Снесарев-Тибанов - Расчет металлоконструкций ПТМ (1985)
.pdfМинистерство высшего и среднего специального образования.
Г.А. Снесарев, В.П. Тибанов
Утверждено редсоветом МВТУ как учебное пособие
Учебное пособие по проектированию и расчету металлоконструкций подъемно-
транспортных устройств
Под редакцией Г.А. Снесарева
Москва, 1985
Предисловие
Настоящее учебное пособие предназначено для помощи студентам при выполнении курсового проекта по грузоподъемным машинам в части металлических конструкций.
В рекомендациях по выбору основных размеров элементов металлоконструкций использованы статические данные, поэтому предварительные размеры уточняются по результатам расчета на жесткость и прочность. В большинстве случаев определяющим фактором является жесткость.
Порядок выполнения работы над проектом металлоконструкции крана.
1.Выбирают тип металлоконструкции (балочный, ферменный, смешанный) и ее генеральную геометрическую схему.
2.Назначают размеры элементов основных сечений.
3.Проверяют прогиб в точке приложения груза и, при необходимости, уточняют размеры сечений.
4.Определяют веса главных частей крана.
5.Находят напряжения в опасных сечениях главных частей металлоконструкции и, при необходимости, вносят изменения в размеры сечений.
6.Окончательно отрабатывают конструкцию.
Расчет времени затухания колебаний не обязателен, его проводят по согласованию с консультантом после определения веса частей крана.
1.Типы крановых металлоконструкций и тенденции их
развития
Крановые металлоконструкции бывают балочные, ферменные и смешанные.
Балки – это металлоконструкции, работающие, в основном, на изгиб. Фермы – металлоконструкции, состоящие из стержней, работающих под осевой нагрузкой. Смешанные конструкции включают балочные и ферменные элементы.
Балки более технологичны и надежны, имеют меньшие строительные высоты. Фермы легче и имеют меньшее время затухания колебаний.
Балки применяют в металлоконструкциях малых и средних размеров (стационарные поворотные краны, консольные краны, кранбалки, мостовые краны), в которых увеличение веса еще невелико, при серийном производстве, требовательном к технологичности, и при
2
тяжелых режимах эксплуатации, нуждающихся в повышенной надежности. Фермы целесообразны для средних и больших размеров (башенные краны, козловые краны, перегружатели), при индивидуальном производстве и ненапряженных режимах эксплуатации.
Интенсификация использования кранов и повышение роли технологичности создали устойчивую тенденцию расширения области применения балок.
2.Материалы и сортамент
Крановые металлоконструкции в основном изготовляют из стали марки Ст3. При температурах ниже –400С используют сталь марки М16С. Низколегированные стали целесообразно применять только там, где удается полностью использовать их повышенную прочность. Обычно это возможно лишь при грузоподъемностях Q>=500кН.
Стали марок Ст3 и М16С отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью, низкой стоимостью, но небольшой прочностью (σт=220H/мм2). Последнее не столь важно, так как в легких кранах обычно лимитирует не прочность, а жесткость и устойчивость.
Строительный прокат (уголки, швеллеры и т.п.) используют, главным образом, при изготовлении рам. Для основных металлоконструкций кранов применяют лист, гнутый профиль и трубы, которые позволяют создавать более рациональные сечения и уменьшать вес кранов.
В качестве рельсов используют для опорных кранов – железнодорожные рельсы, специальные крановые рельсы типа КР, плоские рельсы из брусьев прямоугольного сечения; для крановых тележек железнодорожные рельсы узкой колеи; для подвесных кранов (электроталей и монорельсовых тележек) – двутавры или пояса сварных балок.
Для соединения деталей используется сварка автоматическая под слоем флюса или ручная электродом марки Э42.
3.Общие рекомендации по проектированию
Следует уменьшать зону, которую занимает металлоконструкция, особенно под краном. Например, вариант б) на рис. 3.1 лучше, чем а).
Нужно уменьшать суммарную длину главных элементов. Поэтому при постоянном вылете вариант б) на рис. 3.2 лучше, так как вес его меньше, а жесткость больше.
