Поворот с электроприводом и свободный поворот — два режима работы, которые не требуются ни одному другому крану.
В отличие от всех других применений поворотного привода, где привод либо вращает конструкцию, либо удерживает ее в неподвижном состоянии, в башенном кране планетарный редуктор поворотного привода Необходимо предусмотреть третий режим: свободное вращение (также называемое ветроуправлением). Когда кран не используется, тормоз вращения отпускается, и стрела свободно вращается под действием ветра, выравниваясь по направлению ветра, как флюгер, чтобы минимизировать ветровую нагрузку на башню.
Двигатель приводит в движение шестерню, воздействуя на зубчатое колесо поворотного механизма, для вращения стрелы. Скорость: от 0 до 0,7 об/мин. Крутящий момент: от 15 000 до 80 000 Нм на выходе шестерни. Оператор пропорционально регулирует скорость с помощью джойстика в кабине. При отключении двигателя поворотный тормоз удерживает стрелу в текущем положении, противодействуя ветровым нагрузкам от 30 000 до 80 000 Н на высоте стрелы.
Тормоз поворота отпускается, и стрела свободно вращается под действием ветра. Шестерня остается в зацеплении с зубчатым колесом, но не приводится в движение — она приводится в движение вращением стрелы, а двигатель работает в режиме свободного хода. Привод поворота должен иметь достаточно низкое трение в направлении обратного вращения, чтобы стрела могла свободно поворачиваться при ветре всего 15–20 км/ч — это требование к минимальному трению, которое противоречит требованию высокого удерживающего момента в режиме работы с двигателем.
Свободное вращение стрелы — это не удобство, а требование к прочности конструкции. Стрела башенного крана на высоте 200 метров при штормовом ветре скоростью 100 км/ч испытывает боковую силу от 30 000 до 80 000 Н. Если стрела зафиксирована перпендикулярно ветру, эта сила действует на всю площадь проекции стрелы и создает изгибающий момент, который может превысить несущую способность башни, что увеличивает риск ее обрушения. Если стрела может свободно вращаться по ветру, она выравнивается по направлению ветра, уменьшая площадь проекции на поперечное сечение стрелы (от 5 до 101 тонны на дюйм от площади боковой поверхности) и уменьшая ветровой момент на 90–951 тонну на дюйм.
Таким образом, привод поворота должен удовлетворять двум противоречивым требованиям: высокому трению для поворота с помощью электропривода (для удержания стрелы при рабочих ветровых нагрузках) и низкому трению для свободного поворота (для обеспечения возможности поворота стрелы в сторону ветра при слабом ветре). Инженерное решение — двухступенчатый тормоз: подпружиненный рабочий тормоз, обеспечивающий высокий удерживающий момент во время работы с электроприводом, и механический механизм разблокировки, полностью отключающий тормоз в режиме свободного поворота. Сам планетарный редуктор должен иметь достаточно низкий момент холостого хода (менее 2–31 ТН3Т от номинального момента), чтобы обратное трение не препятствовало повороту в сторону ветра при умеренном ветре.
Переход между режимами механического и свободного поворота осуществляется системой управления краном, однако плавность или резкость перехода определяется механической конструкцией привода поворота. Когда оператор включает тормоз поворота после позиционирования, тормоз должен срабатывать постепенно — резкое срабатывание тормоза при скорости поворота 0,5 об/мин создает рывок замедления, который может повысить собственную частоту колебаний стрелы и вызвать раскачивание подвешенного груза. И наоборот, когда оператор отпускает тормоз для свободного поворота, отпускание должно быть достаточно плавным, чтобы стрела не дергалась в направлении преобладающего ветра. Таким образом, характеристики включения и отпускания тормоза являются частью спецификации привода поворота, а не только удерживающий момент.
Трение в подшипниках при свободном вращении также влияет на уровень шума в ночное время. В городских районах башенные краны, свободно вращающиеся ночью, могут издавать ритмичный металлический тиканье от щелчков зубьев шестерни, проходящих мимо зубьев кольцевой шестерни под действием ветра. Этот шум, хотя и безвреден для конструкции, может вызывать жалобы жильцов соседних зданий — и в некоторых городских районах теперь для свободного вращения в ночное время в жилых зонах используются поворотные приводы с антишумовым покрытием шестерен (нейлоновые шестерни или сегменты кольцевой шестерни с полимерным покрытием).
Инерция стрелы и крутящий момент ветра — две нагрузки, определяющие размер поворотного привода.
