Методическое пособие 791

Коэффициент изменчивости К2 определяется по формуле для нерабочего состояния

Коэффициент пульсации ветра knв принимают по табл. 3.2.

Коэффициент динамичности ξн, определяют по формуле для нерабочего состояния крана

Мерой устойчивости крана от опрокидывания является коэффициент устойчивости, вычисляемый по формуле

Примечание.

В формулах (3.4), (3.13), (3.15), (3.18), (3.22) знак действия (+) или (-) перед rцт соответствует положению, когда центр тяжести крана и сила тяжести грузового полиспаста располагаются по разные стороны относительно оси вращения крана. Если указанные силы действуют по одну сторону от оси вращения крана, то знак действия перед rцт меняют на противоположный.

3.4. Построение грузовой характеристики башенного крана

Построение грузовой характеристики проектируемого крана в курсовом проекте выполняется после проверки его грузовой и собственной устойчивости.

Грузовая характеристика башенного крана может быть построена из условия обеспечения устойчивости крана против опрокидывания при подъеме номинального груза без учета действия дополнительных нагрузок и коэффициентом устойчивости Куст = 1,4. Для построения графической грузовой характеристики башенного крана с балочной стрелой можно пользоваться формулой

Для удобства использования эту формулу представляют в следующем виде

Обозначения в этой формуле соответствуют рис. 3.1. Положение центра тяжести крана должно быть определено вместе с балочной стрелой.

Задавая значения расстояния от ребра опрокидывания до груза lгр c шагом 1м , вычисляют соответствующие значения грузоподъемности Q, т. По полученным результатам строят графическую зависимость в координатах: вылет груза – грузоподъемность.

Для построения грузовой характеристики крана с наклоняемой стрелой используют формулу

61

Задавая значения угла α наклона стрелы к горизонту через 5° в диапазоне от 0° до 70°, вычисляют массу поднимаемого груза Q. Этому грузу на графике будет соответствовать вылет LQ = XC + lC · cos α. В расчетной схеме на рис. 3.1 положение центра тяжести Gкр должно быть определено без учета силы тяжести стрелы.

На рис. 3.4 показана грузовая характеристика крана третьей размерной группы с грузовым моментом 100 т·м. В диапазоне вылетов от 12,5 м до 24,5 м грузоподъемность крана зависит от вылета груза так, что грузовой момент не превышает 100 т·м. При вылете 12,5 м и менее грузоподъемность не должна превышать 8 т. Механизм подъема груза должен быть рассчитан на грузоподъемность 8 т.

Рис. 3.4. Грузовая характеристика башенного крана третьей размерной группы

4. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА ПО ГРУЗОПОДЪЕМНЫМ КРАНАМ

Учебное проектирование в рамках выполнения курсового проекта по дисциплине "Грузоподъемные машины и оборудование" должно дополнить и закрепить полученные по этой дисциплине теоретические знания. Заданием на проектирование в рамках подготовки специалистов и бакалавров по направлениям 23.03.02 "Наземные транспортно-технологические комплексы" и 23.03.03 "Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов", в полной мере отвечающее изучаемой дисциплине, может быть проектирование строительного башенного или автомобильного крана.

Учебный проект на тему "Башенный кран с поворотной (неповоротной) башней" состоит из расчетно-пояснительной записки и чертежей.

Расчетно-пояснительная записка к проекту содержит следующие разделы: Введение.

1.Назначение и конструкция грузоподъемного крана.

2.Общий расчет крана.

3.Кинематический и статический расчет механизмов.

4.Расчет на прочность несущих деталей механизма по индивидуальному заданию.

5.Организация безопасной эксплуатации башенного грузоподъемного крана.

6.Список используемой литературы.

62

Введение должно раскрывать современные тенденции развития строительных башенных кранов.

Первый раздел расчетно-пояснительной записки содержит параметры проектируемого крана в соответствии с вариантом задания (табл. П.1), краткое описание его конструкции, назначение и условия применения с точки зрения его технических возможностей. Должны быть освещены вопросы эксплуатационной технологичности и эргономики конструкции.

