Ленточный полиспаст

В грузоподъемных механизмах в качестве гибкого тягового органа в основном применяются канаты, реже цепи. Главное достоинство канатов – пространственная гибкость. Это обстоятельство позволяет легко создавать устройства, состоящие из свободновращающихся блоков с неподвижными в вертикальной плоскости осями (неподвижные блоки) и с подвижными осями (подвижные блоки), огибаемых канатом и служащие для выигрыша в силе (силовые полиспасты). Стальная лента по сравнению со стальным канатом имеет ряд достоинств, из которых основное – высокая долговечность. Главный недостаток ленты – гибкость только в одном направлении. При создании силового полиспаста с лентой блоки должны быть выполнены в виде невращаю-щихся полуцилиндров, входящих один в другой. Принципиальная схема такого блока показана на рис. 1. Сила F 2 , необходимая для перемещения ленты, натянутой с силой F 1 , по блоку, определяется по известной формуле Эйлера

F 2 = F 1 e ^af

где F 1 – сила натяжения ветви ленты, Н; e = 2,718 – основание натуральных логарифмов; ω = π =3,14 – угол обхвата лентой одного блока, рад.; f – коэффициент трения ленты по блоку.

Коэффициент сопротивления блока перемещения ленты

^£ = e * ;            (2)

КПД блока

Пбл =-

£ ■

;

Рис. 1. Блок ленточного полиспаста

КПД вращающихся блоков на подшипниках качения, огибаемых стальными канатами ηбл=0,97-0,98 [1]. Примем ηбл=0,98. Для того, чтобы КПД невращающихся блоков, выполненных в виде полуцилиндров было таким же, как у вращающихся блоков в подшипниках качения, коэффициент трения f необходимо снизить до 0,0064. Это может быть достигнуто, если рабочие поверхности блоков выполнить в виде аэростатических опор. На рис. 2 показан полиспаст нового типа с лентой, движущейся по криволинейным аэростатическим направляющим [2]. Полиспаст включает в себя подвижную и неподвижную обоймы 6, в которых установлены невращающиеся полудиски и полукольца с охватывающими друг друга рабочими поверхностями, выполненными в виде аэростатических опор. Полудиски и полукольца огибаются тяговым органом 5, выполненным в виде ленты. Обойма 6 закреплена на неподвижном основании, а на подвижной обойме 2 установлен крюк. Воздухопровод соединен отверстиями поддува с микроканавками, выполненными на рабочих поверхностях полудисков и полуколец. Один конец ленты 5 закреплен на полудиске, установленном в неподвижной обойме 6, а к другому концу ленты прикладывается тяговое усилие.

Рис. 2. Полиспаст с лентой, движущейся по криволинейным аэростатическим направляющим: 1 – крюк; 2, 6 – подвижная и неподвижная обоймы; 3 – полукольцо; 4 – полудиск; 5 – лента; 7 – воздухопровод; 8 – микроканавка; 9 – отверстие поддува; 10 – полость

Полиспаст работает следующим образом. Груз захватывается непосредственно крюком или с помощью стропа. По воздухопроводу подается сжатый воздух в полости и через отверстия поддува поступает в микроканавки, образуя аэростатические опоры. К концу ленты 5 прикладывается тяговое усилие. Лента движется по криволинейным аэростатическим опорам, выполненным на рабочих поверхностях полудисков и полуколец, перемещая подвижную обойму 2 с крюком и грузом по направлению к неподвижной обойме 6 , то есть при вертикальном расположении полиспаста происходит подъем груза.

Эффективность применения полиспаста с ленточным тяговым органом и криволинейными аэростатическими направляющими определяется следующими его достоинствами: компактностью, высоким КПД, работоспособностью при высоких и низких температурах, высокой гибкостью и прочностью ленты, возможностью самоторможения при прекращении подачи воздуха и возможностью управления скоростью опускания груза за счет изменения давления воздуха. У полиспаста нового вида легче осуществить дефектоскопию грузоподъемного органа. Для строго вертикального подъема и опускания груза не требуется сдвоенного полиспаста.

Максимальное усилие Fp в ленте, наматываемой на барабан, зависит от кратности полиспаста an. Если лента при наматывании на барабан сходит с подвижного блока (как показано на рис. 2), то an=z+1 (z – число блоков). Примем коэффициент сопротивления одинаковым для подвижного и неподвижного блоков. Имеем усилия в ветвях ленты для нижней подвески

F2 = Fef F3 = F2 ef = F1 e2f™ , p _ (a-(an-1)f™

F p F e      ;              (4)

Сумма проекций всех сил на вертикальную ось для нижней грузовой подвески

F + F 2 + F , + ... + F_p = Q

где Q – сила натяжения ветви ленты, Н. Откуда

F 1 (1 + e ^f + e ^{2 f} ™ + e ^{3 f} ™ + ... + e ⁽ a - ^{- 1) f} ™ ) = Q . (6)

Слагаемые в скобке представляют собой геометрическую прогрессию. Сумма этого ряда

ea-f™ -1

f-^;(7)

Тогда имеем

F1(ea> -1) = Q ef -1       ;(8)

Отсюда

F = Q ( e^f - 1)

1    en™ -1 ;(9)

Усилие в ветви ленты, идущей на барабан механизма подъема груза, может быть определено по формуле

F p

= F 1 ^e

( a - - 1) f ™

Q(ef™ -1) e(a--1) f™ eaf -1-

;

КПД полиспаста можно определить из отношения полезной работы к затраченной. Полезная работа при подъеме груза весом Q на высоту H :

А пол = QH .

;

Если груз поднят на высоту Н , то на барабан должна быть намотана лента, натянутая с силой F p и имеющая длину Ha n . Отсюда следует, что затрачиваемая работа при подъеме груза весом Q на высоту Н :

А зат = F p Ha -

Следовательно, КПД полиспаста:

η _п

e a n ω f _- 1

a_n ( e ^{f ω} - 1) e ^{( an - 1) f ω}

Как отмечалось ранее, КПД блока η бл =1/ е^fω , следовательно

• 1    - η б^алⁿ

η _п a_n (1 - η _бл )              ₍₁₂₎

Формула (9), полученная для определения КПД ленточного полиспаста, ничем не отличается от формулы для определения КПД канатного полиспаста [3]. При КПД блока на подшипниках качения канатного полиспаста η бл =0,98 и a n =5 КПД канатного полиспаста η п =0,96. Используя ленточный полиспаст с лентой, движущейся по невращающимся блокам, имеющих форму полуцилиндров, рабочие поверхности которых выполнены в виде аэростатических опор, коэффициент трения между лентой и рабочей поверхностью блока может быть уменьшена до f = 0,004. В этом случае КПД блока η бл = _e ¹ f ω = _2,720¹,004 ⋅ 3,14 = 0,987 . КПД 0,961 ленточного полиспаста при коэффициенте трения f =0,004 достигается при кратности полиспаста a n =7.

Выводы:

• 1.    Показана возможность и целесообразность создания полиспаста с гибким тяговым органом в виде ленты.

• 2.    Приведены прогнозируемые достоинства полиспаста нового типа.

• 3.    Показана необходимость выполнения теоретических и экспериментальных исследования блока с рабочей поверхностью, выполненной в виде аэростатической опоры, и определения условий, при которых достигается получение коэффициента трения ленты по блоку f = 0,004.

• 4.    Необходимо создать опытный образец ленточного полиспаста и проверить в производственных условиях его эффективность.