Тормоза грузоподъемных машин
Механизмы грузоподъемных машин снабжают тормоза ми, которые, используя силу трения, уменьшают скорость движения и останавливают поступательно перемещающиеся или вращающиеся массы.
В механизмах подъема тормоза останавливают груз и удерживают его в подвешенном состоянии, в механизмах передвижения и поворота — останавливают движущиеся или поворачивающиеся конструкции.
Рабочей поверхностью тормоза обычно служит специальная фрикционная лента, обладающая повышенным коэффициентом трения μ и высокой износостойкостью. Лента эта тканная из асбестовых нитей (μ = 0,35) или вальцованная из крошки асбеста и латекса (μ - 0,4).
Тормоза механизмов грузоподъемных машин устанавливают на любом валу при условии, что между валом и рабочим органом (барабаном, колесом) имеется постоянная жесткая кинематическая связь — зубчатая или червячная передача. Обычно тормоз находится на приводном валу, так как на нем действует минимальный крутящий момент и тормоз получается наиболее легким и компактным. Если же между двигателем и рабочим органом имеется фрикционная муфта, тормоз надо установить непосредственно на барабане или на валу между фрикционной муфтой и рабочим органом.
По назначению тормоза делят на стопорные и спускные, а по характеру работы на замкнутые и разомкнутые.
Тормоза, которые служат только для остановки и удержания груза в поднятом положении, называются стопорными, а те, которые, помимо остановки и удержания груза, могут регулировать скорость его спускания, называются спускными. Замкнутые тормоза постоянно замкнуты усилием пружины или весом груза и раз мыкаются только за тот период, когда механизм работает. Разомкнутые тормоза замыкаются только тогда, когда нужно остановить механизм.
В грузоподъемных машинах применяют четыре типа тормозов с различными конструкциями рабочих частей: ленточные, колодочные, дисковые и конусные.
Ленточный тормоз (рис. 18) имеет огибающую тормозной шкив / упругую стальную ленту 2, к рабочей поверхности которой прикреплена фрикционная лента 3. Стальная лента крепится набегающим концом 8 к станине или тормозному рычагу, а сбегающим концом 4 — через винтовую стяжку 5 к тормозному рычагу 6. Торможение осуществляется затягиванием ленты под действием замыкающего груза 7 или пружины, а также при нажатии на рычаг ногой. Управлять работой тормозов можно вручную, а также с помощью электромагнита и гидравлической или пневматической системы.
Угол обхвата лентой тормозных шкивов составляет, как правило, 180—270°, а величина отхода ленты от шкивов при расторможении 1—3 мм.
Сила трения FT, создаваемая при нажатии ленты, является разностью усилий натяжения набегающей Т и сбегающей t ветвей (рис. 19):
FT = Т — t. (26)
В зависимости от размещения точек крепления концов ленты относительно оси вращения тормозного рычага различают простые, дифференциальные и суммирующие ленточные тормоза.
В простом ленточном тормозе (рис. 19, а) набегающий конец ленты крепится к неподвижной точке станины, а сбегающий — к тормозному рычагу.
Простые ленточные тормоза являются тормозами одностороннего действия. Их применяют в механизмах, где требуется работа тормоза только при спуске груза (механизмы подъема).
Дифференциальный ленточный тормоз (рис. 19, б) отличается от простого тем, что набегающий и сбегающий концы ленты крепятся к рычагу по обе стороны от оси вращения.
Дифференциальные тормоза используют при одностороннем торможении и необходимости создать большую силу трения (например, дли опускания тяжелой стрелы самоходного крана).
Суммирующий ленточный тормоз (рис. 19, в) является тормозом двустороннего действия. В нем оба конца ленты прикреплены к тормозному рычагу так, что их натяжения T и t создают на рычаге моменты одинакового знака, а плечи а делаются равными.
Суммирующие тормоза применяют в реверсивных механизмах передвижения и вращения.
