Прочностные расчеты механизма. Смазка крановых редукторов в зависимости от грузоподъемности и режимов работы крана Схемы и конструктивные особенности механизмов подъема груза

К деталям узла барабана, подлежащим расчету, относятся: барабан, ось барабана, подшипники оси, крепление конца каната к барабану.

Прочностным расчета барабана является расчет его стенки на сжатие. Для группы режима работы принимаем материал барабана сталь 35Л с [ сж ]= 137 МПа , барабан выполнен литым

Толщина стенки литого барабана

0,01 · Дн + 0,003 = 0,01 · 400 + 0,003 = 0,007 м

По условиям технологиям изготовления литых барабанов? 10 15 мм. С учетом изнашивания стенки барабана примем = 15 мм = 0,015 м

Проверяем выбранную стенку барабана на сжатие по формуле

Уточняем выбранное значение толщины стенки барабана по формуле

где - коэффициент, учитывающий влияние деформаций стенки барабана и каната, определяется по зависимости

где Ек - модуль упругости каната. Для шестипрядных канатов с органическим сердечником Ек = 88260 МПа; Fк - площадь сечения всех проволок каната; Еб - модуль упругости стенки барабана, для литых стальных барабанов Еб = 186300 МПа, по зависимости 0,0062 м при отношении длины барабана к его диаметру допускаемое напряжение в формуле (46) следует уменьшить на с% при навивке на барабан двух концов каната, причем для величина с = 5%. Тогда

[ сж ] = 0,95 · 137 = 130,15 МПа

1,07 · 0,86452 · = 0,0058 м. Следовательно, принятое значение = 0,015 м удовлетворяет условиям прочности.

При отношении = 2,05 < 3 4 расчет стенки барабана на изгиб и кручение не выполняется.

Отношение = 2,05 < = 6,5 , поэтому расчет цилиндрической стенки барабана на устойчивость также можно не выполнять.

В качестве прижимного устройства каната на барабане используется напряжение планки с полукруглыми канавками. Согласно правилам Госгортехнадзора число установленных одноболтовых планок должно быть не менее двух, которые устанавливают с шагом 60 0 . Суммарное усилие растяжение болтов, прижимающих канат к барабану.

где f = 0,1 0,12 - коэффициент трения между конатом и барабаном,

Угол наклона боковой грани канавки. = 40 0 ;

Угол обхвата каната неприкосновенными витками, = (1,5 2)· 2П = (3 4) · П

Необходимое число болтов

где k ? 1,5 - коэффициент запаса надежности крепления каната к барабану,

f 1 = - приведенный коэффициент трения между канатами и планкой;

f 1 = = 0,155; l - расстояние от дна каната на барабане до верхней плоскости прижимной планки, конструктивно примем l = 0,025 м.

В качестве материала болта принята сталь ВСтЗсп с тех = 230 МПа. Допускаемое напряжение растяжения [ р ] = = = 92 МПа; d 1 - средний диаметр резьбы болта, для каната диаметром d к = 13 мм принимаем болт М12, d 1 = 0,0105 м

Принимаем z = 8, четыре двухболтовые в планки.

Ось барабана испытывает напряжение изгиба от действия усилий двух ветвей каната при сдвоенном полиспасте, собственным весом барабана пренебрегаем. Расчетная схема оси барабана механизма подъема представлена на рисунке 8.

Нагрузка на ступицы барабана (при пренебрежении его весом)

где l н - длина нарезной части барабана, l н = 303,22 мм; l гл - длина гладкой средней части, l гл = 150 мм (см. рисунок)

Расстояние от ступиц барабана до опор оси предварительно принимаем : l 1 = 120 мм, l 2 = 200 мм, расчетную длину оси l = L б + 150 200 мм = 820 + 150 = 970 мм.

Расчет оси барабана сводится к определению диаметров цапф d ш и ступицы d с из условия работы оси на изгиб в симметричным цикле :

Где Ми - изгибающий момент в расчетном сечении,

W - момент сопротивления расчетного сечения при изгибе,

[ - 1 ] - допускаемое напряжение при симметричном цикле, определяется по упрощенной формуле:

Рисунок 8 - Расчетная схема оси барабана механизма подъема груза.

