CC BY
55
Antsev Vitaliy Yurievich, doctor of technical science, professor, manager of department, Anzev@tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ermolenko Vladimir Alekseevich, candidate of technical science, tvermolen-ko@rambler.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,
Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical science, zzzVentor@yandex.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,
Majorov Evgenij Evgen 'evich, student, maybesovsky@yandex. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch
УДК 621.86
МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО
ЛЕНТОЧНОГО ТОРМОЗА
П.В. Витчук, В. А. Ермоленко, П. А. Гладышев
Рассмотрены преимущества и недостатки ленточных тормозов. Предложено использовать полиуретановую ленту, армированную стальными канатами, в качестве тягового элемента тормоза. Приведены условия, которые должны быть выполнены при проектировании дифференциального ленточного тормоза. Представлена методика проектирования дифференциального ленточного тормоза. Дан алгоритм реализации представленной методики на ЭВМ.
Ключевые слова: грузоподъемная машина, ленточный тормоз, механизм, механизм подъема, полиуретановая лента, тормоз, тяговая способность.
Безопасная эксплуатация грузоподъемных машин обеспечивается на основе введения в их конструкцию надежных тормозов.
В механизмах грузоподъемных машин применяют следующие типы тормозов: колодочные (рабочим элементом является колодка, взаимодействующая с наружной цилиндрической поверхностью тормозного барабана); ленточные (с рабочим элементом в виде гибкой ленты, взаимодействующей с тормозным барабаном); дисковые (с рабочим элементом в виде целых колец или отдельных сегментных колодок) и конические [1, 2].
В механизмах грузоподъемных машин наиболее часто применяют нормально-замкнутые двухколодочные тормоза с наружным диаметральным расположением тормозных колодок относительно тормозного шкива и пружинным замыканием колодок на шкиве. Тормоза такого типа, как правило, устанавливают на быстроходном валу механизма. Это объясняется тем, что возрастание крутящего момента приводит к значительному увеличению габаритов тормоза [1]. Поэтому основным недостатком колодочного тормоза является его удаленность по кинематической цепи от рабочего органа, то есть при отказе промежуточных элементов кинематической цепи может произойти авария, например, падение груза.
81
Ленточные тормоза (рис. 1) могут быть установлены непосредственно на рабочем органе, например, грузовом барабане, так как они способны развивать значительные по величине тормозные моменты при малых габаритах самого тормоза.
Однако такие тормоза имеют ряд недостатков, самым существенным из которых является тот факт, что лента представляет собой одноэлементное изделие, поэтому ее обрыв влечет за собой непрогнозируемый отказ тормоза [1]. В работе [3] предложены рекомендации по снижению вероятности обрыва ленты: использование высококачественных лент c обрезными краями и контроль за их техническим состоянием при помощи специального устройства. Несмотря на это, применение ленточных тормозов в механизмах грузоподъемных машин ограничено.
С начала 2000-х годов фирмы OTIS (Отис, США) и SCHINDLER (Шиндлер, Швейцария) изготавливают механизмы подъема лифтов, в которых вместо тяговых канатов использована полиуретановая лента, армированная стальными многопроволочными канатами [4, 5]. Такая лента является многоэлементным изделием, поэтому может применяться в ответственных конструкциях, к которым можно отнести ленточные тормоза. Кроме того, контроль за техническим состоянием ленты может осуществляться в режиме реального времени на основе установки датчиков обрыва армирующих канатов.
Известны простой, дифференциальный и суммирующий ленточные тормоза. В простом тормозе один конец ленты крепят к неподвижной оси вращения рычага, другой - к подвижному рычагу. В дифференциальном тормозе концы ленты крепят непосредственно на тормозном рычаге по разные стороны от оси его вращения, а в суммирующем тормозе - с одной стороны от оси его вращения [1, 2].
