Исследование канатных полиспастов и колодочных тормозов

С всеобщей миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектро-механических и наноэлектромеханических систем величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной (μ≥1). При этом трение не может быть уменьшено с помощью обычного смазывания контактирующих поверхностей. Закономерным является значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к явлению трения. Поэтому вопросом влияния силы трения на работу механизмов заинтересовалась и я.

Исследования проводились на базе лаборатории «Грузоподъёмные машины» кафедры ПСМ БиТТУ. Эта работа позволила мне познакомиться с новым оборудованием, повысить мой интерес к технике, что в дальнейшем поможет мне в выборе профессии.

Виды внешнего трения

Внешним трением называется взаимодействие между телами, возникающее на месте соприкосновения поверхностей и препятствующее их относительному перемещению. Различают следующие виды трения:

• трение скольжения возникает при поступательном движении одного тела по поверхности другого;
• трение качения возникает в том случае, когда одно тело катится по поверхности другого.

В чистом виде трение качания имеет место только в том случае, если линия или точка соприкосновения трущихся тел совпадает с мгновенной осью вращения катящегося тела. Во всех остальных случаях трение качения сопровождается трением скольжения. Трение скольжения между телами, поверхности которых не подвергаются смазке, называется сухим трением, а трение между обильно и непрерывно смазываемыми телами – жидкостным трением.

В процессе сухого трения наблюдается повышенный износ, снижение КПД и нагрев тел вследствие перехода потерянной механической энергии в тепловую. В большинстве традиционных механизмов (ДВС, металлорежущих станках, зубчатых передачах и др. ) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. Так как, трение качения во много раз меньше трения скольжения, то целесообразно в качестве опор для вращающихся деталей механизмов использовать подшипники качения, которые посредством установки шариков или роликов между опорными поверхностями деталей сводят к минимуму потери на трение и повышают КПД механизма.

Величину потерь на трение качения и степень их влияния на КПД можно оценить на примере полиспаста.

Исследование канатных полиспастов

Виды полиспастов

Полиспаст представляет собой канатно-блочную систему, которая служит для выигрыша в силе или скорости. Грузоподъёмные машины (тали, лебёдки, краны) преимущественно оснащают силовыми полиспастами. Они могут быть выполнены различной конструкции: одинарными и сдвоенными. При этом на барабан наматывается соответственно одна или две ветви каната.

Основной характеристикой полиспаста является кратность. Для канатных полиспастов кратность – отношение числа ветвей каната, на которых висит груз к числу ветвей, наматываемых на барабан лебедки.

Экспериментальное исследование я проводила на примере одинарного десятикратного полиспаста.

Конструкция и принцип работы канатного силового полиспаста

Исследования проводились на базе лаборатории «Грузоподъёмные машины» кафедры ПСМ БиТТУ. Я использовала лабораторный стенд. Он состоит из рамы 1, на которой закреплены неподвижные 2 и направляющие 3 блоки. Обойма подвижных блоков 4, крюк 5 на траверсе 6 и серьга 7 составляет крюковую подвеску 8 нормального типа. Система блоков объединена канатом 9, свободные концы которого закреплены на коушах 10 и 11. Для исследования одинарного полиспаста один из коушей фиксируется соответственно на стойке 13 рамы, а второй используется для крепления подвески 14.

Расчет КПД канатного полиспаста

Экспериментальная часть работы состоит в определении КПД канатного полиспаста. Ожидаемый результат – высокий КПД. Проверим это на опыте.

При установке на подвеску 8 груза возникает наибольшая весовая нагрузка (), определяемая постоянным весом P0 =7,848 (H) подвески и переменным весом P1 груза. В состоянии покоя полиспаста кратностью Un=10 на каждую из ветвей каната приходится нагрузка

Однако, чтобы преодолеть сопротивление в полиспасте и вывести систему из равновесия, требуется приложить силу:

Она создаётся весом подвески 14 и гирей, которые я установила на ней до момента начала движения вниз. При остановке подвески 14 я снова добавляла гири до тех пор, пока она не опустилась до пола. Затем часть гирь снимала, подвеска вновь поднималась в верхнее положение. Опыты я проводила с грузами разного веса P1, а данные исследования занесла в таблицу, на их основе рассчитала КПД.

