Проектирование козлового грейферного крана грузоподъемностью 10 тонн со снижением металлоемкости пролетной части

Факторы, влияющие на хрупкую  прочность элементов конструкции (табл.2), возникают при выплавке стали, выборе конструктивной формы, изготовлении и эксплуатации металлоконструкции. Влияние каждого из факторов в отдельности а также их совместное воздействие на вероятность разрушения конструкций изучена недостаточно. Это не позволяет в полной мере применять вероятностные методы к металлоконструкциям[20].

При существующих методах  расчета конструкций по предельным состояниям аппарат математической статистики используется лишь при оценке механических свойств материала и нагрузки.

 

Табл. 2 Факторы, влияющие на склонность к хрупкому разрушению металлических конструкций.

 

Изготовление	Конструирование	Эксплуатация
Металлургические факторы	Технологические факторы	Эксплуатационные факторы
Химический состав металла	Концентрация напряжений	Пониженная температура
Структура металла	Остаточные сварочные  напряжения и деформации	Увеличение скорости нагружения
Естественное старение	Многоосность напряженного состояния	Воздействие коррозии
Пластическое деформирование при обработке	Размеры изделия	Наклеп
Наличие дефектов в металле	Остаточные напряжения от сборки и сварки	Ремонт

 

При исследовании наиболее характерных источников хрупких разрушений сварных металлоконструкций отмечалось, что надежность отдельных узлов и элементов зависит от пластических свойств стали и вида напряженного состояния в зоне концентрации напряжений.

Таким образом, конкретные аварии ГПМ свидетельствуют о том, что до настоящего времени экспертные организации не имеют научно-обоснованных методов оценки их технического состояния, а, следовательно, они не в состоянии достоверно прогнозировать остаточный ресурс и оценивать живучесть ГПМ.

При расчетной оценке прочности и работоспособности металлических конструкций недостаточно учитываются изменяющиеся в широких пределах физико-механические параметры сварных соединений, а также возникающие различные дефекты, что не позволяет достоверно моделировать процессы разрушения.

Решение вышеперечисленных  проблем должно базироваться на новых  научных подходах (в том числе  диагностирование сварных соединений металлоконструкций ГПМ) основанных на последних достижениях физики и  математики (использование основных принципов синергетики, математического моделирования, мезомеханики неоднородных сред и др.)

. 

3. Конструкторский раздел

Козловой грейферный кран, грузоподъемностью 10 т., предназначен для погрузки и разгрузки щебня. Кран устанавливается на открытом складе. Диапазон рабочих температур от -40º до  +40º.

3.1. Расчет механизма подъема

Дано: грузоподъёмность ;

                      скорость подъёма ;

                      высота подъёма ;

                      режим нагружения L2 - умеренный;

                      группа классификации механизма – М6

3.1.1. Выбор каната и барабана

1. Грузоподъёмная сила 

,

где - ускорение свободного падения.

Получим:

2. КПД  полиспаста

         [4] с.117

3. Наибольшее  натяжение ветви каната, набегающего  на барабан 

,

где - число полиспастов;

       коэффициент загрузки механизма замыкания грейфера;

       кратность полиспаста;

      Для козлового крана , т.е. оба конца каната закреплены на барабане для строго вертикального подъёма груза выравнивания усилий на опоры

барабана.

 

 

4. Разрывное  усилие каната в целом

,

где =5.6 - минимальный коэффициент использования каната

      .

5. Выбор  типа каната

Для козлового крана, работающего на открытом воздухе  при наличии пыли и влаги, следует выбирать канат типа ГОСТ 2688-80 с малым количеством проволок большого диаметра

По найденному разрывному усилию находим значение диаметра каната по таблице 1 приложения 2 [1] находим значение диаметра каната

     .

6. Диаметр  барабана

,

где - коэффициент выбора диаметра барабана [1]

     

7. Длина  барабана с двусторонней нарезкой

, 

где - коэффициент длины средней (не нарезанной) части барабана,

     - высота подъёма.

,

Принимаем   

8. Проверка  размеров барабана по условиям

,

9. Угловая  скорость барабана

,

где - скорость подъёма

.

3.1.2. Выбор электродвигателя

1. Статическая мощность электродвигателя

,

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

,

По приложению 1 выбираем ПВ=40%  и мощности , электродвигатель серии 4MTF. Технические данные двигателей принимаем приложению 4 [1].

4МТF(H)225М6 (Р=37 кВт, р=6, m=420 кг, n=965 об/мин,

 l₃₀-l₁=960-140=820 мм, d₁₁₌435 мм.

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

2. Угловая  скорость двигателя

,

3.1.3. Выбор редуктора

1. Расчет  редуктора по радиальной консольной  нагрузке

,

где – действующая радиальная (консольная) нагрузка,

      F_y – допускаемая радиальная консольная нагрузка на выходном валу редуктора по каталогу (приложение 3) [1].

Выберем редуктор Ц2-500.

