Рассмотрим такие вопросы, как определение основных размеров и расчет на прочность характерных деталей траловых лебедок. Так как устройство и условия работы этих лебедок во многом сходны с устройством и работой обычных грузоподъемных механизмов, получивших подробное освещение в отечественной технической литературе, здесь выясняются только вопросы, связанные с особенностями конструкции траловых лебедок.
1. Расчет ваерных барабанов
А. Определение основных размеров ваерных барабанов.
Диаметр барабана выбирается в зависимости от номинального диаметра ваера.
где d — диаметр ваера.
У построенных траловых лебедок диаметр барабана составляет от 13,6 до 23,6 диаметра ваера.
При конструировании траловых лебедок лучше выбирать диаметр барабана по верхнему значению, так как практика проектирования подъемно-транспортных машин выработала нормы для наименьших допускаемых диаметров барабана или блока, огибаемого канатом.
где е — для грузоподъемных машин всех типов с машинным приводом и легким режимом работы не менее 20. Промысловые механизмы в силу сравнительно небольшого числа рабочих часов в году можно отнести к подъемно-транспортным механизмам с легким режимом работы.
Часто отношение диаметра барабана к диаметру ваера принимается менее 19, так как рабочая длина ваера обычно равна 80 % рабочей канатоемкости барабана и на нем всегда находится не менее 20 % ваера, то есть от трех до шести слоев навивки. Поэтому у работающей части ваера отношение среднего диаметра витка к диаметру каната не бывает меньше 20. Нужно заметить, что у траловых лебедок рабочая канатоемкость барабана принята равной 50% полной канатоемкости из-за необходимости перемотки ваера с одного барабана лебедки на другой для промера вае-ров. Лишь лебедки судов, у которых предусмотрена специальная ваерная вьюшка для промера ваеров, могут иметь рабочую канатоемкость барабанов, равную 80—90 % их полной канатоемкости.
Все-таки для увеличения срока работы ваеров не рекомендуется диаметр барабана принимать менее 20 диаметров ваера, особенно у лебедок с большим тяговым усилием.
Длина барабана может быть выбрана по отношению между длиной L6 и диаметром D6 барабана. У построенных лебедок это соотношение находится в пределах 2,7 /3,2 , поэтому
У некоторых лебедок отношение L6 : D6 колеблется от 1,5 до 5,5.
Иногда длину барабана определяют по количеству витков каната , уложенных вдоль барабана. Шаг навивки t принимают равным наибольшему диаметру каната по ГОСТу, учитывая допуск на увеличение диаметра, равный 6%, и прибавляют 0,2 /0,4 мм на неплотность навивки. Таким образом, шаг навивки t равен
а длина барабана принимается обычно в пределах
У построенных лебедок на длине барабана укладывается от 26 до 75 витков ваера.
Диаметр реборд Dp барабана часто определяется из конструктивных соотношений Dp /Do, которое у большинства построенных лебедок находится в пределах от 2,5 до 3,7, поэтому Dp можно определить ориентировочно по выражению:
Окончательно диаметр реборды устанавливается после определения числа слоев навивки.
Основные размеры вспомогательных барабанов траловых лебедок выбирают по следующим соображениям. У большинства лебедок диаметр вспомогательного барабана D6в определяется из тех же соотношений, что и диаметр ваерного барабана. Отношение длины L6в вспомогательного барабана к его диаметру D6в часто принимают равным 0,8, а отношение диаметра реборды Dpв к диаметру барабана D6в принимают равным 1,9/2,0.
У лебедки РТМ «Тропик», где канаты на вспомогательных барабанах работают в более тяжелых условиях, чем ваера (их диаметр меньше, а расчетная нагрузка в два раза больше), отношение диаметра вспомогательного барабана к диаметру каната равно 34,5, отношение длины вспомогательного барабана к его диаметру — 1,45, а отношение диаметра реборд к диаметру барабана — 1,45. 4
Б. Расчет многослойной навивки ваера на барабан.
Если приняты диаметр барабана D6, длина барабана L6 и шаг навивки t, то количество витков х на длине барабана равно:
Расчет многослойной навивки ваера можно вести двумя методами.
