Расчёт механизма подъёма груза мостового крана общего назначения

29

Московский Государственный Технический Университет

им. Н.Э. Баумана

Калужский филиал

Факультет: Конструкторско-механический (КМК)

Кафедра: «Деталей машин и подъёмно-транспортного оборудования» КЗ-КФ

Расчётно-пояснительная записка

к курсовому проекту

по дисциплине:

на тему: РАСЧЁТ МЕХАНИЗМА ПОДЪЁМА ГРУЗА МОСТОВОГО КРАНА ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

вариант:

выполнил: студент

группа

зачетная книжка №

Консультант:

дата:

Проект защищен с оценкой дата:

Члены комиссии:

Калуга 2006 г.

СОДЕРЖАНИЕ

I. РАСЧЁТ МЕХАНИЗМА ПОДЪЁМА ГРУЗА МОСТОВОГО КРАНА.....4

1. Грузоподъемная сила. 4

2. КПД полиспаста. 4

3. Наибольшее усилие в ветви каната, набегающего на барабан при подъеме груза. 5

4. Выбор электродвигателя 5

5. Угловая скорость электродвигателя. 6

6. Разрывное усилие каната в целом.. 7

7. Выбор типа каната. 7

8. Минимальный диаметр барабана 8

9. Расчетный диаметр барабана 9

10. Длина барабана с двусторонней нарезкой. 10

11. Проверка размеров барабанов по условиям. 11

12. Угловая скорость барабана 11

13. Выбор типа редуктора 12

14. Передаточное число редуктора 12

15. Грузовой момент на барабане 13

16. Проверка редуктора по грузовому моменту. 13

17. Выбор тормоза 14

18. Тормозной момент, на который регулируют тормоз 14

19. Условие соседства электродвигателя и барабана 15

20. Условие соседства тормоза и барабана. 15

21. Тормозной момент, на который регулируют тормоз 17

22. Расчет длины ступени барабана 18

23. Минимальная колея тележки 18

24. Металлоемкости вариантов механизма подъема. 20

Выводы. 21

II. РАСЧЕТ МЕХАНИЗМА ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ТЕЛЕЖКИ......................23

1. Схема механизма. 23

2. Выбор ходовых колес. 23

2.1 Определение предварительной массы тележки. 23

2.2 Давление на ходовое колесо. 24

3. Расчет сопротивления передвижению. 25

4. Выбор электродвигателя. 25

5. Выбор редуктора. 26

6. Определение коэффициента запаса сцепления приводных колес с рельсом при пуске. 27

7. Выбор тормоза. 28

Список литературы 30

I. РАСЧЁТ МЕХАНИЗМА ПОДЪЁМА ГРУЗА МОСТОВОГО КРАНА ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Задание: спроектировать механизм подъёма груза мостового крана общего назначения.

Дано: грузоподъёмность кг; скорость подъёма ; высота подъёма ; режим нагружения L1 - легкий; группа классификации механизма - М2, по ИСО 4301/1, дана схема тележки (рис. 1).

Рис.1. Схема тележки с механизмом подъёма груза

1. ГРУЗОПОДЪЕМНАЯ СИЛА

,

где - ускорение свободного падения.

Получим:

2. КПД ПОЛИСПАСТА

,

где - КПД блока на подшипниках качения; -кратность полиспаста; - число обводных блоков.

Согласно рекомендациям ВНИИПТМаш: «При малых грузоподъёмностях (до 3 тонн) груз может подвешиваться без полиспаста, либо на одном подвижном блоке; при грузоподъёмностях свыше 5 т обычно применяют сдвоенные полиспасты с кратностью, возрастающей от 2 до 4 при увеличении грузоподъёмности от 5 до 50 тонн».?

Получим КПД полиспаста для кратностей :

3. НАИБОЛЬШЕЕ НАТЯЖЕНИЕ ВЕТВИ КАНАТА, НАБЕГАЮЩЕГО НА БАРАБАН ПРИ ПОДЪЕМЕ ГРУЗА

где - число полиспастов.

Для мостового крана , т.е. оба конца каната закреплены на барабане - для строго вертикального подъёма груза выравнивания усилий на опоры барабана (рис. 2).

Наибольшее натяжение ветви каната, набегающей на барабан при подъёме груза:

;

;

Рис.2. Схемы полиспастов механизма подъема груза.

4. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Статическая мощность электродвигателя:

,

где - предварительное значение КПД (для механизма подъёма с цилиндрическим редуктором).

Вт.