Для реверсивного торможения механизмов передвижения и вращения кранов на пневмоколесном ходу широко используют более рациональные плавающие простые тормоза двустороннего действия (рис. 20). В них оба конца ленты прикреплены к рычагам 7, сходящимся в точке 9, к которой прикреплена тяга 10 для управления тормозом. Поскольку тормоза механизмов передвижения и вращения самоходных кранов выполняются нормально разомкнутыми, между концами лент расположена разжимаемая пружина 2, а сами концы находятся в корытообразном упоре 3. Тормоз называется плавающим потому, что не имеет закрепленных точек. В зависимости от направления вращения шкива концы ленты прижимаются к одной из сторон корытообразного упора. При этом один из концов (упирающийся) всегда является набегающим, а второй — сбегающим. Усилие, прилагаемое к рычагу управления, будет всегда оставаться приблизительно одинаковым, и тормоз обеспечит равный тормозной момент при вращении тормозного шкива в разных направлениях.
Лепта тормоза выполняется из двух отдельных частей 4 и 8, соединенных болтом 5 с пружиной 6. Затягиванием гайки 7 на болте регулируют натяжение ленты.
Преимуществами ленточных тормозов является простота конструкции, компактность и способность развивать большую силу трения FT, а следовательно и большой тормозной момент.
Однако ленточные тормоза имеют ряд недостатков. К ним относится, в частности, то, что создаваемое значительное усилие (Т +t) изгибает тормозной вал, и вследствие неравномерного распре деления удельного давления на гибкой тормозной ленте она не равномерно изнашивается. Кроме того, простые и дифференциальные тормоза являются тормозами одностороннего действия и их, как правило, можно применять только в механизмах подъема, а суммирующий тормоз требует большого усилия торможения.
Колодочные тормоза просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Они лишены недостатков ленточных тормозов и поэтому получили в грузоподъемных машинах наибольшее распространение. Тормозной момент создается в результате прижатия двух колодок, расположенных одна против другой по окружности тормозного шкива, к которым прикреплены фрикционные ленты.
Колодочные тормоза пригодны для двустороннего торможения и применяются в качестве стопорных нормально замкнутых тормозов. Усилие, прижимающее тормозные колодки, создается весом груза (рис. 21) или пружиной (рис. 22), а колодки во время работы механизма размыкаются электромагнитом.
Различают колодочные тормоза с длинноходовым и короткоходовым электромагнитами.
В колодочном тормозе с длинноходовым электромагнитом (рис. 21) к основанию 1 крепятся оси рычагов 2. Тормозные колодки 4, соединенные с рычагом, охватывают тормозной шкив 5. Рычаги колодок через тягу 6, угловой рычаг 7 и тягу 8 связаны с тормозным рычагом 13, на котором расположен передвигаемый груз 12. Электромагнит 9 подключен к сети параллельно с электродвигателем механизма и при включении двигателя включается одновременно с ним и втягивает за собой подвижной якорь вместе со штоком 10, который через серьгу 11 поднимает тормозной рычаг с грузом. Поднимаясь, тормозной рычаг при помощи тяги 8 поворачивает угловой рычаг 7, и тормозные колодки расходятся, освобождая шкив. При выключении двигателя, а значит и электромагнита, тормозной рычаг под действием веса груза и якоря электромагнита опускается вниз, в результате чего рычаги 2 сближаются и колодки зажимают шкив. Тормоз регулируют болтами 3.
К недостаткам рассмотренной конструкции тормоза относятся наличие большого количества рычагов и шарниров, деформация
и износ которых создают мертвый ход системы; большая инерция системы, понижающая быстроту замыкания и размыкания колодок. Кроме того, большое количество рычагов и наличие мертвого хода вынуждают применять электромагниты с большим ходом якоря (20—40 мм) при сравнительно небольшом тяговом усилии.
Колодочные тормоза с короткоходовыми электромагнитами являются наиболее надежной и совершенной конструкцией (рис. 22). Тормозной момент создается пружиной. Магнит клапанного типа с коротким ходом якоря (2—4 мм) расположен непосредственно на одном из рычагов тормозных колодок. Благодаря такой конструкции уменьшается инерция системы, так как уменьшаются массы, сдвигающиеся при работе тормоза. Кроме того, сводится к минимуму количество рычагов и шарниров.