Наиболее распространен метод расчета навивки, при котором все витки, уложенные на барабан, предполагаются образующими круговые цилиндры, а длину каждого витка принимают равной п*Dpacч.
Если обозначить отношение диаметра барабана D6 к диаметру ваера d через с, то есть
то диаметры витков для рядов навивки ваера на ваерный барабан будут равны:
Диаметр витка для k ряда, очевидно, будет равен:
Общая длина ваера определяется равенством
Подставляем значения D1, D2, D3 и т. д.
Или окончательно длина каната равна
Представим это выражение в виде квадратного уравнения
откуда
Если число рядов k получилось дробным, то число витков неполного ряда определяется равенством
где у — коэффициент полноты ряда — дробь, на которую полученное число больше целого числа; х — принятое число витков в ряду.
Обычно расчет канатоемкости барабана сводят в таблицу, имеющую следующую форму:
Этот способ приближенный и дает несколько завышенную канатоемкость барабана.
Исследование навивки ваера, проведенное Б. А. Семенцовым, показало, что поперечное сечение барабана с навитым на него в один слой ваером представляет собой круговой цилиндр, а барабан с последующими навитыми слоями в сечении имеет контур, приближающийся к эллипсу. Для каждого нового слоя ваера диаметральные оси увеличиваются следующим образом: одна ось увеличивается на 2 d, а другая — на 1,73 d (если шаг навивки каната t равен диаметру каната d).
Если шаг навивки больше диаметра каната, вторая ось эллипса увеличивается на еще меньшую величину.
Значения большой и малой полуосей для k ряда можно определить из выражений:
где D1 = D6 +d;
D6 — диаметр барабана;
d — диаметр ваера;
n = к—1;
к — число слоев ваера на барабане.
Длина обвода эллипса для этого ряда с достаточной точностью определяется по выражению:
Таким образом, значения длины витков по слоям равны
Для любого ряда длина витка определяется по выражению
Суммируя длины витков в различных рядах, получим
Длина всего ваера на барабане составит
где х — число витков в одном слое. Отсюда
Формула числа слоев, полученная из выражения для эллиптической формы витков, может быть упрощена
так как слагаемое 0,036 сообщает ей весьма малое уточнение.
Для больших значений L эта формула вносит ощутимую поправку к упрощенной формуле, составленной для круговых контуров витков.
Например, при L = 3000 м, d = 26 мм, х = 52 и с = 16,38 по формуле для круговых витков барабан имеет 19,95 слоя, а по формуле с учетом эллиптичности витков — 20,16 слоя, что дает разницу в 0,21 слоя или 10,9 витка (2,6 витка 19-го слоя и 8,3 витка 20-го слоя) общей длиной 46 м. Из этого следует, что, если ограничиться числом слоев, равным 19,95, будет недовыбрано 46 м ваера, или 1,54 % от общей длины ваера.
Относительная величина погрешности оказывается небольшой, но ее абсолютная величина может сыграть немалую роль в операциях траления, при которых возникает необходимость в достаточно точной оценке длины ваера.
Канатоемкость барабана и при этом способе рассчитывается в табличной форме, таким же порядком, как это. указывалось выше.
В. Выбор размеров барабана.
У современных траловых лебедок ваерные барабаны отливают из стали 25Л с пределом текучести ат =2400 кГ/см2 с ребордами из той же стали, приварными, на болтах или на заклепках. Наиболее часто применяют приварные реборды. Толщина стенок б барабана обычно выбирается в зависимости от его диаметра по конструктивным соотношениям.
В отечественной практике толщина стенок барабана выбирается в следующих пределах:
Толщина реборд принимается обычно в пределах 0,5/0,75 толщины стенок барабана, а наружный диаметр реборд на 2/4 диаметра ваера больше, чем диаметр барабана с полностью навитым ваером.
Тонкие реборды обязательно должны быть подкреплены ребрами жесткости или иметь приварные кольца жесткости вблизи наружных кромок.
Ваерные барабаны в процессе работы подвергаются изгибу, кручению и сжатию. У барабанов, имеющих отношение длины к диаметру более 2,5 (к таким относятся и ваерные барабаны), требуется проверка напряжений от изгиба и кручения.
