Безперекосна робота мостових кранів

Вступ

       Мостові крани є одним з найбільш розповсюджених видів підйомно-транспортного устаткування промислових підприємств. Безперебійна робота кранів може бути забезпечена  лише за умови високої довговічності, правильної роботи (руху) і надійності їхніх основних вузлів і деталей.

       Проблема  забезпечення безперервного руху мостових кранів не нова. Вона нараховує більш 150 років з моменту появи кранів мостового типу. В даний час стосовно до кранів мостового типу можна виділити такі її аспекти: знос ходових коліс і підкранових колій; додаткові опори руху; бічні навантаження на підкранові спорудження; навантаження на кістяк крана; робота кістяка при перекосах; недосконалі конструкції.

         Аналіз результатів роботи механізмів  пересування кранів і особливо  його ходової частини  свідчить про недостатню довговічність окремих механізмів, деталей і кранів в експлуатації, що і не забезпечує безперекосного руху мостових кранів.

       Найбільш  часто виходять з ладу ходові колеса, термін служби яких коливається від  декількох місяців до декількох років.

       Тривале функціонування (безперекосний рух  мостових кранів) й економічність  крана залежить від правильної виставки його ходових коліс і рейок  підкранової колії. Занадто великий  знос цих конструктивних елементів  спричиняє безпосереднє підвищення наступних витрат:

         a) виробничі витрати;

         б) витрати на технічний догляд  і обслуговування крана;

       в) витрати, зв'язані з простоєм крана.

       Мостові крани є дуже розповсюдженим типом  вантажопідйомних машин. Їм і присвячена найбільша кількість досліджень. Наприклад, дослідженням величини надбавки до опору руху (т.зв. «коефіцієнта реборди») займалася група німецьких учених: Эрнст (1899), Гільбрандт (1908), Штокман (1926) і вітчизняні вчені: Абрамович(1939), Кікін (1946), Балашов (1958). Знос ходових коліс досліджували: Ковальський (1938), Миколаївський (1946).

       Роботою, присвяченої питанню перекосів  ходових коліс, є дослідження  Степочкина Л.М. [1], де розглядаються  причини перекосів ходових коліс  і описуються різні методи виміру відхилень коліс.

       Однієї з останніх публікацій по даному питанню є робота            Ліпатова А.С. [2], у якій проаналізовані різні випадки впливу погрішності установки ходових коліс на процес руху крана.

       Отже  забезпечення бесперекосного руху мостових кранів є дуже нагальною потребою.

Приклади  запатентованих розробок

       Встановлення  на механізм пересування крана такого вузла (рисунок 1, [3]) дозволяє знизити опір пересуванню і відповідно зменшити необхідну потужність привода. Це дозволяє знизити опір пересуванню крана в 5 раз.  

Рисунок 1. Варіант ходової частини мостового крана4 

       На  рисунках 2, 3 показано варіант конструкції механізму пересування мостового крана [4, 5].

       При початку руху з місту або гальмуванні  крана (рисунок 2), а також при зміні напряму руху, корпус редуктора 2 діє на один із стержнів 5 або 6, при цьому інший вступає в роботу через з'єднувальний елемент 10. 

Рисунок 2. 

         Таким чином, навантаження від  редуктора передаються одночасно  на обидва кутника, і редуктор  може зміщуватися тільки в вертикальному напрямі на величину, що визначається биттям вала ходового колеса. 

       В даній конструкції (рисунок 3) завдяки установці С-образних пластин 4 втулки стаканів 5, що спираються на дві стінки, що забезпечують високу жорсткість їх установки і не потребують потужного фланця 6 для кріплення до балки 1. Це, в свою чергу, дозволяє виконати стакан 5 із з’ємним фланцем 6, який слугує лиш, як елемент, що дозволяє прикріпити стакан 5 до балки 1. в результаті цього дотичні з фланцем 6 поверхні стінки балки 1 не потребують додаткової механічної обробки.

Рисунок 3.  

