Червяк и червячно колело за задвижвания на мостови кранове и телфери

Защо крановете зависят от самозаключващите се червячни предавки

Всеки мостов кран, портален кран, стрелов кран и преносим телфер, който повдига товар над нивото на земята, споделя едно неотменимо изискване за безопасност: товарът не трябва да падне, ако се загуби задвижваща мощност. Това изискване е определяло избора на задвижване на кран-телфер в продължение на повече от век, а червячната зъбна предавка остава доминиращото решение, защото осигурява механично самозаключване като присъщо геометрично свойство, а не като допълнителен компонент.

Физиката е директна: окачен товар прилага постоянен гравитационен въртящ момент към вала на барабана на подемника. Ако зъбната двойка между двигателя и барабана позволява обратно въртене (обратно задвижване), товарът ускорява надолу. Едноходова червячна зъбна двойка с ъгъл на водене под ъгъла на триене физически не може да се върти назад — триенето в контакта на зъбите надвишава движещия компонент на гравитационната сила и системата се блокира.

Тази геометрична ключалка е независима от електрическото захранване, състоянието на системата за управление или състоянието на спирачката. Тя функционира дори когато всяка друга система за безопасност е отказала – ето защо стандартите за кранове (EN 13001, ISO 4301, правила на FEM) я третират като основен задържащ механизъм и изискват отделна механична спирачка само като резерва.

Спиралните зъбни колела предлагат ефективност над 95 процента, но не могат да се самоблокират — всеки телфер със спирална предавка зависи изцяло от електрически освобождаваща се спирачка като единствен задържащ механизъм. Планетарните колела също не се блокират. Червячната предавка с ефективност 40-55 процента е най-неефективният вариант, но е единственият, при който самата геометрия предотвратява падането на товара. За приложения с кранове това свойство за безопасност надвишава риска от загуба на ефективност, тъй като последствията от повреда (падане на товар, потенциален фатален изход) са по-големи от всички разходи за енергия.

Група за работа по FEM — съпоставяне на използването на крана със спецификацията на червячна зъбна двойка

Системата за класификация на Европейската федерация по поддръжка (FEM), възприета в ISO 4301, разделя крановете на групи за работа въз основа на два фактора: общия брой работни цикли през проектния живот на крана и спектъра на натоварване (каква част от повдиганията са на или близо до безопасното работно натоварване спрямо леките товари). Групата за работа определя директно коефициента на експлоатация, класа на материала и графика за инспекции на червячната зъбна предавка на телфера.

Таблицата по-долу съпоставя групите задачи по метода на крайните елементи (FEM) с параметрите на спецификацията на червячната зъбна двойка. Това е инструментът за избор, който свързва приложението на крана с реда на зъбните двойки.

Преходът от група 1Bm към 5m удвоява коефициента на експлоатация (от 1,5 до 3,0), преминава от гравитационно лят към центробежно лят бронз, измества червяка от цементирана към закалена стомана и компресира интервала на инспекция от годишен на месечен. Всяка стъпка отразява реално увеличение на кумулативното натоварване от умора: 5-метров кран за скрап изпитва повече цикли на натоварване за един месец, отколкото 1Bm кран за работилница за една година. Червячната предавка за всяка от тях трябва да бъде пропорционално строга.

Най-често срещаната грешка в спецификацията при обществените поръчки на кранове е прилагането на коефициент на обслужване за лек режим на работа към кран със среден или тежък режим на работа. Фабричен кран, който работи на две смени на ден с чести повдигания, близки до SWL, не е кран с 1Am - той е поне 2 м, евентуално 3 м. Подценяването на групата на работа с една или две стъпки означава, че двойката червячни зъбни колела е оразмерена с 25 до 50 процента под действителното изискване за умора на товара. Двойката преминава лесно тестовете за въвеждане в експлоатация (новите двойки винаги имат резерв), но развива ускорено износване след 18 до 36 месеца, тъй като кумулативните повреди от умора настигат подоразмеряваната спецификация.

Шок при аварийно спиране - преходният процес, който често определя размера

Стационарният повдигащ момент не е най-лошият случай за червячна зъбна предавка на кран. Най-лошият случай е аварийното спиране: кранът спуска товар с пълна скорост, операторът натиска бутона за аварийно спиране, спирачката на двигателя се задейства и въртящата се маса на барабана на телфера, съединителя и червячния вал намалява скоростта от пълна скорост до нула за 0,5 до 1,5 секунди.

Скокът на въртящия момент по време на това забавяне се изчислява от ротационната инерция и скоростта на забавяне: T_shock = J_total × (ω / t_stop) + T_gravity, където J_total е моментът на инерция на всички въртящи се части, ω е ъгловата скорост в момента на спиране, t_stop е времето за спиране, а T_gravity е постоянният гравитационен въртящ момент от окачения товар. За типичните задвижвания на подемници на мостови кранове, коефициентът на удар при аварийно спиране е от 2,5 до 3,0 пъти по-голям от стационарния въртящ момент на повдигане.