Изгибающий момент по середине барабана равен (см. рис. 117, А)
где Тв — максимальная нагрузка на ваера в кГ, которая берется равной усилию при автоматическом растормаживании барабанов в случае задева трала, а при отсутствии растормаживающих устройств — равной разрывному усилию наиболее слабого звена оснастки трала. Иногда этот показатель определяется разрывным усилием ваера; L6 — длина ваерного барабана, см.
Крутящий момент принимается равным
где Dcp — средний диаметр навивки ваера, см.
Сложное напряжение от изгиба и кручения определяется по формуле
где W6— экваториальный момент сопротивления, равный
где D1 — наружный диаметр барабана, см; D2 — внутренний диаметр барабана, см.
Проверку барабана на сжатие рекомендуется произвести, рассматривая кольцо барабана как кольцо толстостенного сосуда, нагружаемого равномерным наружным давлением от натяжения витка ваера, обхватывающего это кольцо. Тогда среднее нормальное давление Рср на единицу поверхности барабана определяется из выражения
где t — ширина кольца, равная шагу ваера, см.
Напряжение сжатия, исходя из теории расчета толстостенных сосудов, выразится следующим уравнением
Запас прочности для стальных барабанов должен быть не менее 1,5 относительно предела текучести и для чугунных барабанов — не менее 4,25 относительно временного сопротивления сжатию.
Так как ваер имеет многослойную навивку, то в этом случае каждый слой будет создавать давление, равное Рср. однако за счет неравномерной укладки витков это давление перераспределяется и результирующее давление окажется меньше суммарного. Обычно при расчете на прочность стенки барабана в случае многослойной навивки увеличение нагрузки на стенку учитывают, снижая величину допускаемого напряжения. В отечественной практике при расчете барабанов с многослойной навивкой допускаемое напряжение для литой стали 25Л принимают равным 1000 кГ/см2.
Более точно напряжение сжатия, вызванное многослойной навивкой ваера, может быть определено следующим способом. При многослойной навивке в стенке барабана возникают повышенные напряжения сжатия, величина которых зависит от напряжения сжатия асж при навивке первого слоя, числа слоев k навивки ваера на барабане и параметров упругости ваера и барабана, определяющих уменьшение натяжений в ваере предыдущего слоя; после навивки последующего.
Согласно исследованию, приведенному в работах Б. С. Ковальского, напряжения от сжатия в стенке барабана при многослойной навивке каната могут быть приближенно определены по формуле
где А — коэффициент, определяющий увеличение напряжений в стенке из-за многослойности навивки.
в этой формуле
Размеры втулок подшипников скольжения ваерных барабанов рассчитываются на среднее удельное давление порядка 15 кГ/см2 при номинальном натяжении ваера и самых невыгодных условиях — когда все натяжение ваера передается на одну втулку.
Ваер на барабане обычно крепится при помощи прижимных планок с трапецеидальной канавкой, которая удерживает его от смещения силой трения. Во внутренней реборде имеется отверстие, через него пропускается ваер, который крепится планками с наружной стороны реборды. Планки присоединяются к реборде двумя болтами каждая.
Чтобы не было резкого изгиба ваера при проходе его через отверстие в реборде, оно делается овальным со скошенными кромками. Если планок несколько (обычно до трех), они располагаются по окружности барабана на реборде. Крепление ваера на барабане показано на рис. 117, Б.
Если не учитывать трение каната в месте его прохода сквозь отверстие реборды, а учесть только влияние дополнительных витков, оставшихся на барабане, натяжение каната в месте его крепления к барабану определится из выражения:
Для надежного крепления каната сила трения, создаваемая креплением, должна быть не менее Ркр. Сила трения возникает между барабаном и канатом и между планкой и канатом. При планке, имеющей трапецеидальную канавку (см. рис. 117, Б), усилие растяжения крепежных болтов равно
где f1 — коэффициент трения м^жду барабаном и канатом;
f2 — приведенный коэффициент трения между канатом и планкой с трапецеидальной канавкой, равный
где в — угол наклона боковой грани канавки на планке, который обычно принимают равным 40°/ 45°.
Болты планок рассчитываются на растяжение и изгиб. Напряжение в болтах равно
где d — внутренний диаметр нарезки болтов, см; Z6t — число болтов;
Мизг — момент, изгибающий болт, равный произведению РкркГ на плечо 1бт см (рис. 117, Б).
