Расчетные нагрузки

Расчет механизмов и металлоконструкций подъемно-транспортных машин проводят на действующие нагрузки и их возможные комбинации, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации. Все действующие на кран нагрузки можно подразделить следующим образом: вес груза, крана и его элементов, сопротивления движению, возникающие при работе (трение, составляющие веса на уклон); гидрометеорологические нагрузки (от ветра, снега, обледенения и т.д.); динамические (инерционные, упругоколебательные) и прочие (сейсмические, от качки груза).

При рассмотрении возможных комбинаций совместного действия различных нагрузок в крановых механизмах принято рассматривать три расчетных случая (табл. 1.8)

Табл. 1.8 Расчетные случаи нагружения.

Вид нагрузки	Случаи нагружения
	I	II	III
Весовые: - собственный вес крана; - вес номинальн. груза.	+ +	+ +	+ -
Динамические: - инерционные; - упругоколебатель- ные.	+ -	+ +	- +
Ветровые: - рабочего состояния; - нерабочего состояния.	+ -	+ -	- +
Составляющие весов на уклонах, при крене	+	+	+

Примечание: Знак плюс - нагрузку нужно учитывать, знак минус - не нужно учитывать.

Случай I- нормальные условия эксплуатации при нормальных нагрузках и скоростях;

случай II- максимальные рабочие и динамические нагрузки в периоды резких пусков, реверсов, экстренных торможений и предельных ветровых нагрузок рабочего состояния. При этом могут возникнуть пробуксовки приводных колес, срабатывание муфт предельного момента, электрозащиты и др.;

случай III- максимально возможные нагрузки нерабочего состояния крана; он находится под открытым небом при неподвижных механизмах и без груза. На кран действуют кроме собственного веса наибольшие ветровые нагрузки (ураганный ветер), а иногда нагрузки от снега и обледенения, а также от резких и больших температурных перепадов.

Для случая I детали рассчитывают на выносливость, долговечность и износ.

Для случая II детали механизмов рассчитывают на прочность относительно пределов текучести и прочности в зависимости от материала; производят расчет на грузовую устойчивость крана против опрокидывания.

Для случая III рассчитывают надежность работы тормозов, противоугонных устройств крана, механизмов изменения вылета стрелы, опорно-ходовых и опорно-поворотных устройств; производят расчет собственной устойчивости порожнего крана против опрокидывания от действия ветра нерабочего состояния.

Расчет крановых деталей на выносливость (случай I) производят по эквивалентным нагрузкам по формулам:

Р_экв = К_д∙Р_max или Т_экв = К_д∙Т_max;

где: Р_max и Т_экв - максимальные расчетные нагрузки;

К_д - коэффициент долговечности

К_д = К_G∙К_Т∙К_Тр

К_G - коэффициент, учитывающий переменность нагрузки во времен ;

К_Т - коэффициент, учитывающий срок службы детали;

К_Тр - коэффициент тренировки.

К_G = ^m√∑ (Р_i/Р_max)^m∙Z_i/Z_p,

где m - показатель степени уравнения кривой усталости (при расчете на контактную прочность m = 3, при расчете на изгиб m = 9);

Р_i - нагрузка за весь срок службы, принимается по графику нагружения;

Р_max - максимальная нагрузка;

Z_i - число циклов действия нагрузки Р_i;

Z_p - суммарное число циклов нагружения за расчетный срок службы.

Практически К_G - определяют по графикам загрузки. Такие графики имеются в рекомендациях ВНИИПТМАША и приводятся в учебниках следующие значения:

К_G = 0,65…0,8 при расчете на изгиб;

и К_G = 0,4…0,65 при расчете на контактную прочность.

К_т - определяют по формуле: К_т = √Z_p/Z₀ ;

где Z₀ - базовое число циклов нагружения, принимаемое по рекомендациям табл. 1.9

Табл. 1.9 Базовое число циклов нагружения

Вид расчета	Наименование детали	z0
На изгиб или кручение По контактным напряжениям	Валы. Зубья колес Вал с напрессован. деталью Вал с поверхностным упрочнен. Зубья зубчатых колес	4∙106 4∙106 107 5∙106 107

При расчете деталей механизма подъема и передвижения

z_p = 60Th^׀ ,

при расчете на контактную прочность z_p = 30Tn_p , где Т - суммарное машинное время работы механизма в часах за полный срок службы крана h в годах; величина Т для различных деталей принимается по табл. 1.10.

Табл. 1.10 Суммарное машинное время

Группа режима работы механизма (по ГОСТ 25835-83)	Срок службы h, лет			Суммарное машинное время Т, тыс. ч
	подшипн. качения	зубчат. передач	валов	подшипн. качения	зубчат. передач	валов
1, 2, 3 4 5 6	10 5 3 3	15 10 8 5	25 15 10 10	1,0 3,5 5,0 10,0	1,5 7,0 13,0 16,0	2,5 10,0 16,0 32,0

Значение частоты вращения детали в минуту n_р принимают равным n_р = 0,9 n_ном для механизмов подъема и n_р = n_ном∙³√0,01ПВ для механизмов передвижения;

где n_ном - частота вращения при установившемся движении.

h^׀ - число включений механизма в минуту машинного времени, принимается для кранов общего назначения по графику (рис. 1.1) при разных значениях относительной продолжительности включения (ПВ).