Разработен пример. 10-тонен мостов кран, диаметър на барабана 400 мм, предавателно число на червячната предавка 50:1, КПД 45 процента. T_повдигане = (10 000 × 9,81 × 0,4) / (2 × 50 × 0,45) = 871 N·m. Коефициент на аварийно спиране K_e = 2,5. T_шок = 871 × 2,5 = 2 178 N·m. FEM група 3m, SF = 2,25. T_необходима = 2 178 × 2,25 = 4 900 N·m. Червячната предавка трябва да е с номинален въртящ момент над 4 900 N·m — приблизително 5,6 пъти по-голям от установения въртящ момент на повдигане от 871 N·m. Определянето само въз основа на въртящия момент в стационарно състояние (избирайки двойка с номинален въртящ момент, да речем, 1200 N·m) би довело до 408 процента от номиналния ѝ капацитет по време на всяко събитие за аварийно спиране. Двойката би оцеляла при първите няколко събития, но би развила пукнатини в основата на зъба в рамките на 2 до 4 години при тежка експлоатация.

Материал и термична обработка за червячни зъбни колела за кранови подемници

Работата с кран се различава от работата с конвейер или опаковане по едно важно отношение: ударът при аварийно спиране натоварва основата на зъба при огъване с импулсна величина, която натрупва повреди от умора 5 до 10 пъти по-бързо от постоянното натоварване със същия среден въртящ момент. Изборът на материал трябва да даде приоритет на устойчивостта на удар и издръжливостта на умора пред статичната товароносимост.

Спецификации на двойки червячни зъбни колела с три кранови подемници

Трите случая по-долу обхващат диапазона на работа по FEM - от умерен фабричен кран до екстремен пристанищен портал. Всеки случай показва как класификацията на групата работа по FEM влияе върху всеки параметър на спецификацията - от коефициента на експлоатация и материала до интервала на инспекция и планирането на подмяната.

Спецификациите са реални, числата са представителни за действителните поръчки, а поуките са приложими на всички пазари за производство и поддръжка на кранове в Корея, Япония и Югоизточна Азия.

Случай 1 — Корейски автомобилен завод: 8-тонен мостов кран, FEM 3 м

Корейски завод за щамповане на автомобили е определил червячни зъбни колела за четири 8-тонни двугредови мостови крана, използвани за смяна на матрици. Работен цикъл: от 15 до 20 повдигания на смяна, две смени на ден, 300 работни дни годишно. Повечето повдигания са при 60 до 80 процента от SWL (щанцовите матрици тежат от 5 до 6,5 тона). Класификация по FEM: 3 м (тежък) въз основа на годишни работни часове приблизително 2500 и спектър на натоварване, концентриран над 60 процента SWL. Диаметър на барабана на повдигача 350 мм, съотношение 50:1, ефективност на червячната двойка 44 процента. T_повдигане = (8000 × 9,81 × 0,35) / (2 × 50 × 0,44) = 624 N·m. Коефициент на аварийно спиране K_e = 2,5. T_шок = 1560 N·m. SF (FEM 3m) = 2,25. T_необходим = 3 510 N·m. Спецификация: едноходов, модул 6, междуосово разстояние 160 мм, номинален 3 800 N·m. Материал: закалено червячно колело 16MnCr5 с шлифовка Ra 0,4 µm, отлято чрез центробежно лято колело CuSn12Ni. Отделна пружинно задействана електромагнитна спирачка на високоскоростния входен вал. Инспекция: измерване на хлабината на всеки 6 месеца и проверка на контактната схема. Достигнат експлоатационен живот: среден живот на колелото 6,5 години при работа на 2 смени, надвишаващ 5-годишния бюджет. Червяк, издържащ две смени на колелото.

Случай 2 — Японски пристанищен контейнерооборотен товарач: 40-тонен портален мост, FEM 4 м, морска корозия