Допускаемое напряжение растяжения при болтах из стали с пределом текучести gт определяется по выражению:
1. Расчет ваерных барабанов
А. Определение основных размеров ваерных барабанов.
Диаметр барабана выбирается в зависимости от номинального диаметра ваера.
где d — диаметр ваера.
У построенных траловых лебедок диаметр барабана составляет от 13,6 до 23,6 диаметра ваера.
При конструировании траловых лебедок лучше выбирать диаметр барабана по верхнему значению, так как практика проектирования подъемно-транспортных машин выработала нормы для наименьших допускаемых диаметров барабана или блока, огибаемого канатом.
где е — для грузоподъемных машин всех типов с машинным приводом и легким режимом работы не менее 20. Промысловые механизмы в силу сравнительно небольшого числа рабочих часов в году можно отнести к подъемно-транспортным механизмам с легким режимом работы.
Часто отношение диаметра барабана к диаметру ваера принимается менее 19, так как рабочая длина ваера обычно равна 80 % рабочей канатоемкости барабана и на нем всегда находится не менее 20 % ваера, то есть от трех до шести слоев навивки. Поэтому у работающей части ваера отношение среднего диаметра витка к диаметру каната не бывает меньше 20. Нужно заметить, что у траловых лебедок рабочая канатоемкость барабана принята равной 50% полной канатоемкости из-за необходимости перемотки ваера с одного барабана лебедки на другой для промера вае-ров. Лишь лебедки судов, у которых предусмотрена специальная ваерная вьюшка для промера ваеров, могут иметь рабочую канатоемкость барабанов, равную 80—90 % их полной канатоемкости.
Все-таки для увеличения срока работы ваеров не рекомендуется диаметр барабана принимать менее 20 диаметров ваера, особенно у лебедок с большим тяговым усилием.
Длина барабана может быть выбрана по отношению между длиной L6 и диаметром D6 барабана. У построенных лебедок это соотношение находится в пределах 2,7 /3,2 , поэтому
У некоторых лебедок отношение L6 : D6 колеблется от 1,5 до 5,5.
Иногда длину барабана определяют по количеству витков каната , уложенных вдоль барабана. Шаг навивки t принимают равным наибольшему диаметру каната по ГОСТу, учитывая допуск на увеличение диаметра, равный 6%, и прибавляют 0,2 /0,4 мм на неплотность навивки. Таким образом, шаг навивки t равен
а длина барабана принимается обычно в пределах
У построенных лебедок на длине барабана укладывается от 26 до 75 витков ваера.
Диаметр реборд Dp барабана часто определяется из конструктивных соотношений Dp /Do, которое у большинства построенных лебедок находится в пределах от 2,5 до 3,7, поэтому Dp можно определить ориентировочно по выражению:
Окончательно диаметр реборды устанавливается после определения числа слоев навивки.
Основные размеры вспомогательных барабанов траловых лебедок выбирают по следующим соображениям. У большинства лебедок диаметр вспомогательного барабана D6в определяется из тех же соотношений, что и диаметр ваерного барабана. Отношение длины L6в вспомогательного барабана к его диаметру D6в часто принимают равным 0,8, а отношение диаметра реборды Dpв к диаметру барабана D6в принимают равным 1,9/2,0.
У лебедки РТМ «Тропик», где канаты на вспомогательных барабанах работают в более тяжелых условиях, чем ваера (их диаметр меньше, а расчетная нагрузка в два раза больше), отношение диаметра вспомогательного барабана к диаметру каната равно 34,5, отношение длины вспомогательного барабана к его диаметру — 1,45, а отношение диаметра реборд к диаметру барабана — 1,45. 4
Б. Расчет многослойной навивки ваера на барабан.
Если приняты диаметр барабана D6, длина барабана L6 и шаг навивки t, то количество витков х на длине барабана равно:
Расчет многослойной навивки ваера можно вести двумя методами.
Наиболее распространен метод расчета навивки, при котором все витки, уложенные на барабан, предполагаются образующими круговые цилиндры, а длину каждого витка принимают равной п*Dpacч.