КПД канатно-блочной системы я рассчитала по формуле:

ηn= где P1 – вес груза, устанавливаемого на подвеску 8 (H);

P0 – вес грузовой подвески с учетом массы канатов (H);

P2 – вес полного груза на подвеске 14 в момент начала её движения (H);

Un – кратность полиспаста т. е отношение числа ветвей каната, на которых висит груз, к числу ветвей, к которым прикладывают силу.

[ηn]= = =1

Таким образом,

η1==0,793

η2= =0,859

η3= =0,900

Данные эксперимента хорошо согласуются с табличными значениями коэффициента полезного действия. По разным оценкам, КПД полиспаста кратностью Un=10 равен ηп=(0,870,91), а блока на подшипниках качения ηб1=0,98. Очевидно, что общий КПД η= ηп× ηб1, η=(0,850,89) и потери на трение составляют порядка 11-15%.

Но в технических устройствах не всегда полезно уменьшать трение. В ряде случаев его наоборот увеличивают. Рассмотрим это на примере колодочных тормозов.

Исследование колодочных тормозов с электрогидравлическим толкателем

Виды тормозов

Колодочные тормоза являются неотъемлемой частью складского, металлургического, подъемного и других видов промышленного оборудования, выполняющего грузоподъемные либо транспортные работы. Основное предназначение этих устройств заключается в остановке рабочих механизмов и удержании их в фиксированном положении.

По характеру действия силы, управляющей тормозом, различают:

1. Нормально-замкнутые тормоза – замыкание создаётся постоянно действующей силой (от пружины, весом специального замыкающего груза и т. п. ), а размыкание, происходящее одновременно с включением привода механизма, – при приложении силы управления тормозом (при выключении привода тормоз автоматически замыкается);

2. Нормально-разомкнутые тормоза – размыкание происходит с помощью постоянно действующей размыкающей силы, а замыкание при приложении силы управления тормозом.

Конструкция и принцип работы колодочного тормоза с электрогидравлическим толкателем

Экспериментальное исследование я проводила на стенде двухколодочного тормоза с пружинным замыкателем и приводом от электрогидравличес-кого толкателя.

Конструкция состоит из: станины 1 и шарнирно соединенных с ней стоек 2, в которых шарнирно укреплены колодки 3 с фрикционными накладками; поперечной тяги 4; углового рычага 5; гидротолкателя 6 и пружины замыкания 7. Длина ее в сжатом состоянии регулируется гайкой 8 и является определяющей силу воздействия на длинное плечо рычага 5. При обесточивании гидротолкателя 6 пружина 7 получает свободу, разжимается и поворачивает угловой рычаг против часовой стрелки. В результате левая стойка с колодкой перемещается вправо, а правая стойка 2 через тягу 4 – влево. Таким образом, стойки сближаются и фрикционные накладки колодок 3 прижимаются к шкиву 9, создавая тормозной момент от трения поверхностей.

Гидротолкатель 6 выполняют с одним или двумя штоками, которые перемещаются вверх за счет работы внутри толкателя центробежного насоса с независимым электроприводом. Включение его происходит одновременно с включением механизма, а выдвижение штока толкателя возвращает пружину 7 в сжатое состояние и поворачивает угловой рычаг 5 по часовой стрелке. Обе стойки 2 приходят в движение и вместе с колодками 3 отходят от тормозного шкива, давая ему возможность свободно вращаться.