       Ходова  частина частина мостового крана (рисунок 4, [6]) складається з циліндричних ходових коліс 1 із ребордами, що встановленні на кінцевих балках 2 моста крана та пересувається по підкранових рейкам 3.

Рисунок 4. Ходова частина мостового крана з ходовими циліндричними колесами, що встановленні з монтажним кутом перекосу

       Ходова  частина працює таким чином. При котінні ходового колеса 1 по підкрановим рейкам 3 має місце явище поперечне проковзування, що викликане монтажним перекосом коліс відносно кінцевих балок 2. Це приводе до виникнення бокових зусиль, величина та напрям, яких означенні величиною та напрямком монтажного кута перекосу коліс. Так як кути перекосу совісних коліс направлені в протилежні сторони, то результуюча бокових зусиль, що діють на кран, близька до нуля, що забезпечує прямолінійність його руху по підкранових рейках.

       Величина  монтажного кута перекосу колеса =0,007…0,01 вибрана із умови стабілізації прямолінійного руху крана, так як встановлено, що відхилення в межах 0,004 від цього діапазону не приводе до значної зміни величини бокової сили. Тому поява пружних деформацій металоконструкції моста не змінить результуючу бокових сил і тим самим надійність роботи ходових коліс крана буде більшою.

       Всі ці конструктивні рішення зменшують  перекосні навантаження та сприяють безперекосному рухові мостового крана.

Кран  мостового типу з  безребордними колесами

       Осьові  навантаження безребордних ходових коліс сприймають бічні ролики [7].

Рисунок 5. Схема мостового крана з безребордними колесами

       Конічні ведучі ходові колеса стабілізують рух  моста, сприяють зменшенню бічних навантажень, продовжують термін служби підкранових колій; посилено рекомендуються останнім часом; значно знижують сили перекосу, збільшують термін служби ходових коліс.

Привід  ведучого ходового колеса від карданного вала або пружної муфти

       В останній час, особливо в Німеччині, спостерігається тенденція до широкого застосування карданних валів для приводу ведучих ходових коліс механізмів пересування мостових кранів [8] (рисунок 8).

Рисунок 8. Привід ведучого ходового колеса від карданного вала

       Це  дає суттєву перевагу перед звичайним приводом від трансмісійного вала з зубчастими муфтами, що дозволяє мати перекіс до 1,5—2°. У випадку з карданним валом можливий перекіс сягає 30° і більш, це дає широкий простір для вільного компонування усього механізму пересування, тобто електродвигун, редуктор, трансмісійний вал, ходове колесо.

       Для з'єднання електродвигуна з редуктором широке застосування у Німеччині мають пружні гумові муфти (рисунок 9), які мають більший резерв перекосу і тобто сприяють м'якій передачі крутного моменту від електродвигуна до редуктора [8].

Рисунок 9. Пружна муфта

Конструкції ходової частини  механізму пересування  крана

       В даний час у механізмах пересування  мостових кранів не застосовуються ходові колеса з зубцюватими вінцями  і всі передатні відносини реалізуються в редукторі. При цьому ходове колесо з валом являє собою єдину складальну одиницю (рисунок 10). При цьому в країнах СНД найбільше поширення одержала конструкція за схемою рисунок 6 а, тобто застосовуються букси з кутовим розташуванням у кінцевій балці та центруванням за допомогою платиків. При цьому не можна гарантувати великої точності виставки ходових коліс як у плані, так і їхній «розвал». До недоліків цієї схеми відноситься відсутність гарантії, що після розбірки або ремонту будемо мати той же самий «розвал» і сходження, що і до ремонту. Крім того, кутове розташування сприяє появі багатьох тріщин у надбуксових листах, що потребує ремонту. 

Рисунок 10. Ходове колесо з валом:

а) букса  з кутовим розташуванням у  кінцевій балці та центруванням за допомогою платиків;

б) букса  з похилим розташуванням роз’єму  та вварюванням половини корпусу  підшипника у кінцеву балку. 

