Расчёт несущей способности опорно-поворотного устройства JB/T 2300

JB/T 2300-2011 — это отраслевой стандарт на опорно-поворотные устройства, выпущенный в 2011 году взамен версии 1999 года. Опорно-поворотное устройство является основным компонентом механизма поворота крана, воспринимающим комбинированное воздействие грузоподъемности, крутящего момента поворота и опрокидывающего момента. Оно широко применяется в башенных кранах, гусеничных кранах, автомобильных кранах, портальных кранах и судовых разгрузчиках — во всех грузоподъёмных оборудованиях, требующих функции поворота. Стандарт применим к проектированию и выбору, а также производственному контролю четырёх типов опорно-поворотных устройств: однорядный шариковый, двухрядный шариковый, трёхрядный роликовый и перекрёстно-роликовый.

Типы конструкций опорно-поворотных устройств

Стандарт устанавливает четыре основных типа опорно-поворотных устройств: однорядный шариковый (серия 01) — состоит из одной дорожки качения и одного комплекта стальных шаров, имеет наиболее простую конструкцию и наименьшую стоимость, подходит для средних и малых башенных кранов и автомобильных кранов, обладает средней несущей способностью, но компактными осевыми габаритами; двухрядный шариковый (серия 02) — состоит из двух дорожек качения и двух комплектов шаров, обладает большей несущей способностью, но увеличенными осевыми габаритами, подходит для кранов средней грузоподъёмности; перекрёстно-роликовый (серия 11) — ролики расположены в перекрёстном порядке, одна дорожка качения воспринимает одновременно осевые и радиальные нагрузки, отличается высокой жёсткостью и несущей способностью, подходит для крупных башенных и гусеничных кранов, является основным решением для оборудования большой грузоподъёмности; трёхрядный роликовый (серия 13) — три независимых ряда роликов воспринимают соответственно осевые нагрузки, радиальные нагрузки и опрокидывающий момент, обладает максимальной несущей способностью, применяется для кранов сверхбольшой грузоподъемности и судовых разгрузчиков, имеет наибольшие массу и стоимость среди всех четырёх типов.

Стандарт предъявляет требования к твёрдости дорожек качения, материалу, термической обработке и точности обработки всех типов опорно-поворотных устройств. Твёрдость поверхности дорожки качения должна быть не ниже HRC55~62, глубина закалённого слоя — не менее 2,5 мм. Твёрдость тел качения — не ниже HRC60~65, разность диаметров тел качения в одной группе не должна превышать 0,005 мм. Твёрдость поверхности зуба шестерни опорно-поворотного устройства выбирается в соответствии с требованиями к использованию: зубья с закалкой с отпуском HB260~300 подходят для поворота со средней и низкой частотой, зубья с индукционной закалкой HRC50~55 — для высокочастотного поворота. Материал зубчатого венца — 42CrMo или 50Mn, после закалки с отпуском выполняется зубофрезерование или зубодолбление, точность — не ниже 8-й степени. После обработки дорожки качения должен проводиться магнитопорошковый контроль; наличие трещин или волосных дефектов не допускается.

Уплотнение и смазка являются важным условием надёжной работы опорно-поворотного устройства. Стандарт требует установки двухконтурных уплотнительных колец (по одному с каждой стороны), изготовленных из маслостойкой и износостойкой полиуретановой резины (ТПУ), с диапазоном рабочих температур от -20 до +80 °C. Смазка осуществляется консистентной смазкой на литиевой основе; перед монтажом полость дорожки качения заполняется на 60–70 %. На опорно-поворотном устройстве должны быть предусмотрены пресс-маслёнки в количестве не менее 2 штук (симметрично через 180°). Периодичность смазки: для кранов, работающих в непрерывном режиме, — один раз в неделю; при прерывистом режиме — один раз в месяц. Келуде Тяжёлая Промышленность комплектует свои башенные и гусеничные краны перекрёстно-роликовыми опорно-поворотными устройствами, несущая способность которых примерно на 30 % выше, чем у однорядных шариковых устройств того же типоразмера.

Метод расчёта несущей способности

Стандарт устанавливает проверку несущей способности опорно-поворотных устройств по статическим и динамическим кривым грузоподъёмности. Формула проверки статической грузоподъёмности: Fa×fL×fA≤Coa, где Fa — эквивалентная осевая нагрузка, fL — коэффициент нагрузки (принимается 1,0–1,45 в соответствии с классом работы), fA — дополнительный коэффициент запаса прочности (принимается 1,0–1,25), Coa — номинальная статическая осевая нагрузка. Расчёт динамического ресурса выполняется по соотношению динамической грузоподъемности к фактической нагрузке и выражается в количестве оборотов поворота; номинальный ресурс должен составлять не менее 30 000 оборотов (для непрерывного режима работы) или 15 000 оборотов (для прерывистого режима). Кривые грузоподъёмности опорно-поворотных устройств приводятся изготовителем в каталоге продукции; проектировщики должны выбирать соответствующий типоразмер по фактической нагрузке ниже расчётной кривой.

