Осипова Е.В., Свидан Н.И. “Пути увеличения надежности ходовых колес мостовых кранов”

Осипова Е.В., Свидан Н.И. “Пути увеличения надежности ходовых колес мостовых кранов”

Осипова Елена Вячеславовна, ведущий конструктор НПАО «НПХ Рокада»

Свидан Николай Иванович, зам. генерального директора по науке НПАО «НПХ Рокада»

Пути увеличения надежности ходовых колес мостовых кранов

Краны мостового типа находят широкое применение для подъема и перемещения грузов на предприятиях металлургических предприятиях, машиностроительных заводах, складах, электростанциях, заводах железобетонных конструкций и других производственных объектах.

От других типов грузоподъемных кранов они отличаются более высокой надежностью, большим сроком службы и меньшей интенсивностью отказов. Однако в процессе эксплуатации и таких кранов возникают неисправности и повреждения их механизмов и металлоконструкций.

До настоящего времени на ряде промышленных предприятий находятся в эксплуатации грузоподъемные краны, изготовленные в 50-70-х годах прошлого века, по нормативным документам того времени, имеющие определенные конструктивные недостатки и не оснащенные надежными устройствами и приборами безопасности. Такие краны требуют повышенного внимания при их эксплуатации.

Как можно увеличить их надежность и снизить аварийность? Каковы основные причины выхода из строя мостовых кранов?

Причины аварий мостовых кранов могут быть разнообразными и детальное их рассмотрение может стать основой объемной монографии, мы остановимся на одной из них – рассмотрим характерные неисправности основных групп ходовых колес. Каковы причины выхода их из строя, как можно оптимизировать их эксплуатацию?

КОНСТРУКЦИЯ ХОДОВЫХ КОЛЕС

«Колеса должны изготовляться двух типов: К2Р – двухребордные; К1P – одноребордные.»[1]

В ходовых устройствах кранов, как правило, применяются двухребордные колеса, свободно вращающиеся на оси или вместе с осью. Применение безребордных ходовых колес на мостовых кранах допускается при наличии устройств, исключающих сход колес с рельсов.

Применение одноребордных ходовых колес допускается при ширине колеи пути наземных кранов, кроме башенных, не более 4 м с учетом, что обе нитки пути лежат на одном уровне и краны передвигаются каждой стороной по двум рельсам. Необходимо соблюдать условие, чтобы расположение реборд колес на одном рельсе было противоположным расположению их на другом рельсе.

При одноребордных колесах у опорных кранов ширина обода за вычетом реборды должна превышать ширину головки рельса не менее чем на 30 мм.

ИЗНОС ХОДОВЫХ КОЛЕС КРАНОВ

Крановая система колесо – рельс является неоднородной системой, т.к. при взаимодействии колеса и рельса имеют место не геометрические условия связи, а изменяющиеся во времени силы трения. Трение прокатывания состоит из трения качения с наложением трения скольжения; в зоне контакта прокатывающихся тел возникают сменяющие друг друга зоны сцепления и зоны скольжения и результирующие из этого упругое проскальзывание и упругое пробуксовывание. Подобные закономерности имеют место для относительных движений прокатывающихся тел в направлении, поперечном к направлению качения.

Наиболее характерными причинами износ ходового колеса крана являются интенсивные повторно-кратковременные режимы работы самого крана. Наличие упругих механических связей, зазоров и несовершенство применяемых систем электроприводов, приводит к преждевременному выходу из строя элементов крановой системы: усталостным разрушениям концевых балок крана, разрушениям валов механизма, повышенному износу ходовых колес, расшатыванию и износу рельсов.

Среди всех причин ранних отказов работы мостовых кранов наиболее остро стоит проблема малого срока службы крановых колес. Разрушение колес происходит в основном вследствие интенсивного износа их реборд из-за постоянных соударений и контакта с рельсами подкранового пути. Наиболее интенсивно краны эксплуатируются на металлургических заводах, по данным этих предприятий, в среднем замена всех колес крана происходит в течение года, а подкрановые пути в пролете цеха меняются с интервалом в два – три года в зависимости от интенсивности работы мостовых кранов.