Если обозначить отношение диаметра барабана D6 к диаметру ваера d через с, то есть
то диаметры витков для рядов навивки ваера на ваерный барабан будут равны:
Диаметр витка для k ряда, очевидно, будет равен:
Общая длина ваера определяется равенством
Подставляем значения D1, D2, D3 и т. д.
Или окончательно длина каната равна
Представим это выражение в виде квадратного уравнения
откуда
Если число рядов k получилось дробным, то число витков неполного ряда определяется равенством
где у — коэффициент полноты ряда — дробь, на которую полученное число больше целого числа; х — принятое число витков в ряду.
Обычно расчет канатоемкости барабана сводят в таблицу, имеющую следующую форму:
Этот способ приближенный и дает несколько завышенную канатоемкость барабана.
Исследование навивки ваера, проведенное Б. А. Семенцовым, показало, что поперечное сечение барабана с навитым на него в один слой ваером представляет собой круговой цилиндр, а барабан с последующими навитыми слоями в сечении имеет контур, приближающийся к эллипсу. Для каждого нового слоя ваера диаметральные оси увеличиваются следующим образом: одна ось увеличивается на 2 d, а другая — на 1,73 d (если шаг навивки каната t равен диаметру каната d).
Если шаг навивки больше диаметра каната, вторая ось эллипса увеличивается на еще меньшую величину.
Значения большой и малой полуосей для k ряда можно определить из выражений:
где D1 = D6 +d;
D6 — диаметр барабана;
d — диаметр ваера;
n = к—1;
к — число слоев ваера на барабане.
Длина обвода эллипса для этого ряда с достаточной точностью определяется по выражению:
Таким образом, значения длины витков по слоям равны
Для любого ряда длина витка определяется по выражению
Суммируя длины витков в различных рядах, получим
Длина всего ваера на барабане составит
где х — число витков в одном слое. Отсюда
Формула числа слоев, полученная из выражения для эллиптической формы витков, может быть упрощена
так как слагаемое 0,036 сообщает ей весьма малое уточнение.
Для больших значений L эта формула вносит ощутимую поправку к упрощенной формуле, составленной для круговых контуров витков.
Например, при L = 3000 м, d = 26 мм, х = 52 и с = 16,38 по формуле для круговых витков барабан имеет 19,95 слоя, а по формуле с учетом эллиптичности витков — 20,16 слоя, что дает разницу в 0,21 слоя или 10,9 витка (2,6 витка 19-го слоя и 8,3 витка 20-го слоя) общей длиной 46 м. Из этого следует, что, если ограничиться числом слоев, равным 19,95, будет недовыбрано 46 м ваера, или 1,54 % от общей длины ваера.
Относительная величина погрешности оказывается небольшой, но ее абсолютная величина может сыграть немалую роль в операциях траления, при которых возникает необходимость в достаточно точной оценке длины ваера.
Канатоемкость барабана и при этом способе рассчитывается в табличной форме, таким же порядком, как это. указывалось выше.
В. Выбор размеров барабана.
У современных траловых лебедок ваерные барабаны отливают из стали 25Л с пределом текучести ат =2400 кГ/см2 с ребордами из той же стали, приварными, на болтах или на заклепках. Наиболее часто применяют приварные реборды. Толщина стенок б барабана обычно выбирается в зависимости от его диаметра по конструктивным соотношениям.
В отечественной практике толщина стенок барабана выбирается в следующих пределах:
Толщина реборд принимается обычно в пределах 0,5/0,75 толщины стенок барабана, а наружный диаметр реборд на 2/4 диаметра ваера больше, чем диаметр барабана с полностью навитым ваером.
Тонкие реборды обязательно должны быть подкреплены ребрами жесткости или иметь приварные кольца жесткости вблизи наружных кромок.
Ваерные барабаны в процессе работы подвергаются изгибу, кручению и сжатию. У барабанов, имеющих отношение длины к диаметру более 2,5 (к таким относятся и ваерные барабаны), требуется проверка напряжений от изгиба и кручения.
Изгибающий момент по середине барабана равен (см. рис. 117, А)
где Тв — максимальная нагрузка на ваера в кГ, которая берется равной усилию при автоматическом растормаживании барабанов в случае задева трала, а при отсутствии растормаживающих устройств — равной разрывному усилию наиболее слабого звена оснастки трала. Иногда этот показатель определяется разрывным усилием ваера; L6 — длина ваерного барабана, см.