где к 0 - коэффициент учитывающий конструкцию детали, для валов и осей, цапф к 0 = 2 2,8; - 1 - предел выносливости,

[n] - допускаемый коэффициент запаса прочности, для группы режима работы 5М[n] = 1,7. Материал оси - сталь 45, тех = 598 МПа, -1 = 257 МПа

Нагрузки на ступицы барабана по формуле (50)

Находим реакции в опорах оси барабана: ? М 2 = 0

R1 · l = P1(l - l1) + P2 · l2

R 2 = P 1 + P 2 - R 1 = 14721,8 + 10050,93 - 14972,903 = 9799,827 Н

Изгибающий момент под левой ступицей:

М 1 = R 1 · l 1 = 14972,903 · 0,12 = 1796,75 Н · м

Изгибающий момент под правой ступицей:

М 2 = R 2 · l 2 = 9799,827 · 0,2 = 1959,965 Н · м

Находим диаметр оси под правой ступицей, где действуют наибольший изгибающий момент М 2:

Принимаем d С = 0,07 м

Принимаем остальные диаметры участков оси барабана согласно рисунку 9.

Рисунок 9 - Эскиз оси барабана.

Из в качестве подшипников опор выбраны радиальные двухрядовые шарикоподшипники № 1610 ГОСТ5720 - 75 с внутренним диаметром 50 мм, наружным 110 мм, шириной 40 мм, динамическая грузоподъемность с = 63,7 кН, статическая с 0 = 23,6 кН.

Проверяем выбранные подшипники по . Требуемая динамическая грузоподъемность

Стр = F п · (53)

где F п - динамическая проведенная нагрузка, L - номинальная долговечность, млн. циклов, 3 - показатель степени кривой усталости Велера для шарикоподшипников.

Номинальная долговечность определяется по формуле

где n - частота вращения колца подшипника при установившемся движении, об/мин;

Т- требуемая долговечность подшипника, ч. Для группы режима работы 5М величина Т = 5000ч.

F п = F экв · r б · r темп (55)

где F экв - эквивалентная нагрузка; к б - коэффициент безопасности, к б = 1,2; к темп - температурный коэффициент, к темп = 1,05 (для 125 0 с)

Эквивалентная нагрузка определяется с учетом фактического или усредненного графика работы механизма (см. рисунок) в зависимости от группы режима работы:

где F 1 , F 2 …. F i - постоянные приведенные нагрузки на подшипник при различной массе транспортируемого груза, действующие в течение времени

t 1, t 2 , …. t i за срок службы, при соответствии частоте вращения n 1, n 2 ……n i ; Т - общий расчетный срок службы подшипника, ч;

n - частота вращения детали при установившемся режиме для движения, длящегося наиболее долго.

F п = 11126 · 1,2 · 1,05 = 14018,76 Н

С тр = 14018,76 ·

следовательно, выбранный подшипник оси барабана подходит.

Выполняем уточненный расчет оси барабана в опасных сечениях 1 - 1 и 2 - 2 (см. рисунок), а также в сечении 3 - 3.

Механизмы подъема груза кранов

Подъем груза в кранах осуществляют различные механизмы, которые отличаются по типу привода, системе подвеса груза и конструктивному исполнению. Механизмы подъема груза могут быть с ручным, индивидуальным и групповым машинным приводом.

Рис. 62. Схема механизма подъема груза

Основными узлами канатных механизмов подъема груза являются лебедка, грузовой орган, соединенный с ней канатом, и устройства, обеспечивающие безопасную эксплуатацию механизмов. Однобарабанная крюковая лебедка (рис. 62) состоит из электродвигателя, редуктора, жестко соединенного муфтой с барабаном, тормоза, канатного полиспаста, крюковой подвески, уравнительного блока.

В механизмах подъема с индивидуальным приводом, который применяют в кранах общего назначения, барабан с редуктором соединяют с помощью зубчатой муфты. Валы двигателя и редуктора соединяют при помощи муфты МУВП. В этих механизмах тормоз обычно устанавливают на быстроходном валу, так как для остановки механизма в этом случае требуется меньший тормозной момент.

Согласно Правилам по кранам механизмы подъема груза выполняют так, чтобы опускание груза производилось только принудительно, включением двигателя.

В мостовых подвесных и опорных кранах грузоподъемностью до 5 т и в козловых кранах типа ККТ грузоподъемностью до 12,5 т в качестве механизма подъема используют электрические тали.

В кранах большей грузоподъемности лебедку механизма подъема груза устанавливают на грузовой тележке крана.

Мостовые краны грузоподъемностью свыше 15 т имеют, как правило, два механизма подъема груза: основной и вспомогательный, например грузоподъемностью 15/5 т - основной - 15 т, вспомогательный - 5 т.

Рис. 63. Лебедка механизма подъема груза с малой посадочной скоростью

Во многих случаях при монтажных, строительных и специальных работах в механизмах подъема груза необходимо изменять скорости подъема и опускания груза в зависимости от характера выполняемой работы и величины груза. Это привело к созданию многоскоростных механизмов подъема груза.