В реальных системах качения, вследствие структурных деформаций, различий в шероховатости возникают неоднородные анизотропные зоны контактов поверхностей. Появляются пластичные деформации, между телами качения находятся промежуточные вещественные включения в форме адсорбционных слоев, частиц износа, загрязнения, влаги и т.п. Для отношения между относительным движением и горизонтальной силой, т.е. для закона замыкания сил, ввиду сложности этих влияющих воздействий, до сих пор не могут быть найдены достаточно достоверные, физически обоснованные математические подходы.

На мостовой кран, действуют внешние и, передаваемые через силовое замыкание силы, которые являются следствием, прежде всего, воздействия:

-        ускорения и замедления перемещений крановых тележек и крановых мостов;

-        раскачивания груза как при горизонтальном так и при вертикальном перемещении;

-        скручивания при разворотах;

-        ветрового воздействия.

Внутренние силы – следствие перекоса крана во время его движения.. Первой предпосылкой (причиной) появления перекоса являются различия между вертикальными силами и, как следствие, между сопротивлениями движению ходовых колес, следствием которых, в свою очередь, становятся разные моменты моторов и разные числа оборотов моторов. Это приводит к ограниченному элементами системы ориентации направления движения крана опережению одной несущей концевой балки по отношению к другой и тем самым к возникновению горизонтальных сил и деформаций несущей конструкции крана.

Второй причиной возникновения перекоса являются погрешности в виде колебаний, определяющих направление движения крана   параметров   ходового   механизма   в   рамках   полей   допуска   и   износа.

Рабочее состояние ходовых колес кранов характеризуются большими величинами сил, воздействующих  на  них,  меньшими  скоростями,  в  связи  с  усложнением  обеспечения прямолинейного  перемещения  вдоль  пути  ходового  перемещения.  Имеет  место высокий износ пары тел качения ходовое колесо – рельс.

В технических нормах расчета ходовых колес и рельсов для подъемно-транспортных машин нет возможности  определить правильно нагрузки, действующей в этой кинематической паре. Это и является основной причиной неудовлетворительных эксплуатационных качеств многих ходовых механизмов подъемных машин.

Самыми серьезными недостатками являются то, что:

-        параметры ходовых колес определяются в соответствии с нагрузками, которые действуют   на   поверхность   качения,   хотя   в   большинстве   случаев   их службы ограничивает износ   реборд;

-        не принимаются в расчет горизонтальные силыц, которые передаются в плоскости контакта посредством трения;

-        не рассматривается совсем или рассматривается неверно воздействие пластической деформации на изменение геометрических параметров и свойств пары;

-        в практическом применении и далее остаются далеко не лучшие конструкции.

Состояние ходового колеса или рельса определяется их износом. На ребордах   ходовых   колес   износ   характеризуется   удалением   слоя   материала.   Но упоминания, что в ребордах ходовых колес имеет место появления наклепа материала, вызванного пластической деформацией – в эксплуатационной документации обычно нет. Степень и серьезность такого износа зависит от твердости и структуры материала. При очень высоких нагрузках и невысокой твердости износ может привести к задиранию материалов поверхности.

Высокая степень нагруженности зоны контакта плоскости качения  приводит к образованию зоны воздействия нормальных сил. Если  ходовые  колеса  термически  не обработаны,  то  пластическая  деформация  будет действовать еще глубже. Повышения твердости материалов от 30 до 50 % приведет к повышению несущей способности поверхности качения. Если плоскости качения закалены на достаточную глубину, то при правильном выборе параметров, напряжения не превышают предела упругости материала. Если же глубина закалки оказывается недостаточной, то под закаленным слоем материалов во внутренних слоях обода ходового колеса появляются пластические деформации. Это приводит к значительному выкрашиванию материала в плоскости качения.