Для легкого режима нагружения (ПВ=15%) и мощности Р>15 кВт выбираем электродвигатель серии 4MTF.

Технические данные двигателей:

4MTF200L6 ( кВт; р=6; m=270 кг; мм; об/мин; мм).

4MTF200LВ8 ( кВт; р=8; m=320 кг; мм; об/мин; мм),

где ()- длина двигателя без посадочной части вала, мм.

В литературе указана мощность P40 (при ПВ=40%). При ПВ=15% эти электродвигатели имеют большую мощность:

кВт

Имеем: кВт, т.е. мощность выбранных двигателей достаточна.

5. УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ

,

Получим:

рад/с,

рад/с.

6. РАЗРЫВНОЕ УСИЛИЕ КАНАТА В ЦЕЛОМ

,

где - минимальный коэффициент использования каната.

Символ означает смещение по таблице вверх и вниз на 1 и 2 шага.

Допускается изменение коэффициента выбора диаметра барабана , но не более чем на два шага по группе классификации в большую или меньшую сторону с соответствующей компенсацией путем изменения величины на то же число шагов в меньшую или большую сторону, поэтому введём ряд смещений: Тогда получим ряд значений: .

Для группы классификации механизма М2 имеем . С учётом допущения «Правил...» получаем добавочные значения ; . Разрывное усилие каната () для кратностей , для основного и добавочных значений :

;

;

;

;

;

;

;

;

.

7. ВЫБОР ТИПА КАНАТА

Мостовой кран работает в относительно чистом, сухом помещении, следовательно, абразивный и коррозионный износ проволок каната незначителен. Поэтому выбирают канат типа ГОСТ 7668-80. Он имеет большое количество проволок малого диаметра и высокую усталостную износостойкость.

По найденным значениям находят значения диаметров каната и маркировочную группу, соответствующую условию прочности каната:

,

где - разрывное усилие каната в целом, по каталогу.

Имеем следующие значения диаметров каната (в скобках указаны маркировочные группы, МПа, разрывные усилия,):

8. МИНИМАЛЬНЫЙ ДИАМЕТР БАРАБАНА

,

где - коэффициент выбора диаметра барабана.

Для заданной группы классификации механизмов получают основное значение .

При определении минимального диаметра барабана для заданной группы классификации механизма М2 получим основное значение . При смещении по этой таблице вверх и вниз на один шаг имеем: ; ;

Получим , мм:

Примечание. ГОСТ 3241-80 «Канаты стальные. Технические условия», приводит ограничение: «Диаметр шейки барабана должен быть не менее 15 номинальных диаметров каната». В выводах по расчету вариант с h₁<15 может быть принят с пометкой «условно, до согласования с изготовителем каната». Можно заранее отбросить значения h₁=11,2…14.

9. РАСЧЕТНЫЙ ДИАМЕТР БАРАБАНА

Барабаны диаметром меньше 100 мм исключают из дальнейших расчетов, т.к. наименьший из выходных валов редукторов с частью зубчатой полумуфты, встраиваемый в барабан, имеет диаметр . Тогда диаметр охватывающей зубчатой обоймы составляет .

Расчётный диаметр барабана мм, принимают из ряда : 100, 110, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500.

Расчетный диаметр барабана ,мм:

Барабаны диаметром менее 160 мм исключены т.к. будут иметь большую ступень.

10. ДЛИНА БАРАБАНА С ДВУСТОРОННЕЙ НАРЕЗКОЙ

,

где - шаг нарезки;

a - кратность полиспаста;

- диаметр каната;

с - коэффициент длины средней части барабана,

H - высота подъема.

Принять:

для кратности ,

для кратности ,

для кратности а=3,

для кратности .

Длина барабана с двусторонней навивкой, мм:

11. ПРОВЕРКА РАЗМЕРОВ БАРАБАНА ПО УСЛОВИЯМ

, и

При проводят простой расчёт барабана на сжатие. При проводят уточнённый расчёт барабана на сжатие и совместное действие напряжений изгиба и кручения, на устойчивость стенки. При необходимости усиливают барабан, вводят кольца жесткости в его полость (РТМ-24.09.21-76).

Если оба условия не выполняются, то вариант с этой кратностью полиспаста отбрасывают. Если все варианты не проходят по условиям (8) и (9), то переходят на меньшую кратность, или увеличивают диаметр барабана до следующего значения из ряда .

Проверим размеры барабана по условиям:

Вариант (а) непригоден; вариант (в) принимаем (с уточненным расчетом барабана); примем также вариант (б), этот барабан необходимо усилить, введя кольца жесткости в его полость.Остаются варианты с кратностью a=2 с основным и увеличенным на 1 шаг барабаном.

12. УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ БАРАБАНА

рад/с,

13. ВЫБОР И РАСЧЕТ РЕДУКТОРА

Условие прочности:

,

где - действующая радиальная (консольная) нагрузка. Полагаем, что наибольшее усилие от левой ветви каната, набегающей на барабан, действует на консоль выходного вала редуктора (рис. 2); F_y - допускаемая радиальная консольная нагрузка на выходном валу редуктора.

Для полиспаста кратностью выберем редуктор Ц2-350, для которого условие выполняется с наименьшим запасом:

Масса редуктора Ц2-350 m=210 кг, КПД=0,96.

14.ПЕРЕДАТОЧНОЕ ЧИСЛО РЕДУКТОРА

,

Определим расчетное передаточное число редуктора и округлим его до номинального значения:

15.ГРУЗОВОЙ МОМЕНТ НА БАРАБАНЕ

,

где - число полиспастов.

Получим:

16. ПРОВЕРКА РЕДУКТОРА ПО ГРУЗОВОМУ МОМЕНТУ

Условие прочности:

,

где - грузовой момент на барабане,

- допускаемый крутящий момент на валу редуктора.

Проверяем редуктор Ц2-350 для кратности по условию

Сведем результаты в таблицу 1

Таблица 1

Вариант				Редуктор:
				тип	Uн
62+1	4960	7300	1,47	350	16
82+1	4960	9000	1,81	350	12
620	4464	7300	1,63	350	12
820	4464	8000	1,79	350	10

Из табл. 1 следует, что все три редуктора подходят. Наименьший запас крутящего момента имеем для варианта 62+1.

17. ВЫБОР ТОРМОЗА

Статический момент на выходном валу редуктора при торможении

,

где - КПД механизма, который можно принять равным КПД редуктора;

- номинальное передаточное число редуктора.

Таблица 2

Вариант	Tcpa , Нм
62+1	49600,950,99/516=292
82+1	49600,950,99/12=389
620	4464·0,95·0,99/12=350
820	4464·0,95·0,99/10=420

18. ТОРМОЗНОЙ МОМЕНТ, НА КОТОРЫЙ РЕГУЛИРУЮТ ТОРМОЗ

где - коэффициент запаса торможения.

Согласно правилам ПБ . При двух и более тормозах . Если имеем два и более приводов с двумя тормозами каждый, то . Тормоз выбирают по условию ,

где - максимальный тормозной момент по каталогу.

Таблица 3

Вариант	, Нм
62+1	1,5292=438
82+1	1,5389=584
620	1,5350=525
820	1,5420=630

Для всех вариантов двигателей выбираем тормоз типа ТКГ-300 с тормозным моментом . Масса 55 кг.

19. УСЛОВИЯ СОСЕДСТВА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И БАРАБАНА

Для сравнения металлоёмкости вариантов механизма подъёма заносим их характеристики в табл.3.

Таблица 3

Вариант	620	62+1	820	82+1
масса редуктора	210
масса двигателя	270	320
масса тормоза	55	55
суммарная масса	535	585

Наименее металлоёмкими являются варианты 620 и 62+1 с кратностью и быстроходным двигателем с основным и увеличенным на 1 шаг диаметром барабана. Далее продолжим расчет трех вариантов, т.к. более тяжелый вариант может иметь меньшую колею. Вариант 820 исключим.

Необходимо, чтобы размер соседства электродвигателя и барабана удовлетворял условию

мм,

где - суммарное межосевое расстояние редуктора; - габаритный размер электродвигателя; - размер от оси вращения барабана до наружного конца шпильки крепления каната, получен конструктивно из чертежа в стандарте. Если , то принимают редуктор с большим значением

Таблица 4

Вариант	А1, мм
620	350-190-0,65180=43
62+1	350-190-0,65200=30
82+1	350-190-0,65200=30

Все варианты проходят по размеру A₁ и не нуждаются в компоновке с промежуточным валом.

Если варианты 620, 62+1и 82+1 не пройдут по условию соседства тормоза и барабана, то для них потребуется компоновка с промежуточным валом.

Промежуточный вал между электродвигателем и редуктором даёт возможность установить электродвигатель на противоположной от редуктора части тележки. т.е. равномерно нагрузить ходовые колёса. Кроме того, промежуточный вал позволяет избавиться от необходимости регулировки соосности валов электродвигателя и редуктора.

