9. Примеры расчета кранов и сборочных единиц.

9.1 Расчет мостового электрического крана

Задание. Разработать проект мостового крана механосборочного цеха по следующим данным: грузоподъемность = 10т, пролет = 19,5м, скорость подъема груза = 7,5м/мин, передвижения крана = 80м/мин и передвижения тележки = 40м/мин. Режим работы крана – средний, ПВ=25%. Высота подъема груза = 15м. Род тока – трехфазный, напряжение 380В. Металлоконструкция моста – двухбалочная, сварная.

Механизм передвижения крана – с раздельным приводом каждой концевой балки.

При проектировании механизмов максимально использовать унифицированные узлы и детали.

9.2. Механизм подъема.

По аналогии с выполненными современными конструкциями мостовых кранов принимается схема механизма подъема по рис. 4.1.

Рис. 4.1. Кинематическая схема механизма подъема

Электродвигатель переменного тока соединяется через вал-вставку с помощью зубчатых муфт с цилиндрическим двухступенчатым редуктором. Редукторная полумуфта вала-вставки используется как тормозной шкив нормально-замкнутого электромагнитного колодочного тормоза. Соединение вала редуктора с барабаном производится также зубчатой муфтой.

С целью обеспечения вертикального подъема груза и создания равномерной нагрузки на опоры барабана и на ходовые колеса тележки принимается сдвоенный полиспаст ( = 2) с кратностью = 3. Выбор кратности полиспаста для мостовых кранов, выпускаемых серийно, основывается на принципе максимальной унификации элементов, из которых состоит механизм крана. При этом с помощью одних и тех же элементов, изменяя кратность полиспаста, можно создать механизм подъема различной грузоподъемности.

Расчет каната. Максимальное натяжение каната сдвоенного полиспаста при подъеме груза

- коэффициент, учитывающий потери на блоках.

Блоки на подшипниках качения, = 0,97, - число полиспастов.

Расчет каната по правилам Госгортехнадзора проводится по формуле

где - коэффициент запаса прочности.

Принимается по правилам Госгортехнадзора в зависимости от назначения каната и режима работы механизма; для грузовых канатов при среднем режиме работы = 5,5.

- разрывное усилие каната в целом, принимается по таблицам ГОСТа на канат.

По таблицам на канат ГОСТа 2688-80 выбираем канат типа ЛК-Р.6×19 диаметром 13мм, имеющий при расчетном пределе прочности проволоки при растяжении, равном 196кг/мм², разрывное усилие = 9700кг.

Условное обозначение каната: Канат 13,0-196-I-ГОСТ2688-80. Фактический запас прочности

Определение основных размеров и числа оборотов барабана.

Минимально допускаемый диаметр барабана, измеренный по дну канавки для каната, определяется по формуле

где - коэффициент, принимаемый по Правилам Росгортехнадзора в зависимости от типа машины и режима ее работы. Для рассматриваемого случая = 25.

тогда

Принимаем = 325мм, т.к. увеличение диаметра барабана приводит к повышению долговечности каната.

Число витков нарезки на одной половине барабана

Длина нарезки на одной половине барабана

где - шаг нарезки;

На закрепление каната с каждой стороны барабана оставляем расстояние , равное длине не менее четырех шагов нарезки. При принимаем . Расстояние между правым и левым нарезными полями , в средней части барабана конструктивно принимаем равным 130мм.

Расстояние между осями ручьев блока в крюковой обойме принимается равным 133мм. Таким образом, размер обеспечивает нормальное набегание каната на барабан даже при самом верхнем положении крюковой обоймы.

Тогда общая длина барабана

Толщина стенки барабана, выполненной из чугуна СЧ 15-32, определяется из расчета на сжатие (рис. 4.2,а);

где - допускаемое напряжение сжатия

Для чугуна за предельное напряжение ( ) принимается предел прочности при сжатии

Для СЧ 15-32 ;

- коэффициент запаса прочности принимаемый для крюковых кранов

Однако по технологии отливки барабана толщина стенки не должна быть меньше определенной по эмпирической зависимости

Принимаем толщину стенки равной 14мм. Кроме того, стенка барабана испытывает напряжение изгиба и кручения. Напряжение изгиба имеют максимальное значение при положении каната около центра барабана.

Расчетная схема и эпюры крутящих и изгибающих моментов приведены на рис. 4.2,б.

Рис. 4.2. Схема к расчету стенки барабана

а – на сжатие; б – на совместное действие изгиба и кручения.

Сложное напряжение от изгиба и кручения

где а - коэффициент приведения, учитывающий отношение допускаемого напряжения на изгиб, соответствующего режиму изгибающих нагрузок, к допускаемому напряжению на изгиб, соответствующему режиму крутящих нагрузок; а = 0,75;

W – экваториальный момент сопротивления поперечного сечения барабана;

D₁ = 312,5мм - диаметр барабана по дну канавки;

D₂ = 284,5мм - внутренний диаметр стенки барабана.

Напряжения в стенке барабана от изгиба и кручения весьма малы. Основным напряжением, определяющим прочность барабана, является напряжение сжатия.