Износ пары рельс-колесо происходит при поперечном скольжения крана, а продольное качение приводит к интенсивному износу только в режимах пробуксовки или юза, причем  износ колес и рельсов от действия ударных нагрузок наиболее интенсивен.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ХОДОВЫХ КОЛЕС

Перекос ходовых колес крана является главной причиной преждевременного износа и разрушения подкранового пути. Этот недостаток часто наблюдается как на новых кранах, так и на кранах, прошедших ремонт.

«6. УКАЗАНИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ

6.1. При установке колес на краны и механизмы должны быть обеспечены точность и взаимное расположение в соответствии с техническими условиями на изготовление кранов и механизмов.

6.2. Эксплуатация колес допускается при износе их реборд не более 50 % первоначальной толщины и (или) поверхности катания не более 1,15 % первоначального диаметра D.

Периодичность проверки износа колес устанавливают в эксплуатационных документах на краны и механизмы.» [1]

При эксплуатации ходовых колес кранов необходимо своевременно осматривать и заменять изношенные детали. При осмотрах ходовых колес проверяют: наличие смазки в подшипниках, состояние крепления букс и зубчатых венцов, износ реборд и поверхности катания, а также отсутствие трещин в теле колеса. При обнаружении повышенного износа поверхности катания колеса, который допускается не более 20% первоначальной толщины обода, а также трещин, ходовые колеса меняют. Замену ходовых колес производят при общем износе реборд на 50% их первоначальной толщины, а также, при наличии отогнутых, или частично обломанных реборд.

Необходимо систематически проверять равномерность износа ходовых ведущих колес. Разность диаметров окружностей катания спаренных ведущих ходовых колес (сидящих на одном валу или связанных системой зубчатых передач) должны быть не более 0,001 их диаметра. При больших разностях в размерах диаметров колес одна сторона крана забегает, что ведет к перекосу моста, и кран может сойти с рельсов кранового пути.

Основной причиной выхода из строя ходовых колес  является износ реборд при перекосе крана относительно рельсов кранового пути из-за неправильной установки колес относительно моста. Иногда наблюдается сход колес тележки и моста с рельсов из-за попадания под них посторонних предметов. При сужении (уширении) колеи подтележных рельсов происходит заклинивание тележки при движении ее на мосту крана. Отрицательно сказывается на работоспособности ходовых колес пробуксовка, которая возникает при установке на механизме передвижения двигателя завышенной мощности (это обстоятельство является причиной повышения уровня динамических нагрузок на механизм передвижения и на кран в целом).

Причинами выработки рабочих поверхностей катания ходовых колес являются:

-        различие диаметров колес, приводимых в движение от одного двигателя (в результате чего происходят пробуксовывание и повышенный износ);

-        применение литых колес вместо штампованных;

-        отсутствие или некачественное выполнение термообработки колес.

Выработка реборд ходовых колес объясняется неточностью укладки кранового пути, наличием поперечного уклона и больших отклонений ширины колеи от номинальных размеров, а также непараллельностью осей колес. При поперечном уклоне пути кран под действием собственной силы тяжести стремится сдвинуться в сторону уклона. При этом реборды постоянно прижаты к рельсам, что приводит к быстрому износу реборд. То же самое происходит и при отклонении по ширине колеи и непараллельности осей колес, когда при движении крана колеса постоянно прижимаются к рельсам то одной, то другой ребордой.

ПЛАНОВЫЙ РЕМОНТ И ЗАМЕНА

Ходовые колеса. Их ремонт имеет целью восстановление размеров изношенных поверхностей катания и реборд.

Колёса рассматриваются как запасные части к кранам. Рельсовый путь является более дорогостоящим сооружением, а требования к рельсам более жесткие, то колесо должно иметь более низкие служебные свойства, т.е. изготавливаться из более дешевых марок стали. Износ ходовых колес происходит как на рабочей поверхности катания, так и у реборд. Если одновременная выработка ведущих колес превышает 3 – 4% от диаметра (для крана КБ-100.2 допускаемая величина выработки составляет 20 мм при диаметре колеса 500 мм) или толщина реборд вследствие износа стала меньше 15 мм, колеса сдают в ремонт или заменяют.