Во втором разделе записки приводят общие расчеты проектируемого крана. Общий расчет башенного крана предполагает определение геометрических размеров всего крана и отдельных его элементов, отвечающих поставленной задаче. Для строительного башенного крана такой задачей является перемещение грузов определенной массы и размеров от мест их складирования на строительной площадке в зону их установки и монтажа.

Общие расчеты включают в себя определение конструктивных размеров и массы отдельных агрегатов и всей машины, определение внешних нагрузок на машину в принятых расчетных положениях, проверку на устойчивость от опрокидывания с определением расчетной величины коэффициента устойчивости.

Втретьем разделе выполняют статический и кинематический расчет основных механизмов крана, производят динамические расчеты с определением времени пуска и торможения механизма. Все расчеты должны сопровождаться необходимыми расчетными схемами с обозначением размеров элементов, действующих сил, видов закрепления опор.

Вчетвертом разделе выполняют расчет основных деталей проектируемого механизма на прочность и долговечность; определяют нагрузки на детали и действующие напряжения в опасных сечениях с обоснованием выбора применяемых материалов.

Впятом разделе приводят краткие сведения по организации безопасной эксплуатации грузоподъемной техники в соответствии с действующими Федеральными нормами и правилами безопасности опасных производственных объектов, на которых используются подъемные сооружения. Должны быть приведены обязанности лиц службы надзора, ответственного за исправное состояние грузоподъемного крана, ответственного за безопасное производство работ грузоподъемными кранами.

Вконце записки приводят список литературы, использованной при выполнении курсового проекта. Содержание записки располагают в ее начале после листа задания.

Оформление записки выполняется в соответствии с правилами ЕСКД на листах формата А4 на одной стороне листа с компьютерной печатью. Все расчеты должны сопровождаться схемами, эпюрами, сечениями с указанием геометрических размеров. Текст записки должен быть лаконичным. Формулы необходимо сначала давать в общем виде с буквенными обозначениями, а затем с подстановкой цифровых величин, после чего должен следовать окончательный цифровой результат с указанием его размерности. После этого должна следовать расшифровка параметров формулы. Все расчеты должны иметь проверочный характер для заранее просчитанных размеров сечений элементов конструкции. Предварительные расчеты в пояснительную записку не вносятся. При использовании нормативных данных, формул, специальных приемов расчета следует давать ссылку на литературный источник по ходу текста записки согласно списку использованной литературы, проставляя источник в косых скобках (/8/). Список литературы составляется в алфавитном порядке фамилий авторов с полным названием издательства, местом и годом издания. Титульный лист курсового проекта студенты оформляют самостоятельно. Титульный лист расчетно-пояснительной записки к курсовому проекту выполняют по принятой форме.

Графическая часть проекта состоит из 4-х листов чертежей формата А1.

Первый лист графической части проекта содержит боковую проекцию крана в виде расчетной схемы, выполненной строго с соблюдением масштаба размеров крана. На боковой проекции крана должно быть обозначено положение расчетного центра тяжести крана. Фронтальная проекция может отражать фрагмент крана с наибольшим габаритным разме-

63

ром. В правом верхнем углу листа чертежа приводится техническая характеристика крана, включающая исходные параметры задания и параметры, полученные в результате выполнения проекта. На листе должны быть приведены схемы запасовки канатов и кинематические схемы механизмов с обозначением расчетных параметров рабочего органа механизма, редуктора, двигателя. На чертеже проставляются габаритные размеры и размеры, характеризующие машину по основным техническим данным (колея, база, максимальные вылет и высота подъема груза, задний габарит). На чертеже должны быть обозначены позиции сборочных единиц крана и выполнена спецификация общего вида крана по правилам ЕСКД. Спецификация подшивается к пояснительной записке. Пример выполнения первого листа графической части проекта приведен в прил. 2.