Расчет КПД колодочного тормоза с электрогидравлическим толкателем

В результате эксперимента определяется коэффициент трения, зависящий от ряда геометрических параметров тормоза и создаваемого тормозного момента. Исследуя колодочный тормоз, я получила следующие значения и рассчитала коэффициент трения по формуле:

μ==1 где a, b, c, d – геометрические параметры рычажной системы тормоза. Изме- рила линейкой (м);

DT – диаметр тормозного шкива (м); k – жёсткость пружины (H/м);

Δ – осадка пружины как разность её длин lсв=235мм в свободном состоянии и lP – длиной пружины в сжатом (рабочем) состоянии (м). Рассчитывается по формуле:

Δ=lсв- lP

[Δ]=м – м = м

Δ1=0,235 – 0,182 = 0,053 (м)

Тормозной момент MT создавался массой грузов и рычага, который закреплялся за квадратный конец вала 10 соединённого с тормозным шкивом 9. Грузы я устанавливала на подвеску 11 до момента начала движения рычага 12 вниз.

Действительный тормозной момент MT я рассчитала по формуле:

MT=MP+9. 81×mгр×l где MP – момент, создаваемый силой тяжести рычага (H·м); mгр – масса всех грузов, установленных на подвеску (кг); l – длина рычага (м).

[MT]= H×м +1×кг×м= H·м

Таким образом,

M=10+9. 81×15 ×1 =157,15 (H·м)

Во втором опыте я уменьшила рабочую длину пружины и увеличила массу грузов, установленных на подвеску.

Δ2=0,235 – 0,180 = 0,055 (м)

M=10+9. 81×15,207×1=159,18 (H·м)

Данные, полученные мной в результате исследования колодочного тормоза, я занесла в таблицу.

Проведённые опыты подтверждают, что коэффициент трения колодки по тормозному шкиву является значительным по величине. Он может быть увеличен до μ =(0,350,42) за счёт применения специальных фрикционных материалов, таких как ЭМ-1 и ЭМ-2 по ГОСТ 15960-79 (лента тормозная вальцованная ГОСТ 15960-79 марки ЭМ-1 и ЭМ-2 это эластичный материал, который применяется в механизмах сухого трения при t до 200 С° и в тормозных фрикционных узлах машин), либо изготовления накладок из вальцованной ленты типа 8-45-63. Положительным результатом применения фрикционных материалов является получение большего тормозного момента, и как следствие, уменьшение размеров тормоза и мощности его размыкающего устройства.

Подводя итоги своей статьи, я пришла к выводу:

1. Взаимодействие между телами, находящимися в движении или состоянии покоя, приводит к возникновению сил трения. При недостаточном смазывании контактирующих поверхностей увеличивается их износ, наблюдается снижение КПД и нагрев тел. В большинстве механизмов трение уменьшают посредством применения подшипников качения и различных видов смазок.

2. Трение качения существенно меньше зависит от смазки. Условный коэффициент трения качения близок к коэффициенту жидкостного трения в подшипниках скольжения и составляет порядка 0,0015-0,006. Несмотря на это, потери на трение во многих механизмах остаются значительными. Для канатного полиспаста кратностью Un=10 мною экспериментально определён КПД системы η=(0,790,90).

3. В тормозных устройствах трение увеличивают с целью получения большего тормозного момента, уменьшения размеров тормоза и мощности его размыкающего устройства. Моё исследование нормально-замкнутого двухколодочного тормоза показало, что коэффициент трения колодки по шкиву составляет 0,261-0,268 и может быть увеличен в 1,5 раза за счёт применения специальных фрикционных материалов.

Закономерным является значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к явлению трения. В современных микроэлектромеханических и наноэлектромеханических системах величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной (μ≥1), и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок. Была создана технология эпиламирования, суть которой заключается в создании многофункциональных наноразмерных мономолекулярных плёнок на поверхностях, требующих улучшения антифрикционных, гидрофобных, бактерицидных и др. свойств для улучшения стойкости, надёжности и долговечности работы узлов и агрегатов всевозможного оборудования, режущего инструмента, элементов механизмов, технологической оснастки и т. д. Основой структуры всех эпиламирующих композиций являются фторсодержащие поверхностно-активные вещества, которые представляют собой фторполимеры, не имеющие аналогов в природе и синтезируемые искусственным путём.

Наука не стоит на месте. Исследования в области трения продолжаются.