Необходимость применения
Условия эксплуатации некоторых типов грузоподъемных машин требуют большой длины подъемного каната, исчисляемой сотнями метров. Примерами машин такого рода являются башенные краны с большой высотой подъема, шахтные краны, судостроительные краны с высокой кратностью полиспаста, буксирные и траловые лебедки, судоподъемники и т.д. Использование в таких случаях обычных канатных барабанов со спиральной нарезкой при однослойной навивке каната потребовало бы неприемлемого увеличения диаметра и длины барабана. В то же время применение коротких барабанов и многослойной навивки канатов затрудняется тем, что при значительном усилии в канате внутренние витки многослойно навитого каната будут испытывать большое давление со стороны наружных витков, что приведет к деформации и повреждению канатов, врезанию витков друг в друга.
Поэтому рационально применение лебедок, в которых канат поступает в канатосборное устройство не с номинальным, а значительно меньшим натяжением, когда можно успешно реализовать многослойную навивку. Этот эффект реализуется в перематывающих лебедках.
Перематывающие лебедки с канатосборным барабаном
Принцип действия
Перематывающая лебедка (рис. 35,а) состоит из двух жестко связанных между собой зубчатыми колесами 3,5,7 барабанов 1 и 2 с кольцевыми (а не винтовыми) нарезками, которые являются по существу многожелобчатыми приводными блоками. Канат поступает в лебедку из грузового полиспаста с натяжением Sm (рис. 36,а), набегает на барабан 1, сбегает с барабана 2 и поступает через канатоукладчик 19 на канатосборный барабан 16 с натяжением S0. Передача усилий от барабана к канату происходит за счет сил трения. Сцепление каната с барабаном будет достаточным для подъема груза весом G, если в выходящей из лебедки ветви каната действует определенное усилие S0, которое при принятом числе витков каната нужно для создания в первой ветви каната усилия Sm. Если усилие S0 внезапно почему-то уменьшится, то произойдет падение груза.
Рис. 35. Перематывающая лебедка с канатосборным барабаном
Натяжения ветвей каната создают значительные стягивающие силы и вызывают существенный изгиб барабанов. Для разгрузки валов и опор барабанов между барабанами располагаются распорные катки 6, на которые опираются бандажи барабанов 4,8. Диаметры бандажей 4,8 и диаметры зубчатых колес 3,7 (соответственно диаметры катков 6 и приводной шестерни 5) не равны друг другу, поэтому при фиксированном межосевом расстоянии катки 6 и шестерня 5 имеют разные частоты вращения и катки 6 должны быть свободно установлены на валу шестерни 5.
Канатосборное устройство – канатосборный барабан 16 (см. рис. 35) зафиксирован на валу, вращающегося от закрепленного на нем диска фрикциона 13. Второй диск фрикциона 14, установленный на валу свободно, представляет собой одно целое с храповым колесом 12, которое управляется двумя собачками. Ось собачки 15 неподвижна и опирается на раму лебедки. Ось собачки 11 закреплена в ведомой звездочке 10 цепной передачи и вращается вместе с ней вокруг вала канатосборного барабана. Ведущая звездочка 9 цепной передачи связана с валом барабана 1 и вращается вместе с ним.
Рассмотрим взаимодействие узлов лебедки при подъеме груза. Ведомая звездочка 10 получает вращение в направлении, указанном на рис. 35, б стрелкой. Через собачку 11 она увлекает с собой во вращение в том же направлении храповое колесо 12. От храпового колеса, с которым связан диск 14 постоянно включенного фрикциона, вращение передается другому диску 13 и валу канатосборного барабана.
Канатосборный барабан 16, в который поступает перемотанный канат с постоянной линейной скоростью vк, должен вращаться с переменной угловой скоростью в зависимости от высоты подъема груза. Переменность угловой скорости канатосборного барабана при постоянной линейной скорости каната и переменном диаметре его навивки обеспечивается фрикционом, в котором всегда имеется проскальзывание. В нижнем положении груза диаметр навивки каната на канатосборный барабан Dmin, в верхнем – Dmax. Соответственно угловые скорости канатосборного барабана будут равны: wmax=vк/0,5Dmin, wmin=vк/0,5Dmax.