Работает этот тормоз следующим образом. Одновременно с выключением электродвигателя механизма прекращается питание то ком катушки электромагнита; электромагнит 8 не может больше удерживать якорь 9, который отходит от сердечника. При движении якоря высвобождается шток 7, и пружина 5, упираясь в скобу 4 и гайку 6, стремится раздвинуть их, в свою очередь перемещая на встречу один другому вертикальные рычаги 1 и 10. Рычаги, сближаясь, прижимают колодки 2 к тормозному шкиву. Гайка 3 служит для регулировки хода якоря, а гайка 11 — для регулировки отхода колодок.
Чтобы сила трения, создаваемая при замыкании рычагов, распределялась между двумя колодками поровну, а вал тормозного шкива был полностью разгружен от поперечных сил, нужно обеспечить равенство N1 = N2. Соблюдение этого равенства зависит от формы рычагов и способа закрепления на них колодок.
При жестком креплении колодок (рис. 21, б) нормальные силы N1 и N2 перпендикулярны к их оси. Поскольку структура рычажной системы колодочных тормозов всегда предусматривает равенство усилий, замыкающих рычаги с колодками (Т1 = Т2 = Т), уравнение равновесия системы для левой колодки можно представить в виде
TH — N1h — N1μc = 0, (38)
откуда
Для правой колодки уравнение равновесия
TH — N2h + N2μc==0, (40)
откуда
N2 = TH / h - μc кгc (дан) (41)
Выражения (39) и (41) показывают, что равенство нормальных сил будет обеспечено при с = 0. Поэтому при жестком закреплении колодок рычаги изготовляют изогнутыми таким образом, чтобы точки их закрепления O1 и O2 были расположены на линии действия сил трения F1 (см. рис. 21,б).
Жесткое крепление колодки к рычагу обладает существенным не достатком: вследствие неточности изготовления деталей тормоза и сборки, а также деформации тормозного вала и рычага трудно обеспечить плотное прилегание всей рабочей поверхности колодки к шкиву. Поэтому в большинстве случаев крепят колодку к рычагу не жестко, а шарнирно (рис. 22).
При шарнирном закреплении ко лодок равнодействующие N'1 и N'2 в состоянии равновесия должны проходить через центры шарниров. Это воз можно только при смещении равнодействующих от оси колодки (рис. 23).
Пользуясь для удобства равнодействующей N'1, можно уравнение равновесия для левой колодки записать так:
ТН - N'1h1 = 0, (42)
откуда
N'1=TH / h1 кгс (дан). (43)
Для правой колодки
ТН — N'2h2 = 0. (44)
Следовательно,
N'2=TH/h2 кгс (дан). (45)
Нагрев и износ характеризуются произведением давления на окружную скорость тормозного шкива. Поэтому рекомендуется проверять стопорные тормоза по величине pv ≤ 50 кгс • м/см2 • сек( дан м/сек2 сек), а спускные — по pv ≤ 25 кгс • м/см2 • сек (дан • м/сек2 • сек).
У ленточных тормозов ширину ленты также определяют из расчета на давление. Давление тормозной ленты на шкив неравномерно: оно больше в набегающей ветви и меньше в сбегающей.
Определим наибольшую величину нормального давления между лентой и шкивом (рис. 24). Выделим элемент дуги у точки касания набегающей ветви тормозной ленты, ограниченной углом dά. Элементарная нормальная сила, действующая на выделенный элемент Дуги,
dN0 = pmaxb0Rdά, (52)
где pmax—максимальное давление, кгс/см2 (дан/см2); b0 — ширина ленты, см; R — радиус тормозного шкива, см. Элементарная нормальная сила dN0 является геометрической суммой сил T, т.е.
dN0 = 2Tsin(dά/2) ≈ 2Tdά/2= Tdά. (53)
Подставив значение элементарной нормальной силы в уравнение (52), получим
Если подставить в уравнение (54) вместо pmax допускаемое значение давления [р], можно определить ширину ленты
b0 = 2T / D[p] (55)
Ленточные тормоза, как и колодочные, проверяют по величине pv, но значение ее принимают на 25—30% больше из-за большей поверхности нагрева.