На втором листе графической части проекта выполняется заданный для проектирования механизм крана. По индивидуальному заданию это может быть механизм подъема груза, механизм поворота крана, механизм передвижения крана, механизм изменения вылета груза. На чертеже механизма должны быть изображены две или три его проекции с дополнительными разрезами и сечениями при необходимости, должны быть указаны технические требования на сборку. На этом чертеже проставляются все необходимые для сборки механизма размеры: установочные, присоединительные, межцентровые, габаритные, посадки по всем соединениям деталей, обозначены позиции входящих в механизм узлов и деталей. Спецификация к чертежу выполняется по правилам ЕСКД и подшивается к пояснительной записке. Механизм на чертеже изображается установленным на опорной металлоконструкции (раме). Пример выполнения второго листа графической части проекта приведен в прил. 3.

На третьем листе проекта разрабатывается сварная металлоконструкция, которая должна быть функционально связана с механизмом. Для грузоподъемной или стрелоподъемной лебедки это может быть металлоконструкция рамы, на которой механизм размещают так, чтобы получалась блочная конструкция, удобная (технологичная) для монтажа и ремонта. Для механизма передвижения крана рекомендуется разработать корпус ходовой тележки. Механизм поворота органически связан с металлоконструкцией поворотной платформы. Разрабатываемой металлоконструкцией механизма изменения вылета у кранов с балочной стрелой может быть рама грузовой каретки. Во всех случаях чертеж металлоконструкции в проекте должен полностью соответствовать разрабатываемому механизму. На чертеже должны быть обозначены все размеры, необходимые для сборки самой металлоконструкции, размеры для установки на ней механизма, обозначены сварные швы и общие технические требования к готовой металлоконструкции.

На четвертом листе проекта изображаются рабочие чертежи деталей, которые входят в разрабатываемый механизм или металлоконструкцию. Чертежи деталей выполняются на формате А4 или А3. На формате А1 должно быть размещено 4-6 деталей. Детали для проектирования согласовываются с преподавателем. К таким деталям относятся грузовые крюки, барабаны лебедок, ходовые колеса, траверсы крюков, оси блоков, валы, подшипниковые опоры валов, крышки опор подшипников, зубчатые колеса и т.д. Проектируемые детали в разрабатываемом механизме должны воспринимать основную рабочую нагрузку и должны быть рассчитаны на прочность и долговечность. Конфигурация и размеры деталей должны полностью соответствовать деталям, изображенным на сборочном чертеже механизма.

На рабочих чертежах деталей должны быть проставлены размеры, необходимые для их изготовления и контроля, допустимые отклонения размеров, сопрягаемых с другими деталями, шероховатость поверхностей, масса детали, технологические уклоны и радиусы закруглений, термообработка, технические требования на изготовление деталей. В угловом штампе чертежа должен быть обозначен материал детали и ее масса. Пример выполнения рабочих чертежей деталей показан в прил. 4.

64

5.ПРИМЕР ОБЩЕГО РАСЧЕТА БАШЕННОГО КРАНА

СНЕПОВОРОТНОЙ БАШНЕЙ

5.1.Параметры задания для общего расчета крана с неповоротной башней

Грузоподъемность Q – 4 т на максимальном вылете;

Грузовой момент Мгр – 96 т·м; Вылет максимальный L0 – 24 м;

Скорость подъема груза Vгр – 0,25 м/с; Время полного изменения вылета ТВ – 80 с; Скорость передвижения крана Vкр – 0,3 м/с; Частота поворота крана nкр – 0,65 об/мин; Ветровой район установки крана – III;

Модель крана по рис. 2 к табл. П.1 – 1 (кран башенный с неповоротной башней и маневровой стрелой).

5.2. Краткая характеристика проектируемого крана

Проектируемый башенный кран можно использовать для возведения промышленных и гражданских зданий. Эксплуатационными достоинствами такого крана является большой объем подстрелового пространства, удобная организация строительно-монтажных работ при минимальных размерах строительной площадки, достаточная для этих видов работ грузоподъемность и высота подъема грузов. Башню крана можно наращивать, что позволяет рационально вести строительно-монтажные работы. Кран достаточно легко транспортировать. Его можно перевозить на специальных подкатных тележках с минимальной разборкой. Кран можно смонтировать на подготовленной площадке в течение одной смены. Унификация узлов существующих башенных кранов обеспечивает им высокую надежность, снижает сроки и стоимость их изготовления и ремонтов.