       В Німеччині має широке розповсюдження схема за рисунок 6 б, тобто застосовується букса з похилим розташуванням роз'єму та вварюванням половини корпусу підшипника у кінцеву балку [9]. При цьому виставка ходових коліс проводиться за допомогою лазерного або оптичного методу з застосуванням теодолітів з великою точністю, що відповідає нормам DIN. У зв'язку з тим, що одна половина букси вварена у кінцеву балку, є повна гарантія, що після розробки або ремонту ходове колесо буде мати той же самий «розвал» і «сходження». Це все забезпечує підвищення надійності роботи ходових коліс крана.

       У швидкохідних кранових візків американських  мостових перевантажувачів вісь ходових коліс уже протягом декількох років установлюється завжди на підресорену опору (Dravo Corp., Pittsburg) з використанням циліндричних пружинних ресор.

       У такий же спосіб у багатьох випадках подресорюються і самі ходові колеса кранів, причому в цих випадках підресорювання мусить, у першу чергу, забезпечити рівномірний розподіл опорного навантаження на досить велике число ходових коліс і тим самим виконати функцію, подібну тій, котру виконують традиційні балансири ходових коліс.

       Також і швидкохідні кранові візки виробництва Shaw-Box Crane & Hoist Co, Muskegon, Michigan у багатьох випадках виготовляються з ходовими колесами, що мають підресорювання.

       Зовсім  інший шлях обрала фірма Demag, Duisburg у проведеному кілька років назад експерименті [8], установивши підресорювання, що вмонтовано в саме ходове колесо (рисунок 11).

       При цьому конструктивному виконанні  бандаж ходового колеса а спирається за допомогою двох каучукових шайб b на маточину ходового колеса с. Кожна каучукова шайба b міцно скріплена з двома бічними сталевими дисками d за допомогою процесу вулканізації. Сталеві диски, у свою чергу, входять у контакт (зачеплення) через нагвинчені штирі з відповідними отворами в бандажі ходового колеса і з обома насадженими на втулку фланцями e і с, таким чином, сприймають навантаження на колесо. Гайка f, що знаходиться на втулці, утримує разом окремі частини. Рівномірно розподілені повідкові штирі g передають обводові сили. У приводних коліс на фланець-маточину насаджується ще і зубчастий вінець. Зображене на рисунку 7 ходове колесо призначене для мостового крана вантажопідйомністю 13 т і повинне сприймати навантаження на колесо в 32 т. І при статичному навантаженні в 48 т пружна деформація сягає величини в 16 мм. У порівнянні з американськими ця конструкція має, насамперед, ту перевагу, що під час підресорювання   своє   положення стосовно крана змінює тільки бандаж колеса, таким чином, насаджений на маточину колеса зубчастий вінець може приводитися в рух звичним способом, у той час як при підресореній опорі всієї осі ходового колеса привід повинний організовуватися за допомогою хиткої навколо цієї осі несучої конструкції. Висновок про довговічність експлуатації каучукових шайб і одержуваної з їхньою допомогою амортизації може бути зроблений тільки на основі довголітнього досвіду експлуатації. 

Рисунок 11. Підпружне ходове колесо мостового  крана

Міст  статично визначеної конструкції

       Поперечні сили викликаються перекосами крана і цілим рядом інших факторів – не сприяють безперекосному руху мостового крана.

       Статичні  випробування натурних кранів показали, що у випадку однакової жорсткості опор, допущення про рівномірний  розподіл між ними моменту, що перекошує, може бути прийнятним.

       З додаткових факторів, що обумовлюють поперечні навантаження, у даний час є критерії лише для оцінки сил поперечного ковзання для кранів, що мають порівняно невисокі швидкості руху. Про вплив цього фактора свідчить різке зменшення зносу реборд після усунення перекосів коліс у плані шляхом ретельного вивірення [10, 11]. Останнім часом способам вивірення положення ходових коліс починає приділятися велика увага [12], з'явилися і перші спроби обгрунтування їхніх припустимих перекосів.

