Выбор параметров механизма подъема крана мостового типа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.873.1

И. В. Лесковец, А. Д. Бужинский, О. В. Леоненко

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА КРАНА МОСТОВОГО ТИПА

UDC 621.873.1

I. V. Leskovets, A. D. Buzhinski, O. V. Leonenko

CHOICE OF PARAMETERS FOR THE LIFTING MECHANISM OF AN OVERHEAD CRANE

Аннотация

Проанализирована методика выбора параметров электродвигателя и редуктора механизма подъема крана мостового типа. Выполнен анализ вариантов механизма подъема грузоподъемностью 12,5 т. Определены значения параметров каната, барабана, статической мощности, статического и пускового моментов для разных вариантов. Проведен расчет параметров электродвигателей и редукторов механизма подъема для двигателей разной мощности, показатели которых удовлетворяют требованиям теплового расчета. Установлено, что данная методика не позволяет выбрать параметры механизма подъема с минимальной массой.

Ключевые слова:

кран мостового типа, механизм подъема, параметры механизма подъема.

Abstract

The methods for selecting parameters of an electric motor and reducing unit for the lifting mechanism of an overhead crane were analyzed. The analysis of different types of lifting mechanisms having a lifting capacity of 12 tonnes and 5 tonnes was done. The values of parameters of the rope, drum, static power, static and starting torques in different types of mechanisms were determined. The parameter calculation for electric motors and reducing units of the lifting mechanism was made for motors having different capacity, whose indicators meet the requirements of thermal calculation. It was found that this method does not allow choosing parameters of the lifting mechanism with a minimum mass.

Key words:

overhead crane, hoist, lifting mechanism parameters.

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на конкурентоспособность кранов, является их масса. Масса металлоконструкции и подвижных частей зависит от массы и характера поднимаемого груза, используемых технических решений, применяемых материалов, режимов работы крана и механизмов, методик расчета и выбора параметров механизмов подъема и передвижения грузовой тележки и крана. Производители кранов на постсоветском

пространстве в настоящее время существенно ограничены в выборе материалов для производства металлоконструкций, т. к. высокопрочные конструкционные стали западного производства либо недоступны для использования, либо поставляются по высоким ценам, что приводит к значительному увеличению стоимости и потере конкурентоспособности.

Электродвигатели и редукторы, традиционно используемые на постсо-

© Лесковец И. В., Бужинский А. Д., Леоненко О. В., 2017

ветском пространстве, имеют высокую массу и стоимость по сравнению с аналогичными изделиями, выпускаемыми в европейских странах. Сочетание перечисленных факторов значительно увеличивает стоимость самого крана и стоимости его эксплуатации.

Расчет и выбор механизмов крана рекомендуется осуществлять с применением методик [1-3], предлагающих использовать усредненные параметры.

Величина статической мощности, требуемой для подъема груза, определяется как [1]

О V N = гр п ,

Лс

где Огр - вес груза и грузоподъемных приспособлений; Vп - скорость подъема груза; по - КПД механизма подъема.

Вес груза и скорость подъема груза определяются заказчиком в техническом задании, а КПД - характеристиками используемых механизмов.

Выполнение изложенных в техническом задании требований обеспечивается соотношением диаметра барабана, кратности полиспаста, мощности двигателя и передаточного числа редуктора.

При выборе двигателя необходимо учитывать динамическую составляющую, возникающую при пуске. Здесь значительное влияние оказывают массы подвижных частей выбранных механизмов. Значения момента инерции предлагается определять [2] как

3 п = (1,1.1,2) 3 б + т ( 6 .

(т ■ 1р) Лс

где 3б - момент инерции барабана; тгр - масса груза; гб - радиус барабана; т - кратность полиспаста; /р - передаточное число редуктора.

Значение ускорения при пуске [2]

, = Мдин

где Мдин - динамический момент двигателя.

Почти все крановые двигатели имеют значение пускового момента, превышающее значение статического момента как минимум в 1,8 раза. Учитывая группу эксплуатации механизма подъема, типовые графики загрузки механизмов подъема и период включения (ПВ), рекомендуется снижать значение статической мощности с последующей проверкой двигателя на нагрев.