Скорость каната, навиваемого на барабан, при скорости груза 7,5м/мин

Число оборотов барабана в минуту

Выбор электродвигателя и редуктора.

Определяем статическую мощность двигателя при подъеме номинального груза:

- общий КПД при двухступенчатой передаче редуктора, .

Так как кран работает не только с номинальными грузами, но и грузами меньше номинальных, то выбираем двигатель меньшей мощности с последующей проверкой двигателя по нагреву по среднеквадратичной мощности. По каталогу на двигатели принимаем двигатель МТК 41-8, имеющий при ПВ 25% номинальную мощность

Маховый момент ротора , вес двигателя 300кг, кратность максимального момента

Общее передаточное число редуктора

По каталогу на крановые редукторы типа Ц2 выбираем редуктор Ц2-350, имеющий i = 32,4 и мощность N_ред = 16,6кВт при 750об/мин.

Расчетный момент редуктора принимается равным наибольшему статическому моменту при установившемся движении при подъеме, т.е.

Наибольший момент, передаваемый редуктором, не должен превышать допустимого момента М_наиб.

где т – коэффициент пускового момента, принимаемый для среднего режима равным 1,6.

Средний пусковой момент электродвигателя в процессе пуска

Кратность максимального пускового момента по каталогу равна 2,9; кратность минимального пускового момента равна 1,1.

Номинальный момент электродвигателя

Тогда

Таким образом, средний пусковой момент меньше максимально допустимого момента М_наиб, который может передать редуктор. Следовательно, выбранный редуктор подходит по этому параметру.

Определение тормозного момента и выбор тормоза.

Тормозной момент

где К - коэффициент запаса торможения, принимаемый согласно Правилам Госгортехнадзора для среднего режима работы К=1,75;

- статический крутящий момент на тормозном валу при торможении

В краностроении применяются нормальные колодочные тормоза с электрогидравлическим приводом. Принимаем по каталогу тормоз ТКТГ-200 с одноштоковым электрогидравлическим толкателем с максимальным тормозным моментом 30кг·м.

Крюковая подвеска. Крюковые подвески выбирают по заданной грузоподъемности и режиму работы по ОСТ 24.191.08.-01 (Приложение I, табл. П.1.1).

Схемы крановых подвесок приведены на рис.4.3.

Рис. 4.3. Схемы подвесок крюков:

а - с нижним; б - с верхним расположением крюка.

Траверсу крюка рассчитывают на изгиб в центральном сечении, ослабленном отверстием под шейку крюка, а цапфу траверсы проверяют по давлению в щеке подвески. Шейку крюка по нарезке резьбы (метрической) проверяют на разрыв и на усталостную прочность, [6].

Упорный шарикоподшипник крюка подбирают по статической нагрузке, радиальные подшипники блоков подвески – по коэффициенту работоспособности. Этот коэффициент определяется с учетом коэффициента режима работы по приведенной эквивалентной нагрузке. Для механизмов подъема коэффициент работоспособности (безопасности) К_б =1,2. Щеку подвески, изготовленную из листовой стали, рассчитывают на растяжение по сечению, ослабленному отверстием.

Подшипники блоков. В выбранной подвеске приняты однорядные радиальные шарикоподшипники. Число оборотов блока

Где D_бл - диаметр блока;

V_k – скорость каната.

Нагрузка на один подшипник

Дальнейший расчет подшипников по коэффициенту работоспособности или по допускаемой статической нагрузке, приводимой в технических характеристиках подшипников качения.

Подшипники оси барабана. Ось барабана устанавливается на двух подшипниках работающих в различных условиях. Учитывая возможности неточности монтажа оси барабана, применяют радиальные, самоустанавливающиеся сферические подшипники. Оба кольца подшипника, установленного внутри вала редуктора, вращаются совместно. Расчет подшипника производится по статической нагрузке, равной реакции в опоре оси барабана от номинального груза. Подшипник на другом конце оси барабана рассчитывается по работоспособности с учетом переменности нагрузки.

Крепление каната к барабану. Канат крепится к барабану прижимной планкой с трапецеидальными канавками, где канат удерживается силой трения, создаваемой затяжкой двух болтов (М20) рис. 4.4.

Рис. 4.4. Схема к расчету болтов крепления каната на барабане

Усилие натяжения каната в месте крепления

где f - коэффициент трения между канатом и барабаном, f = 0,16;

- угол обхвата барабана дополнительными витками, согласно Правилам Госгортехнадзора =3 .

Усилие, растягивающее каждый болт крепления

где f₁ - приведенный коэффициент трения между канатом и планкой, имеющей канавку с углом .

- угол обхвата барабана витками каната при переходе каната от одной канавки плавки в другую, .

Суммарное напряжение в болте с учетом изгиба болта и с учетом касательных напряжений, возникающих при затяжке крепления,

где К – запас надежности крепления каната к барабану К = 1,8;

- усилие, изгибающее болт;

l = 18мм - плечо изгиба;

d₁ - внутренний диаметр резьбы М20.

Допускаемое напряжение растяжения болта М20 из ст.3, имеющий предел текучести

т.е. 685 < 1170кг/см²; условие выполняется.