Расчет механизма поворота крана на колонне

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный технический университет

им. Н.Э. Баумана

Калужский филиал

В.А. Ермоленко

РАСЧЕТ МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА КРАНА НА КОЛОННЕ

Методические указания

Москва 2003

УДК621.86

ББК39.9

Е74

Рецензент:

канд. техн. наук, доцент Т.А. Никольская

Утверждено методической комиссией КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана (протокол №2 от 08.11.2000)

Е74 Ермоленко В.А. Расчет механизма поворота крана на колонне: Методические указания. -- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. -- 32 с.

Дана методика и пример расчета опорно-поворотного устройства и механизма поворота крана на колонне грузоподъемностью 4 т. Приведены расчеты противовеса, подшипников, колонны и муфты предельного момента. Рассмотрены процессы пуска и торможения. Приложения включают необходимый справочный материал.

Для студентов, обучающихся по специальности 170900 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Кран на колонне (рис. 1, а) состоит из стрелы 1, гильзы 2, колонны 3, опорной рамы 4, противовеса 5, механизма поворота 6, упорного подшипника 7, нижнего и верхнего радиальных подшипников 8 и 9, тали 10.

Рис. 1. Кинематическая схема и эпюры крана на колонне: а -- кинематическая схема крана на колонне; б -- эпюры изгибающих моментов поворотной части крана; в -- эпюры изгибающих моментов колонны

Исходные данные: высота подъема груза грузоподъемность (масса груза) кг; вылет угловая скорость крана группа классификации механизма М6; режим нагружения L2 (умеренный) [1].

1. РАСЧЕТ ПРОТИВОВЕСА И КОЛОННЫ

1.1 ВЕС ГРУЗА И ТАЛИ

где 1,25 -- коэффициент веса тали со встроенным в барабан электродвигателем.

Вес стрелы

где -- коэффициент веса стрелы.

Масса стрелы

Плечо силы тяжести стрелы, совместно с консолью противовеса и гильзой:

где 0,3 -- коэффициент плеча силы тяжести стрелы, консоли противовеса и гильзы.

1.2 ВЕС ПРОТИВОВЕСА

где -- плечо силы тяжести противовеса (противовес вдвое уменьшает опрокидывающий момент, реакции горизонтальных подшипников и момент, изгибающий колонну, если он уравновешивает стрелу и половину номинального груза).

Примем тогда

.

Масса противовеса

кг.

1.3 МОМЕНТ, ИЗГИБАЮЩИЙ КОЛОННУ ПРИ НОМИНАЛЬНОМ ГРУЗЕ

Момент, изгибающий колонну при отсутствии груза (таль находится слева):

Если имеем равенство абсолютных значений:

то противовес выбран правильно. Далее считаем, что

(см. рис. 1, б, в).

Напряжение изгиба внизу колонны можно определить из условия прочности колонны

откуда момент сопротивления колонны

где -- коэффициент запаса прочности [2, с. 114]; -- коэффициент безопасности [2, с. 115].

Выполним наконечники 2 и 3 колонны 1 (рис. 2) из стали 35 ГОСТ 8731 (термообработка -- нормализация), для которой

Примем в зоне посадки подшипника.

Рис. 2. Опорно-поворотное устройство крана на колонне

Указания по сборке. Планку 12 приварить к гильзе 4 (планка квадратная ограничена слева цилиндром, справа -- плоскостью). Траверсу 10 ввести в гильзу 4, используя резьбовое отверстие. Палец 5 (2 шт.) ввести до упора его бурта в планку 12. Оседержатель 13 установить на место срезанного сегмента.

Получим

Диаметр нижнего наконечника колонны

2. РАСЧЕТ ПОДШИПНИКОВ ОПОРНО-ПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА

2.1 РЕАКЦИЯ УПОРНОГО ПОДШИПНИКА

Выберем упорный подшипник по статической грузоподъемности из условия

Этому условию удовлетворяет подшипник шариковый упорный 8313.

Его внутренний диаметр высота наружный диаметр статическая грузоподъемность Для равномерного нагружения шариков установлена выпуклая и вогнутая сферические шайбы радиусом R из центра верхнего радиального подшипника (рис. 2).