Вместе с тем, следует помнить, что башенные краны занимают третье место по аварийности со смертельным исходом персонала после автомобильных и мостовых кранов, а основной причиной аварий является несоблюдение требований Федеральных норм и правил по

безопасной эксплуатации опасных производственных объектов (ОПО).

65

блоками стрелы 14 и грузовым канатом образуют грузоподъемный полиспаст. Кабина управления 15 прикреплена к поворотной секции оголовка башни крана. На опорной раме при необходимости размещают балласт 16.

5.3. Определение ориентировочной массы крана и его элементов

Предварительно выбираем прототип для проектируемого крана с целью контроля определяемых параметров. Рациональную высоту подъема груза при заданном вылете L0 и горизонтальной стреле определяем по формуле (2.4)

Нгр= 1,6(L0 - 6) = 1,6(24 - 6) = 28,8 м.

Высоту до опорного шарнира стрелы определяем по формуле (2.5)

Н0 = Нгр+ 4 = 28,8 + 4 =32,8 м.

Принимаем высоту крана до опорного шарнира стрелы Н0 = 33 м. Прототипом крана может служить кран третьей размерной группы с грузовым моментом до 100 т·м – КБ100.3А (табл. 2.1). Другие параметры этого крана приведены в табл. П.6. Этот кран с поворотной башней и приблизительно такими же геометрическими параметрами имеет конструктивную массу 34 т, общую массу с балластом и противовесом – 85 т, максимальную грузоподъемность – 8 т.

Эмпирическая формула (2.2) общей массы крана с неповоротной башней и маневровой стрелой дает следующий результат

тко 0,35 Мгр 3 H0 / Q 0,35 96 3 33 / 4 67,89 68 т.

Эмпирическая формула (2.3) конструктивной массы крана с неповоротной башней и маневровой стрелой дает следующий результат

ткк= тудМН0 = 10∙96∙33 = 31680 кг ≈ 32 т.

Сравнивая полученные результаты с параметрами прототипа, принимаем за исходные величины:

–конструктивную массу крана ткк ≈ 34 т;

–общую массу крана тко ≈ 68 т;

–погонную массу металлоконструкции башни[5] qб = 0,4 т/м;

–погонную массу металлоконструкции стрелы qc = 0,15 т/м;

–погонную массу металлоконструкции портала qп = 0,5 т/м.

Массу составляющих элементов крана c неповоротной башней и балочной стрелой оп-

66

Окончательно общую ориентировочную массу крана для дальнейших расчетов примем

тко = Σтi = т1+т2+…+т16 ≈ 72,5 т.

При проверке устойчивости крана против опрокидывания возможна корректировка массы балласта или массы контргруза. Эти элементы помечены звездочкой "*".

5.4. Разработка расчетной схемы крана

Расчетную схему крана (рис. 5.4) строим в координатах Х-У-Z. Ось Х принимаем по уровню опорных точек крана на головки рельсовых нитей в плоскости чертежа. Ось У располагаем в плоскости чертежа на оси вращения крана. У крана с неповоротной башней она будет совпадать с осью башни. Ось Z перпендикулярна плоскости чертежа. Размеры элементов вдоль оси Х названы "длина" с обозначением "l"; размеры вдоль оси У названы "высота" и обозначены "h"; вдоль оси Z – "ширина", "b". Геометрические характеристики крана определены в следующем порядке.

1. По графику на рис. 2.2 определяем колею крана по рельсовым нитям в зависимости от заданного грузового момента Мгр = 96 т·м и округляем полученную величину с точностью до 0,5 м. Получаем К ≈ 5,5 м. Вычисляем величину К по эмпирической формуле [5]

К = 3,7+ 2,9 lg(MгрН0/1000) = 3,7+2,9 lg(96∙30/1000) ≈ 5 м.