Крутящий момент принимается равным
где Dcp — средний диаметр навивки ваера, см.
Сложное напряжение от изгиба и кручения определяется по формуле
где W6— экваториальный момент сопротивления, равный
где D1 — наружный диаметр барабана, см; D2 — внутренний диаметр барабана, см.
Проверку барабана на сжатие рекомендуется произвести, рассматривая кольцо барабана как кольцо толстостенного сосуда, нагружаемого равномерным наружным давлением от натяжения витка ваера, обхватывающего это кольцо. Тогда среднее нормальное давление Рср на единицу поверхности барабана определяется из выражения
где t — ширина кольца, равная шагу ваера, см.
Напряжение сжатия, исходя из теории расчета толстостенных сосудов, выразится следующим уравнением
Запас прочности для стальных барабанов должен быть не менее 1,5 относительно предела текучести и для чугунных барабанов — не менее 4,25 относительно временного сопротивления сжатию.
Так как ваер имеет многослойную навивку, то в этом случае каждый слой будет создавать давление, равное Рср. однако за счет неравномерной укладки витков это давление перераспределяется и результирующее давление окажется меньше суммарного. Обычно при расчете на прочность стенки барабана в случае многослойной навивки увеличение нагрузки на стенку учитывают, снижая величину допускаемого напряжения. В отечественной практике при расчете барабанов с многослойной навивкой допускаемое напряжение для литой стали 25Л принимают равным 1000 кГ/см2.
Более точно напряжение сжатия, вызванное многослойной навивкой ваера, может быть определено следующим способом. При многослойной навивке в стенке барабана возникают повышенные напряжения сжатия, величина которых зависит от напряжения сжатия асж при навивке первого слоя, числа слоев k навивки ваера на барабане и параметров упругости ваера и барабана, определяющих уменьшение натяжений в ваере предыдущего слоя; после навивки последующего.
Согласно исследованию, приведенному в работах Б. С. Ковальского, напряжения от сжатия в стенке барабана при многослойной навивке каната могут быть приближенно определены по формуле
где А — коэффициент, определяющий увеличение напряжений в стенке из-за многослойности навивки.
в этой формуле
Размеры втулок подшипников скольжения ваерных барабанов рассчитываются на среднее удельное давление порядка 15 кГ/см2 при номинальном натяжении ваера и самых невыгодных условиях — когда все натяжение ваера передается на одну втулку.
Ваер на барабане обычно крепится при помощи прижимных планок с трапецеидальной канавкой, которая удерживает его от смещения силой трения. Во внутренней реборде имеется отверстие, через него пропускается ваер, который крепится планками с наружной стороны реборды. Планки присоединяются к реборде двумя болтами каждая.
Чтобы не было резкого изгиба ваера при проходе его через отверстие в реборде, оно делается овальным со скошенными кромками. Если планок несколько (обычно до трех), они располагаются по окружности барабана на реборде. Крепление ваера на барабане показано на рис. 117, Б.
Если не учитывать трение каната в месте его прохода сквозь отверстие реборды, а учесть только влияние дополнительных витков, оставшихся на барабане, натяжение каната в месте его крепления к барабану определится из выражения:
Для надежного крепления каната сила трения, создаваемая креплением, должна быть не менее Ркр. Сила трения возникает между барабаном и канатом и между планкой и канатом. При планке, имеющей трапецеидальную канавку (см. рис. 117, Б), усилие растяжения крепежных болтов равно
где f1 — коэффициент трения м^жду барабаном и канатом;
f2 — приведенный коэффициент трения между канатом и планкой с трапецеидальной канавкой, равный
где в — угол наклона боковой грани канавки на планке, который обычно принимают равным 40°/ 45°.
Болты планок рассчитываются на растяжение и изгиб. Напряжение в болтах равно
где d — внутренний диаметр нарезки болтов, см; Z6t — число болтов;
Мизг — момент, изгибающий болт, равный произведению РкркГ на плечо 1бт см (рис. 117, Б).
Допускаемое напряжение растяжения при болтах из стали с пределом текучести gт определяется по выражению:
Комментариев нет:
Отправить комментарий
Примечание. Отправлять комментарии могут только участники этого блога.