Исходные данные для расчета мостового крана

ОСНОВЫРАСЧЕТА И ВЫБОРА УЗЛОВ МЕХАНИЗМОВ ПОДЪЕМА И ПЕРЕДВИЖЕНИЯ МОСТОВОГО КРАНА

Методические указания

 

1. Расчет механизма подъема груза

2. Расчет механизма передвижения.

Литература

Приложение

Введение

Мостовой кран - грузоподъемная машина циклического действия, предназначенная для подъема и перемещения груза в пространстве (рис. 1). Мостовые краны применяются для строительных работ, а также для обслуживания технологического оборудования цехов и складов производственных предприятий. Типовой мостовой кран включает мост 1, перемещающийся на ходовых колесах 2 по подкрановым путям 3 вдоль цеха. По мосту перемещается тележка 4, снабженная механизмом подъема груза 5. Механизм передвижения крана установлен на мосту, а механизм передвижения тележки - непосредственно на тележке. Таким образом, перемещение груза может происходить в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Управление всеми механизмами совершается из кабины 6, прикрепленной к мосту.

Основные параметры мостового крана:

Q, т - грузоподъемность; Q_К, т - масса крана; H, м - высота подъема груза; L, м - пролет крана; А, м - база крана; V_{Г ,} м/мин - скорость подъема груза; V_К, м/мин - скорость передвижения крана; V_Т, м/мин - скорость передвижения тележки.

При расчете в качестве исходных данных принимаются величины параметров Q, V_Г, H, V_П, Q_К, а также назначается режим работы: легкий - Л (продолжительность включения ПВ = 15%); средний - С (ПВ = 25%); тяжелый - Т (ПВ = 40%).

Расчет механизма подъема груза

На рис. 2 представлена схема механизма подъема груза, где обозначено: 7 - электродвигатель; 8 - упругая муфта с тормозным шкивом; 9- тормоз; 10 - редуктор; 11- муфта зубчатая; 12 - барабан; 13 - полиспаст; 14 - балансирный блок; 15 - подвижный блок;

Рис. 1. Схема мостового крана

Рис. 2. Схема механизма подъема груза

Выбор полиспаста.

Полиспастом называется система неподвижных и подвижных блоков, огибаемых канатом, служащая для выигрыша либо в силе, либо в скорости.

Крановые полиспасты выполняются простыми (одинарными) или сдвоенными.

В простом полиспасте на барабан набегает одна ветвь каната, а в сдвоенном - две ветви.

Кратностью полиспаста называется отношение скорости движения ветви каната, набегающей на барабан, к скорости подъема груза.

Для простого полиспаста кратность равна числу ветвей каната, несущих груз, а для сдвоенного полиспаста - отношению числа ветвей каната, несущих груз, к числу ветвей, набегающих на барабан, т.е. половине числа ветвей каната, несущих груз.

В мостовых кранах применяются только сдвоенные полиспасты, обеспечивающие строго вертикальный подъем груза и постоянство нагрузок на опоры барабана.

Кратность сдвоенного полиспаста выбирается исходя из следующих рекомендаций:

Грузоподъемность Q, т	Кратность a
5…10
11...15
16...20

1.2. Расчетное усилие в одной ветви каната, набегающей на барабан:

, кН (, т),

где дополнительно обозначено:

q = 0,05Q - масса грузозахватных устройств;

g = 9,81 мс^-2 - ускорение свободного падения;

h_n - коэффициент полезного действия (к.п.д.) полиспаста, вычисляемый по формулам, приведенным в таблице 1, где h - к.п.д. одного блока:

h = 0,97...0,98 для блоков на подшипниках качения;

h = 0,94...0,96 для блоков на подшипниках скольжения.

Таблица 1

a	h
>4

В среднем можно принять: при a = 2 h_п =0,98; при a = 3 h_п = 0,96; при a = 4 h_п = 0,94.

1.3. Расчет (выбор) каната.

Расчет каната производится по величине разрывного усилия S_p исходя из условия S_p ³ КS_б, где K - запас прочности, принимаемый по нормам Госгортехнадзора в зависимости от режима работы (таблица 2):

Таблица 2

Режим работы	К
Л
С	5,5
Т

 

По таблицам (1, стр. 11 или Приложение 1) в зависимости от S_p выбирают канат диаметром d_к. Рекомендуется применять канат с линейным контактом (касанием) проволок - ЛК.