Расстояние между радиальными подшипниками примем, исходя из соотношения

Примем Реакции радиальных подшипников

Выберем верхний радиальный подшипник по статической грузоподъемности из условия

Этому условию удовлетворяет подшипник 222. Его внутренний диаметр статическая грузоподъемность наружный -- ширина Выберем нижний радиальный подшипник с внутренним диаметром, равным диаметру колонны ниже гильзы: Подходит подшипник 136. Его внутренний диаметр наружный ширина статическая грузоподъемность

3. КОМПОНОВКА ОПОРНО-ПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА

Колонну выполним из трубы 1 с наконечниками 2 и 3 (рис. 2). Диаметр нижнего наконечника 3 равен внутреннему диаметру нижнего радиального подшипника. По п. 2.2 Диаметр верхнего наконечника 2 равен внутреннему диаметру верхнего радиального подшипника Зададим внутренний диаметр трубы Выберем трубу колонны стальную бесшовную горячедеформированную, ГОСТ 8732, наружный диаметр толщина стенки Внутренний диаметр трубы колонны

Момент сопротивления трубы колонны изгибу

.

Условие прочности трубы колонны по п. 1.4 выполняется с некоторой избыточностью:

Поэтому предел текучести трубы колонны можно задать меньшим или равным пределу текучести наконечника. Выберем для трубы колонны сталь 35, для которой . Обозначение заготовки трубы колонны в спецификации:

Здесь 800кр обозначает, что длина труб в поставке кратна 800 мм. Это соответствует длине трубы колонны.

Гильзу 4 (рис. 2) выполним из трубы с внутренним диаметром

Это несколько меньше, чем наружный диаметр нижнего радиального подшипника. Припуск 4-6 мм (рис. 2) снимают в процессе расточки под подшипник. Примем Толщина стенки трубы гильзы 4 несколько меньше, чем у трубы колонны 1, т.е. Тогда наружный диаметр трубы гильзы составит 325 мм. Выберем трубу гильзы:

Сталь Б10 менее прочна, чем сталь В35, но прочность гильзы окажется, по-видимому, достаточной, так как гильза имеет значительно больший диаметр, чем колонна. Это проверяют нижеследующим расчетом, который не является обязательным. кран торможение подшипник

Расчет гильзы на прочность. Согласно эпюре изгибающих моментов (рис. 1, б, в) опасное сечение гильзы находится на уровне верхнего радиального подшипника. Момент, изгибающий гильзу:

Момент сопротивления гильзы

Напряжение изгиба в расчетном сечении гильзы

Коэффициент запаса прочности гильзы

где -- коэффициент запаса прочности. Очевидно, что гильза имеет избыточную прочность в расчетном сечении.

Расчет пальцев 5 (рис. 2) на смятие и срез под действием усилия, равного реакции упорного подшипника, здесь не приводится, так как легко выполним с помощью литературы по «Деталям машин».

4. РАСЧЕТ МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА

Момент сопротивления повороту крана в период пуска

(1)

где -- момент сил трения; -- динамический момент.

Момент сил трения

где -- приведенный коэффициент трения в подшипниках [6, с. 49],

Динамический момент

(2)

где -- момент инерции крана и механизма поворота относительно оси вращения; -- угловое ускорение крана.

Момент инерции крана

где 1,3-1,4 -- коэффициент, учитывающий инерционность поворотной части крана (без груза и противовеса); 1,05-1,1 -- коэффициент, учитывающий инерционность механизма поворота.

Примем

Тогда

Угловое ускорение крана (минимальное)

где -- минимальное линейное ускорение груза.

Получим

Тогда по формуле (2) имеем

По формуле (1) момент сопротивления повороту крана в период пуска составит

Мощность электродвигателя в период пуска

где -- КПД механизма, здесь -- КПД одноступенчатого червячного редуктора (примем ), -- КПД открытой зубчатой пары.

Тогда

Получим

Выберем электродвигатель 4АС90LE6 со встроенным электромагнитным тормозом. Номинальная мощность электродвигателя при Для заданной группы классификации механизма М6 имеем (табл. 1). Частота вращения Момент инерции электродвигателя .

Угловая скорость электродвигателя

Номинальный момент электродвигателя

Вал электродвигателя цилиндрический длиной диаметром [8, с. 84].

Таблица 1 Соответствие групп классификации и режимов работы

Режим работы	Группа классификации механизма, ИСО 4301/1 (1)	Группа режима работы механизма, ГОСТ 25855-82 (2)	Продолжительность включения ПВ, %
Л	М3-М4	1М-2М	15
С	М5 М6	3М 4М	25 40
Т	М7	5М	40
ВТ	М8	6М	60

В литературе указана мощность (при ПВ = 40%). При те же электродвигатели имеют большую мощность:

а при -- меньшую:

.

