Ряд строительных машин — башенные и стреловые краны, одноковшовые экскаваторы, некоторые виды погрузчиков — состоят из неповоротной части, являющейся опорой (основанием), и поворотной, на которой смонтированы рабочие органы и основные механизмы их привода.
Поворотная часть машин соединяется с неповоротной при помощи опорно-поворотного устройства, которое удерживает поворотную часть машины относительно не поворотной в заданном положении и служит для передачи на неповоротную часть нагрузки от силы тяжести поворотной части и внецентренных нагрузок от рабочих органов и ветровых давлений.
Рис. 46. Схема опорно-поворотного устройства на колонне
а — с подпятником у верхней опоры; б — с подпятником у нижней опоры
Опорно-поворотные устройства могут быть с опорными поверхностями на колонне, расположенными в двух уровнях, отстоящих один от другого на значительном расстоянии, или в виде поворотного круга на роликах, шариках или катках. У первых реакции от нагрузок направлены горизонтально, а у вторых — вертикально.
Опорно-поворотные устройства с опорными поверхностями на колонне широко применяются у башенных кранов большой грузоподъемности с неповоротной башней, а также на кранах более раннего выпуска (рис. 46). Эти опорно-поворотные устройства бывают с нижним или верхним расположением центральной цапфы и подпятника. При расположении подпятника на верхнем уровне (рис. 46, а) остов (неповоротная часть) машины выполняется в виде усеченного конуса 1 или пирамиды, вершина которых несет на себе центральную цапфу 3 и шариковый подпятник 4. В верхней части поворотной фермы 5 предусматривается ступица 2, надеваемая на цапфу 3. На нижнем уровне конусообразного выступа расположены опорные ролики 7, воспринимающие горизонтальные усилия от кругового рельса (бандажа) 6 поворотной фермы шатра 5.
При нижнем расположении центральной цапфы поворотная часть имеет конусообразный выступ, а у основания предусматривается соответствующее заглубление для цапфы 3 и подпятника 4 (рис. 46,6).
Большинство современных кранов и экскаваторов выпускаются с опорно-поворотными устройствами в виде поворотного круга двух видов: шариковые или роликовые и с центральной цапфой и катками, катающимися по круговому рельсу.
Роликовые опорно-поворотные устройства (рис147, а, б) состоят из массивного кольца 2, соединенного с опорной рамой, в котором вытачиваются кольцевые беговые дорожки; роликов 3 и двух колец 5 и 4, соединенных между собой болтами 6 и связанных жестко с поворотной платформой. Ролики 3, используемые в качестве тел качения, укладываются через один (рис. 47,6) нормально друг к другу, под углом к вертикали 60 или 30е так, что половина их, катящаяся по дорожкам В воспринимает опорные нагрузки, а вторая половина, катящаяся по дорожкам Г, — отрывающие.
На внутренней поверхности кольца 2 нарезается зубчатый венец 1, с которым входит в зацепление конечная ведущая шестерня механизма поворота машины.
Выпускаются также опорно-поворотные круги с наружным зубчатым венцом К (рис. 47, в).
Рис. 47. Опорно-поворотное устройство
а, б, в — роликовое; г — шариковое
Устройство шарикового опорно-поворотного круга показано на рис. 47, г. Так же как и роликовый, он состоит из массивного кольца 14, прикрепляемого болтами 12 к опорной раме 13 ходового устройства. В нем выточены две беговые дорожки для двух рядов шариков 9. Два наружных кольца — нижнее 11 и верхнее 8 — стягиваются между собой и прикрепляются к поворотной платформе болтами 10. Верхний ряд шариков воспринимает опорные нагрузки, а нижний ряд шариков отрывающие нагрузки. Роликовые и шариковые опорно-поворотные круги нормализованы. В том случае, когда их типовые размеры не обеспечивают заданные нагрузки, применяют опорно-поворотные устройства с катками, катящимися по круговому рельсу (рис. 48).
Рис. 48. Опорно-поворотное устройство каткового типа
Такое же поворотное устройство можно встретить и у машин более раннего выпуска.
У опорно-поворотного устройства каткового типа (рис. 48, а) нижний опорный круг / вместе с зубчатым венцом 2 закреплен на раме ходовой части машины. Поперечное сечение опорного круга имеет вид швеллера, по нижней полке которого катятся катки 3, смонтированные на кронштейнах 4 поворотной платформы 5. Верхняя полка опорного кольца служит контррельсом, воспринимающим нагрузки от опрокидывающего момента. Центральная цапфа 6 служит для центрирования поворотной платформы относительно неповоротной и для восприятия горизонтальных нагрузок. В отверстии центральной цапфы размещены шарикоподшипники 8 и вертикальный вал 7, передающий вращение от двигателя к ходовому устройству.