Сравнивая полученные величины с аналогичным параметром прототипа в табл. П6, у которого К = 4,5 м, принимаем К = 5 м. Базу Б крана принимаем равной колее Б = 5 м.

2.Ходовую раму крана принимаем плоского типа с возможностью установки подкосов для крепления корневой секции башни. Такая рама состоит из четырех балок, образующих квадратный опорный контур (рис. 5.2). Продольная и поперечная жесткость опорного контура обеспечивается диагональными балками, которые служат опорой для корневой секции башни.

Эти балки имеют проушины для присоединения подкосов. Все элементы ходовой рамы

икрепление к ней корневой секции с подкосами соединяют между собой пальцами. Углы ходовой рамы имеют специальные площадки со стаканами для опоры на ходовые тележки. Поперечное сечение диагональных балок ходовой рамы предварительно принимаем 500×500 мм.

Сечение b×h стяжных балок опорного контура принимаем 200×400 мм. На чертеже высота ходовой рамы hхр= 0,5 м.

3.Рациональным вариантом механизма передвижения крана может быть применение унифицированных ходовых тележек. Учитывая массу крана и грузовой момент, предварительно определяем ориентировочную опорную реакцию на тележку по формуле:

Rоп=[(mkp+Q)/4 + Mгр/(1,41Б)]g = [(72+4)/4 + 96/(1,41∙5)]9,81 ≈ 320 кН.

67

Для механизма передвижения применим четыре унифицированные двухколесные тележки с диаметром колес 500 мм. Грузоподъемность тележки 400 кН. Две из них комплектуем приводным агрегатом ПК-6,3. Масса такой тележки составляет 1060 кг. Масса тележки без приводного агрегата 690 кг. Общая масса механизма передвижения составит 3,5 т. Высота тележки hm= 1000 мм.

Проверка колес на контактную и усталостную прочность выполняется при расчете механизма передвижения крана.

Рис. 5.2. Чертеж сборной ходовой рамы крана

4.Корневая секция башни с подкосами образует опорную часть башни – портал. Высо-

та портала от опоры на ходовую раму до крепления подкосов hпт принимаем равной базе крана hпт= Б = 5 м. На рис. 5.3 показана установка и крепление корневой секции башни подкосами на ходовой раме.

5.Размер поперечного сечения неповоротной башни выбираем по графику на рис. 2.6.

При грузовом моменте 96 т·м и высоте башни hб не более 40 м внешний размер lб×bб поперечного сечения башни принимаем 1,8×1,8 м. Корневая секция башни имеет такой же внешний размер сечения. Расчетная высота колонны башни будет равна

hкб = Н0 - hт- hхр- hпт = 33-1-0,5-5 = 26,5 м.

Верхнюю часть башни конструктивно оформляем для крепления на ней опорноповоротного устройства в соответствии с рис. 1.27.

6. Стандартное опорно-поворотное устройство роликового типа выбираем по действующим на него вертикальной нагрузке и грузовому моменту. Вертикальная теоретическая нагрузка Vопу т. на опорно-поворотное устройство равна силе тяжести поворотной части крана с номинальным грузом

Vопу т.= (т7+т8+…+т15+m16+Q)g =

= (3,5+0,8+7+1,28+1,28+0,45+4+0,8+0,48+0,48+4)9,81 = 236,12 кН ≈ 0,24 МН;

Грузовой момент в меганьютонах Мгр= 96 ∙9,81 ≈ 942 кН∙м = 0,942 МН∙м.

68

Рис. 5.3. Крепление корневой секции башни к ходовой раме

Для башенных кранов при выборе ОПУ теоретические нагрузки (вертикальную силу и грузовой момент) умножаем на коэффициент 1,2

Vопу = 0,24∙1,2 = 0,288 МН; Мгр = 0,942∙1,2 =1,13 МН.

Из табл. 2.5 видно, что опорно-поворотным устройством, отвечающим расчетным нагрузкам, является опорно-поворотное устройство № 6.