Среди механических способов регулирования скорости перемещения груза используют изменение передаточного отношения редуктора, специальные конструкции лебедок и тормозов.

Изменение скоростей переключением передач в редукторе неудобно и обеспечивает диапазон изменения скоростей не более 2. Применение электрогидравлического толкателя тормоза механизма подъема, подключенного по специальной схеме, позволяет получить посадочные скорости до 20% от номинальных. При таком способе регулирования скорости происходит интенсивное изнашивание накладок тормоза и он допустим только при кратковременной работе.

Наибольшее применение нашли специальные многоскоростные лебедки с микроприводом. Существует много различных кинематических схем многоскоростных лебедок, отличительной особенностью их является наличие двух электродвигателей и планетарных редукторов или специальных муфт.

Лебедка с малой посадочной скоростью (рис. 63) в дополнение к нормальным узлам снабжена микродвигателем, червячным редуктором, планетарной муфтой, тормозом муфты, соединенными с валом главного двигателя. Для работы микропривода тормоз замыкают, а двигатель отключен и вращается вхолостую при разомкнутом тормозе.

Микродвигатель вращает центробежную (солнечную) шестерню и водило, соединенное с валом двигателя. При передаточном числе планетарной муфты ир = 5 обеспечивается установочная скорость барабана около 1% от основной.

Подбор подшипников для вала барабана

Исходя из схем полиспастов с одинарным барабаном, счетные схемы для определения радиальной нагрузки на барабан будет следующая:

Рисунок 10. Схема нагрузки на барабан

Величина реакции, где сила натяжения каната.

Коэффициент безопасности.

Для барабана выбираем радиальный шариковый однорядный подшипник 116, особо легкая серия. Расчетная долговечность равна:

Полученная долговечность достаточная для крана.

Проверка работы механизма подъема груза крана в режиме неустановившегося движения

Время пуска при подъеме крана определяется по формуле:

Момент инерции двигателя,

• - для двигателей типа MTKF,
• - средний пусковой момент

Вращающий момент на входе редуктора

Частота вращения двигателя

Получаем

Для обеспечения времени пуска в интервале сек применяется двигатель с фазным ротором типа MTF 411-6, где время пуска регулируется работой реостатного контроллера.

Компоновка механизма подъема груза

Механизм подъема груза состоит из редуктора 1, быстроходный вал которого соединен с электродвигателем 6 при помощи втулочно-пальцевой муфты с тормозным шкивом. На этом валу стоит колодочный с электродвигателем тормоз 4. барабан 2 сдвоенный, который обеспечивает симметрию приложения нагрузки (усилие в канате), нагрузка при подъеме груза, на подшипниках не изменяется.

Рисунок 11. Механизм подъема груза крана

Ось барабана соединяется с тихоходным валом редуктора при помощи зубчатой муфты, обеспечивающей компактное соединение валов, а вторым концом ось барабана опирается не подшипниковый узел 3.

Все узлы и механизм установлены на сварной раме 5 из швеллеров.

Цель работы: изучить различные кинематические схемы механизма подъема мостового крана.

2.1 Задание

Таблица 1.1

Исходные данные

2.2 Указания к выполнению задания

Непременным и наиболее ответственным элементом любой ГПМ является механизм подъе­ма.

В зависимости от грузоподъемности и условий эксплуатации применяют механизмы подъе­ма с ручным или машинным приводом.

Машинный привод может быть индивидуальным (каж­дый механизм ПТМ имеет собственный двигатель) либо групповым (все механизмы ПТМ приводятся в действие от одного двигателя).

На рисунке 2.1показана кинематическая схема механизма подъема мостового крана. Механизм состоит из двигателя 1, соединительной муфты с тормозным шкивом 2, на которую насажен тормоз 3. муфта служит для соединения концов валов двигателя и редуктора 4. Муфта 5 соединяет между собой конец вала редуктора и барабана 6. На барабан наматывается канат 7, который огибает блок 8. Для соединения груза с мостовым краном используется крюковая подвеска.

При расчете механизма подъема решаются следующие задачи:

Определение разрывного усилия каната и выбор стандартного каната;

Выбор барабана и расчет его параметров;

Определение мощности двигателя и выбор типа двигателя;

Выбор редуктора;

Выбор соединительных муфт;

Определение потребного тормозного момента и выбор типа тормоза.

Рисунок 2.1. Кинематическая схема механизма подъема

В качестве гибкого органа для подвешивания грузов в подавляющем большинстве случаев применяется стальной проволочный канат.