20. УСЛОВИЯ СОСЕДСТВА ТОРМОЗА И БАРАБАНА

Для возможности установки тормоза необходимо, чтобы размер соседства тормоза и барабана удовлетворял условию

мм

где - модуль зубчатого венца;

- число зубьев венца по справочнику;

- размер от оси вращения барабана до крайней точки зубчатой ступицы, получен конструктивно из чертежа,

- диаметр тормозного шкива;

- размер от оси вращения тормозного шкива до наружной поверхности рычага тормоза, получен конструктивно.

Если , то заменяют тормоз ТКГ-300 на два тормоза меньшего размера ТКГ-200.

Таблица 5

Вариант	, мм
620	350-0,6640-0,8300= -3420
62+1	350-0,6640-0,8300= -3420
82+1	350-0,6640-0,8300= -3420

Все варианты не проходят по размеру A_2.

Поэтому заменяют тормоз ТКГ-300 на два тормоза ТКГ-200. Второй из них устанавливаем на другой зубчатой полумуфте промежуточного вала. Масса тормоза 38кг.

Вариант	, мм
620	350-0,6640-0,8200= 46
62+1	350-0,6640-0,8200= 46
82+1	350-0,6640-0,8200= 46

Все варианты проходят по размеру .

21. ТОРМОЗНОЙ МОМЕНТ, НА КОТОРЫЙ РЕГУЛИРУЮТ ТОРМОЗ

Как уже было сказано выше при двух и более тормозах принимают коэффициент запаса торможения. .

Результаты расчета тормозного момента

Таблица 3

Вариант	, Нм
62+1	1,25292=365
82+1	1,25389=486
620	1,25350=438

Для всех вариантов мы выбираем два тормоза типа ТКГ-200 с максимальным тормозным моментом каждый. Общий тормозной момент тормозов

22. РАСЧЕТ ДЛИНЫ СТУПЕНИ БАРАБАНА

Если диаметр барабана мал, а редуктор велик, то соотношение не выполняется. Тогда имеем ступенчатый барабан (рис. 3б). Ступень увеличивает длину барабана на величину .

,

Приняв литейный уклон толщину стенки и зазор (рис. 3б), получим:

или

Рис.3. Схема расчёта длины ступени барабана.

1 - венец с внутренними зубьями;

2 - бесступенчатый барабан ();

3 - барабан со ступенью ().

Таблица 6

Вариант		, мм
620	180<1,4640=336	0,08640+0,04180=26
62+1	200<1,4640=336	0,08640+0,04200=27,2
82+1	200<1,4640=336	0,08640+0,04200=27,2

Полуколея тележки

Полуколея тележки равна расстоянию от середины редуктора до середины барабана.

,

где - расстояние от оси редуктора до оси зубчатого венца;

-ширина зубчатого венца.

Размер необходим для размещения зубчатой ступицы внутри барабана, получен конст руктивно из ГОСТа.

Таблица 7

Вариант	,мм
620	230+230+0,5996=788
62+1	230+230+0,5915=747,5
82+1	230+230+0,5915=747,5

23. МИНИМАЛЬНАЯ КОЛЕЯ ТЕЛЕЖКИ

,

Находим значения для каждого варианта и округляем его до ближайшего большего значения, кратного 10 мм.

Минимизация колеи и массы

Таблица 8

Вариант	,мм
620	2788 1580
62+1	2747,51500
82+1	2747,51500

24. МЕТАЛЛОЁМКОСТИ ВАРИАНТОВ МЕХАНИЗМА ПОДЪЁМА.

Вариант	620	62+1	82+1
масса редуктора	210
масса двигателя	270	320
масса тормоза	76	76
суммарная масса	556	606

ВЫВОДЫ

1. Для грузоподъемности 10 т кратность 3 и 4 неприемлема, т.к. длина барабана более чем в 6,5

раз превышает его диаметр.

2. Использование восьмиполюсных двигателей нецелесообразно в связи с увеличением массы двигателя, тормоза и габаритов механизма.

3. Наиболее приемлем вариант 62+1, т.е. с шестиполюсным двигателем, двукратным полиспастом и увеличенным на 1 шаг диаметром барабана. Он отличается от ближайшего варианта 620 меньшей колеей (на 80мм) , а от следующего варианта 82+1 ещё и меньшей массой (на 50кг).

II. РАСЧЕТ МЕХАНИЗМА ПЕРЕДВИЖЕНИЯ КРАНОВОЙ ТЕЛЕЖКИ

1. Тележка (рис.4) имеет опорные ходовые колеса 1 и 2. Ходовое колесо 1 приводится в движение при помощи электродвигателя 3 через редуктор 4. На металлоконструкции тележки 5 установлен механизм подъема 6.