По справочнику [8] в табл. VI.4.1 определяем конструктивные параметры роликового опорно-поворотного круга № 6 с внутренним зубчатым венцом:

Диаметр Dопу = 1600 мм; высота Нопу = 115 мм; масса т6 = 590 кг; число зубьев z = 102; модуль топу = 12.

7. Высоту оголовка башни определяем из условия входа на него стрелоподъемного каната. Угол наклона каната к горизонтальной стреле на максимальном вылете принимаем α = 15°

hог= L0 ∙ tg α = 24 ∙ 0,268 ≈ 6,5 м.

8. Противовесную консоль (контрстрелу) крепим шарнирно к поворотному оголовку со стороны, противоположной стреле. Длина контрстрелы определена задним габаритом крана. Задний габарит крана с неповоротной башней определяем по графику на рис. 2.9 в зависимости от грузового момента. При грузовом моменте 96 т·м получаем размер заднего габарита lзг ≈ 15 м. С учетом анализа прототипов длину противовесной консоли, достаточную для размещения на ней механизмов и контргруза, принимаем lзг = 12 м. Ширину bкс консоли с учетом размещения на ней механизмов шириной 1800 мм и удобства их обслуживания принимаем равной ширине башни bкс = 1,8 м.

69

9. Контргруз размещаем на противовесной консоли на максимальном удалении от оси башни. Размеры железобетонного контргруза с плотностью ρ = 2,1 т/м3 назначаем исходя из ширины противовесной консоли. При высоте контргруза hкг= 1,6 м и ширине bкг = 1,5 м длина контргруза

lкг = m9 / bкг× hкг×ρ = 7/1,6×1,5×2,1 ≈ 1,4 м.

10. Стрела крана в боковой проекции имеет трапециевидную форму. Максимальную длину нижнего пояса стрелы lc от оси головных блоков до оси шарниров крепления к башне вычисляем с учетом размера проушин опорного шарнира на оголовке башни

lc = L0 – (Lб/2 + Lшс)= 24 – (1,8/2 + 0,25) = 22,85 м.

Стрелу в поперечном сечении принимаем треугольной формы. Рациональная высота сечения стрелы составит

hc ≈ 0,06L0 = 0,06∙24 ≈ 1,4 м.

Ширину стрелы принимаем

bс ≈ 0,75hc = 0,75∙1,4 ≈ 1,1 м.

При угле наклона стрелы к горизонту 70° ее горизонтальная проекция составит

lcг = lc соs70° = 22,85∙0,342 = 7,8 м.

Минимальный вылет составит при этом

Lмин= lcг + lб/2 +Lшс = 7,8 + 1,8/2 + 0,25 = 8,95 м.

11. Размер кабины крановщика принимаем по нормам, установленным Ростехнадзором. Объем кабины должен быть не менее 3-х м3. Высоту кабины принимаем h14 = 2,1 м; ширину

– b14= 1,2 м; длину – l14= 1,5 м. Объем такой кабины составит

Vк = 2,1×1,2×1,5 = 3,78 м3.

12. Размеры грузоподъемной и стрелоподъемной лебедок принимаем согласно таблице 2.7, составленной для унифицированных лебедок. Для этого предварительно определим тяговое усилие каждой лебедки. При двухкратном грузовом полиспасте тяговое усилие грузоподъемной лебедки составит не менее 20 кН, стрелоподъемной лебедки при четырехкратном полиспасте – не менее 30 кН.

Размеры грузоподъемной лебедки принимаем l11×b11×h11 = 1,1×1,8×0,6 м. Размеры стрелоподъемной лебедки принимаем l10×b10×h10 = 1,38×2,5×0,68 м. Размеры механизма

поворота l12×b12×h12 = 0,7×0,6×1,2 м.

13. Размеры блоков грузового и стрелового полиспастов предварительно принимаем

115 ×h15 ×b15 = 116 ×h16 ×b16 = 0,4×0,4×0,1 м.

Размер Во обоймы блоков полиспаста принимаем в зависимости от кратности полиспаста. Габаритный размер Во для двухкратного полиспаста составит

70