Инжиниринг грузоподъемных машин и устройств

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
    «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»



  Кафедра инжиниринга технологического оборудования


  С.М. Горбатюк, С.А. Иванов, НА Кириллова, Н.А. Чиченев




            Инжиниринг грузоподъемных машин и устройств




  Учебник




  Рекомендовано редакционно-издательским советом университета






МИСиС

Москва 2017

УДК 621.86/87:669.0
      И62



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. А.Г. Никитин (Сибирский государственный индустриальный университет); д-р техн. наук, проф. Р.Л. Шаталов (Московский политехнический университет)




       Авторы: С.М. Горбатюк, С.А. Иванов, Н.Л. Кириллова, Н.А. Чиченев




        Инжиниринг грузоподъемных машин и устройств : учеб. /

И62 С.М. Горбатюк [и др.]. - М. : Изд. Дом МИСиС, 2017. - 279 с. ISBN 978-5-906846-40-2



          Приведены общие сведения о грузоподъемных машинах и устройствах общего назначения: классификация, основные виды, параметры, режимы работы, выбор запасов прочности и допускаемых напряжений, привод, технико-экономические показатели. Рассмотрены детали и узлы грузоподъемных машин и устройств: классификация грузозахватных устройств, гибкие грузоподъемные органы, полиспасты, блоки, барабаны, звездочки, тормозные и стопорные устройства. Изложены принцип действия, основы расчета и конструирования механизмов грузоподъемных машин и устройств: подъема, передвижения и поворота. Описаны принцип действия, назначение, области применения и конструкции основных видов грузоподъемных машин и устройств: домкратов, лебедок, талей, мостовых кранов общего назначения, специальных мостовых кранов и др.
          Содержание учебника соответствует образовательному стандарту НИТУ «МИСиС» подготовки бакалавров по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование».
          Учебник предназначен для студентов, обучающихся по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», и преподавателей, проводящих занятия по данной дисциплине. Может быть полезен студентам других направлений подготовки, в которых рассматриваются вопросы механизации погрузочно-разгрузочных работ.

УДК 621.86/87:669.0

ISBN 978-5-906846-40-2

© Коллектив авторов, 2017
© НИТУ «МИСиС», 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие................................................6
Введение...................................................9
Условные обозначения......................................11
1. Общие сведения о грузоподьемных машинах и устройствах..13
  1.1. Классификация грузоподьемных машин и устройств.....13
  1.2. Основные виды грузоподьемных машин и устройств.....20
  1.3. Основные параметры грузоподьемных машин и устройств ... 32
  1.4. Режимы работы грузоподьемных машин и устройств.....35
  1.5. Расчетные нагрузки.................................41
  1.6. Выбор запасов прочности и допускаемых напряжений...43
  1.7. Привод грузоподьемных машин и устройств............45
  1.8. Технико-экономические показатели...................49
  Контрольные вопросы.....................................51
2. Детали и узлы грузоподъемных машин и устройств.........53
  2.1. Классификация специальных узлов и деталей..........53
  2.2. Грузозахватные устройства..........................54
    2.2.1. Основные виды грузозахватных устройств.........54
    2.2.2. Универсальные грузозахватные устройства........56
    2.2.3. Грузозахватные устройства для штучных грузов...63
    2.2.4. Грузозахватные устройства для сыпучих грузов...77
  2.3. Гибкие грузоподьемные органы.......................85
    2.3.1. Грузовые цепи..................................85
    2.3.2. Стальные проволочные канаты....................88
    2.3.3. Соединения грузозахватных приспособлений с канатами..............................................93
  2.4. Полиспасты.........................................95
    2.4.1. Общие сведения.................................95
    2.4.2. Потери на блоках...............................95
    2.4.3. Схемы полиспастов.............................100
  2.5. Блоки, звездочки и барабаны.......................102
    2.5.1. Конструкции блоков............................102
    2.5.2. Звездочки для грузовых цепей..................105
    2.5.3. Назначение и конструкции барабанов............107
    2.5.4. Крепление конца каната на барабане............111
    2.5.5. Шпили.........................................115
  2.6. Тормозные и стопорные устройства..................116
    2.6.1. Классификация тормозных и стопорных устройств..116