Рис. 1.1. График числа включений h^׀ в минуту для механизмов кранов общего назначения.

1 - подъема; 2 - передвижения тележки; 3 - передвижения крана.

Коэффициент тренировки определяют по формуле:

К_тр = 1/^m√a ;

где а - параметр, зависящий от материала и соотношений уровней напряжений, определяемый экспериментально. Если кратковременные пиковые динамические перегрузки отсутствуют, то а=1 и К_тр=1. При наличии

перегрузок а = 1,35 + 0,5 × lg δ_n; где δ_n = z_n/z_p - коэффициент относительной продолжитель-ности типовой нагрузки с числом циклов нагружения z_n .

Для деталей, работающих на изгиб, в механизмах режима рабрты G K_g = 1.

Максимальную расчетную нагрузку (Р_max или Т_max) определяют по формуле:

P_max = K∙P_ном ;

где P_ном – нагрузка статического сопротивления, определяемая при работе механизма с номинальным грузом; К - расчетный коэффициент перегрузки, принимаемый К = 1,1 - для механизма подъема

К = 2,5…3,0 - для механизмов передвижения и поворота.

При проверочных расчетах этот коэффициент определяют физическими условиями загружения, зависящими от коэффициента жесткости и места нахождения рассчитываемой детали в кинематической цепи механизма.

Ветровая нагрузка. Ветровую нагрузку учитывают при расчете прочности и устойчивости от опрокидывания грузоподъемных машин, работающих под открытым небом, по ГОСТ 1451-77 «Краны грузоподъемные. Нагрузка ветровая. Нормы и метод определения». ЕЕ подразделяют на ветровую нагрузку рабочего состояния (при действии этой нагрузки кран должен нормально работать) и нагрузку нерабочего состояния (при действии этой нагрузки кран и его механизмы не работают).

Ветровая нагрузка состоит из суммы статической и динамической составляющих. Динамическую составляющую, вызываемую пульсацией скорости ветра, учитывают только при расчете на прочность металлоконструкций и при проверке устойчивости крана против опрокидывания.

Статическая ветровая нагрузка зависит от распределенной ветровой нагрузки Р на данной высоте и расчетной площади металлоконструкции крана и груза А

F_ст.в = Р∙А

Расчетную площадь конструкции и груза определяют по фактическим данным в соответствии с Приложением I к ГОСТ 1451-77. При отсутствии данных в задании на проектирование площадь груза рекомендуется ориентировочно принимать в зависимости от массы:

Масса груза, Т 0,5 1,0 2,0 5,0 10 16 20 50 100

Площадь груза, м² 2,0 2,8 4,0 7,1 10 14 16 28 36.

Распределенную ветровую нагрузку находят по формуле:

Р = g∙К∙C∙n ;

где q - динамическое давление в зависимости от скорости ветра принимают по табл. 1.11.

Табл. 1.11. Динамическое давление.

Назначение крана	Скорость ветра м/c	Динамическое давление, Па
Строительные, монтажные, а также стреловые самоходные общего назначения Все типы кранов, устанавливаемые в речных и морских портах Устанавливаемые на объектах, исключающих возможность перерыва в работе	14,0 20,0 28,5	125 250 500

К - коэффициент, учитывающий повышение динамического давления ветра в

зависимости от высоты расположения крана над поверхностью земли:

Высота, м до 10 20 60 100 200 350 и выше

Коэффициент (К) 1,0 1,25 1,75 2,1 2,6 3,1

С - коэффициент аэродинамической силы принимают равным:

С = 0,8…1,2 - для трубчатых конструкций;

С = 1,2 - для коробчатых конструкций, прямоугольных кабин,

противовесов, канатов, груза;

С = 1,5 1,6 - для балок с выступающими поясами и наружными ребрами, плоских ферм;

n - коэффициент перегрузки, n = 1 - для нагрузок рабочего состояния;

n = 1,1 - для нерабочего состояния.

Груз считают находящимся в крайнем верхнем положении. Ветровую нагрузку принимают не менее 500Н.

Ветровую нагрузку нерабочего состояния определяют аналогично как для рабочего состояния.

Динамическое давление принимают в зависимости от района территории РФ (всего семь районов) q = 250, 350, 450, 550, 700, 850, 1000 Па. Если район точно не известен, то q принимают равным q = 450 Па, что соответствует третьему району.

В расчет вводят коэффициент перегрузки, n = 1,1, если делают расчет метало-

конструкций по методу предельного состояния.

Снеговую нагрузку определяют как произведение горизонтальной проекции воспринимающей поверхности на давление снега q_c = 500…2000 Па в зависимос-ти

от климатической зоны. Для средней полосы европейской части РФ и Сибири она равна 1000 Па.

Инерционные нагрузки в кранах возникают при пускотормозных процессах. При определении нагрузки растяжения или сжатия умножают ускорение (замедление) а центра масс на сумму тех масс m_j, которые вовлекаются в движение данным звеном: F_j = a∙m_j; при вращательном

движении определяют крутящий момент сил инерции T_j = ε∙j_i , где ε - угловое ускорение;

j_i - момент инерции движущихся

масс.