На основании вышеизложенного можно сделать предположение о том, что проведение оптимизационных работ позволит снизить статический и пусковой моменты и массу механизма подъема крана, что даст возможность уменьшить стоимость и повысить конкурентоспособность кранов.

Проведем анализ вариантов механизма подъема, в качестве исходных данных примем массу поднимаемого груза - 12,5 т, скорость подъема -8 м/мин, что равно 0,133 м/с, группу режима работы механизма подъема - М6. Предварительная мощность для чистого подъема при значении предварительного КПД механизма, равного 0,9, составляет 18 кВт. Для барабанов с однослойной двухсторонней навивкой на кранах такой грузоподъемности применяют полиспасты с кратностью от 4 до 8. Диаметр барабана определяется в соответствии с требованиями [4] и зависит от диаметра каната, который, в свою очередь, зависит от усилия, возникающего в канате.

Для данного груза усилие, параметры каната и барабана, определенные по методике [1-3], представлены в табл. 1.

Коэффициент использования каната равен 5,6 [4]. Канат выбран по ГОСТ 26880-80 с маркировочной группой 1770 [5]. Коэффициент выбора диаметров барабана - 20 [4]. Барабаны приняты с толщиной стенки 30 мм.

3 п

Табл. 1. Предварительные значения параметров механизма подъема

Наименование параметра Значение параметра

Кратность полиспаста 2 3 4 5 6

Расчетное разрывное усилие каната, кН 187 125 93 75 62

Диаметр каната, мм 19.5 16,5 14 12 9,6

Удельная масса каната, кг/м 1.4 1 0,7 0,5 0,3

Диаметр барабана (принятый), мм 390 330 280 240 192

Принятая длина барабана, мм 913 1240 1595 1976 2420

Расчетная масса барабана, кг 96 85 80 76 74

Момент инерции барабана, кгм2 2,6 1,6 1,1 0,8 0,5

Масса крюковой подвески [6], кг Не выбрана 205 205 205 205

Требуемый пусковой момент на барабане определяется по формуле, которая учитывает сумму статического момента и момента, необходимого для преодоления сил инерции:

рабана рассчитывается по формуле

Мб = п К,

О,

Б

2Лп

■ +1,2 Уб ав гб +

грп 2

+ Лп Лмпад,

где пв - число ветвей, наматываемых на барабан; ¥к - расчетное усилие натяжения каната; Бб - диаметр барабана; Пп - КПД полиспаста, Пп = 0,96; Уб - момент инерции барабана; Gгрп - вес груза с подвеской и канатом; Пмп - предварительное значение КПД механизма, Пмп = 0,92; ад - допускаемое ускорение,

ад = 0,8.

Требуемая частота вращения ба-

пб =

Угртп

3,14 Б

б

где Угр - требуемая скорость подъема; тп - кратность полиспаста.

Зная значения расчетного момента и частоты вращения, определим требуемую мощность для подъема максимального груза.

Учитывая возможность работы крановых двигателей с перегрузкой, а также типовые графики загрузки механизмов подъема для заданного режима нагружения [7], выберем несколько сочетаний двигателей с крановым редуктором. Проанализируем параметры некоторых сочетаний, результаты занесем в табл. 2.

Табл. 2. Требуемые силовые параметры барабана

Наименование параметров Значение параметров

Кратность полиспаста 3 4 5 6

Требуемая частота вращения барабана, мин-1 22 34 50 75

Момент на барабане при подъеме груза, кНм 7,6 4,9 3,3 2,2

Мощность на барабане при подъеме груза, кВт 18,4 18,4 18,4 18,4

Суммарный момент на барабане при пуске, кНм 7,9 5 3,5 2,3

Как видно из табл. 2, мощность, требуемая для работы механизма подъема, в режиме подъема максимального груза почти не зависит от диаметра барабана и диаметра каната. Моменты на барабане при пуске и подъеме груза отличаются в зависимости от диаметров барабана более чем в 3 раза. Таким образом, необходимо проведение анализа механизма в сочетании с двигателем и редуктором.

Анализируя варианты использования крановых двигателей с фазным и ко-роткозамкнутым ротором [8], а также асинхронных двигателей ОАО «Моги-левский завод «Электродвигатель», для дальнейшего расчета будем использовать двигатели MTKF 3116-1, MTKF 3128-2, MTKF 3126-3, MTKH 200LAB-4, AIR 160S4-5, AIR 160m6-6, AIR 132M4-7, AIR 8. Параметры двигателей занесем в табл. 3.