3

    2.6.2. Храповые остановы...............................118
    2.6.3. Фрикционные остановы............................120
    2.6.4. Устройство и принцип действия колодочных тормозов .... 123
    2.6.5. Колодочные тормоза с приводом от электромагнита.129
    2.6.6. Колодочные тормоза с приводом от электрогидравлических толкателей................134
    2.6.7. Колодочные тормоза с приводом от электромеханических толкателей..................139
    2.6.8. Ленточные тормоза...........................143
    2.6.9. Тормоза осевого нажатия.....................150
    2.6.10. Проверка тормозов на нагрев................152
  Контрольные вопросы..................................154
3. Механизмы грузоподьемных машин и устройств..........156
  3.1. Механизм подьема................................156
    3.1.1. Общие сведения..............................156
    3.1.2. Определение пускового и тормозного моментов.161
    3.1.3. Расчет механизма подьема....................167
  3.2. Механизмы передвижения..........................169
    3.2.1. Схемы механизмов передвижения...............169
    3.2.2. Ходовая часть механизма передвижения........172
    3.2.3. Сопротивление передвижению кранов и тележек.179
    3.2.4. Определение пускового и тормозного моментов.182
    3.2.5. Буферные устройства.........................189
  3.3. Механизмы поворота..............................193
    3.3.1. Схемы механизмов поворота...................193
    3.3.2. Нагрузки в опорах стационарных кранов.......197
    3.3.3. Определение пускового и тормозного моментов.202
  Контрольные вопросы..................................205
4. Конструкции основных видов грузоподьемных машин и устройств..............................................208
  4.1. Простейшие грузоподьемные машины и устройства...208
    4.1.1. Домкраты....................................208
    4.1.2. Лебедки.....................................213
    4.1.3. Тали........................................217
  4.2. Краны мостового типа............................222
    4.2.1. Общие сведения..............................222
    4.2.2. Однобалочные мостовые краны.................227
    4.2.3. Двухбалочные мостовые краны.................229
    4.2.4. Крановые тележки............................231

4

  4.3. Специальные мостовые краны и устройства.........234
    4.3.1. Мостовой магнитно-грейферный кран...........234
    4.3.2. Напольно-крышечный колодцевый кран..........236
    4.3.3. Кран с подхватами...........................238
    4.3.4. Кран магнитный с поворотной траверсой.......242
    4.3.5. Кран с механизмом вращения главного крюка...243
    4.3.6. Разливочный (литейный) кран.................245
  4.4. Загрузочные машины..............................252
    4.4.1. Скиповый подъемник..........................252
    4.4.2. Загрузочная полупортальная машина...........255
    4.4.3. Мостовой завалочный кран....................257
  4.5. Перегрузочные механизмы и устройства............258
    4.5.1. Перегружатель бунтов........................258
    4.5.2. Перегружатель рулонов.......................261
    4.5.3. Перегружатель-кантователь листов............263
    4.5.4. Вагоноопрокидыватели........................265
  Контрольные вопросы..................................275
Библиографический список...............................277

5

Предисловие
   Дисциплина «Инжиниринг грузоподъемных машин и устройств» относится к обязательным дисциплинам вариативной части основной профессиональной образовательной программы (ОПОП) подготовки бакалавров всех профилей направления 15.03.02 «Технологические машины и оборудование».
   Дисциплина имеет практико-ориентированную направленность и предназначена для приобретения студентами компетенций в области эксплуатации и ремонта технологического оборудования.
   Дисциплина «Инжиниринг грузоподъемных машин и устройств» находится в начале профессиональной подготовки бакалавров по данному направлению, а полученные при ее изучении знания, умения и навыки используются при выполнении выпускной квалификационной работы, а также при изучении последующих профессиональных дисциплин (инжиниринг транспортирующих машин и устройств, надежность технологических машин, эксплуатация технологического оборудования и др.).
   Для полноценного освоения учебного материала по данной дисциплине студент должен использовать знания, полученные при изучении следующих дисциплин: математика (дифференциальное и интегральное исчисление, теория вероятностей и математическая статистика), механика (теоретическая механика, сопротивление материалов, теория механизмов и машин, детали машин), технология машиностроения, взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения, автоматизированное проектирование машин.
   Цель - дать знания по принципам действия, режимам работы, конструкции, назначению и области применения грузоподъемных машин и устройств, используемых в различных отраслях промышленности для погрузки, разгрузки, перемещения, подачи, дозировки, хранения, складирования и других операций с сыпучими (магнитными и немагнитными) и штучными материалами.
   Задачами дисциплины является научить:
   -   правильно определять режимы работы, назначение и основные параметры грузоподъемных машин и устройств;
   -   выполнять расчеты деталей и узлов грузоподъемных машин и устройств с учетом их режима работы и необходимого срока службы;
   -   выбирать необходимые машины и устройства для выполнения грузоподъемных операций на производстве.