Причинами увеличенной интенсивности выработки рабочих поверхностей катания ходовых колес являются различные диаметры колес крана, приводимых от одного двигателя, в результате чего происходит пробуксовывание и повышенный износ применение литых колес вместо штампованных отсутствие или неправильное выполнение термообработки. Выработка реборд ходовых колес объясняется неточностью укладки кранового пути наличием поперечного уклона и больших отклонений ширины колеи от номинальных размеров, а также непараллельностью осей колес.

При сильном износе поверхности катания ходовых колес применяется следующий способ ремонта:

Обод колеса целиком срезают. На это место напрессовывают и приваривают новый бандаж. После этого обтачивают обод до требуемого диаметра. Ходовые колеса с трещинами заменяют новыми. Разрешается заваривать лишь несквозные трещины, так же как при ремонте зубчатых колес.

Износ ходовых колес происходит как на рабочей поверхности катания, так и у реборд. Если одновременная выработка ведущих колес превышает 3 – 4% от диаметра (например, для крана КБ-100.2 допускаемая величина выработки составляет 20 мм при диаметре колеса 500 мм) или толщина реборд вследствие износа стала меньше 15 мм, колеса сдают в ремонт или заменяют.

В России колёса изготавливают из «стали марки 2 по ГОСТ 10791, а применяемых в механизмах групп режима работы 1М – 3М по ГОСТ 25835, из других марок сталей с механическими характеристиками не ниже чем стали марки 45 по ГОСТ 1050. Допуски, припуски и кузнечные напуски для штампованных колес по ГОСТ 7505, припуски и допуски на кованые колеса – по II группе ГОСТ 7062. Твердость поверхности катания и реборд, изготовленных из сталей марок 75 и 65Г, должна быть от 320 до 390 НВ». [1]

За рубежом крановые колёса изготавливают из отливок высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с эффектом самосмазки или из легированной стали. Например, во Франции колёса изготавливают из стали 35С14 следующего химического состава: С-0,3…0,4, Мn-0,4, Si-0,35, Ni-3,2…3,7, Cr-1,2…1,5, Мо-0,2…0,3 с уровнем твёрдости 450…500 НВ. Т.е. ходимость колёс пытаются увеличить за счёт применения высококачественных материалов.

Отечественные предприятия пытаются ремонтировать крановые колеса. Стоимость восстановления колеса составляет до половины: стоимости нового изделия. Например, для колеса диаметром около 800 мм ремонт одной реборды составит 20%  стоимости нового изделия, а поверхности катания до 50%. При этом, реборды могут подвергаются ремонту наплавкой до 4 раз, а поверхности катания только дважды (ограничивается появлением циклических трещин в металле). Не смотря на то, что ремонт деталей методом автоматической наплавки под слоем флюса является весьма совершенным технологическим процессом, он применим только для цилиндрических поверхностей и плоскостей ходовых колес кранов.

Устранение явлений перекоса крана – более сложная операция, так как он может вызываться несколькими причинами. Первая из них – это установка разных по диаметру ведущих ходовых колес, в результате чего при одинаковых числах оборотов колес создаются разные перемещения сторон крана. Величина перекоса крана, в этом случае, будет зависеть от длины пути перемещении крана.

ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ КОЛЕС

Первый путь это снижение износа за счёт самоустановки по оси и поглощения динамических нагрузок, соответственно в разы снижающих расходы на эксплуатацию и ремонт кранов.

Второй путь – увеличение износостойкости самой пары рельс-колесо.

Есть много методов увеличения срока службы крановых колес: это использование специальных способов термической обработки, автоматическое смазывание реборд колес, использование катанной заготовки колес и т.д. Однако все эти способы противодействуют следствию (истирание реборды), но не устраняют причину, – поперечное смещение колес относительно рельсов при движении крана.

Этого недостатка лишен и третий пути – разработки системы управления электроприводами, обеспечивающей бесперекосное передвижение мостового крана путём регулирования скорости электродвигателей механизма передвижения.