Табл. 3. Параметры двигателей, используемых в расчете

Марка двигателя Номер двигателя Мощность, кВт Частота вращения, мин-1 Момент, Нм Отношение пускового и номинального моментов Масса, кг

MTKF 3116-1 1 11 700 150 3,2 185

MTKF 3128-2 2 11 945 111 2,2 175

MTKF 3126-3 3 11 970 108 2,5 108

MTKH 200LAB-4 4 11 1450 72,4 2,4 66,3

AIR 160S4-5 5 15 715 200 2,8 300

AIR 160m6-6 6 15 962 149 3,7 185

AIR 132M4-7 7 15 970 148 2,7 129

AIR 8 8 15 1450 98,8 2,2 111

Учитывая, что параметры редуктора зависят от требуемой частоты вращения барабана и частоты вращения двигателя, а также от требуемого момента на барабане и момента, развиваемого двигателем, определим передаточные числа по моменту:

М в

М д

где Мд - момент, развиваемый двигателем.

При этом передаточные числа по частоте вращения

1п ='

где Пд - частота вращения двигателя.

Полученные передаточные числа

являются основанием для выбора редукторов. Кроме этого, необходимо учитывать крутящий момент на выходном валу редуктора. Расчетные передаточные числа по моменту и частоте вращения занесем в табл. 4 и 5.

Выбор редукторов проведем с использованием каталога редукторов [9]. Для обеспечения одинаковых подходов принимаем редукторы серии РМ. Для каждой кратности полиспаста проанализируем возможность использования двигателей МТКБ 312-6 и МТКБ 411-8 как наиболее предпочтительных.

Результаты анализа занесем в табл. 6.

Варианты для кратностей полиспаста 4 и 5 с двигателем МТКБ 411-8 являются наиболее приемлемыми с точки зрения массы комплектующих и передаваемого момента.

м

Табл. 4. Значения требуемых передаточных чисел по моменту

Кратность полиспаста Номер двигателя

1 2 3 4 5 6 7 8

6 51,227 69,225 71,148 106,133 38,42 51,571 51,919 77,773

8 32,599 44,053 45,276 67,539 24,449 32,818 33,039 49,492

10 22,354 30,207 31,047 46,313 16,765 22,504 22,656 33,938

12 14,902 20,138 20,698 30,875 11,177 15,002 15,104 22,625

Табл. 5. Значения требуемых передаточных чисел по частоте вращения

Кратность полиспаста Номер двигателя

1 2 3 4 5 6 7 8

6 31,813 42,948 44,084 65,899 32,495 43,72 44,084 65,899

8 20,245 27,33 28,053 41,936 20,679 27,822 28,053 41,936

10 13,882 18,741 19,237 28,756 14,18 19,078 19,237 28,756

12 9,255 12,494 12,824 19,171 9,453 12,719 12,824 19,171

На основании результатов табл. 6 определим эффективность снижения массы комплектующих механизма подъема. Для этого рассчитаем мощность, которая затрачивается на передвижение комплектующих:

N = WV

к г'ку П

где VI - скорость перемещения тележки (указывается в техническом задании), для проведения расчетов примем VI = 0,63 м/с; Wк - сила сопротивления перемещению от массы комплектующих, Wк = mк gOTo; 0тс - коэффициент

сопротивления перемещению, для проведения расчетов на основании [2] примем ^Ото = 0,011.

Для определения мощности, затрачиваемой на перемещение механизма подъема от массы комплектующих тележки, на основании [2] найдем суммарное время цикла ТС = 584 с. Время подъезда тележки Tpf = 79 с. Число циклов в час рассчитаем следующим образом:

3600 3600 „ , п =-=-= 6,1.

Тс

584

Процент работы механизма перемещения крановой тележки в цикле определим как

T =

±сг

1 --

Tc - Трг Л

рг

V

тс

100 =

У

А 584 - 79Л 1 - 1100 = 13,5%.

V 584 У

Общее время работы механизма перемещения крановой тележки за весь период работы крана

Т

кг

ТТ

111 сг 100

где Т - общая продолжительность работы крана за срок службы (определяется группой классификации механизма крана [4]), для дальнейших расчетов примем Т = 25 000 ч.