1.4. Определение размеров барабана.

Расчетный диаметр барабана и блоков (рис. 2): D_б ³ ed_к, мм (округлить до целых см), где е - коэффициент, принимаемый по нормам Госгортехнадзора в зависимости от режима работы (таблица 3):

Таблица 3

Режим	e
Л
С
Т

Диаметр барабана и блоков, измеренный по дну желоба:

D = D_б - d_к

Шаг нарезки барабана: t = d_к +(2...3) мм.

Радиус канавки: R = 0,54d_к.

Глубина канавки: с = 0,3d_к.

Число витков на каждой стороне барабана:

Z = aH / p D_б + Z₀,

где Z₀ = 2 - число запасных (несматываемых) витков, оставляемых для разгрузки крепления конца каната к барабану (по нормам Госгортехнадзора Z₀ = 1,5).

Длина нарезной части барабана: l_н = Zt.

Длина гладкой части барабана: l_Г = 50...80 мм.

Полная длина барабана с учетом участков для крепления каната: L = 2l_н + l_Г + 8t.

Толщина стенок барабана определяется из условия прочности кольца, нагруженного равномерно распределенным по его внешней поверхности давлением (рис. 3), по формуле Ляме [2]:

s_сж = 2pD²/(D² - D₁²) » S_б /dt £ [s_сж],

где: p = 2S_б /Dt; D₁ = D - 2d, [s_сж] – допускаемые напряжения сжатия.

Для чугунных литых барабанов [s_сж] = s_{в сж} /k, для стальных литых барабанов [ s_{в сж}] = s _т /k, где k - запас прочности (k = 4,25 для чугуна; k = 1,5 для стали).

Например, для барабана из чугуна СЧ15 s_{в сж} = 650 МПа, [s_сж] = 650/4,25 = 153МПа, для барабана из стали 55Л s _т = 350 МПа, [s_сж] = 350/1,5 = 233МПа.

Толщина стенки барабана: d = S_б /[s_сж]t, мм (S_б, Н; t, мм). Для барабана из стали необходимо принимать d ³15мм, для барабана из чугуна - d ³12мм.

Примечание: проверка прочности барабана с учетом его изгиба и кручения в данном расчете не производится, т.к. условие d ³ 12мм и d ³ 15 мм гарантирует достаточный запас прочности.

Выбор электродвигателя.

Скорость навивки каната на барабан: V_кб = aV_Г, м/мин.

Частота вращения барабана:

n_б = 1000V_кб /pD_б, об/мин (D_б, мм).

Вращающий момент на валу барабана:

T_б = 2S_б D_б /2×10³ = S_б D_б /10³, Нм (D_б, мм; S_б, Н).

Требуемая мощность электродвигателя:

P = T_б n_б /9550h_мех, кВт,

где: h_мех = h_барh_ред - к.п.д. механизма;

h_бар = 0,96 - к.п.д. барабана;

h_ред = 0,90 - к.п.д. редуктора;

По таблицам (1, стр. 75 или Приложение 2) выбирают электродвигатель серии МТВ (с фазным ротором) с учетом заданного режима работы (ПВ %). Двигатель с фазным ротором позволяет регулировать величину пускового момента. Для выбранного электродвигателя выписать:

P_дв - мощность, кВт;

n_д0в - частота вращения, об/мин;

I - момент инерции ротора, кг×м²;

T_max - максимальный вращающий момент, Нм; (в таблицах этот момент обозначен через M_max в деканьютонах (дан), т.е. необходимо принять T_max = 10 M_max.

d_дв - диаметр вала двигателя, мм (1, стр. 76 или Приложение 3);

h_дв - к.п.д. двигателя.

1.6 Выбор редуктора.

Требуемое передаточное отношение редуктора:

i_{ред. тр} = n_дв /n_б.

По таблицам (1, стр. 66 или Приложение 4) выбираем редуктор серии Ц2 с учетом ПВ, считая, что мощность и частота вращения двигателя равны соответственно мощности и частоте вращения на быстроходном валу редуктора:

P_Б = P_дв, n_Б = n_дв.

Если для выбранного редуктора i_ред значительно отличается от требуемого i_{ред. тр}, то нужно выбрать электродвигатель с другой частотой вращения и повторить подбор редуктора. Можно, также, увеличить диаметр барабана.