Общее передаточное число

Механизм поворота крана (рис. 2) имеет редуктор 6, электродвигатель 7 и открытую зубчатую передачу, которая состоит из зубчатого венца 8 и подвенцовой шестерни 9 с пристроенной муфтой предельного момента 14. Общее передаточное число механизма поворота

где и -- передаточные числа червячного редуктора и открытой зубчатой передачи. Обычно 6-12.

Выберем червячный редуктор типа Ч. Он имеет передаточные числа от 8 до 80. Примем

Тогда

Расчетный крутящий момент на тихоходном валу редуктора в период пуска

Выберем редуктор Ч-125 с номинальным моментом на тихоходном валу . Это несколько меньше расчетного значения, но значение дано для непрерывной работы в течение 24 ч. Согласно ГОСТ 16162-78 редукторы общего назначения, в том числе червячные, в период пуска должны допускать кратковременные перегрузки, в 2 раза превышающие номинальные. Тогда допускаемый крутящий момент на тихоходном валу редуктора при пуске составит

т.е. редуктор подходит.

Редуктор Ч-125 при имеет: конец тихоходного вала -- конический, диаметром 50 мм, длиной 110 мм, с посадочной частью вала длиной 82 мм; конец быстроходного вала -- конический, диаметром 32 мм, длиной 58 мм.

Для соединения валов электродвигателя и редуктора выберем муфту МУВП-250 ГОСТ 21424. Эта муфта имеет коническое отверстие диаметром 32 мм, длиной 58 мм, соответствующее быстроходному валу редуктора.

Маховый момент муфты

Момент инерции муфты

5. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ПУСКА МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА

Максимальное время пуска из условия минимального ускорения груза (см. п. 4.1) составит

Минимальное время пуска т.е. 1-5,3 с.

Если время пуска превышает 3 с, то пуск короткозамкнутого двигателя общего назначения осуществляют без его перегрузки относительно номинального момента. Во время действия пускового момента проскальзывает фрикционная муфта, настроенная на номинальный момент электродвигателя.

Условие пуска

(3)

где -- номинальный момент электродвигателя (при длительном пуске), -- заданное (максимальное) время пуска; -- момент инерции масс на первичном валу:

Коэффициент 1,2 в уравнении (3) учитывает инерционность вращающихся частей механизма, приведенную к выходному валу редуктора; коэффициент 1,3 в уравнении (3) учитывает момент инерции стрелы (без противовеса и груза).

Из уравнения (3) получим

или

Заметим, что первое слагаемое в скобках (момент инерции масс, вращающихся на первичном валу) в 30 раз меньше, чем второе слагаемое (момент инерции крана, приведенный к первичному валу). Заметим также, что число 1,03 (момент трения в подшипниках) мало по сравнению с числом 17,5 (тормозной момент).

Получим

Фактическое время пуска меньше заданного (максимального) и удовлетворяет условию , т.е. больше минимально допустимого времени пуска. Считаем, что пусковой процесс механизма поворота будет протекать нормально -- без чрезмерного раскачивания груза и перегрева электродвигателя.

6. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ТОРМОЖЕНИЯ

Целесообразно принять время торможения меньшим или равным времени пуска. Примем В отличие от процесса пуска трение в подшипниках и потери в механизме поворота способствуют торможению:

Получим

Укажем на чертеже механизма поворота техническое требование -- «тормоз отрегулировать на момент 10 Нм».

7. РАСЧЕТ МУФТЫ ПРЕДЕЛЬНОГО МОМЕНТА

Во избежание перегрузки двигателя и механизма в период пуска применяют дисковую муфту предельного момента на выходном валу редуктора, настроенную на момент срабатывания

Сила сжатия трущихся поверхностей

где -- количество пар трущихся поверхностей, -- средний радиус дисков; -- коэффициент трения. По найденной силе сжатия выберем тарельчатую пружину 231: наружный диаметр внутренний диаметр ее деформация на 20% от допустимой величины () создает усилие Материал -- сталь 60С2А. Для уменьшения зависимости силы сжатия от износа трущихся поверхностей поставим 4 тарельчатые пружины. Укажем в технических требованиях: «Гайку (рис. 3) затянуть на усилие 12-13 кН».