Привод поворотного механизма башенного крана должен преодолевать две одновременные нагрузки: инерцию стрелового узла (ускорение стрелы + противострелы + тележки + груза от состояния покоя до рабочей скорости) и момент, создаваемый ветром (вращение стрелы против или поперек ветра). В безветренные дни преобладает инерция. В ветреные дни преобладает ветер. Привод должен быть рассчитан на наихудшее сочетание нагрузок.
| Класс крана | Стаксель (м) | Нагрузка на наконечник (т) | Инерция (кг·м2) | крутящий момент |
|---|---|---|---|---|
| Плоская вершина (40–55 м) | 40 – 55 | 1,5 – 2,5 | 200 тыс. – 500 тыс. | 15–30 кНм |
| Акула-молот (55–75 м) | 55 – 75 | 2.0 – 4.0 | 600 тыс. – 1,5 млн. | 30–55 кНм |
| Тяжеловесы (60–85 м) | 60 – 85 | 3.0 – 6.0 | 1,5–4 млн. | 50–120 кНм |
Ветровая нагрузка на высоте отличается от ветровой нагрузки на уровне земли: Скорость ветра увеличивается с высотой — на высоте 200 метров она обычно в 1,5–2 раза превышает скорость ветра на уровне земли. Сила ветра пропорциональна квадрату скорости, поэтому на высоте 200 метров стрела испытывает в 2,25–4 раза большую силу ветра, чем та же стрела на уровне земли. Приводы поворотного механизма башенного крана должны быть рассчитаны на скорость ветра на фактической рабочей высоте, а не на скорость ветра на уровне земли, измеренную метеостанциями.
Расчет ветрового момента сложнее, чем простое умножение силы сопротивления на радиус. Стрела представляет собой распределенную массу — каждая секция вносит разную силу сопротивления на разном радиусе от центра поворота. Противовес (за башней) частично компенсирует ветровой момент основной стрелы, когда ветер дует спереди, но увеличивает его, когда ветер дует сзади. Положение тележки вдоль стрелы динамически изменяет плечо ветрового момента во время работы. А подвешенный груз действует как маятник, добавляя изменяющуюся во времени динамическую составляющую к ветровому моменту в период колебаний груза (обычно от 3 до 8 секунд для тросов длиной от 20 до 50 метров).
Привод поворота должен быть рассчитан на максимальное сочетание силы ветра, инерции и маятникового момента, а не на какой-либо отдельный компонент. В этом комбинированном случае нагрузка обычно в 1,3–1,5 раза превышает момент только от ветра и в 1,5–2,0 раза превышает момент только от инерции. Коэффициент запаса прочности, применяемый к комбинированному случаю, обычно составляет 1,25–1,5 (ниже, чем для кранов, не имеющих защиты от индикации момента нагрузки, которая предусмотрена для башенных кранов).
Важно отметить, что индикатор момента нагрузки (LMI) на башенном кране непрерывно контролирует нагрузку и радиус крюка и может автоматически ограничивать скорость поворота, когда кран работает вблизи номинальной грузоподъемности. Это ограничение скорости, управляемое LMI, снижает пиковый момент инерции при подъеме больших грузов за счет ограничения максимального углового ускорения. Привод поворота должен реагировать на эти команды изменения скорости пропорциональной и плавной подачей крутящего момента — любые заедания или мертвые зоны в реакции привода при низких значениях входного сигнала джойстика делают работу на пониженной скорости рывковой и снижают уверенность оператора в точности позиционирования.
Системы предотвращения столкновений и зонирования — как поворотный привод взаимодействует с системой безопасности объекта.
На строительных площадках с несколькими кранами радиусы рабочих стрел двух или более башенных кранов могут перекрываться, что означает потенциальную возможность столкновения их стрел во время поворота. Системы предотвращения столкновений (СПС) контролируют положение каждой стрелы крана на площадке и автоматически ограничивают диапазон поворота, чтобы предотвратить контакт. Привод поворота должен взаимодействовать с СПС через датчик углового положения и реагировать на команды автоматической остановки поворота в течение 1–2 секунд.
Система автоматического управления поворотом (ACS) требует непрерывных данных об угловом положении — как правило, от 12-16-битного абсолютного энкодера, установленного на выходе привода или на зубчатом колесе поворотного механизма. Энкодер должен быть механически прочным (устойчивым к вибрации, перепадам температуры и влажности на строительной площадке) и электрически совместимым с контроллером ACS. Поворотный привод должен обеспечивать специальный интерфейс для установки энкодера на выходном валу с муфтой без люфта.
Когда система автоматического управления (ACS) обнаруживает потенциальное столкновение, она дает команду приводу поворота остановиться в пределах 2–5 градусов углового перемещения — достаточно плавно, чтобы избежать ударных нагрузок на башню, но достаточно быстро, чтобы предотвратить попадание стрелы в зону отчуждения. Для этого требуется тормоз с контролируемыми характеристиками замедления, а не резкая аварийная остановка, которая создала бы динамические нагрузки, превышающие расчетный предел башни.