1.7. Время разгона (пуска) механизма подъема груза.

Время разгона t_п определяют из формулы:

T_{пуск ср} = T_c +1,15(I + I_м)p n_дв /30t_п +

+ 1000(Q + q)V_Г D_б /120ai_редh_пh_мехt_п,

где дополнительно к ранее введенным обозначениям:

T_c = T_б /i_редh_мех - момент сопротивления от груза, приведенный к валу электродвигателя;

T_{пуск ср} » 0,5(T_max+T_c) - среднее значение пускового момента для электродвигателя серии МТВ;

I_м - момент инерции упругой муфты со шкивом, выбираемой по диаметру вала электродвигателя d_дв (1, стр. 36, рис. 1 или Приложение 5).

Примечание: Q, q, т; V_Г, м/мин; D_б, м;

1.8. Ускорение груза при разгоне (пуске) механизма:

j_Г = V_Г /60t_п£ [j_Г] м/с² ,

где [j_Г] - рекомендуемое значение ускорения.

Для монтажных кранов [j_Г] = 0,1 м/с².

Для кранов механосборочных цехов [j_Г] = 0,2 м/с².

Для перегрузочных кранов [j_Г] = 0,8 м/с².

В случае, если j_Г >[j_Г], то следует уменьшить T_{пуск ср}, например, за счет введения добавочных сопротивлений в цепь ротора (для электродвигателей с фазным ротором).

1.9. Выбор тормоза.

Статический тормозной момент, приведенный к валу электродвигателя:

T_{т ст} = T_б h _мех h ²_п /i _ред, Нм. (h²_п учитывает, что силы сопротивления в полиспасте уменьшают тормозной момент, а также то, что ранее при определении S_б величина h_п была учтена в знаменателе соответствующей формулы).

Тормозной момент, который должен обеспечить тормоз:

T_т = К_т T_{т ст,}

где К_т - коэффициент запаса торможения (таблица 4).

 

Таблица 4

Режим работы	Кт
Л	1,5
С	1,75
Т	2,0
ВТ	2,5

По величине T_т с учетом режима работы выбирают тормоз колодочный для работы на переменном токе (1, стр. 43 или Приложение 6).

2. Расчет механизма передвижения.

Схема механизма передвижения крана представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема механизма передвижения

2.1. Выбор электродвигателя.

Сопротивление передвижению крана на горизонтальном пути:

W = Q₀ g(2m + fd)k_p /D_к, кН,

где: Q₀ = Q + q + Q_к , т;

Q, q, Q_к - соответственно масса груза, крюковой обоймы и крана;

D_к - диаметр ходового колеса; m - коэффициент трения качения;

f - коэффициент трения в цапфе колеса (f = 0,015 - для подшипников качения);

d - диаметр цапфы, определяемый из соотношения d = D_к /(6...8);

k_p - коэффициент, учитывающий трение в ребордах (k_p = 2,5...3,5 для колес с цилиндрическим ободом).

Диаметр ходового колеса, его ширину b_к и коэффициент трения качения принимают в зависимости от грузоподъемности крана (таблица 5).

Таблица 5

Грузоподъемность крана Q, т
Диаметр колеса Dк, мм
Рабочая ширина колеса bк,мм
Коэффициент трения качения m, мм	0,5	0,6	0,6

Сопротивление от уклона пути:

W_y = Q₀g sin0,5⁰ » 0,01Q₀g, кН.

Требуемая мощность электродвигателя:

P = (W + W_y)V_к /60h _ред, кВт,

где: V_к - заданная скорость передвижения крана, м/мин;

h _ред - к.п.д. редуктора (h _ред = 0,9).

Выбирают крановый электродвигатель типа МТВ (1, стр. 75 или Приложение 2).

Выписывают основные данные электродвигателя, необходимые для дальнейших расчетов: P_дв, n_дв, T_max, I, d_дв,h_дв.

2.2. Выбор редуктора.

Требуемое передаточное отношение редуктора i_{ред тр} = n_дв /n_к, где n_к = V_к /pD_к - частота вращения колеса, об/мин.

По данным каталога (1, стр. 66 или Приложение 4) выбирают редуктор серии Ц2 с передаточным отношением i_ред, близким к требуемому.

2.3. Определение ускорения при разгоне крана.