Т 25000 -13,5 3381 перемещение комплектующих механиз-

к ~ 100 _ ма подъема за весь срок службы крана,

результаты занесем в табл. 7.

Рассчитаем затраты мощности на

Табл. 6. Параметры механизма подъема

Наименование

Значение параметра

Кратность полиспаста

4

Требуемый момент на барабане, кНм_

7,6

4,9

3,3

2,2

Требуемая частота вращения барабана,

22

34

50

75

мин

Двигатель

мтет

312-6

мтет

411-8

мтет

312-6

МТКБ 411-8

МЮТ 312-6

МТКР 411-8

МТКР 312-6

МЮТ 411-8

Мощность, кВт

15

15

15

15

15

15

15

15

Развиваемый момент, Нм

149

200

111

150

111

150

111

150

Частота вращения,

960

715

960

715

960

715

960

715

Коэффициент пускового момента

3,7

2,8

3,7

2,8

3,7

2,8

3,7

2,8

Масса, кг

185

320

185

320

185

320

185

320

Требуемое передаточное число: по моменту по частоте вращения

45

39

34 29

31 27

23 20

21 18

16 14

18 15

13 15

Отклонение передаточных чисел, %

13

15

13

13

14

13

16

13

Разница передаточных чисел

Марка редуктора

РМ-650

РМ-650

РМ-500

РМ-500

РМ-500

РМ-500

РМ-500

РМ-500

Передаточное число редуктора

40

31,5

31,5

22,4

20

16

16

16

Масса редуктора, кг

878

878

390

390

390

390

390

390

Крутящий момент на выходном валу редуктора, кНм

10

9,8

4,6

5,3

5,3

5,3

5,3

5,3

Отклонение статического момента, %

-20

-14

-6

-11

-13

-6

-18

12

Отклонение пускового момента, %

54

42

37

25

16

11

11

Отклонение скорости подъема груза, %

-1,5

-7

-14

-9

-7

-15

-3

-38

Общая масса выбранных элементов, кг

1783

632

1336

618

1316

618

1316

1783

3

5

6

мин

6

5

4

3

3

2

3

2

Анализ табл. 7 показывает, что минимизация массы комплектующих механизма подъема позволит уменьшить затраты мощности за весь срок эксплуатации крана до 3 МВт.

С целью анализа влияния снижения мощности двигателя на массу комплектующих проведем расчет с двигателями мощностью 11 кВт, т. к. незначительный разброс отклонений ста-

тического и пускового момента (см. табл. 2) дает возможность рассмотреть вероятность применения этого варианта.

Проведем анализ такой возможности, используя в расчете двигатели МТКБ 311-6 и МТКБ 312-8. Полученные результаты занесем в табл. 8.