Японски пристанищни власти са определили червячни зъбни колела за два 40-тонни контейнерни портални крана, работещи в крайбрежна среда с директно излагане на солен спрей. Класификация по FEM: 4 м (много тежък) — 18 часа работа на ден, 350 дни в годината, почти всички повдигания при 80 до 100 процента SWL (натоварени 20-футови контейнери тежат от 24 до 30 тона). Диаметър на повдигателния барабан 600 мм, предавателно число 60:1, ефективност на червячната зъбна колела 42 процента. T_lift = (40 000 × 9,81 × 0,6) / (2 × 60 × 0,42) = 4 672 N·m. K_e = 3,0 (силно динамично спиране при стифиране на контейнери). T_shock = 14 016 N·m. SF (FEM 4 м) = 2,5. T_required = 35 040 N·m. Това далеч надвишава възможностите на един чифт зъбни колела — решено чрез двойна червячна зъбна предавка (две двойки споделят товара чрез обща изходна зъбна предавка, като всяка двойка носи половината от въртящия момент от 17 520 N·m). Всяка двойка: модул 10, междуосово разстояние 250 mm, номинален въртящ момент 18 000 N·m. Материал: поцинкован, закален червяк (защита от солен спрей съгласно ISO 12944 C4), колело от алуминиев бронз CuAl10Fe5Ni5 (нулев риск от обезцинковане). Всички крепежни елементи са от неръждаема стомана A4. Инспекция: тримесечно измерване на хлабината, месечна визуална проверка на уплътнението, годишна проверка на контактната схема. Разгледайте тежкотоварен червячен редуктор опции, които включват защита от корозия за морски приложения в пристанищни и крайбрежни кранове.

Случай 3 — Виетнамски строителен обект: 6-тонен кулокран, FEM 2 м, оптимизиран по отношение на разходите

Виетнамски производител на строителна техника е определил червячни зъбни колела за автопарк от 30 кулокрана с товароносимост 6 тона за строителство на жилищни сгради. Класификация по FEM: 2 м (умерено) — 8 до 10 повдигания на час по време на активно строителство, но само 200 до 250 работни дни годишно, като повечето повдигания са доста под товароносимостта (бетонни кофи с товароносимост 2 до 3 тона, снопове арматурно желязо с товароносимост 1 до 2 тона, рядко се извършват повдигания с пълна товароносимост). T_повдигане при товароносимост: (6000 × 9,81 × 0,30) / (2 × 40 × 0,46) = 480 N·m. K_e = 2,5. T_шок = 1200 N·m. SF (FEM 2 м) = 2,0. T_необходима = 2400 N·m. Спецификация: едноходов, модул 5, междуосово разстояние 125 мм, номинално 2600 N·m. Материал: стандартен цементиран червяк 16MnCr5, лято чрез гравитация колело от CuSn12Ni (оптимизирано по отношение на разходите — не се изисква центробежно лято при работна дължина 2 м). Цена на чифт: 380 щатски долара. За автопарк от 30 крана, икономията спрямо спецификацията за центробежно лято (прогнозирани 580 щатски долара на чифт) беше 6000 щатски долара — което е съществено за ценово чувствителен строителен пазар. Инспекция: годишна, съобразена с годишното сертифициране на крана. Целев експлоатационен живот: 4 години на колело (съответстващо на типичния 4-годишен цикъл на наем на крана). Постигнато: 4,2 години средно за автопарка, което е постигнато с лека разлика.

Често задавани въпроси

Червячните зъбни колела на крана и телфера работят при най-строгата рамка за безопасност от всички индустриални приложения за зъбни колела. Класификацията на FEM за групите работни условия свързва действителния експлоатационен живот на крана - неговите работни часове, спектър на натоварване и брой цикли - с коефициента на експлоатация, класа на материала и интервала за проверка на червячната зъбна колела. Коефициентът на удар при аварийно спиране (2,5 до 3,0 пъти установения въртящ момент) често е обвързващото ограничение, което определя минималния размер на рамката - и посочването само от установения въртящ момент на повдигане подценява двойката с коефициент от 4 до 6. Изборът на материал следва групата работни условия: гравитационно лят бронз за лек режим на работа, центробежно лят за тежък режим на работа, алуминиев бронз за морска среда. Честотата на проверките се свива от годишна на месечна с увеличаване на групата работни условия. Единното универсално правило за всички групи работни условия е, че червячните зъбни колела на кран-телфера трябва да бъдат едноходови, силно самозаключващи се и подкрепени от отделна механична спирачка - само геометричното самозаключване е необходимо, спирачката осигурява резервирането, което изискват правилата за безопасност.

За производители на кранове и екипи по поддръжка, които специфицират червячни зъбни колела за подемници, нашият инженерен екип проверява класификацията на групата за работа по FEM и извършва изчисление на удара при аварийно спиране спрямо параметрите на вашия кран. Стандартен каталог комплекти червячни зъбни колела от фосфорен бронз покриват междуосови разстояния от 80 до 250 мм в конфигурации с единично стартиране с пълна документация за проверка по DIN 3974. Предлагат се персонализирани двойки материали (алуминиев бронз, неръждаема стомана, закалена стомана) и нестандартни резервни двойки с срок на изпълнение от 4 до 6 седмици — подайте заявка Спецификация на задвижването на подемника на крана с вашия SWL, диаметър на барабана и FEM групова класификация.

редактирано от cxm