Проектирование козлового крана

      Введение 
 

      Техническое задание было выдано на кафедре «Подъёмно-транспортные машины и роботы». На основании этого задания был разработан курсовой проект по теме «Кран козловой с опорной тележкой». В ходе разработки проекта были выполнены пояснительная записка, чертежи (общий вид крана, общий вид механизма передвижения тележки, сборочный чертеж механизма подъема и сборочный чертеж приводного ходового колеса крана). Цель проекта – углубление и закрепление знаний по дисциплине “Грузоподъемные машины”.

       1 Назначение, область применения и техническая характеристика крана

      Большое применение в промышленности имеют  козловые краны, предназначенные для механизации перегрузочных и складских работ. Краны общего назначения обычно имеют грузоподъемность 3,2…50 т, пролеты 10…40 м, высоту подъема 7…16 м. Козловые краны грузоподъемностью свыше 8 т применяют для обслуживания складов длинномерных грузов, открытых полигонов заводов железобетонных изделий, отгрузочных площадок машиностроительных заводов и т. д. При пролетах до 35 м оправдано использование кранов с двухбалочными мостами и простыми двухрельсовыми опорными грузовыми тележками мостовых кранов. Размещение подвески между мостами позволяет на 10…15 % уменьшить высоту крана, хотя следует отметить, что двухбалочные мосты сложны в изготовлении и металлоемки. В данной работе проектируем козловой кран общего назначения нормального исполнения с двумя жестко закрепленными опорами и гибкой подвеской грузозахватного органа. Металлоконструкции кранов нормального исполнения выполняют из листов; механизмы таких кранов состоят из отдельных агрегатов, соединенных зубчатыми муфтами; зубчатые передачи выполнены в виде отдельных редукторов, ходовые колеса установлены на угловых буксах. На рисунке 1.1 представлена схема козлового крана. 

      1 − мост; 2 − опора; 3 − кабина управления;

      4 − балансирная тележка; 5 − грузовая тележка.

      Рисунок 1.1 − Козловой кран

       2 Расчет металлоконструкции 
 

      2.1 Выбор материала 

      Т. к. режим работы крана – средний  и температурный режим  −40 − +35˚С, выбираем низколегированную сталь марки 09Г2С ГОСТ 19282−73:

      09 − процентное содержание углерода (0,09%);

      Г2 − процентное содержание легирующего  элемента марганца (1-2%);

      С − процентное содержание легирующего  элемента кремния (0,3-1%). 

      Расчет  на основные и дополнительные нагрузки: 

      Принимаем . 

      2.2 Определение действующих  нагрузок на пролетную  балку 

      Определяем  собственный вес пролетной балки  согласно графику 1в /10, с. 9/: 

      С учетом среднего режима работы и изготовления из низколегированной стали: 

      Определяем  погонный вес пролетной балки, кН/м: 

      Собственный вес грузовой тележки /9, с. 36/, кН: 

      Принимаем . 

      Вес кабины крановщика зависит от условий  работы крана, от типа кабины и завода изготовителя. В случае отсутствия данных аналогов, веса кабин можно брать по таблице 2.1. 

      Таблица 2.1 – Вес кабин

      Принимаем м. 

      Выбираем  кабину закрытого типа с электроаппаратурой и кондиционером. С учетом того, что на балку действует примерно половина веса кабины: 

      Принимаем . 

      Определим вертикальные подвижные нагрузки от давления колес грузовой тележки. 

      Рисунок 2.1 – Схема давления на колеса грузовой тележки 

      Давления  на колеса грузовой тележки, кН: 

где k = 1,1 и k^′ = 0,9 – коэффициенты неравномерного давления колес. 

      Расчетное давление колес грузовой тележки  с учетом динамических нагрузок, возникающих при работе механизма подъема крана (комбинация А) и при передвижении крана (комбинация Б), определяются по следующим формулам: 

      Комбинация  А   

      Комбинация  Б   

где  − коэффициент динамики для поднимаемого груза, для среднего режима работы ;

       = 1 − коэффициент толчков,  учитывающий динамические нагрузки, возникающие при передвижении крана с грузом (принимается в зависимости от скорости передвижения крана). 

      2.3 Силовой расчет 

      Определим максимальный изгибающий момент, кН·м: 

        для сечения  : 

        для сечения  : 

      Принимаем . 

      2.4 Определение геометрических  параметров элементов  поперечного сечения пролетной балки 

      На  рисунке 2.1 приведено поперечное сечение  балки.

      Рисунок 2.1 – Поперечное сечение балки с рельсом между стенками 

      Оптимальная высота пролетной балки, м: 

где  − момент сопротивления поперечного сечения, м³;

       − толщина стенки, мм.

      Момент  сопротивления поперечного сечения, м³: 

где  − максимальный изгибающий момент, кН·м;

        − допускаемое напряжение для расчета пролетной балки, МПа. 