3
Металлоконструкции должны иметь простые геометрические формы.
Вбольшинстве случаев металлоконструкции выполняют цельносварными. Транспортные разъемы предусматривают, если длина превышает 32м или ширина – 4м. Разъемы не обязательно делать шарнирными, обычно достаточно болтового стыка фланцевого типа.
Используемый сортамент (толщина листов, диаметры труб и толщины их стенок, типы гнутых профилей, номера угольников, швеллеров и т.п.) необходимо ограничивать. Особенно важно сокращение номенклатуры труб. Трубы с переменным сечением по длине в индивидуальном и мелкосерийном производстве применять не следует. Гнутые профили, по возможности, следует делать с постоянным сечением. Балки необходимо конструировать с учетом использования автоматической сварки.
Вбалках наиболее полно используется материал поясов. Поэтому для уменьшения их веса основную часть материала следует сосредоточивать в поясах.
Высокие стенки балок целесообразно облегчать окнами. Тогда внутри балки можно разместить электрооборудование. Одновременно эти окна решают задачи технической эстетики.
Вбалках переменного сечения целесообразно изменять только высоту, оставляя ширину постоянной. Ширина листов или полос для того, чтобы исключить обрезку по длинной стороне.
Места крепления к колонне подкосов, стрел и оттяжек следует приближать к опорам.
Канаты и прутки в качестве оттяжек применять нельзя.
При механическом приводе поворота нужно увеличивать горизонтальную жесткость ферм и усиливать стыки стержней м колонной при помощи ребер, накладок и т.п.
4
Катет сварных швов предварительно следует назначать равным толщине более тонкого элемента в стыке. Размеры сечения шва уточняют по результатам расчета на прочность.
4. Выбор основных размеров
Ниже приводятся рекомендации, соответствующие опытным данным и обеспечивающие жесткость металлоконструкции, близкую к нормированной. Размеры сечения уточняют по результатам проверки прогиба.
4.1.Краны с внешней опорой.(рис. 4.1, 4.2, 4.3, 4.4)
Стержни целесообразно выполнять из труб. Их диаметр должен быть у сжатого стержня не менее 1/40 свободной длины. У растянутого не менее 1/50. Диаметр колонны dкол≈(1/40..1/50)L. В простых кранах целесообразно использовать трубу одного диаметра.
Высота балки по условиям жесткости h=L/25.
Наиболее выгодны по массе балки коробчатого сечения (рис.4.3).
h ≈ 0,8 4 QL 2
5
Высота балки
Ширина балки b=0,5h
Толщина стенки δст=(1/100…1/160)h
Толщина верхнего пояса δп.в.=(1,25…1,6)δст Толщина нижнего пояса, если он служит рельсом для колес
электротали или тележки δп.н.=(3Fп/[σ])1/2, где Fп – подвижная нагрузка от колеса, Н (см. ниже 8.2); [σ] – допускаемое напряжение на изгиб, Н/мм2. Если вылет постоянный, то δп.в.= δп.н..
Размер |
выбирается |
по условию |
размещения ходового колеса. |
|
|
Предварительно можно |
принимать |
|
=0,5D, где D –диаметр ходового колеса.
Для крана, изображенного на рис.4.4 h≈0,9(QL2)1/4; Dкол≈0,5(QLHкол)1/4.
4.2 Краны с неподвижной колонной (рис. 4.5 и 4.6) Схема, показанная на рис. 4.5, удобна для кранов с ручным
поворотом и неполноповоротных с машинным приводом, когда электропитание можно осуществить гибким кабелем. При наличии противовеса эту схему применять не рекомендуется, в этом случае лучше схема, приведенная на рис. 4.6.
Высота балки |
h≈(Q·L2)1/4. |
Диаметр колонны |
Dкол=0,63(Q·L·Hкол)1/4. |
Толщина стенки колонны |
δкол=(0,05…0,08)Dкол |
Ширину балки b, расстояние между опорами hп, толщину стенки δст и толщину поясов δп.в. выбирают как на рис. 4.3
Момент инерции колонны Jкол≈0,32(Dкол)3·δкол
6
Схема 4.6 удобна для полноповоротных кранов, когда механизм поворота можно расположить на земле или при наличии противовеса.