Рис. 3. Муфта предельного момента

8. РАСЧЕТ ОТКРЫТОЙ ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ

Примем диаметр делительной окружности подвенцовой шестерни (рис. 3), минимальное число зубьев шестерни 17-25.

Модуль зубчатого зацепления

Примем мм;

Диаметр делительной окружности подвенцовой шестерни

Число зубьев зубчатого венца

Диаметр делительной окружности зубчатого венца

что приемлемо по габаритам.

Межосевое расстояние

Ширина зубчатого венца

где 0,1-0,4 -- коэффициент ширины зубчатых колес.

Примем

Желательно выполнить расчет зубьев на прочность. Возможно потребуется увеличить значение и ширину открытой зубчатой передачи.

Список литературы

1.Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов. -- М.: ПИО ОБТ, 2000. -- 266 с.

2.Александров М.П. Грузоподъемные машины. -- М.: Высшая школа, 2000. -- 552 с.

3.Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 томах. Т. 1. -- М.: Машиностроение, 1982. -- 756 с.

4.Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 томах. Т. 3. -- М.: Машиностроение, 1982. -- 556 с.

5.Коросташевский Р.В., Нарышкин В.Н., Старостин В.Ф. и др. Подшипники качения: Справочник-каталог / Под ред. В.Н. Нарышкина, Р.В. Корасташевского. -- М.: Машиностроение, 1984. -- 280 с.

6.Казак С.А., Дусье В.Е., Кузнецов Е.С. Курсовое проектирование грузоподъемных машин / Под ред. С.А. Казака. -- М.: Высшая школа, 1983. -- 320 с.

7.Кузьмин А.В., Марон Ф.Л. Справочник по расчетам механизмов ПТМ. -- Минск: Высшая школа, 1983. -- 352 с.

8.Яуре А.Г., Певзнер Е.М. Крановый электропривод: Справочник. -- М.: Энергоиздат, 1988. -- 344 с.

9.Приводы машин: Справочник / Под ред. В.В. Длоугого. -- Л.: Машиностроение, 1982. -- 384 с.

10.Анфимов М.И. Редукторы. Конструкции и расчет: Альбом. -- М.: Машиностроение, 1993. -- 464 с.

11.Поляков В.С., Барбаш И.Д., Ряховский О.А. Справочник по муфтам. -- Л.: Машиностроение, 1979. -- 344 с.

12.Справочник по кранам: В 2 томах. Т. 2 / Под ред. М.И. Гохберга. -- М.: Машиностроение, 1988. -- 560 с.

Приложение 1

Рис. П1. Подшипники шариковые упорные. Средняя серия: -- диаметр отверстия тугого кольца; -- диаметр отверстия свободного кольца; -- диаметр наружной цилиндрической поверхности колец; -- номинальная высота подшипника

Таблица П1 Средняя серия

Обозначение подшипника					H	Масса, кг
8305	25	25,2	52	18	5,00	0,18
8306	30	30,2	60	21	6,65	0,27
8307	35	35,2	68	24	8,35	0,39
8308	40	40,2	78	26	10,70	0,55
8309	45	45,2	85	28	13,00	0,69
8310	50	50,2	95	31	16,10	1,00
8311	55	55,2	105	35	21,30	1,34
8312	60	60,2	110	35	21,30	1,43
8313	65	65,2	115	36	24,90	1,57
8314	70	70,2	125	40	29,00	2,06
8315	75	75,2	135	44	34,00	2,68
8316	80	80,2	140	44	34,00	2,82
8317	85	85,2	150	49	34,00	3,66
8318	90	90,2	155	50	44,50	3,88
8320	100	100,2	170	55	48,00	5,11

Приложение 2

Рис. П2. Подшипники шариковые радиальные однорядные (ГОСТ 8338-75)

Таблица П2 Особо легкая серия

Условное обозначение	мм	мм	мм	Н	Масса, кг
120	100	150	24	4,15	1,60
121	105	160	26	5,10	1,80
122	110	170	28	5,70	2,00
124	120	180	28	6,10	2,05
126	130	200	33	7,80	3,70
128	140	210	33	8,30	3,53
130	150	225	35	9,65	4,20
132	160	240	38	11,20	6,40
134	170	260	42	13,40	8,60
136	180	280	46	15,60	11,0
138	190	290	46	16,60	11,4
140	200	310	51	19,00	14,4
144	220	340	56	22,80	19,8
148	240	360	56	24,50	22,4