      Полученную величину увеличим на 20%:

      Для грузоподъемности 32 тонны . 

      Согласно  ВНИИПТМаш, высота пролетной балки, м: 

где  − пролет моста, м. 

      Принимаем .

      Расстояние  между стенками, м: 

      Принимаем , т. к. для обеспечения удобства проведения сварочных работ оно не должно быть меньше этого значения.

      Величина  свеса определяется типом сварки. При ручной сварке , при автоматической и полуавтоматической сварке . Принимаем .

      Ширина  полок (рельс между стенками), м: 

где b₀ – расстояние между стенками, м;

      δ_ст – толщина стенки, м;

      b₁ – величина свеса, м. 

      Проверка: , , условие выполняется 

      Принимаем  

      Толщина верхней полки, м:

      Толщина нижней полки, м: 

      Полученные  толщины уточняем по сортаменту на широкополосную сталь. Принимаем , .

      Для сжатых верхних полок необходимо соблюдать условие: 

      Высота  стенки, м: 

      Проверка:

      Принимаем .

       3 Расчет механизма подъема 
 

      Общий расчет механизма подъема груза  включает выбор крюка с подвеской, полиспаста, двигателя, редуктора, муфт, тормоза, выбор каната, расчет барабана.

      Необходимо  рассчитать механизм подъема груза электрического козлового крана грузоподъемностью Q = 20000 кг для механизации перегрузочных работ на открытых площадях предприятий. Скорость подъема груза υ_г= 0,16 м/с. Высота подъема H = 12 м. Группа классификации механизма М3 в соответствии с ИСО 4301/1−86, в соответствии с ГОСТ 25835−83 – 3М. Кинематическая схема привода механизма подъема показана на рисунке 3.1. 

     1 - электродвигатель; 2 - муфта, 3 - промежуточный вал; 4 - муфта;

     5 - тормоз; 6 - редуктор; 7 - барабан.

     Рисунок 3.1 – Кинематическая схема привода механизма подъема 

      Механизм  подъема приводится в движение от кранового электродвигателя 1, соединяемого с цилиндрическим двухступенчатым редуктором 6 с помощью зубчатых муфт 2 и 3. Последняя муфта снабжена тормозным шкивом, с которым взаимодействует колодочный электромагнитный тормоз 5. Барабан 7 закреплен на оси, опирающейся на два роликовых сферических подшипника, позволяющих компенсировать перекосы оси относительно выходного вала редуктора 6. Барабан с редуктором соединяется с помощью специальной зубчатой муфты, одна часть которой (внутренняя) выполнена вместе с тихоходным валом редуктора, другая часть входит в состав барабана.  
 

      3.1 Выбор полиспастной  системы расчет и выбор типа каната 

      Кратность полиспаста механизма подъема выбирается в зависимости от типа полиспаста и грузоподъемности механизма /1, с.55/. Принимаем сдвоенный четырехкратный полиспаст. Схема запасовки каната показана на рисунке 3.2. 

1 − барабан; 2 − верхние блоки; 3 − уравнительный блок;

4 −  канат; 5 − крюковая подвеска

Рисунок 3.2 − Схема запасовки каната 

      Наибольшее  натяжение ветви каната, H: 

                                                         (3.1) 

где Q = 20000 − номинальная грузоподъемность крана, кг;

      G_з = 586 – масса крюковой подвески, кг;

      z = 2 – число полиспастов в системе;

      а = 4 – кратность полиспаста;

      η_п = 0,96 – КПД полиспаста. 

      Выбор стального каната производится в соответствии с Правилами Ростехнадзора. Расчетное разрывное усилие в канате, Н: 

       ,                                                    (3.2)

где z_p = 3 − минимальный коэффициент использования каната, для группы классификации механизма М3 по ИСО 4301/1. 

      Выбираем по ГОСТ 2688−80 канат двойной свивки типа ЛК−Р конструкции 6 19 (1 + 6 + 6/6) + 1о.с. диаметром d =14 мм, имеющий при маркировочной группе проволок 1770 МПа минимальное разрывное усилие F = 131000 H. Канат грузовой (Г), первой марки (I), из проволоки без покрытия (−), правой крестовой свивки (−), нераскручивающийся (Н), обозначается: 14−Г−I−H−1770 ГОСТ 2688−80.

     Фактический коэффициент использования каната: 

      ,                                          (3.3) 

где F=105180 – Разрывное усилие каната, Н;

     S=35060– наибольшее натяжение ветви каната, Н;

     z=3 – минимальный коэффициент использования каната, 

      Выбираем подвеску крюковую с четырьмя блоками для Q = 25 т (рисунок). Геометрические параметры приведены в таблице. 