При движении мостового крана практически всегда происходит его поперечное смещение и поворот относительно подкранового пути. Движения эти ограничиваются ребордами ходовых колес. Постоянные соударения и контакты реборд колес с рельсами вызывает их интенсивный износ и, как следствие, преждевременный выход из строя элементов ходовой части мостового крана.

Идея этого метода – это снижении динамических нагрузок на механическую систему передвижения мостовых кранов с помощью автоматической системы управления обеспечивающей бесперекосное передвижение мостового крана путём регулирования скорости электродвигателей механизма передвижения в функции поперечного смещения ходовых колес.

На отечественных мостовых кранах в основном используются асинхронные двигатели с фазным ротором, соответственно можно провести модернизацию системы двухдвигательного электропривода с внедрением вентильных блоков синхронизации, предложенную профессором В.Н. Тищенко, роторы приводных двигателей в которой соединены на общее пускорегулирующее сопротивление через выпрямители. В такой схеме условием одновременной работы обоих выпрямительных мостов на общую нагрузку, то есть, когда они проводят ток, является равенство напряжений на выходе каждого из них, что тем самым, обеспечивает взаимное регулирование скоростей.

Для осуществления плавного регулирования скорости в двухдвигательном привода с вентильными блоками синхронизации необходимо лишь заменить трехфазный диодный мост на тиристорный. Отличительная особенность такой схемы заключается в необходимости синхронизации импульсно-фазового управления с частотой роторного напряжения, а все остальное остается так же, как и в обычных системах. Такая доработка позволит снизить износ на искривлениях рельсовых путей, но не защитит колесо от хаотичных нагрузок, возникающих при работе крана. Как скомпенсировать нерегулярные воздействия?

Здесь, как часто это бывает, немецкий производитель оказался «впереди планеты всей». Компания Siemens уже реализовала данный способ на практике предложив потребителю «Систему управления перекосом мостовых кранов». Задача этой системы заключается в выравнивании крана по центральной линии, создавая разные крутящие моменты приводных колес таким образом, чтобы сохранить кран в среднем положении.

Для этого используются бесконтактные датчики, установленные на одной из двух главных балок для измерения поперечного смещения между колесом и рельсом. Считывая данные с датчиков и сигналы перемещения, контроллер вычисляет заданное значение скорости для приводов колес крана. Если кран смещается в одну из сторон, то контроллер, управляя приводами, компенсирует это движение. Если он центрирован, то кран перемещается по прямой. Связь с контроллером крана осуществляется либо с помощью цифровых и аналоговых входов и выходов, либо по интерфейсу PROFIBUS-DP. Используемые бесконтактные датчики могут быть использованы при температуре от -25 °C до 70 °C, контроллер системы может работать в диапазоне температур от 0 °C до 50 °C.

При штатных нагрузках система гарантирует, что кран перемещается вдоль средней линии в коридоре ± 5 мм, поэтому реборды колес практически не входят в контакт с рельсом. Программа контроллера системы может быть адаптирована к конкретным условиям посредством специального программного обеспечения при вводе в эксплуатацию. Имеется система удаленной диагностики и самодиагностики. Для управления приводами перемещения крана используется аналоговый канал.

Несмотря на актуальность первых двух направлений, очевидно, что по мере развития и совершенствования средств автоматизации распространение и эффективность третьего способа будет расти. Интеллектуальные приводы машин будут вытеснять из цехов и производственных площадок устаревшее оборудование, актуальность вопроса замены колес постепенно будет уменьшаться, а вот актуальность подготовки технических специалистов для промышленности будет расти.

Литература:

  1. ГОСТ 28648-90. Межгосударственный стандарт. «Колеса крановые, технические условия».  Дата введения 01.07.1991г.
  • обучение
  • вступление
    в cpo
  • подготовка
  • сертификация
обучение
вступление в cpo
аттестация
сертификация
img img img
Напишите
нам в WhatsApp