Время разгона крана t_р определяют из формулы:

T_{пуск ср} = T_cс +1,15(I + I_м)p n_дв /30t_р + 1000 Q₀ V_к D_к /120i_редh_редt_р,

где: T_cс - момент статических сопротивлений на горизонтальном участке, приведенный к валу электродвигателя, определяемый по формуле: T_cс = 0,5D_кW/i_редh_ред, Нм (D_к, м);

T_{пуск ср} » 0,5(T_max +T_cс) - среднее значение избыточного движущего момента при разгоне крана;

I_м - момент инерции муфты со шкивом (кгм²), выбираемой по данным каталога (1, стр. 36, фиг.1 или Приложение 5) в соответствии с d_дв.

Ускорение при разгоне крана: j_к = V_к /60t_р, м/с².

2.4. Проверка на буксование ведущих колес (на прочность сцепления колес с рельсами).

Допускаемое ускорение по условию прочности сцепления колес с рельсами:

[j_к] = jgm /1,2n - (W - W_пр)/Q_0, м/с²,

где: j = 0,2 - коэффициент сцепления колеса с рельсом;

g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

n = 4 - общее число колес;

m - число приводных колес (обычно m /n = 1/2);

W_{пр =} Q₀gmfd /p D_к - сила трения в цапфах приводных колес (эта сила является внутренней и не влияет на прочность сцепления).

Условие отсутствия буксования: j_к £ [j_к].

Если это условие не удовлетворяется, необходимо уменьшить пусковой момент электродвигателя механизма передвижения.

2.5. Расчет ходовых колес моста (рис. 3).

Принимаем колеса с цилиндрическим ободом.

Эквивалентная нагрузка на ходовые колеса:

P_э = к_д к_н Р_с , Н,

где: Р_с - максимальная нагрузка на ходовое колесо;

к_д = 1,1...1,3 - коэффициент динамичности, учитывающий влияние неровностей и наличие стыков;

к_н = 2 - коэффициент неравномерности нагрузки по ширине рельса.

Р_с = 1000g[(Q_к - Q_т)/4 + (Q+q+Q_т)(L - l)/2L],Н,

где: L = 18 м - заданный пролет крана;

Q_т » 0,15Q_к - масса тележки;

l» 1 м - недоход тележки до опоры моста.

Эквивалентные контактные напряжения при взаимодействии цилиндрического колеса с плоским рельсом:

s_э = 0,167к_f , МПа,

где: к_f = 1,05...1,1 - коэффициент, учитывающий тангенциальную нагрузку от сил трения;

R_к = 0,5D_к - радиус колеса, мм;

Е - модуль упругости (0,21×10⁶ МПа);

b_к - рабочая ширина колеса.

Прочность колес обеспечена, если s_э £ [s_э],

где: [s_э] = 510 МПа - для нормализованной стали 45;

[s_э] = 650 МПа - для нормализованной стали 50Г2.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Александров М.П. Подъемно-транспортные машины. Атлас конструкций.- М.: Высш. шк., 1979 г.

2. Александров М.П. Подъемно-транспортные машины.- М.: Высш. шк., 2000 г.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

Исходные данные для расчета мостового крана

№ вар.	Грузоподъемность Q, т	Высота подъема груза Н, м	Скорость, м/мин	Режим работы	Масса крана с тележкой Qк, т
подъема груза VГ	передвижения Vк
	5,0		12,5		С	17,7
	6,3		14,0		C	19,5
	8,0		10,0		T	21,6
	10,0		12,0		Л	37,3
	12,5		13,0		С	35,0
	16,0		10,0		С	36,3
	6,3		13,5		С	32,5
	5,0		14,5		Т	19,2
	8,0		14,0		Л	23,6
	12,5		10,0		С	33,0
	10,0		11,0		С	33,8
	12,5		10,5		Т	32,7
	6,3		11,5		Т	30,5
	8,0		12,0		С	30,2
	12,5		13,0		С	29,3
	10,0		9,5		C	40,0
	8,0		11,0		C	33,6
	6,3		9,5		T	35,0
	16,0		10,0		C	35,3
	5,0		12,5		C	21,2
	10,0		13,0		C	24,3
	12,5	12,5	13,0		C	24,3
	8,0		11,0		C	29,0
	5,0		12,5		Л	27,3
	10,0		11,5		Л	26,8