Для нормальной работы лебедки необходимо, чтобы скорость вращения звездочки 10 и храпового колеса 12 были всегда больше скорости вращения барабана 16, т.е. должно выполняться условие: w2>vк/0,5Dmin. Тогда диск фрикциона 14, связанный с храповым колесом, будет опережать диск 13, связанный с канатосборным барабаном, и к диску 13 будет приложен момент сил трения, увлекающий канатосборный барабан во вращение на подъем и создающий натяжение S0. Принимается w2=1,1wmax=1,1vк/0,5Dmin. Тогда передаточное число цепной передачи от звездочки 9 к звездочке 10: uцп=w1/w2, где частота вращения звездочки 9 w1=vк/0,5DБ. Тогда uцп=Dmin/1,1DБ.
Фрикцион канатосборного барабана создает постоянный момент, который при переменном радиусе навивки будет уравновешен переменным усилием в поступаюшем канате. Усилие S0 должно быть обеспечено даже при наибольшем диаметре навивки, поэтому момент фрикциона следует определять как Мф = S00,5Dmax.
Момент М5 на валу барабана лебедки, нужный для работы фрикциона, составит
М5=Мф/uцп×h, (31)
где uцп – передаточное число цепной передачи, h – к.п.д. при передаче движения от барабана 1 к валу фрикциона.
При спуске груза звездочки 9 и 10 цепной передачи (рис. 35) вращаются от двигателя D с постоянной угловой скоростью; грузовой канат увлекает канатосборный барабан 16 во вращение на спуск, при этом фрикцион постоянно проскальзывает, а храповое колесо 12 удерживается собачкой 15 (см. рис. 35, б). При скольжении подвижного диска фрикциона 13 по неподвижному 14, связанному с храповым колесом, возникает момент сил трения, притормаживающий канатосборный барабан и создающий в канате натяжение S0. Благодаря фрикциону достигается необходимая переменность угловой скорости барабана 16 в зависимости от диаметра навивки.
Канатосборные барабаны для многослойной навивки перемотанного каната выполняются с гладкой цилиндрической поверхностью и высокими ребордами. Их размеры выбираются из условия, чтобы при заданной канатоемкости число слоев каната не превышало пяти.
Для правильной укладки каната предусматриваются канатоукладчики 19 (см. рис. 35), винт которого приводится в движение передачей 17-18. Одна из конструкций канатоукладчика показана на рис. 37. Параллельно валу канатосборного барабана расположен винт 7 с правой и левой резьбой. По этому винту, опираясь на направляющие 8, передвигается каретка 2, штырь 1 которой скользит по впадине резьбы. На каретке на валиках 4 установлены ролики 6, между которыми проходит идущий с барабана канат 5. Винт вращается от вала канатосборного барабана через цепную передачу 3 (18 на рис. 35). Дойдя до края винта, например, по правой резьбе, каретка по переходной канавке переходит на левую резьбу и начинает двигаться в обратном направлении.
Необходимая частота вращения винта: nВ=nБdк/tВ, где nБ – частота вращения канатосборного барабана; dк – диаметр каната, tВ – шаг нарезки винта. Расчет элементов канатоукладчика приведен в [1].
Определение мощности двигателя
Изменение усилия в канате при огибании одного барабана подчиняется условию Эйлера: Sn=Sn-1ema, m ³ n ³ 1, где m – число канавок; a=p – угол обхвата (см. рис. 36, а), m – коэффициент трения скольжения между канатом и канавкой барабана. С учетом потерь на преодоление жесткости каната (что существенно при большом числе огибаемых канавок и достаточно больших усилиях в канате)
Sn=Sn-1emacж, (32)
где сж=1+x, x » 0,1d2к /(DБ-10) – коэффициент жесткости каната крестовой свивки при его диаметре dк и диаметре барабана DБ, выраженных в сантиметрах.
Коэффициент трения скольжения m на стальном барабан для смазанных канатов при полукруглой канавке m=0,12 (при этом радиус канавки следует строго выдерживать в пределах (0,52...0,53)dк; при канавке с подрезом m=m0b, где m=0,11 – коэффициент трения проволок по барабану; b=4(1-sin0,5g)/(p-g-sing) – коэффициент формы канавки; g = 800...1100 – угол подреза канавки.