Расчёт эквивалентной осевой нагрузки (Fa) является ключевым этапом выбора и требует учёта совместного действия осевой силы, радиальной силы и опрокидывающего момента. Стандарт приводит подробную формулу: Fa=Fr×tanα+Fz+4.5M/D0, где Fr — радиальная сила (Н), α — угол контакта (обычно 45°–60°), Fz — внешняя осевая сила (Н), M — опрокидывающий момент (Н·м), D0 — диаметр окружности центров дорожек качения (м). Проектировщики должны учитывать, что опорно-поворотное устройство воспринимает комбинированную нагрузку; выбор типоразмера только по осевой силе может привести к серьёзной угрозе безопасности — краевая нагрузка от опрокидывающего момента может в несколько раз превышать центральную осевую нагрузку, поэтому при выборе необходимо выполнять проверку по трёхмерным данным нагрузок.

Значения коэффициента запаса прочности, установленные стандартом: для обычных кранов (башенных, автомобильных и т. п.) — 1,1–1,3; для портовых кранов непрерывного режима работы (портальных, судовых разгрузчиков и т. п.) — 1,25–1,45; для объектов с массовым пребыванием людей или ответственного оборудования — 1,5–2,0. После выбора типоразмера необходимо также проверить прочность соединительных болтов — усилие предварительной затяжки болтов должно быть не менее 1,5-кратного значения осевого растяжения, создаваемого номинальной нагрузкой опорно-поворотного устройства. Рекомендуемый материал болтов — 40Cr или 42CrMo, класс прочности 10.9 или 12.9; момент затяжки рассчитывается точно в соответствии с типоразмером и классом прочности болтов. При использовании в высокотемпературной среде несущая способность должна быть снижена в соответствии с кривой зависимости от температуры.

Требования к зубчатому венцу опорно-поворотного круга

Стандарт устанавливает детальные требования к поверхности зубьев внутреннего или наружного зубчатого венца опорно-поворотного устройства. Твёрдость поверхности зуба выбирается в зависимости от условий эксплуатации: зубья с закалкой с отпуском (HB260–300) применимы для режимов с умеренной частотой вращения (например, частота поворота башенного крана менее 5 циклов/час), отличаются невысокой стоимостью и удобством ремонта на месте; зубья с индукционной закалкой (HRC50–55) предназначены для интенсивных режимов с непрерывным вращением (например, частота поворота судового разгрузчика может достигать 20 циклов/час и более) и обеспечивают повышенную износостойкость. Для изготовления зубчатого венца предпочтительно использовать стали 42CrMo или 50Mn; после закалки с отпуском выполняется зубофрезерование или зубодолбление с классом точности не ниже 8 по ГОСТ 1643 (аналог GB/T 10095). Пятно контакта зубьев должно составлять не менее 40% по высоте зуба и не менее 50% по его длине.

Минимальный боковой зазор зубчатой пары определяется модулем и классом точности: при модуле до 10 мм — 0,2–0,3 мм, при модуле 10–20 мм — 0,3–0,5 мм. Недостаточный зазор может привести к заклиниванию зубьев вследствие температурного расширения, избыточный — к ударным нагрузкам, шуму и ускоренному износу. Радиальное биение по вершинам зубьев не должно превышать допуск 8-го класса точности. Шероховатость поверхности зубьев Ra — не более 3,2 мкм, для цементованных и закалённых поверхностей — не более 1,6 мкм. После монтажа необходимо проверить боковой зазор зацепления и пятно контакта, при выявлении отклонений выполнить регулировку. При появлении питтинга на площади более 20% поверхности зуба или при изломе зубьев опорно-поворотное устройство подлежит замене в сборе.

Монтаж и требования к техническому обслуживанию

Качество монтажа опорно-поворотного устройства напрямую влияет на срок службы и плавность работы. До начала монтажа следует проверить плоскостность монтажной поверхности: отклонение не более 0,3 мм на длине 1 м, общая плоскостность — не более 0,8 мм. Для крепления применяются высокопрочные болты классов прочности 10.9 или 12.9; момент затяжки определяется по техническим характеристикам и классу болта. Затяжку выполняют в 3–4 приёма по диагонально-крестовой схеме, окончательное значение момента контролируется динамометрическим ключом. После завершения монтажа проверяют лёгкость вращения: при ручном или низкоскоростном приводе устройство должно вращаться свободно, без заеданий и постороннего шума. Радиальное биение не должно превышать 0,2 мм, осевое — 0,3 мм.

Ежедневное техническое обслуживание и проверка включают следующие мероприятия: еженедельная проверка затяжки соединительных болтов (выборочный контроль динамометрическим ключом 20% болтов; при снижении момента ниже 95% от нормы — повторная затяжка); ежемесячная проверка состояния уплотнительных колец на предмет износа и старения, контроль увеличения зазора в дорожке качения (измерение осевого зазора индикатором часового типа с фиксацией отклонений от первоначальных значений); ежеквартальная проверка состояния зубчатого зацепления (наличие питтинга, излома зубьев или аномального износа). Первая замена консистентной смазки производится после 1000 часов работы; в дальнейшем смазка пополняется каждые 500 часов или ежемесячно. Замена устройства требуется при следующих признаках: отслоение металла на дорожке качения или глубина вдавливания более 0,5 мм; разрушение или износ тел качения более 0,2 мм; уменьшение толщины зуба вследствие износа более чем на 20%; увеличение осевого зазора более чем в 1,5 раза от первоначального значения.

Сравнительная таблица параметров выбора опорно-поворотных устройств

В приведённой ниже сравнительной таблице обобщены типовые области применения и основные параметры производительности четырёх типов опорно-поворотных устройств, что служит справочной основой для проектирования и выбора.

Часто задаваемые вопросы