На некоторых объектах запрещено поворачивать кран над соседними зданиями (больницы, железные дороги, общественные дороги). Привод поворота и система управления должны обеспечивать жесткие угловые ограничения — стрела физически не может вращаться за пределы разрешенного сектора. Это требует программно настраиваемых угловых ограничений с аппаратными средствами аварийной остановки (резервные энкодеры или механические концевые выключатели).
Энкодер системы автоматического управления краном (ACS) является единственной точкой отказа, имеющей последствия для всей площадки. Если энкодер выходит из строя на одном кране, система ACS не может определить положение стрелы этого крана — и должна либо остановить работу затронутого крана (безопасно, но дорого: от 5000 до 15000 долларов США в день потерянного времени работы крана), либо позволить оператору продолжить работу без защиты от столкновения (небезопасно и запрещено на большинстве площадок). На площадке с несколькими кранами отказ энкодера на одном кране может привести к остановке всех кранов, работающих в зоне перекрытия, — поскольку система ACS не может проверить, не находится ли вышедшая из строя стрела крана на пути столкновения.
Именно поэтому на многокрановых площадках для башенных кранов все чаще используются резервные энкодеры (два независимых блока на одном и том же выходе поворотного привода). Стоимость второго энкодера (от 500 до 1500 долларов США) ничтожна по сравнению с ежедневными затратами на остановку от 2 до 4 кранов в ожидании замены энкодера, на поиск и установку которого на вершине башни может уйти от 24 до 48 часов.
Три типа отказов, характерных для приводов поворота башенных кранов.
Тормоз поворота должен удерживать стрелу от ветровых нагрузок во время работы. В случае отказа тормоза (износ колодок, усталость пружины, утечка гидравлической жидкости) стрела начинает неконтролируемо вращаться под давлением ветра с подвешенным грузом — это создает непосредственную опасность столкновения и падения груза. Тормоз должен быть пружинным (срабатывающим при отключении питания) с достаточным удерживающим моментом для максимальной скорости ветра в рабочем режиме (обычно 72 км/ч). Снижение эффективности тормозов незаметно внешне и может быть обнаружено только путем периодического измерения удерживающего момента. Стандартным интервалом является ежемесячная проверка тормозов — любое увеличение этого интервала повышает риск необнаруженного снижения эффективности ниже минимальной удерживающей способности. Процедура проверки проста: при расположении стрелы перпендикулярно направлению преобладающего ветра (максимальный ветровой момент) оператор отпускает двигатель и проверяет, удерживает ли тормоз стрелу неподвижно в течение как минимум 60 секунд. Если во время этого испытания на удержание стрела смещается даже на 0,5 градуса, это означает, что тормозная способность упала ниже требуемого уровня, и тормозные колодки или пружины необходимо заменить, прежде чем кран вернется в эксплуатацию.
При свободном вращении зубья кольцевой шестерни скользят мимо зубьев ведущей шестерни с переменной, неконтролируемой скоростью — без использования гидродинамической масляной пленки со стороны ведомого колеса. Условия контакта без ведомого колеса приводят к большему трению и более быстрому износу поверхности, чем при вращении с приводом на той же скорости. За месяцы непрерывного свободного вращения (выходные, праздники, периоды штормов) зубья ведущей шестерни проходят тысячи циклов контакта в условиях граничной смазки. Краны, оставленные в режиме свободного вращения на длительное время без повторной смазки, изнашиваются в 2-3 раза быстрее, чем при вращении с приводом — это открытие не было учтено в ранних технических условиях и привело к преждевременной замене ведущих шестерен на многих башенных кранах, подвергавшихся длительному свободному вращению.
Система автоматического управления стрелой (ACS) зависит от точных данных об угловом положении, получаемых от энкодера привода поворотного механизма. Если энкодер выходит из строя, работает со сбоями или теряет калибровку, система ACS не может определить положение стрелы и должна остановить работу соответствующего крана — и, возможно, всех кранов, работающих в зонах перекрытия. Причиной отказов энкодера может быть вибрация, попадание влаги, повреждение кабеля или электромагнитные помехи от двигателя поворотного механизма. Стоимость отказа одного энкодера на площадке с четырьмя кранами может достигать от 20 000 до 60 000 долларов США в день из-за потери рабочего времени крана на всех затронутых единицах — что значительно превышает стоимость самого энкодера (от 500 до 1500 долларов США).
Планетарный редуктор поворотного привода для башенных кранов — часто задаваемые вопросы
Компания Korea Ever-Power поставляет планетарные редукторы для привода поворота башенных кранов с крутящим моментом от 15 000 до 120 000 Нм, обеспечивающие свободное вращение, встроенные тормоза и возможность установки энкодера ACS.
Редактор: Cxm