Несколько видоизмененный вариант опорно-поворотного устройства каткового типа изображен на рис. 48, б. Оно отличается от описанного выше тем, что состоит из двух кругов: нижнего 11, укрепленного на неподвижной раме, и верхнего 12, укрепленного на поворотной платформе; между этими кругами размещаются катки 13, соединенные в общую обойму сепаратором 14. Отрывающие нагрузки воспринимаются кольцевым выступом нижнего круга и обратными катками 9, укрепленными на кронштейнах 10 поворотной платформы.
Кинематическая схема механизма вращения поворотной части представлена на рис. 49.
Рис. 49. Кинематическая схема механизмов вращения поворотной части машин
а — с зубчатой передачей; б — с канатным приводом; в — с приводом гидроцилиндрами
Наиболее распространенным является механизм поворота с зубчатой передачей. Он состоит (рис. 49, а) из двигателя /, соединительной муфты 2, тормоза 3, редуктора 4, ведущей шестерни 5 и зубчатого венца 6 с внутренним или внешним зацеплением. Первые из них предпочтительнее как обеспечивающие более плавный ход.
Двигатель привода механизма вращения поворотной платформы машины может быть установлен на поворотной или неповоротной части, в зависимости от чего кинематическая схема механизма несколько видоизменяется.
При установке двигателя на поворотной платформе зубчатый венец закрепляется на неповоротной части. С зубчатым венцом находится постоянно в зацеплении ведущая шестерня, приводимая во вращение через систему зубчатых передач от двигателя. На первом валу редуктора размещается тормозной шкив с тормозом. При расположении двигателя на неповоротной части зубчатый венец крепится на поворотной части.
При больших диаметрах поворотных кругов применяется цевочная передача как более простая в изготовлении.
Еще более прост в изготовлении механизм поворота с гладким ободом 7, вокруг которого обвиваются два стальных каната 8 и 9, одним концом прикрепленные к поворотному кругу, а другими к барабанам 10 реверсивной лебедки (рис. 49,6).
В машинах с гидравлическим приводом находит применение механизм поворота с гидроцилиндрами (рис.
49, в). При втягивании одного из штоков гидроцилиндров 12 перемещается связанная с ним втулочно-роликовая цепь 11 и поворачивается зубчатая звездочка вместе с поворотной платформой. Достоинством такого механизма поворота является плавность трогания с места и торможения при остановке вращения поворотной части. Мощность двигателя привода механизма поворотов рассчитывается на преодоление общего момента сопротивления вращению М, складывающегося из моментов: от составляющей силы тяжести поворотной части крана и груза при расположении крана на наклонной плоскости Мут', от силы трения Мтр, от ветровой нагрузки Мв, от инерционных сил Мин:
При вращении поворотной части крана, стоящего на наклонной плоскости, центр тяжести поворотной части будет занимать разные уровни по высоте от 0 до максимума, зависящие от угла наклона и расстояния от оси вращения, вследствие чего момент сопротивления на части окружности будет иметь знак «+», а затем « — ».
Наибольшее значение момента от уклона
где G — сила тяжести поворотной части; га — расстояние от оси вращения до центра тяжести поворотной части крана; Q + q — сила тяжести груза и крюковой обоймы; R — расстояние от оси вращения до центра тяжести груза; а — угол наклона.
Ветровая нагрузка препятствует вращению поворотной части, эксцентрично расположенной относительно оси вращения. При расчетах необходимой мощности двигателя давление ветра Р принимается равным 150 Па на 1 м2, а при проверке двигателя на перегрузочную способность — 250 Па. Ветровой момент является величиной переменной и зависит от положения подветренных поверхностей к направлению ветра.
Максимальное значение ветрового момента будет при направлении ветра нормально к подветренной поверхности машины, эксцентрично расположенной относительно оси вращения. При расположении подветренных поверхностей по обе стороны оси вращения их моменты будут иметь разные знаки:
где 1 — подветренная поверхность груза, м2; F — подветренная поверхность эксцентрично расположенных частей машины, м2; р — ветровое давление на м2 поверхности; г — расстояние от центров тяжести подветренных поверхностей до оси вращения, м; R — расстояние от оси вращения до центра тяжести подветренной поверхности груза, м.
Момент инерционных сил складывается из момента инерции груза и моментов инерции отдельных элементов машины (стрелы, противовеса и т. д.):
где 2l — сумма моментов инерции груза и элементов крана, приведенных к оси вращения; ------- — угловое ускорение; n — угловая скорость поворотной части; t — время разгона.
Необходимая мощность двигателя для механизма поворота в кВт при М в кгм:
где η — к. п. д. механизма привода поворотной части; Мсопр.общ — суммарный момент сопротивления вращения.
Так как преодоление сопротивлений от инерционных сил происходит за 1 — 3 с (период разгона), то номинальная мощность двигателя кранового типа может быть принята меньше подсчитанной за счет его перегрузочной способности.
Тормозной момент, развиваемый тормозом, установленным на первом валу редуктора, равен:
где Кз — коэффициент запаса тормозного момента; £ — передаточное число механизма поворота; т — к. п. д. системы передач.