6

   Дисциплина вносит вклад в формирование следующих результатов обучения.
   • Знать:
   -    назначение, область применения, режимы работы и методику определения основных параметров грузоподьемных машин и устройств;
   -    основные положения по конструированию и расчету механизмов и деталей грузоподьемных машин и устройств;
   -    устройство, принцип работы и конструктивные особенности грузоподьемных машин и устройств общего назначения;
   -    методические, нормативные и руководящие материалы, касающиеся выполняемой работы.
   •   Уметь:
   -    выбирать тип и основные параметры грузоподьемных машин и устройств для выполнения грузоподъемных операций на производстве;
   -    выполнять расчеты деталей и механизмов грузоподьемных машин и устройств с использованием стандартных пакетов прикладных программ и систем автоматизированного проектирования;
   -    осуществлять работы по проектированию и эксплуатации грузоподьемных машин и устройств общего назначения;
   -    использовать необходимую нормативно-техническую документацию, справочную литературу и методические рекомендации, касающиеся выполняемой работы
   •   Владеть:
   -    навыками определения типа и основных параметров грузоподьемных машин и устройств для выполнения грузоподьемных операций на производстве;
   -    методами расчета деталей и механизмов грузоподьемных машин и устройств с использованием стандартных пакетов прикладных программ и систем автоматизированного проектирования;
   -    методикой проектирования грузоподьемных машин и устройств общего назначения;
   -    навыками подготовки отчетов по выполненным расчетнографическим работам с использованием необходимой нормативнотехнической документации, справочной литературы и методических рекомендаций.
   В основу настоящего учебника положены лекции, которые в течение более 15 лет читались в НИТУ «МИСиС» на кафедре инжиниринга технологического оборудования для студентов, специализирующихся в области разработки и эксплуатации металлургического

7

оборудования. Содержание учебника соответствует образовательному стандарту НИТУ «МИСиС» подготовки бакалавров по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование».
   Предназначен для студентов, обучающихся по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», и преподавателей, ведущих занятия по данной дисциплине, а также студентов, обучающихся по направлению 22.03.02 «Металлургия».

8

ВВЕДЕНИЕ
   Повышение эффективности технологических процессов промышленного производства в существенной степени зависит от рационального использования различного подъемно-транспортного оборудования, начиная от подачи сырья и кончая выдачей и отправкой готовой продукции. В соответствии с функциями, выполняемыми подъемно-транспортными машинами, их разделяют на два основных класса: грузоподъемные и транспортирующие.
   В данном учебнике описаны принцип действия, назначение, область применения, конструкции и основы расчета грузоподъемных машин и устройств, преимущественно общего назначения. Специальные грузоподъемные машины и устройства, такие как портальные краны, самоходные краны, экскаваторы, кабельные краны, подъемники и др., здесь не приводятся, так как они подробно рассматриваются в других специальных курсах. По этим же причинам опущены вопросы проектирования металлических конструкций и применения промышленных роботов и манипуляторов.
   Грузоподъемные машины и устройства являются одним из важнейших средств механизации работ во всех отраслях народного хозяйства - в промышленности, в строительстве, на транспорте, в сельскохозяйственном производстве и пр. Они также применяются для перемещения грузов и людей в вертикальном, горизонтальном и наклонном направлениях.
   Характер и специфические особенности производственного процесса, род и физико-механические свойства перемещаемых грузов определяют тип и конструкцию применяемых грузоподъемных машин и устройств. При этом необходимо учитывать комплексность механизации погрузочно-разгрузочных операций на всех этапах производственного процесса, условия сохранности перемещаемых грузов, соответствие производительностей грузоподъемных и технологических операций, создание благоприятных условий труда для обслуживающего персонала и др. Необходимость выполнения этих требований в различных отраслях производства привело к созданию разнообразных типов грузоподъемных машин и устройств.
   Правильный выбор типа грузоподъемных машин и устройств является важным фактором нормальной работы и высокой производительности предприятия. Невозможно обеспечить его устойчивый ритм при современной интенсификации развития без согласованной