В соответствии с требованиями международного стандарта ИСО 4301/1, стальные канаты подбираются по разрывному усилию :

где F 0 - разрывное усилие каната в целом Н, принимаемое по сертификату;

S - наибольшее натяжение ветви каната, определяемое при подъеме номинального груза с учетом потерь на блоках полиспаста и на обводных блоках, но без учета динамических нагрузок;

Z p - минимальный коэффициент использования каната (минимальный коэффициент запаса прочности каната), определяемый по таблице 2 и 3 .

Наибольшее натяжение ветви каната определяется по формуле:

где а - число ветвей каната, наматываемых на барабан;

η бл - КПД блока; можно принять: КПД блока, установленного на подшипниках качения 0,98; на подшипниках скольжения 0,96;

i п – кратность полиспаста;

n – число направляющих блоков.

Определив разрывное усилие и задавшись пределом прочности стальной проволоки, по справочным таблицам подбирается канат. Наибольшее распространение нашли канаты типа ЛК-О, ЛК-Р, ТЛК, ТЛК-О. Выбрав канат, устанавливают его диаметр d.

От выбора схемы установки грузового барабана в дальнейшем зависит конструкция всего узла барабана. Существует несколько схем установки барабана:

а) выходной вал редуктора соединяется с валом барабана с помощью муфты общего значения (рекомендуется жесткая компенсирующая муфта) (рисунок 2.2, а). Достоинством этой схемы являются: простота конструкции, удобство монтажа и обслуживания. Недостатки: значительные габариты; необходимость использования вала (для установки барабана), нагруженного крутящими и изгибающими моментами.

б) барабан соединяется с редуктором посредством зубчатой передачи (рисунок 2.2, б). Ведомое колесо передачи жестко крепится к фланцу барабана (разъемное или неразъемное соединение), таким образом, барабан устанавливается на оси, разгруженной от крутящих моментов, что является достоинством данной схемы. Недостаток - наличие открытой зубчатой передачи, подлежащей расчету. Данная схема применяется в том случае, если в результате расчета не удается подобрать редуктор со стандартным передаточным отношением.

в) вал барабана и выходной вал редуктора совмещены в одной конструкции (рисунок 2.2, в). Достоинства данной схемы в малых габаритах и простоте конструкции. Недостатки: наличие трехопорного вала (затруднена точная установка в опорах), необходимость вести совместный монтаж редуктора и барабана.

Рисунок 2.2. Схемы установки барабанов.

г) выходной вал редуктора соединяется с барабаном с помощью специальной зубчатой муфты, встроенной в барабан (рисунок 2.2, г). Эта схема требует применение специальных крановых редукторов, выходной вал которых, имеет зубчатый фланец. Достоинства схемы: компактность; установка барабана на оси, которая разгружена от крутящих моментов. Недостатки: затруднен доступ к зубчатой муфте, при монтаже и ремонте; необходимо обязательное соответствие размеров редуктора и барабана.

В ходе расчета определяются геометрические параметры барабана – диаметр барабана и его длина. Диаметр барабана, замеренный по центрам сечения витка каната (рисунок 3), определяется:

где h 1 – коэффициент выбора диаметра барабана, определяемый по таблице 5 .

Приняв диаметр барабана, следует найти диаметр барабана по дну канавки:

Рисунок 2.3. Параметры барабана

Полученное значение следует округлить в большую сторону до значения из нормального ряда размеров: 160, 200, 250, 320, 400, 450, 560, 630, 710, 800, 900, 1000. Затем следует уточнить значение D 1 .

Если используется схема соединения барабана с редуктором, при помощи встроенной зубчатой муфты, то минимальный диаметр барабана принимается 400 и затем уточняется при компоновке механизма.

Длина нарезного барабана определяется по формулам:

при работе с одинарным полиспастом, мм:

при работе со сдвоенным полиспастом, мм:

где L 1 - длина нарезной части барабана, определяемая по формуле, мм:

, (2.7)

где t – шаг нарезки, t ≈ (1,1….1,23)d, при этом полученная величина должна быть округлена до значения кратного 0,5;

L 2 - расстояние от торцов барабана до начала нарезки, L 2 =L 3 =(2÷3)t;

L 4 - расстояние между участками нарезки, L 4 = 120 ÷ 200 мм.

Длина гладкого барабана определяется, мм:

где n- число витков каната, уложенных по всей длине барабана;

z – число слоев навивки каната на барабан;

γ – коэффициент неравномерности укладки каната, γ = 1,05.

Число витков каната, уложенных по всей длине барабана:

Потребная мощность двигателя механизма подъема определяется по формуле, кВт:

где η – общий КПД механизма, η=η м ×η б ×η п;

η м – КПД передаточного механизма;

η б – КПД, учитывающий потери мощности на барабане;

η п – КПД полиспаста.