             

2. Передаточное  число редуктора

,

   Определим расчетное передаточное число редуктора, формула (11), и округлим его до номинального значения по каталогу, (прилож.3) [1].

3. Грузовой  момент на барабане

,

где – число полиспастов.

4. Проверка  редуктора по грузовому моменту

Условие прочности:

,

где - допускаемый крутящий момент на валу редуктора.

3.1.4. Выбор тормоза

1. Статический момент на входном валу редуктора при торможении

,

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

2. Тормозной  момент, на который регулируют  тормоз

,

где - коэффициент запаса торможения =1.5

     

   Выбираем тормоз  ТКГ-300 с тормозным моментом Т_max=300Нм приложение 3 [1], масса 55 кг, L=772 мм.

 

3.1.5. Компоновка механизма

 

1. Условие соседства электродвигателя и барабана

,

где – суммарное межосевое расстояние редуктора,

       - габаритный размер электродвигателя,

       - размер от оси вращения барабана до наружного конца      шпильки крепления каната

2. Условие  соседства тормоза и барабана

,

где – модуль зубчатого венца; – число зубьев венца по справочнику (приложение 3) [1];

     – размер от оси вращения барабана до крайней точки зубчатой ступицы,

      – диаметр тормозного шкива;

     – размер от оси вращения тормозного шкива до наружной поверхности рычага тормоза.

4.2 Расчет грейфера

 

Исходные данные. Грузоподъемность ; щебень ; угол внутреннего трения ; коэффициент внутреннего трения ; уголь трения о сталь ; коэффициент трения о сталь ; угол естественного откоса ; начальное сопротивление материала сдвигу ; расчетный размер куска ; коэффициент наполнения и уплотнения материала .

           Корректирующие  коэффициенты: , , , , , .

3.2.1. Масса материала:

 

3.2.2. Объем грейфера:

3.2.3. Геометрические размеры при закрытом грейфере:

,

,

,

    где  - ширина челюсти;

          - длина челюсти;

          - высота челюсти до шарнира тяги;

        - коэффициент ширины челюсти;

        - коэффициент длины челюсти;

        - коэффициент высоты челюсти.

1. Хорда челюсти:

      2. Условный радиус (высота до центрального шарнира) челюсти:

3. Условная высота призмы материала:

4. Зазор между  верхней точкой призмы и центром  шарнира:

5. Полная высота закрытого грейфера:

6. Расстояние от центрального шарнира челюстей до верхней кромки головки:

 

 

         7. Длина тяг, связывающих головку грейфера с челюстью:

         Углы наклона тяг к вертикали  закрытого грейфера в плане  ( ) и профиле ( ):

;                 ;

     ;

     ;        - конструктивные размеры головки грейфера;

    

8. Радиус поворота (высота) челюсти:

;

   где   - расстояние от центральной оси грейфера до центра шарнира;

         - угол наклона радиуса поворота челюсти закрытого грейфера к вертикали.

9. Расстояние  между шарнирами (плечо) челюсти:

10. Радиус центра  тяжести челюсти:

11. Толщина ножа  челюсти:

12. Толщина кромки  челюсти:

3.2.4. Геометрические размеры при открытом грейфере:

;

;

  где  ;  - координаты центра тяжести челюсти,

        ;  - координаты центра тяжести перегружаемого материала,

       - угол между высотой и хордой челюсти у закрытого грейфера,

      - угол прямоугольного треугольника, построенного на плече Е, т.е. на прямой, соединяющей оси шарниров челюсти,

     - угол между высотой R₀ и плечом Е челюсти,

     - угол между хордой М и плечом Е челюсти.

Проверка:

                               180⁰=180⁰ 

     ;

     ;

     .

         1. При полностью открытом грейфере  длина раскрытия:

;

   где  - полуразмах челюсти.

2. Необходимый  ход траверсы для полного раскрытия  челюстей:

,

.

3.2.5. Массовые характеристики:

1. Максимально  допустимая по грузоподъемности  масса грейфера:

2. Минимально  допустимая масса грейфера:

,

  где с=1.5- коэффициент жесткости.

3. Оптимальная  величина m_гр находится в границах:

m_грmax>m_гр>m_грmin

3.2.6. Масса грейфера:

где к_р=0.8 – коэффициент, учитывающий перенос равнодействующей сил сопротивления на режущую кромку челюсти;

     к_ф=2 – коэффициент, учитывающий влияние формы челюстей;

    - задний угол челюсти в конечный момент зачерпывания; 

    - коэффициенты, учитывающие соответственно относительные массы головки, нижней траверсы, тяг и челюстей.

где - угол скольжения материала при зачерпывании.

1. Кратность  полиспаста:

u=6 ;

;

где u_п – силовая кратность замыкающего полиспаста;

      - КПД блока с подшипниками качения.

2. Удельное сопротивление  зачерпыванию:

,

где - расчетное среднее заглубление челюсти;

      К_пз =0.3 – коэффициент, учитывающий гранулометрический состав материала.

3. Сила сопротивления зачерпывания челюстей: