Analisi della forza del carrello di sollevamento: tre forze spiegate agli ingegneri delle apparecchiature di sollevamento

Per un tecnico della manutenzione che controlla un carroponte da 5 tonnellate, le forze che mantengono il carrello in posizione sulla trave del ponte non sono solo numeri accademici. In un tipico esercizio statico un carrello di sollevamento è soggetto a tre forze: il peso del carrello stesso, il carico sospeso al gancio e la trazione della trasmissione. L'equilibrio tra queste tre forze decide se il carrello rimane allineato, se il carrello finale sopporta un carico eccessivo e se il motore di traslazione ha una coppia sufficiente per avviarsi e arrestarsi senza intoppi. Ottenere questo giusto equilibrio è il primo passo nella scelta di un sistema di carrelli affidabile.

Cosa rappresentano effettivamente le tre forze in un carrello di sollevamento

In un modello di forza piana semplificato, il carrello viene trattato come un corpo rigido soggetto a tre forze simultanee. Il primo è il peso del carrello stesso, compreso il gruppo di sollevamento, il telaio e i macchinari di traslazione. Il secondo è la trazione verticale del carico sospeso, trasmessa attraverso la fune o la catena. La terza è la forza motrice o frenante orizzontale applicata dal meccanismo di traslazione per spostare il carrello lungo il ponte della gru.

Ciascuno di questi componenti ha una vera fonte fisica su un carroponte. L'angolo al quale agisce la forza motrice, spesso indicato come α nei problemi dei libri di testo, rappresenta la direzione della forza applicata rispetto all'orizzontale. In pratica questo angolo dipende da come viene convogliata la forza di trazione e da come il carrello è collegato al ponte e al carrello terminale.

• Il peso proprio del carrello è solitamente la più piccola delle tre forze, ma contribuisce comunque al carico sulle ruote.
• Il carico sospeso è la forza verticale dominante e guida la scelta della capacità di sollevamento.
• La forza motrice deve essere sufficiente a superare la resistenza al rotolamento, l'inerzia e le possibili forze frenanti.

Il metodo standard per risolvere il problema delle tre forze

Una volta note le direzioni e l'entità delle forze, la soluzione segue la procedura standard per un sistema di forze concorrenti complanare. La configurazione di solito inizia risolvendo ciascuna forza nelle componenti xey. Se la forza P viene applicata ad un angolo α con l'orizzontale, la forza A agisce orizzontalmente e la forza B agisce verticalmente verso il basso, le equazioni di equilibrio sono semplici:

Dalla direzione x: P cos α A = 0.

Dalla direzione y: P sin α − B = 0.

Risolvendo queste due equazioni si ottiene P = B / peccato α e A = − B cot α. Il segno negativo su A indica semplicemente che la forza orizzontale deve opporsi alla componente orizzontale di P affinché il carrello rimanga in equilibrio.

La tabella seguente mostra come cambia la forza richiesta P al variare dell'angolo α, utilizzando un carico verticale B di 400 libbre come input. I numeri esatti sono meno importanti della tendenza che illustrano: un angolo più piccolo richiede una forza motrice maggiore, mentre un angolo più grande modifica la distribuzione del carico sulla rotaia della gru.

L’implicazione pratica è che una variazione di α anche di 10 gradi può modificare l’entità della forza motrice richiesta di quasi il 20%. Questo è il motivo per cui l'angolo deve essere definito attentamente fin dall'inizio, non trattato come un ripensamento.

Come l'analisi guida la selezione dei componenti

Una volta risolte le forze, i carichi risultanti diventano gli input di progettazione per le parti meccaniche del carrello. Il carico verticale della ruota è l'input principale per la selezione del carrello terminale della gru. La forza motrice orizzontale determina la coppia necessaria del motore di azionamento e la potenza del blocco ruota della gru. Il carico sospeso, oltre agli effetti dinamici, determina la capacità nominale del paranco.

In un sistema di gru reale, il carrello terminale viene prodotto con un passo e un diametro della rotaia definiti per soddisfare i carichi previsti sulle ruote. La scelta di un carrello terminale standard senza verificarne il collegamento al telaio del carrello e la sua capacità di sopportare il carico calcolato sulla ruota è una fonte comune di guasti meccanici. Quando un carrello è sottoposto alle tre forze descritte nell'analisi statica, il carrello terminale sopporta la quota maggiore delle reazioni verticali. Questo è il motivo per cui la linea di prodotti dei carrelli terminali delle gru di TBM è progettata con sezioni rinforzate e robusti cuscinetti delle ruote per gestire combinazioni di forze verticali e orizzontali.

Carrello terminale gru per sistemi di carrelli con sezioni rinforzate Progettato per combinazioni di forze pesanti verticali e orizzontali, questo carrello terminale supporta il ponte della gru e il meccanismo di traslazione, garantendo stabilità e durata per le applicazioni industriali. Visualizza il prodotto →

Considerazioni pratiche oltre l'equilibrio statico

L’equilibrio statico è il punto di partenza, non la risposta finale. I limiti del carico di lavoro, i fattori di sicurezza e le classificazioni delle attività influiscono tutti sulla sicurezza della progettazione di un'apparecchiatura per il funzionamento quotidiano. Per un paranco elettrico a fune per uso generale, lo standard europeo FEM o una classificazione di servizio equivalente come ISO da M3 a M5 viene spesso utilizzata per definire quante ore al giorno il paranco può funzionare con un determinato carico. Questo fattore di dazio non è arbitrario; influisce sulla dimensione del freno, sulla qualità della fune metallica e sulla capacità termica del motore.

Il problema delle tre forze inoltre non tiene conto dell'oscillazione del carico, delle forze del vento su una gru esterna o dell'effetto di una pista inclinata. Questi carichi aggiuntivi devono essere considerati nella progettazione complessiva del sistema di carrelli. Il blocco ruota deve essere valutato sia per il carico statico che per le forze orizzontali derivanti dalla guida e dalla frenata. Quando il carrello accelera o si ferma, l'inerzia del carico applica una forza orizzontale aggiuntiva che non rientra nel problema statico dei libri di testo. Questa forza extra deve essere assorbita dalle flange delle ruote e dal cingolo. I blocchi delle ruote della gru della TBM sono realizzati con ruote con flangia temprata e cuscinetti sigillati per resistere a carichi laterali ripetuti.

Blocco ruota durevole della gru con ruote temprate con flangia Costruito con acciaio legato ad alta resistenza e cuscinetti sigillati, questo blocco ruota resiste al carico laterale derivante da accelerazione e frenata, garantendo uno spostamento fluido e preciso della gru. Visualizza il prodotto →

Costruire un sistema di carrelli sicuro con il sollevamento della TBM

Dal punto di vista dei componenti, il problema delle tre forze entra in ogni fase di un sistema a carrello. Il carrello terminale deve sostenere i carichi delle ruote, i blocchi delle ruote devono gestire le forze di traslazione orizzontale e il paranco a fune metallica deve essere selezionato con la capacità di sollevamento e la velocità corrette. TBM Lifting costruisce il paranco elettrico a fune metallica con altezza standard SHA7 e il paranco bitrave SHA8 con configurazioni di stile europeo che forniscono chiari margini di capacità per le applicazioni con carrelli industriali. Il gamma di paranchi elettrici a fune è dimensionato tenendo presente il percorso del carico del carrello e le reazioni delle ruote, quindi i punti di connessione dei componenti sono progettati fin dall'inizio per supportare le forze calcolate.

Quando specifichi un sistema a carrello, inizia con il diagramma di forza effettivo della tua installazione. Determinare il carico sospeso, la massa del carrello, la disposizione delle rotaie e l'angolo di trazione del meccanismo di guida. Con questi input di base, il calcolo statico fornisce una gamma chiara di carichi operativi. Quindi abbina questi carichi a un paranco e a una serie di componenti del carrello terminale costruiti per gli stessi standard di servizio e sicurezza.

Paranco elettrico a fune metallica con altezza standard SHA7 Dotato di un motore ad alta efficienza e di una conversione di frequenza per un funzionamento regolare, questo paranco è adatto per la movimentazione dei materiali nella produzione di macchinari, nell'assemblaggio automobilistico e in altri settori. Visualizza il prodotto →

In questo classico problema statico, un carrello di sollevamento è soggetto alle tre forze, ma il vero valore di tale calcolo emerge quando viene applicato alla progettazione e alla selezione delle effettive apparecchiature di sollevamento. Il metodo analitico utilizzato per risolvere i carichi è lo stesso metodo che determina se un carrello funzionerà senza intoppi, rimarrà allineato sul binario e raggiungerà la durata di servizio prevista. Abbinando la soluzione di forza a paranchi, carrelli terminali e blocchi ruote adeguatamente dimensionati, è possibile evitare costosi guasti derivanti da componenti sottodimensionati. Per un calcolo della forza basato sul layout specifico del carrello e della gru, rivolgersi a Team tecnico TBM .