory stand, research.
Antsev Vitaliy Yurevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, An-zev@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, zzzVen-torayandex.ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University, Kaluga Branch,
Vitchuk Natalia Andreevna, candidate of technical sciences, docent, vitchuk. natalyaamail. ru, Russia, Kaluga, Kaluga State University named after K.E. Tsiolkovsky,
Reykhert Nadezhda Dmitriyevna, student, reikhert. nadiaayandex. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University, Kaluga Branch