       Процес  ковзання коліс вивчається дослідниками, що працюють в області залізничного транспорту. Результати цих досліджень успішно поширюються зараз у кранобудуванні.

       Якщо  площина котіння колеса не збігається з напрямком його руху, виникає  пружне прослизання в поперечному  напрямку, що супроводжується появою бічної сили. За своєю природою поперечне прослизання аналогічно поздовжньому крипу колеса, що розвиває деяке тягове (чи гальмове) зусилля. Більш того, було встановлено, що зв'язок тягової сили і поздовжнього прослизання не тільки якісно, але і кількісно збігається з залежністю поперечного ковзання і бічного навантаження. Ця обставина дозволила обгрунтувати пропозицію про те, що поздовжнє і поперечне ковзання є компонентами сумарного ковзання, що відповідає рівнодіючій тягової і поперечної сил.

       На  рис. 16.20 представлений графік залежності відносних поперечних сил Т (величина максимальної сили зчеплення Т = Р \|/, де Р — вертикальний тиск, а \|/ - — коефіцієнт зчеплення, \|/ = 100 %) від поперечного ковзання и.

       Відносне  поперечне ковзання и

       Як  бачимо, уже при перекосах коліс  у 0,001, регламентованому нормами на установку, сила поперечного ковзання дорівнює приблизно 25 % максимальної сили зчеплення. З урахуванням припустимого відхилення рейок у горизонтальній площині в 0,0007 (20 мм на довжині 30 м) вона досягає приблизно 45 % Т_max . Фактичні сумарні кути перекосів коліс можуть складати до 0,5—1,0 і більш відсотків. У цих умовах сили поперечного ковзання досягають 85—95 % Т_max.

Рисунок 12. Залежність бічних сил від відносного поперечного ковзання колеса 

       Зіставивши бічні сили для реальних козлових кранів №1 та №2, визвані перекосами крана і поперечним ковзанням бачимо, що навіть при мінімальних кутах перекосу коліс сили поперечного ковзання практично дорівнюють бічним навантаженням, викликаним максимальними перекосами крана, а при великих і значно перевищують їх.

       Дуже  великі по величині сили поперечного  ковзання, що постійно навантажують реборди коліс, є головною причиною їхнього зносу. Зокрема, останнє підтверджується даними, отриманими на ряді випробуваних кранів.

       Протягом  останніх 100 років було запропоновано  багато конструкцій мостових кранів, що повинні були звести до мінімуму перекошуючі сили в мостових кранах. Однією з найбільш цікавих і до того ж виконаної в металі є  конструкція мостового крана, виконана на Олександрівському заводі ПТО в 1965 році.

       Оригінальність  цієї конструкції (рисунок 13) полягає в тому, що міст крана складається з двох напівмостів 1 і 4, з'єднаних між собою за допомогою опорних 2 і бічних роликів. За задумом конструктора Попова, що запропонував цю конструкцію, кран своїми ходовими колесами мусить контролювати відхилення в плані підкранових рейок і розвертатися у плані під впливом перекісних навантажень тим самим підвищується надійність та час роботи кранових коліс.

       На  жаль, такий кран виявився працездатним тільки при легкому режимі роботи; при важкому режимі кран сам розбовтується та ушкоджує підкранові рейки.

Рисунок 13. Схема моста статично визначеної конструкції: 1, 4 – напівмости; 2 – опорний ролик; 3 – боковий ролик 

Конструкція крана з обмежувачами перекосів кранів

       На  тему дослідження перекосів ходових  коліс написані сотні статей, виконані десятки дисертацій, однак питання  остаточно не вирішене: тільки наближаємося до його рішення.