В ленточных тормозах тормозной момент создается на основе трения между поверхностью цилиндрического тормозного шкива и фрикционным материалом, прикрепленным к стальной ленте (рис. 2). При огибании цилиндра лентой натяжение в ней изменяется от максимального T до минимального t значения в соответствии с формулой Эйлера [1]:
Peß- р
т=JPr~; t=-f—, (1)
efa -1 efa -1
где P = 2Mт /D - окружное усилие;MT - тормозной момент; D - диаметр тормозного шкива; f - коэффициент трения между шкивом и фрикционным материалом; a - угол обхвата тормозного шкива лентой.
Между натяжениями T и t существует взаимосвязь: T = tefa.
Контактное давление между поверхностью шкива и фрикционным материалом, определяющее интенсивность их изнашивания, также изменяется от максимального pmax до минимального p mjn значения.
6
Рис. 1. Ленточный тормоз: 1 - размыкающее устройство; 2 - рычаг; 3 - ось; 4 - лента; 5 - фрикционная накладка; 6 - тормозной шкив; 7 - регулировочный винт; 8 - шток; 9 - замыкающая пружина
Рис. 2. Схема действия сил в ленточном тормозе
Так как коэффициент трения входит в показатель степени, то незначительное его изменение приводит к значительному изменению тормозного момента. Исходя из этого стальную ленту (изготовленную обычно из Ст3 или Стали 20) снабжают фрикционным материалом для увеличения
83
силы трения [1, 2]. Механические характеристики полиуретановых лент OTIS и SCHINDLER производителями не раскрыты. Можно предположить, что коэффициент трения их по стали сопоставим с коэффициентом трения фрикционного материала, используемого в традиционных конструкциях ленточных тормозов, то есть полиуретановую ленту не нужно будет снабжать фрикционными накладками, что исключит ослабление ее поперечного сечения отверстиями под заклепки, которыми крепят фрикционный материал.
Основные зависимости для расчета параметров ленточных тормозов и их вывод подробно изложены в [1 и 2].
Ширину ленты B определяют из условия износостойкости на основе расчета по допускаемому контактному давлению [ p]:
2T
B > —. (2)
D[p] V '
Толщину ленты 5 определяют из условия прочности на основе расчета по напряжению растяжения в опасном сечении, ослабленном отверстиями под заклепки, по максимальному натяжению ленты T :
T
5 >—-, (3)
кВ[оР ]
где k - коэффициент, который учитывает потерю сечения ленты (при использовании заклепок принимают к = (0,75...0,85)); [ор] - допускаемое напряжение растяжения ленты.
Учитывая концентрацию напряжений в заклепочном соединении и неравномерное нагружение по ширине ленты коэффициент запаса прочности относительно предела текучести принимают не менее трех, то есть
[о р] » где s т - предел текучести материала, из косого изготовлена
лента.
Очевидно, что если исключить заклепочное соединение, использовав, например, полиуретановую ленту и специальные зажимы, то требуемая толщина ленты окажется существенно ниже.
Тормозной момент, создаваемый дифференциальным ленточным тормозом в направлении по часовой стрелке (Rev 1 на рис. 3),
efa -1 _ „ _ D A2 - A1e-
Г - I / J
M T1 = --7J- (Gp b + G^ L)y n,
где и А - длины плеч рычага; Ср - вес рычага; Ь - расстояние до центра тяжести рычага; Срр - вес замыкающего груза (или усилие замыкающей пружины при пружинном замыкании); Ь - полная длина рычага; П = 0,9...0,95 - КПД рычажной системы.
84
При выполнении предварительных расчетов можно принять вес рычага равным нулю (Gp = 0), тогда:
efa -1 D M T1 --- GrDL—n. (4)
A2 - A1efa Гр 2 ' w
При изменении вращения на противоположное (Rev 2 на рис. 3) тормозной момент уменьшится в (A;efa -1)/(A2 - Aiefa) раз:
efa -1 _ D
M T2- g* n. (5)
Из формул (4) и (5) следует, что при соотношении плеч рычага A;/Ai, близком к efa, можно получить тормозной момент, стремящийся к бесконечности, то есть может произойти так называемое самозатягивание ленты, которое может привести к ее обрыву и повышенному износу тормозного шкива. Для исключения этого опасного явления должно выполняться неравенство A; > Aiefa. Обычно принимают A; = (2,5...3)Ai, а размер Ai из конструктивных соображений принимают 30 - 50 мм [1, 2].