Для предварительных проектных расчетов можно принять КПД механизма 0,8÷0,85 или принять: η м =094÷0,96; η б =0,94÷0,96; η п =0,85÷0,9.

По полученной мощности подбирают стандартный электродвигатель типа МТ (MTF) – с фазным ротором или типа MTK(MTKF) – c короткозамкнутым ротором. В виде исключения можно рекомендовать двигатели общего назначения – типа АО.

Выбрав двигатель, выписывают из литературы , следующие параметры, необходимые для дальнейшего расчета механизма:

N дв – номинальная мощность двигателя, кВт;

n дв – частота вращения ротора двигателя, об/мин;

d дв – диаметр выходного конца ротора двигателя.

Кинематический расчет механизма заключается в определении передаточного числа механизма, по которому подбирается стандартный редуктор:

где n б – частота вращения барабана

По данному передаточному числу выбирается по литературе , стандартный редуктор. Наибольшее применение в механизмах подъема нашли двухступенчатые горизонтальные зубчатые редукторы кранового типа Ц2. При выборе редуктора должны быть проверены условия, касающиеся прочности, долговечности и кинематики редуктора:

а) выбранное передаточное число редуктора не должно отличаться от расчетного более чем на 15%;

б) частота вращения быстроходного вала редуктора должна быть не меньше частоты вращения вала двигателя.

Выбрав по каталогу редуктор, выписывают необходимые для расчета параметры:

U p – действительное передаточное число;

d 1 ,d 2 – диаметры выходных концов быстроходного и тихоходного валов редуктора.

С помощью муфт соединяются вал двигателя с входным валом редуктора, а так же (в некоторых схемах установки барабана) выходной вал редуктора с валом барабана. Одна из полумуфт приводной муфты обычно служит одновременно тормозным шкивом для тормоза, установленного здесь же, на приводном валу. Эта конструкция называется муфтой с тормозным шкивом.

Специальные муфты с тормозным шкивом выполняются в двух вариантах – на базе упругой втулочно-пальцевой муфты (МУВП) и на базе зубчатой муфты (МЗ) , .

Зубчатая муфта в некоторых случаях может быть выполнена с промежуточным валом-вставкой, и тогда она включает в себя: муфту с тормозным шкивом, обычную зубчатую муфту и соединяющий их вал вставку, длина которого устанавливается конструктивно. Такое решение применяют тогда, когда конструктивно невозможно установить редуктор рядом с двигателем или когда стоит вопрос о более равномерном распределении весовых нагрузок от механизмов на ходовые колеса.

В качестве муфты, установленной на валу барабана, используется стандартная (жесткая компенсирующая) муфта.

Выбор муфт производится по диаметрам соединяемых валов, затем подобранная муфта проверяется по крутящему моменту.

Крутящий момент на валу двигателя, Н∙м:

Крутящий момент на валу барабана Н∙м:

где η Б – КПД барабана, η Б = 0,99;

η р – КПД редуктора, η р = 0,92.

Определяется расчетное значение момента, Н∙м:

где к 1 – коэффициент учитывающий режим работы (легкий режим – 1,1; средний – 1,2; тяжелый – 1,3).

Выбранная муфта должна удовлетворять условию: Т р ≤ Т табл (Т табл - предельно допустимое значение крутящего момента, указанного в справочниках , ).

В большинстве случаев тормоз в механизмах подъема устанавливают на приводном валу, причем тормозной шкив, являющийся одной из полумуфт приводной муфты, должен быть обращен в сторону редуктора. Наибольшее распространение нашли колодочные тормоза: двухколодочные с электромагнитом переменного тока типа ТКТ и с электрогидротолкателями типа ТТ и ТКГ. Тормоза ТКТ конструктивно проще, поэтому их применение предпочтительнее при диаметрах тормозных шкивов до 300 мм и тормозных моментах до 500 Нм. Достоинствами тормозов ТТ и ТКГ являются плавность срабатывания и возможность осуществления больших тормозных моментов. При использовании постоянного тока применяются тормоза типа ТКП.

Определяется тормозной момент, Н∙м:

Выбор тормоза осуществляется по тормозному моменту:

где β – коэффициент запаса торможения (легкий режим – 1,5; средний режим – 1,75; тяжелый режим – 2).

По полученной величине тормозного момента и режима работы подбирается стандартный тормоз , , выбрав тормоз, необходимо проверить, чтобы диаметр тормозного шкива тормоза совпал с диаметром тормозной муфты.