      Рисунок3.3 − Конструктивная схема крюковой подвески 

      Таблица 3.1– Основные данные крюковой подвески

      Определяем  размеры блоков, минимальный диаметр  блока, мм: 

       ,                                                 (3.3) 

где  d = 14 − диаметр каната, мм;

      _{h2 = 18} − коэффициент выбора диаметра блока /4/. 

      Диаметр блоков выбранной крюковой подвески D_бл = 560 мм, что удовлетворяет условию.

      Диаметр верхних блоков принимаем D_в.бл = 560 мм.

      Определим диаметр уравнительного блока, мм: 

       ,                                                 (3.4) 

где h₃ = 14 – коэффициент выбора диаметра уравнительного блока /4/.  

      Принимаем диаметр уравнительного блока  D_ур.бл = 400 мм. 

      3.2 Определение основных размеров и числа оборотов барабана 

      Барабаны  выполняют литыми из чугуна или стали и сварными стальными. На рисунке 3.4 представлена схема размеров барабана.

      Рисунок 3.4 − Схема размеров барабана 

     Минимальный диаметр барабана по дну канавки: 

      ,                                                    (3.5) 

где  d=14 - диаметр каната, мм;

     _h1=16 - коэффициент выбора диаметра барабана /4/, 

     В соответствии с рядом предпочтительных чисел размеров выбираем барабан диаметром D_б=500 мм=0,5 м. 

     Шаг нарезки: 

     t=(1,1..1,2)d,                                                 (3.6) 

     t =(1,1..1,2)·14=16 мм 

     Толщина стенки литого чугунного барабана: 

     δ≈1,2·d≥8 мм,                                                (3.7) 

     δ≈1,2∙14=16,8≥8 мм 

     Для уменьшения металлоемкости барабана принимаем  толщину его стенки δ=17 мм.

     Принимаем в качестве материала барабана чугун марки СЧ 15 ( , [ ]=130 МПа), найдем напряжение сжатия в стенке барабана: 

      ,                                                (3.8) 

где  S=35060 - усилие в канате, Н;

     t=16 - шаг нарезки, мм;

[ ] - допускаемое напряжение сжатия для материала барабана, МПа, 

     Т. к. условие выполняется с большим запасом примем толщину стенки равную 16 мм. 

     Действующие напряжения меньше допускаемого, поэтому выбранная толщина стенки обеспечивает требуемую прочность. 

     L_Б=2(l_р+l_раз+l_г)+l₀,                                        (3.9) 

где  l_р – длина рабочей части барабана;

     l_раз – длина части барабана, на которой размещаются разгружающие витки;

     l_г=3t – гладкая часть барабана;

     l₀- длина свободной (не нарезанной) части барабана. 

     Длина рабочей части барабана: 

        ,                                      (3.10) 

где  Н=12 - высота подъема, м;

     a=4 – кратность полиспаста;

     D_Б=0,5 – диаметр барабана, м;

     d=0,014 – диаметр каната, м;

     t=0,016 - шаг нарезки, м,

     Длина части барабана, на которой размещаются  разгружающие витки: 

     l_раз=2t,                                                 (3.11) 

     l_раз=2∙0,016=0,032 м 

     Определяем  длину гладкой части барабана: 

     l_г=3t,                                                 (3.12) 

     l_г=3∙0,016=0,048 м 

     Приняв  расстояние между правой и левой  нарезками на барабане (длина не нарезанной части) равными расстоянию между ручьями блоков в крюковой обойме l₀=0,462 м, найдем полную длину барабана (см. формулу 3.9): 

     L_Б=2(0,634+0,032+0,048)+0,462=1,89 м 

     При расчете длины барабана должно выполняться  условие: 

      ,                                            (3.13) 

     1,89/0,5=3,78 

     данное условие выполняется, оставляем ранее выбранный размер.

      Определяем  частоту вращения барабана: 

       ,                                            (3.14) 

где  υ_г = 0,16 − скорость подъема груза, м/с;

      a = 4 – кратность полиспаста;

      D_Б = 0,5 – диаметр барабана, м. 

      Определяем требуемую угловую скорость барабана, сек ^-1:

       ,                                                  (3.15) 

где  n_Б = 24,4 − частота вращения барабана, об/мин. 

      3.3 Расчет и выбор электродвигателя 

      Находим требуемую статическую мощность электродвигателя, кВт: 

       ,                                            (3.16) 

где υ_г = 0,16 − скорость подъема груза, м/с;

      η_м = 0,85 − КПД механизма;

      Q = 20000 − масса поднимаемого груза, кг;

      G_з = 586 – масса крюковой подвески, кг. 

     Из /2, с. 251/ выбираем крановый электродвигатель с фазным ротором 4MTH 225L6, имеющим номинальную мощность N_д=65 кВт; частоту вращения n = 950 об/мин; угловую скорость ω_д = 99,4 сек^-1; момент инерции ротора I_p=3,8 кг·м²; массу 500 кг. Габаритная схема электродвигателя представлена на рисунке 3.5.