Рис. 3. Расчетная схема дифференциального ленточного тормоза
Таким образом, при проектировании дифференциального ленточного тормоза должны быть выполнены следующие четыре условия:
1) отсутствие самозатягивания А > ;
2) наличие достаточной износостойкости материала фрикционных накладок р £ [р];
3) наличие достаточной прочности ленты ор £ [ор];
4) правое плечо рычага должно быть в пределах от 0,5 до 1,5 диаметра шкива, то есть 0,5 £ Ь £ 1,5.0.
Для выполнения этих четырех условий при одновременном обеспечении минимальных размеров дифференциального ленточного тормоза предложена следующая методика его проектирования [6]:
1. Задаются минимально возможным значением диаметра тормозного шкива О, которое определяется конструктивными особенностями элемента механизма, где планируется разместить тормоз, например, барабан механизма подъема груза или круг опорно-поворотного устройства.
2. Назначают материал тормозного шкива, материал и ширину фрикционных накладок, материал и толщину ленты с использованием рекомендаций [1, 2].
3. Обозначают для удобства К1 = Ь1, и получают угол обхвата
(рис. 3):
а = п + 1ап-1( Х1) + 2пЫ,
где X, = *; X = .
1 ТТ-Х2 0,60
4. Вычисляют тяговый коэффициент:
е/а = ехр( /а).
5. Проверяют по условию отсутствия самозатягивания:
Л2 > Л1е/а ® 0,50 > К1Бе/а ® 0,5 > К1е/а
Если данное условие не выполняется, то необходимо увеличить диаметр тормозного шкива.
6. Проверяют по условиям износостойкости фрикционных накладок и прочности ленты:
О >
1
4М Т1е/а
В[р](е/а -1)'
0 > 2МТ1е/а
(0,75...0,85)В[ор ]5(е/а -1) Если одно или оба условия не выполняются, то необходимо увеличить диаметр тормозного шкива. Округление по результатам расчета следует выполнять в большую сторону.
7. Определяют полную длину рычага:
2МТ1(Л2 - Л1е/а)
Ь =
ОСгр (е/а - 1)п 86
Если полученное значение не попадает в диапазон 0,5 < Ь < 1,50, то можно увеличить массу замыкающего груза (или усилие замыкающей пружины при пружинном замыкании). В этом случае расчет необходимо провести заново.
8. Устанавливают большее и меньшее натяжения ленты:
т _ 2МТ1е^а ; г _ 2МТ1
D(efa -1)' D(efa -1)' 9. Вычисляют среднее давление на фрикционные накладки:
p = pmax + pmin
Pep = 2 ,
где
2T
pmax
pmin
DB 2t
DB
10. Рассчитывают максимальное напряжение растяжения, возникающее в поперечном сечении ленты:
T
°max = ВЪ - [°P].
11. Определяют тормозной момент при вращении тормозного шкива в обратную сторону:
^ A; - Aiefa MT2 = MT1
A2efa - A1
Представленная методика проектирования дифференциального ленточного тормоза была реализована на ЭВМ. Основная часть алгоритма программы представлена на рис. 4. Программа использует принцип итераций (инкремента).
Исходными данными для программы являются: требуемый тормозной момент [Мт ]; число полных обхватов лентой тормозного шкива N ; вес замыкающего груза (или усилие замыкающей пружины при пружинном замыкании); ширина и толщина ленты; допускаемые значения давления и напряжения растяжения в ленте; коэффициент трения; коэффициент длины левого рычага; направление вращения тормозного шкива.
В результате моделирования получают: наименьший диаметр тормозного шкива; координаты точек крепления концов ленты к рычагу; полную длину тормозного рычага тормоза; среднее давление; максимальное усилие растяжения ленты; максимальное напряжение растяжения в ленте; тормозной момент при вращении шкива в обратную сторону.
Рис. 4. Алгоритм проектирования дифференциального ленточного тормоза
Разработанная программа позволяет в широких пределах варьировать параметрами тормоза с целью получения его наиболее рациональной конструкции для конкретного механизма грузоподъемной машины.