9

и безотказной работы средств механизации транспортирования сырья, полуфабрикатов и готовой продукции на всех стадиях обработки и складирования.
   Наличие большого количества конструктивных типов грузоподъемных машин и устройств вызвано как разнообразием видов и свойств перемещаемых грузов (сыпучие материалы, штучные грузы, жидкости), способов их перемещения, так и различием технологических процессов. Многообразие моделей является помехой для организации их крупносерийного производства и усложняет техническое обслуживание и эксплуатацию. Поэтому число типоразмеров грузоподъемных машин и устройств ограничивают на основе стандартизации и нормализации отдельных элементов, что создает предпосылки для укрупнения и централизации их производства, а также для ускоренной разработки рядов машин различного назначения, собираемых из нормализованных деталей и узлов. Использование такого подхода привело к модульному принципу создания конструкций грузоподъемных машин и устройств.
   В настоящее время производство грузоподъемных машин и устройств основано на принципе использования блочных унифицированных конструкций, состоящих из отдельных относительно самостоятельных узлов-блоков, собранных между собой посредством разъемных соединений. К таким конструктивным блокам относятся унифицированные узлы металлоконструкций, двигатели, редукторы, блоки ходовых колес, крюковые подвески, барабаны, полиспасты, муфты, тормоза и др.

10

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

п       производительность                   
a       кратность полиспаста                 
А       площадь                              
 В, b   ширина                               
D, d    диаметр                              
е       эксцентриситет                       
Е       модуль упругости материала, энергия  
f       коэффициент трения скольжения        
F       сила                                 
   g    ускорение свободного падения         
G       вес                                  
i       передаточное число                   
j       ускорение, замедление                
J       момент инерции                       
H, h    высота                               
K, k    коэффициент (общее обозначение)      
 L, l   длина                                
m       масса                                
M       момент                               
n       частота вращения                     
   P    давление                             
P       мощность                             
   Q    масса груза                          
   q    Линейная (погонная) сила тяжести     
 R, r   радиус                               
s       расстояние, перемещение, ход         
S       коэффициент запаса прочности         
T, t    время, период                        
T       крутящий момент                      
V       объем, вместимость                   
и       скорость                             
W       сопротивление перемещению            
w       коэффициент сопротивления движению   
x, y, z координаты                           
z       число (роликов, зубьев, резцов и др.)
Z       штучная производительность           

11

a, P, Y угол                          
5       толщина (стенки, прокладки)   
8       относительная деформация      
   n    коэффициент полезного действия
   P    коэффициент трения качения    
   p    плотность                     
о       нормальное напряжение         
T       касательное напряжение        
   Ф    угол трения                   
   V    коэффициент заполнения сосуда 
Щ       угловая скорость              

12

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИНАХ И УСТРОЙСТВАХ

1.1. Классификация грузоподъемных машин и устройств
   Грузоподъемная машина - устройство для перемещения груза или людей в вертикальной или близкой к ней наклонной плоскости (грузовые и пассажирские лифты, краны, шахтные клети, строительные подъемники и др.).
   Под термином «грузоподъемные машины» понимают различные по конструкции и кинематическим схемам машины и устройства: простейшие устройства - домкраты и лебедки; сложные - краны и подъемники (рис. 1.1). В зависимости от назначения грузоподъемные машины и устройства могут быть стационарными или передвижными, прерывного или непрерывного действия, с электроприводом, с приводом от двигателя внутреннего сгорания и др.
   Грузоподъемные машины и устройства (ГМУ) предназначены для обслуживания производственных процессов в цехах заводов и на строительных объектах, для погрузочно-разгрузочных работ на транспорте и складах, для механизации определенной части работ при монтаже технологических машин и оборудования, в производственных и ремонтных цехах предприятий.
   Характерной особенностью ГМУ является цикличность их работы и подача груза порциями, соответствующими грузоподъемности рабочих органов, которые непосредственно несут транспортируемый груз по произвольной пространственной трассе. Работа ГМУ обычно осуществляется по принципу возвратно-переменных движений: в одном направлении - с грузом, в обратном - без груза; при этом процессы загрузки и разгрузки обычно происходят во время остановки ГМУ, но иногда рабочий орган разгружается во время движения.
   Домкрат - механизм для подъема грузов на небольшую высоту. Домкраты бывают реечные, винтовые, гидравлические. Грузоподъемность - от нескольких килограммов до сотен тонн. Применяются при строительных, монтажных и ремонтных работах. Мощными гидравлическими домкратами можно приподнять целое здание или сооружение.


13