Размеры сечения стрелы и внутренней колонны аналогичны тем, что приведены на рис.4.5. Диаметр наружной колонны Dнар и толщину ее стенки (~0,05Dнар) выбирают конструктивно так, чтобы зазор между колоннами был равен 5…10мм.
4.3.Краны на поворотной платформе (рис. 4.7.)
В зависимости от схемы стрелы размеры сечений выбирают на основании рекомендаций по рис.4.1 или 4.3.
Высоту рамы, на которой монтируется стрела, принимают около 0,1 ее длины.
4.4.Электрокран-балки (рис.4.8)
Jув = J0[0,2 +0,8(hhув )2 ]
0
Главные балки выполняют из двутавров. Высота h>=L/20. Если балка по этому соотношению получается очень тяжелой, то целесообразно использовать прием, показанный на рис. 4.9 и позволяющий увеличивать высоту балки до 75%.
Момент инерции такой расставленной балки
где J0 – момент инерции исходной балки; h0 – ее высота. Высота концевой балки hк.б.≈D (диаметр колеса). Ширина концевой балки bк.б.≈0,5hк.б.
7
База кран-балки Б>=L/8.
Горизонтальная жесткость соединения главной и концевых балок должна быть обеспечена фасонками, ребрами и т.п.
8
|
4.5 Мостовые краны (рис.4.10) |
Высота балки |
h≈0,36(QL2)4>=L/20. |
Ширина балки |
b≈0,4h |
Толщина стенки |
δст≈(1/100…1/250)h = 3..6мм |
Толщина поясов |
δп≈(1..2)δст. |
Если высота балки по формуле получается меньше L/20, то толщину стенок и поясов принимают вблизи нижнего предела, если больше – то около верхнего предела.
Размер K определяют при проектировании тележки.
5.Деформации
В легких кранах (Q<=50kH) размеры сечений в большинстве случаев определяются не прочностью, а общей жесткостью и устойчивостью деталей. Поэтому расчет металлоконструкции следует начинать с проверки деформации при размерах, определенных по указаниям гл.4. Деформации определяют только от переменной нагрузки – груза и веса тележки. Собственные веса создают постоянные деформации, не меняющиеся во времени, и поэтому их не учитывают.
Деформации ограничивают для удобства работы с краном и для того, чтобы исключить длительно незатухающие колебания.
9
5.1.Общий способ определения перемещений fст = ∑∫MQEJM1dX +∑FEAQF1l = ∑∫M1EJ2Qdx +∑FEA12Ql
Вертикальная составляющая перемещения (прогиб) в точке приложения веса груза.
где MQ и FQ, M1 и F1 – соответственно момент в балке и усилие в стержне от переменной и единичной вертикальной нагрузки;
Е=2·105 Н/мм2 – модуль упругости; J – момент инерции сечения, мм4; А
– площадь сечения стержня, мм2; l – длина стержня, мм. Размерность силы – Н, момента – Н·мм.
Впростых фермах с небольшим числом стержней усилия в стержнях обычно определяют методом вырезания узлов. В сложных фермах чаще используется диаграмма Кремоны, построение которой приведено на рис.5.1.
Вточке приложения веса груза помещается вертикальная единичная сила, от воздействия которой определяют опорные реакции. На рис. 5.1 вертикальная и горизонтальная составляющие реакции в нижней опоре показаны раздельно, но могут быть заменены равнодействующей.
Плоскость чертежа фермы делиться на отдельные поля, ограниченные силами и стержнями.
Внешние поля индексируются цифрами по часовой стрелке. Число внешних полей равно числу внешних сил, в данном случае четырем. Внутренние поля между стержнями индексируются по соображениям удобства, например по порядку.
Строят многоугольник внешних сил, его вершины обозначают номерами полей при обходе по часовой стрелке. Тогда, например, реакция в верхней опоре будет обозначена отрезком 1-2, единичная сила
–отрезком 2-3, вертикальная реакция отрезком 3-4. Чередование этих
10