В соответствии с формулой (32) для схем лебедки на рис. 27,а,в получим следующие выражения для усилий в ветвях каната в зависимости от натяжения S0 на выходе из лебедки:
S1=S0empcж; S2=S1empcж=S0e2mpc2ж;....; Sm-1=S0emp (m-1) ;
(33)
где m – общее число канавок с углом обхвата p на двух приводных барабанах лебедки.
Значение Sm определяется обычным образом в зависимости от весов груза G и грузозахвата q, кратности uп грузового полиспаста и его к.п.д. hп, количества и к.п.д. hН.З. направляющих блоков (рис. 36, а):
(34)
Минимальное усилие S0 должно быть достаточно для преодоления жесткости каната при изгибе его на канатосборном барабане; из этих соображений можно принять S0=(1500...3000)Н. Затем из формулы (33) можно определить число канавок m. Обычно получается m=10...20.
Рис. 36. Схемы к расчету перематывающей лебедки с канатосборным барабаном
Вес грузозахвата q должен быть достаточен для того, чтобы обеспечить сцепление каната с барабаном при спуске порожнего грузозахвата. При этом набегающая и сбегающая ветви каната меняются местами по сравнению со случаем подъема, и условие Эйлера (32) запишется в виде: 
откуда можно получить значение q.
Мощность N двигателя D (см. рис. 35) определяется по формуле: 
где hл – к.п.д. лебедки; w = vп /0,5uп(DБ+dк) – частота вращения барабана при скорости vп подъема груза. Крутящий
момент М на барабанах лебедки вычисляется как сумма:
М=М1+М2+М3+М4+М5. (35)
М1 – крутящий момент на барабанах, создаваемый усилиями в ветвях перематываемого каната (см. рис. 36,а,в): М1=(Sm-S0)×0,5DБ, где Sm определяется по (33).
Момент М2 на преодоление трения в подшипниках a, b, c, e (см. рис. 36, в) (трением в подшипниках вала шестерни 5 можно пренебречь) равен: M2=(Na+Nb+Nc+Ne)mц0,5dц, где mц – коэффициент трения в подшипниках; dц – диаметр цапфы; Na...Ne – давления на подшипники.
Давление на подшипники барабанов частично создается стягивающими силами, действующими на барабане 1-Z1 и барабане 2-Z2 (рис. 36, б, в): Z1=S1+S2+...Sm, Z2=S0+S1+...Sm-1.
Основная часть усилий Z1 и Z2 замыкается на бандажах 4,8 распорных катках 6 (рис.36, б), а на подшипники передается только неуравновешенное усилие: Z1-Z2=Sm-S0. 36)
Кроме того подшипники валов нагружаются давлениями от усилий F1, R1 и F2,R2 в зубчатых зацеплениях (рис. 36, г). При этом F1»MБ1 /0,5dЗ, F2 » MБ2/0,5dЗ, где МБ1 и МБ2 – крутящие моменты на барабанах: МБ1=[(S2-S1)+(S4-S3)+...(Sm-Sm-1)]×0,5DБ, МБ2=[(S1-S0)+(S3-S2) +...+ (Sm-1-Sm-2)]×0,5DБ, dЗ – диаметр делительной окружности колес 3,7.
Задача о распределении несимметрично приложенного усилия Z1-Z2 по (35) между подшипниками а-е является статически неопределимой. Чтобы избежать ненужных усложнений расчета, примем, что все усилие (Z1-Z2) воспринимается подшипниками с и е одного барабана.
Тогда
где коэффициенты ki – множители, определяемые при вычислении опорных реакций валов как статически определимых балок под действием внешних нагрузок.
Момент М3 затрачивается на преодоление трения качения бандажей 4,8 и распорных роликов 6 (рис. 36, б): М3=f(Z1+Z2)(1+D1/D2), где f – коэффициент трения качения; D1 и D2 – соответственно диаметры бандажей и распорных катков.
Рис. 37. Винтовой канатоукладчик
Момент М4, учитывающий потери на преодоление жесткости каната:
где усилия Si вычисляются по формулам (32), а 
- по тем же формулам, из которых исключены степени коэффициента сж.
Определение момента М5 фрикциона канатосборного барабана производится по формуле (31).