Список литературы
1. Александров М.П. Грузоподъемные машины. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 552 с.
2. Александров М.П. Тормоза подъемно-транспортных машин. М.: Машиностроение, 1976. 383 с.
3. Борохович А.И. Грузоподъемные установки с ленточным тяговым органом. М.: Машиностроение, 1980. 191 с.
4. Лифт Otis Gen2. Официальный сайт компании Otis. [Электронный ресурс]. URL: http://otis.com/site/ru/pages/Gen2Elevator.aspx (дата обращения 26.02.2017).
5. Лифт Schindler 3300. Официальный сайт компании Schindler. [Электронный ресурс]. URL: http :www. schindler.com/ru/internet/ru/reshenij a-po-peredvizheniiu/produktv/liftv/schindler-3 300 .html (дата обращения 26.02.2017).
6. Витчук П.В., Ермоленко В.А., Гладышев П.А. Проектирование дифференциального ленточного тормоза // Проблемы и инновации в области механизации и технологий в строительных и дорожных отраслях. 2016. Т. 1. № 3. С. 61 - 66.
Витчук Павел Владимирович, канд. техн. наук, доц., zzzVentor@yandex.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),
Ермоленко Владимир Алексеевич, канд. техн. наук, доц.,
tvermolenkoarambler. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского
государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),
Гладышев Павел Альбертович, студент, Glad-p@,mail.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
THE TECHNIQUE OF THE DIFFERENTIAL BELT BRAKE DESIGN P. V. Vitchuk, V.A. Ermolenko, P.A. Gladyshev
In this work the advantages and disadvantages of belt brakes have been considered. We have suggested using polyurethane belt, reinforced by steel cords as a tractive element of the brake. There have been shown the conditions which should be observed while designing the differential belt brake. We have suggested the technique of the differential belt brake design. The algorithm of carrying out the given technique on a computer is also presented.
Key words: hoisting machine, belt brake, mechanism, hoisting mechanism, polyurethane belt, brake, tractive ability.
Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, zzzVen-tor@yandex.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,
Ermolenko Vladimir Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, tvermolen-ko@rambler.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,
Gladyshev Pavel Albertovich, student, Glad-pamail.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch
УДК 621.8; 621.791
КОНСТРУИРОВАНИЕ, РАСЧЕТ И КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА ЗАГОТОВОК
ПОРТАЛА-КАНТОВАТЕЛЯ
В. А. Раевский, Н.В. Трухов
Рассматривается алгоритм расчета элементов механизма поворота заготовок для портала-кантователя, используемого на линиях производства сварных двутавровых балок, приводятся результаты расчета и конечно-элементного анализа элементов механизма поворота.
Ключевые слова: сварная двутавровая балка, портал-кантователь, механизм поворота заготовки, конструирование, расчет.
В работе [1] обоснована целесообразность разработки портала-кантователя для автоматизированного производства сварных двутавровых балок, широко используемых как в строительстве, так и при производстве элементов металлоконструкций различных машин и оборудования [2-4]. Была предложена схема портала-кантователя и заданы исходные параметры для проектирования. В приводе поворота заготовки планировалось использование червячной передачи с червячным колесом диаметром свыше 1500 мм. Однако анализ рынка крупногабаритных червячных передач показал, что как отечественные, так и зарубежные производители в настоящее время выпускают червячные колеса диаметром до 550 мм. Поэтому вместо червячной передачи предлагается использовать опорно-поворотный круг (ОПК) с цилиндрической прямозубой передачей и мотор-редуктор (рис. 1).
Было решено использовать ОПК чешской фирмы «АО «Р8Ь». ОПК является самостоятельным монтажным узлом, который с помощью болтов можно крепить к раме кантователя. Он имеет внешнее зубчатое зацепление с приводной шестерней.
Выбор ОПК осуществлялся по методикам [5, 6].
В общем случае (рис. 2) ОПК может быть нагружен осевой и радиальной силами и опрокидывающим моментом. Применительно к кантователю осевой силой и опрокидывающим моментом можно пренебречь.