Для рассмотренных конструкций ленточных колодочных тормозов характерно, что усилие, создающее тормозной момент, направлено всегда перпендикулярно к валу, подлежащему остановке.
В некоторых грузоподъемных машинах (тали, тельферы, лебедки) применяют тормоза, у которых усилие замыкания тормозных поверхностей действует вдоль оси тормозного вала. К тормозам с осевым нажатием относятся дисковые и конусные.
Дисковый тормоз (рис. 25, а) состоит из неподвижного 1 и вращающегося 2 дисков с фрикционным покрытием 3. Тормоз
замыкается вследствие осевого перемещения вращающегося вместе с валом диска 2 и прижатия его к неподвижному диску 1.
Для уменьшения тормозного усилия служит система из нескольких параллельно работающих дисковых тормозов. В многодисковом
тормозе (рис. 25, б) три неподвижных диска 3 на оси 4 с при крепленным к ним фрикционным покрытием 1 прижимаются к двум вращающимся вместе с валом дискам 2, затормаживая таким образом вал. Вся система дисков постоянно зажата пружиной 5, которая во время работы механизма размыкается тремя электромагнитами 6. При определении усилия многодискового тормоза в знаменатель формулы (56) вводят число пар трущихся поверхностей.
Конусный тормоз (рис. 26) состоит из неподвижного 1 прощающегося 2 конусов. Вследствие трения между рабочими поверхностями конусов создается требуемый тормозной момент.
Рабочее осевое усилие для создания тормозного момента
Во избежание заедания конуса при размыкании тормоза угол β должен быть не менее 15°.
Дисковые и конусные тормоза с осевым нажатием конструктивно сложнее колодочных и ленточных, рабочие поверхности их подвержены неравномерному износу. Принцип осевого нажатия позволяет использовать их для автоматически действующих так называемых грузоупорных тормозов, работающих сов местно с остановами и применяемых в механизмах подъема.
Храповой останов (рис. 27, а) пред назначен для стопорения груза, чтобы предотвратить его самопроизвольное опускание. Он состоит из храпового колеса 1 с зубьями специальной фор мы, укрепленного на валу или на барабане механизма подъема, и подвижного упора («собачки») 2, ось которого 4 укреплена на не подвижном основании и прижата пружиной 3.
При вращении барабана или вала в сторону подъема груза собачка 2 свободно скользит по поверхности зубьев храпового колеса 1, не препятствуя вращению. При изменении направления вращения в сторону спуска груза собачка упирается в ближайший к ней зуб, останавливая этим вращение. Дальнейшее опускание груза возможно только после принудительного откидывания собачки или расцепления храпового колеса с валом механизма. Рабочие стороны зубьев храпового колеса и собачки отклонены от радиуса на угол ά ≈ 20°. Делается это для того, чтобы собачка, соскальзывая в глубь впадины, всегда обеспечивала надежное зацепление.
Храповой останов используется в безопасной рукоятке (рис. 27, б), часто применяемой в лебедках с ручным приводом и являющейся разновидностью спускного дискового тормоза. Гайкой служит ступица рукоятки, а винтом — жестко сидящая на тормозном валу втулка с фланцем. Между торцовыми поверхностями этих деталей находится храповое колесо, которое при навинчивании гайки защемляется. Собачка удерживает груз при его опускании.
Широкое распространение получили роликовые фрикционные остановы (рис. 27, в). В неподвижный кожух 1 запрессована стальная втулка 2, а на валу 5 (механизма подъема) жестко посажен стальной диск 4 с гнездами для роликов 3. Когда груз поднимается, ролики выходят из заклинивания и дают возможность валу вращаться. При этом пружины 6 не выходят из контакта с поверхностями втулки и диска. Поэтому при прекращении подъема ролики заклиниваются и вращение вала прекращается. Вращение вала в обратную сторону возможно при отключенном от него останове.