Рис.4 Тележка крановая

2. ВЫБОР ХОДОВЫХ КОЛЕС.

2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ МАССЫ ТЕЛЕЖКИ.

На основании статистических данных массу тележки можно выразить зависимостью:

,(1)

где - масса груза.

Получим: кг

Вес тележки:

,(2)

Получим: H

Вес груза:

,(3)

Получим: H

Вес тележки с грузом:

H, (4)

2.2 ДАВЛЕНИЕ НА ХОДОВОЕ КОЛЕСО.

H, (5)

H,

Определим диаметр ходового колеса ,мм

,(8)

Получим: мм

Итак, выберем колесо, диаметром 250мм: диаметр внутреннего отверстия подшипника d=50мм. Значения и d принимают по ГОСТу 24.090.09-75, а значение в этом случае равно 0,4мм по [4], с. 276 .

3. РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕДВИЖЕНИЮ.

Сила сопротивления передвижению тележки с грузом.

,(9)

где f - коэффициент трения качения подшипников буксы (f=0,015) см. [4], с. 275 ;

- коэффициент сопротивления реборды (), см. [4], с. 275 .

По формуле (9): H

4. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

Номинальная мощность электродвигателя механизма передвижения:

Вт, (10)

Выбираем электродвигатель 4АС90LЕ6. Мощность электродвигателя при ПВ 40%, тормозной момент , частота вращения .

Угловая скорость электродвигателя:

.

Момент инерции , пусковой момент .

Номинальный момент при пуске:

.

Номинальный момент электродвигателя:

5. ВЫБОР РЕДУКТОРА.

Угловая скорость ходового колеса:

,(11).

Определим требуемое передаточное число:

,(13)

Принимаем редуктор Ц3вкф-125 с передаточным числом

; диаметр быстроходного вала равен 25мм, масса редуктора 80 кг.

;

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПАСА СЦЕПЛЕНИЯ ПРИВОДНЫХ КОЛЕС С РЕЛЬСОМ ПРИ ПУСКЕ.

,(14)

где - сила сцепления приводных ходовых колес с рельсами;

- сила статического сопротивления передвижению тележки без груза и без учета трения в подшипниках приводных колес;

- сила динамического сопротивления передвижению тележки без груза;

- допускаемое значение коэффициента запаса сцепления (=1,1), [4].

При этом

,(15)

где - коэффициент сцепления приводного ходового колеса с рельсом. Если исключено попадание влаги и масел, то ,[5] с.12.

- число приводных колес.

Имеем по формуле (15): H

Определим :

Н, (16)

Определим :

, (17)

где - максимально допустимое значение ускорения (замедления) тележки.

Принимая ,согласно [4], получим:

H

Таким образом, запас сцепления при пуске достаточен.

7. ВЫБОР ТОРМОЗА.

Тормозной момент определим как

, (18)

где - момент инерции вращающихся и поступательно движущихся масс, приведенных к тормозному шкиву. Т.к. тормозной шкив установлен на быстроходном валу редуктора, вращающегося от электродвигателя, то:

, (19)

где , (20)

выберем муфту МУВП-25 с диаметром выходного вала 25мм. Момент инерции муфты диаметр тормозного шкива 200мм.

Тогда получим:

Коэффициент полезного действия механизма:

Время торможения:

,(21)

Тогда по формуле (19) получим:

Hм

Определим статический момент сопротивления передвижению при торможении:

Hм, (22)

По формуле (18) получим:

Hм

На чертеже механизма передвижения укажем: “ тормоз отрегулировать на момент 10 Нм.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Расчеты крановых механизмов и их деталей: В 2 т. Под ред. Р.А. Лалаянца. Т. 2. -- М.: ВНИИПТМаш, 1993. -- 163 с.

3. Курсовое проектирование грузоподъемных машин / Под ред. С.А. Казака. -- М.: Высшая школа, 1989. -- 319 с.

4. Шабашов А.П., Лысяков А.Г. Мостовые краны общего назначения. -- М.: Машиностроение, 1980. -- 304 с.

5. Александров М.П. Грузоподъемные машины. -- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. Высшая школа, 2000. -- 552 с.

6. Подъемно-транспортные машины: Атлас конструкций / Под ред. М.П. Александрова, Д.Н. Решетова. -- М.: Машиностроение, 1987. -- 122 с.

7. Ермоленко В.А. Расчет механизма подъёма груза мостового крана: Методические указания. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. -- 40с.