Табл. 7. Затраты мощности на перемещение комплектующих механизма подъема

Наименование Значение параметра

Общая масса вы- 1783 632 1336 618 1316 618 1316 1783

бранных элемен-

тов, кг

Сила сопротивле- 1924,04 681,99 1441,68 666,88 1420,10 666,88 1420,10 1924,04

ния перемеще-

нию, кН

Мощность, затра- 1,21 0,43 0,91 0,42 0,89 0,42 0,89 1,21

чиваемая на пе-

ремещение, кВт

Мощность пере- 4098,25 1452,66 3070,82 1420,48 3024,85 1420,48 3024,85 4098,25

мещения за срок

службы, кВт

Табл. 8. Параметры механизма подъема с двигателем мощностью 11 кВт

Наименование Значение параметра

Кратность полиспаста 4 4

Двигатель МЮТ 311-6 МТКР 312-8

Мощность, кВт 11 11

Развиваемый момент, Нм 116 150

Частота вращения, мин-1 900 700

Коэффициент пускового момента 3,3 3.5

Масса, кг 200 220

Требуемое передаточное число: по моменту по частоте вращения 40 25 32 20

Отклонение передаточных чисел, % 37 37

Разница передаточных чисел 15 12

Марка редуктора Ц2-400 Ц2-400

Передаточное число редуктора 25 20

Масса редуктора, кг 385 385

Крутящий момент на выходном валу редуктора, кНм 5,3 6,2

Отклонение статического момента, % -71 -66

Отклонение пускового момента, % 3 11

Отклонение скорости подъема груза, % -2,7 9

Длина каната, м 96 96

Масса каната, м 57 57

Общая масса выбранных элементов, кг 847 867

В связи с тем, что статическая мощность двигателя меньше, чем мощность, необходимая для подъема груза, следует выполнять расчет на нагрев (методика расчета изложена в [1-3]). Такой расчет выполнен для всех вариантов, на его основании установлено, что для заданного режима работы механизма подъема все электродвигатели проходят по критериям нагрева. Сравнение результатов, представленных в табл. 6 и 8, позволяет сделать вывод о том, что уменьшение мощности приводного электродвигателя не дает возможности уменьшить массу комплектующих.

Заключение

Применяемые в настоящее время методики не позволяют осуществить выбор элементов механизма подъема и обеспечить оптимальное соотношение массы, передаваемого крутящего момента, цены комплектующих и мощности, затрачиваемой на перемещение механизмов.

Снижение массы комплектующих

приведет к экономии электроэнергии, затрачиваемой на привод механизма передвижения тележки до 1,5 МВт за срок службы крана грузоподъемностью 12,5 т.

Большой шаг в диапазоне передаточных чисел редукторов не позволяет точно подобрать передаточные числа редуктора и мощность двигателя при минимальном диаметре барабана.

Выбор оптимальной кратности полиспаста дает возможность найти значение диаметра барабана, при котором масса каната и барабана будут минимальными.

Значения диаметра каната, диаметра и массы барабана, мощности двигателя, передаточного числа редуктора являются зависимыми друг от друга, поэтому невозможно провести оптимизацию этих параметров с применением теории факторного эксперимента.

Для достижения высоких показателей экономичности необходимо адаптировать методику выбора барабана, редуктора и двигателя с целью обеспечения минимизации массы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник по кранам : в 2 т. Т. 2 : Характеристики и конструктивные схемы кранов. Крановые механизмы, их детали и узлы. Техническая эксплуатация кранов / М. П. Александров [и др.] ; под общ. ред. М. М. Гохберга. - М. : Машиностроение, 1988. - 559 с.

2. Грузоподъемные машины : учебник для вузов по специальности «Подъемно-транспортные машины и оборудование» / М. П. Александров [и др.]. - М. : Машиностроение, 1986. - 400 с.

3. Кузьмин, А. В. Справочник по расчетам механизмов подъемно-транспортных машин / А. В. Кузьмин, Ф. Л. Марон. - 2-е изд., перераб. и доп. - Минск : Выш. шк., 1983. - 350 с.

4. Об утверждении Правил по обеспечению промышленной безопасности грузоподъемных кранов : Постановление М-ва по ЧС Респ. Беларусь, 28 июня 2012 г., № 37 // ЭТАЛОН. Законодательство Республики Беларусь // Нац. центр правовой информ. Респ. Беларусь. - Минск, 2015.

5. ГОСТ 2688-80. Канат двойной свивки типа ЛК-Р. Сортамент. - М. : Изд-во стандартов, 1980. - 14 с.

6. ОСТ 24.191.08-81. Подвески крюковые крановые. Конструкция и размеры. - М. : М-во тяжелого и транспортного машиностроения,1981. - 27 с.

7. Справочник по кранам : в 2 т. Т. 1 : Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчета кранов, их приводов и металлических конструкций / В. И. Брауде [и др.] ; под общ. ред. М. М. Гохберга. - М. : Машиностроение, 1988. - 536 с.

8. Энергоснабкомплект промышленное оборудование [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.esbk.ru/products_info/ed/102_ed_kr_kranmet/102_ed_kr_kranmet.html. - Дата доступа: 08.12.2016.

9. Группа предприятий Редуктор [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.reduktor. nt-rt.ru. - Дата доступа 29.12.2016.

Статья сдана в редакцию 30 марта 2017 года

Игорь Вадимович Лесковец, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-298-46-39-98.

Александр Дмитриевич Бужинский, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Олег Викторович Леоненко, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет.

Igor Vadimovich Leskovets, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. Phone: +375-298-46-39-98.

Aleksandr Dmitriyevich Buzhinski, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. Oleg Viktorovich Leonenko, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University.