Таблица П3 Легкая серия

Условное обозначение	мм	мм	мм	Н	Масса, кг
215	75	130	25	4,10	1,18
216	80	140	26	4,50	1,40
217	85	150	28	5,30	1,80
217А	85	150	28	5,60	1,80
218	90	160	30	6,20	2,20
219	95	170	32	6,95	2,70
219А	95	170	32	7,40	2,70
220	100	180	34	7,90	3,20
221	105	190	36	9,00	3,60
222	110	200	38	10,00	4,50
224	120	215	40	11,20	5,20
226	130	230	40	11,20	7,72
228	140	250	42	12,20	9,80
230	150	270	45	15,00	12,3
232	160	290	48	16,50	15,0
234	170	310	52	20,90	15,0
236	180	320	52	19,60	16,0
238	190	340	55	23,20	23,3
244	220	400	65	29,00	32,4

Приложение 3

Таблица П4 Стальные бесшовные горячекатаные трубы (ГОСТ 8732-78)

Наружный диаметр*1	Толщина стенки*2	Наружный диаметр*1	Толщина стенки*2
25-42 45 50 54 57 60; 63,5 68; 70 73; 76 83 89-102 108-121	2,5-4,0 2,5-5,0 2,5-5,0 3-11 3-12 3-14 3-16 3-18 3,5-18 3,5-22 4-28	127 133 140-159 168-194 203; 219 245; 273 299-351 377-426 450 480-530	4-30 4-32 4,5-36 5-45 6-50 7-50 8-75 9-75 16-75 25-75

Примечание.^*1 В указанных пределах брать из ряда: 25; 28; 32; 38; 42; 89; 95; 102; 108; 114; 121; 140; 146; 152; 159; 168; 180; 194; 299; 325; 351; 377; 402; 426; 480; 500; 530 мм. ^*2 В указанных пределах брать из ряда: 2,5; 2,8; 3,0; 3,6; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 14; 16; 18; 20; 22; 25; 28; 30; 32; 36; 40; 45; 50; 56; 60; 63; 65; 70; 75 мм.

Таблица П5 Механические свойства труб (ГОСТ 8732-78)

Марка стали	Временное сопротивление разрыву, кгс/мм2	Предел текучести, кгс/мм2
10 20 35 45	36 42 52 60	22 25 30 33

Приложение 4

Рис. П3. Электродвигатели серии 4АС

Таблица П6 Размеры электродвигателей 4АС

Тип
									Без тормоза	С тормозом
4АС90	50	56	125	90	140	175	260	24	350	505
4АС100	60	63	112	100	160	200	265	28	365	520
4АС112	80	70	140	112	190	230	310	32	452	630
4АС112	80	70	140	112	190	230	320	32	472	650
4АС132	80	89	140	132	216	265	350	38	480	690

Приложение 5

Рис. П4. Редукторы червячные типа Ч: ряд передаточных чисел U: 8; 10; 12; 16; 20; 25; 31; 40; 50; 63; 80; Pт -- допускаемая консольная нагрузка; Мт -- допускаемый крутящий момент при nэ = 1000 об/мин; U = 10-63, при этом КПД з = 0,9-07

Таблица П7 Редукторы червячные типа Ч

Размеры, мм	Ч-100	Ч-125	Ч-160
		125	160
	200	230	300
	140	190	230
	175	230	280
	100	111	140
	312	396	500
	225	261	345
	225	230	280
	243	280	355
	45	60	70
	150	176	206
	120	135	157
	32	32	40
	29,10	29,10	35,90
	80	80	110
	58	58	82
	6	6	10
	3,5	3,5	5,0
	6	6	8
	45	55	70
	40,90	50,90	64,75
	110	110	140
	82	82	105
	12	14	18
	5,0	5,5	7,0
	8	9	11
Масса, кг	47	88	170
	0,56	0,8	1,12
	440	700	1300

Приложение 6

а

б

Рис. П5. Муфты упругие втулочно-пальцевые: а -- тип I (с цилиндрическим отверстием ГОСТ 12080-66); б -- тип II (с коническим отверстием ГОСТ 12081-72)

Приложение 7

Рис. П6. Пружины тарельчатые ГОСТ 3057-79

Размещено на Allbest.ru