       Небезпечними  для кінцевих балок мостів або для опор козлових кранів є бічні сили, тому саме їх треба обмежувати. Бічні навантаження ліпше вимірювати на ходових колесах. Із обмежувачів, працюючих за цим принципом, відомий зображений на рисунок 14 (патент Німеччини №1120658); він має по обидва боки ходового колеса тарілчасті пружини, котрі утримують ходове колесо в певному положенні і дозволяють йому перемішуватися поздовж осі або вала, на яких воно утримується. Очевидно, що найкраще цей пристрій може працювати при розміщенні ходових коліс на опорах ковзання або на роликових підшипниках. 

       Рисунок 14. Обмежувач перекосів крана: 1, 2, 3, 4 – вимикачі, які спрацьовують при появі сил перекосу, більших за розрахункові

Варіант кріплення ходового колеса

       Щоб підвищити точність звірення перекосів ходових коліс крана з припустимими нормами, на вітчизняних підприємствах необхідно, спираючись на досвід закордонних виробників підйомно-транспортної техніки, застосовувати сучасні пристрої для контролю і спостереження за геометричними параметрами підкранових колій і ходових коліс кранів. Однак використання оптичних стендів може не дати очікуваних результатів, оскільки застосовувані в даний час букси не дають можливості регулювати кут повороту колеса з достатньою точністю. Отже, необхідно впроваджувати нові типи вузлів кріплення ходових коліс до металоконструкції крана. За рубежем для запобігання втрати точності при зборці і розбиранні половину букси зварюють з кінцевою балкою і розточення під підшипник роблять на зібраному крані за допомогою спеціальних верстатів і лазерної прострілки вісей.

       Григоров  О. В. і Вишневецький Г. В. описують вузол, що дає можливість регулювання положення  ходового колеса в процесі експлуатації [7].

       На  рисунок 15 показаний вузол кріплення ходового колеса. 

Рисунок 15. Вузол кріплення ходового колеса 

       Вузол кріплення ходового колеса до металоконструкції  крана (див. рисунок) містить буксу 1, сферичні самоустановлювальні підшипники 2, двухребордне ходове колесо 3, установлене на осі 4, конічну ексцентрикову втулку 5, упор 6, кришку 7, болти 8.

       На  зовнішній поверхні корпуса букси  виконаний циліндричний отвір для  уведення хвостовика ключа, що центрує  шестірні 9. На фланцевій частині ексцентрикової втулки 5 передбачені овальні пази 10 для болтів 8, що забезпечує можливість повороту ексцентрикової втулки при ослаблених болтах 8.

       На  зовнішній поверхні виступу ексцентрикової втулки 5 виконаний зубцюватий вінець для взаємодії з зубами шестірні 9.

       При необхідності скорегувати кут установки  колеса в плані опору вивішують за допомогою домкрата, відпускають болти 8 і за допомогою ключа для шестірні 9 провертають ексцентрикову втулку 5 щодо букси 1 у межах овальних пазів 10. У потрібному положенні ексцентрикову втулку 5 фіксують за допомогою болтів 8.

       Виходячи  з цього можна зробити висновок, що на даний момент на вітчизняних заводах підйомно-транспортної техніки необхідне впровадження сучасних оптичних методів контролю за установкою ходових коліс і зміна конструкцій кріплення коліс до металоконструкції крана, що дозволяють регулювати перекіс з досить високою точністю і тим самим збільшити надійність роботи ходових коліс крана. 

Варіант виставки ходових  коліс крана

       Правильна виставка кранових коліс – основна  складова безперекосного руху мостових кранів.

       Одним із способів, яких фірма KONE реально впровадила для запобігання перекосів кранів мостового типу шляхом виставки ходових коліс за вимогами діючих норм, є пристрій, зображений на рисунок 16, KONE при виставці ходових коліс кранів пропонує використовувати теодоліт і лінійки з магнітною підставкою. Базову лінію відбивають паралельно підвізковій рейці на відстані 2 м від нього до боковини головної балки. Теодоліт установлюють безпосередньо на базову лінію близько 100 мм зовні щодо кінцевої балки і повертають на 90° у напрямку кінцевої балки. 

Рисунок 16. Установка ходового колеса: 1 –  ходове колесо; 2 – корпус підшипника; 3, 5 – ексцентриковий фланець; 4 –  направляюча пластина; 6 – фіксаторні гвинти; 7 – лінійки з магнітною  підставкою 

       При вертикальному вирівнюванні магнітні лінійки закріплюють на бічній поверхні ходового колеса, як показано на рисунку 13.

       Нахил ходових коліс 1 вимірюється теодолітом. Припустимий вертикальний нахил складає — 0,5 мм/м (усередині) і 2 мм/м (зовні). Конструкція букси, завдяки ексцентриковим фланцям 3, 5 дозволяє регулювати вертикальний і горизонтальний нахили колеса 1. При необхідності відрегулювання вертикального положення відпускаються фіксаторні гвинти 6 і поворотом внутрішнього фланця 3 по годинниковій стрілці чи проти неї (залежно від сторони нахилу) здійснюється регулювання. При повороті фланця на один градус нахил змінюється на 0,1 мм/м.

       Аналогічно  проводиться горизонтальне вирівнювання: магнітні лінійки встановлюються на горизонтальній осі колеса. Максимальне  відхилення складає ±0,4 мм/м. Регулювання  здійснюється поворотом зовнішнього фланця 5. При повороті фланця на один градус нахил змінюється на 0,1 мм/м. 

Технологічні методи підвищення роботи ходових коліс кранів

       При експлуатації кранів установлено, що 90 % ходових коліс виходить з ладу і замінюється новими через інтенсивний знос реборд, а 60—70 % підкранових рейок — через знос їхніх бічних граней. Значно рідше проводиться заміна коліс при виході з ладу підшипників і ще рідше — в силу руйнування від утомленості металу бігової доріжки колеса [15]. Це все є ключовою причиною перекосного руху мостових кранів.

       Обстеження  роботи кранів довело, що термін служби коліс колодязних кранів Дніпродзержинського  металургійного заводу складає 3—6 місяців, Макіївського — 4—6 місяців. На металургійному заводі м. Комунарськ щорічно замінюються понад 500 кранових коліс.

       Ходове  колесо замінюється новим при  зносі 40—50 % товщини реборди. В окремих випадках колеса вибраковуються і при частковому зносі реборд, викликаному перекосами крана через похибки при монтажі коліс і кранового моста, тому що крани вітчизняного виробництва збираються за так званою «твердою» схемою. У цьому випадку кінцеві балки подаються на загальне складання разом з установленими на них ходовими колесами і зварюються з головними балками. Після зварювання неминуче виникають перекоси, що негативно впливає на працездатність і довговічність коліс. Особливо високий однобічний знос реборд коліс характерний для металургійних кранів. Це викликано тим, що візок для вантажу постійно знаходиться з одного боку моста і тому викликає поздовжній зсув усього крана у бік, протилежний переміщенню візка, внаслідок чого колеса постійно притискаються ребордами до рейок і інтенсивно зношуються. Крім того, при русі крана міст повторює всі нерівності шляху у горизонтальній площині, що викликає динамічні навантаження на реборди від горизонтального переміщення маси крана. Усе це в значній мірі знижує термін служби коліс металургійних кранів.

       Проте термін служби ходових коліс кращих закордонних кранів складає 6—10 років. Вивчення зносу ходових коліс показує, що важливе значення для підвищення їхньої довговічності має склад застосовуваних сталей, технологія виготовлення і вид термообробки. Колеса закордонних кранів виготовлені з високовуглецевої сталі зі змістом вуглецю приблизно 0,8 % і марганцю близько 1 %, мають дворебордний профіль, сформований прокаткою, їхня термообробка здійснюється об'ємним загартуванням.

       Головними способами підвищення зносостійкості при механічному зносі є збільшення твердості тертьових поверхонь, підбір матеріалів тертьових пар, зменшення  тиску на поверхні тертя, підвищення якості поверхонь і правильне змащення.