Федеральное агентство по образованию РФ

    ГОУ ВПО «Уральский государственный  технический университет – УПИ

    имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» 
 
 
 
 
 
 

    Курсовой проект 
 
 
 

    РАСЧЕТ  МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ

    МОСТОВОГО КРАНА 
 
 

    Выполнил

    Проверил 
 
 
 
 
 

    Екатеринбург 2010

     Содержание

    Задание на проектирование

    Требуется рассчитать и спроектировать сварную металлоконструкцию мостового крана пролетом L = 22.5 м и грузоподъемностью P = 160 кН. Материал металлоконструкции - низколегированная конструкционная сталь 15ХСНД, допускаемое напряжение для нее  .

    1. Назначение и описание крана

• Основное назначение мостового крана – это погрузо-разгрузочные, монтажные работы, работы, связанные с обслуживанием технологических процессов в различных отраслях промышленности.

    Мост  крана состоит из двух пролётных  балок, соединённых с концевыми. Балки коробчатого сечения выполнены из двух вертикальных стенок, верхнего и нижнего горизонтального поясов. На верхнем поясе пролётной балки закреплён подтележечный рельс, на концах которого установлены упоры для ограничения крайних положений тележки. Для обеспечения прямоугольной формы сечения и устойчивости вертикальных стенок внутри пролётной балки привариваются большие диафрагмы. Кроме того, имеются малые диафрагмы для более равномерной передачи нагрузки от подтележечного рельса на вертикальные стенки. На боковых стенках пролётных балок предусмотрены площадки с перилами для обслуживания грузовой тележки и механизмов передвижения крана, а также для размещения жёстких троллей (стойки с уголковым прокатом)

    Грузовая  тележка состоит из рамы, на которой из унифицированных узлов собраны механизмы подъёма груза и передвижения тележки. Рама выполнена из опирающихся на ходовые колёса двух продольных балок, соединённых поперечными балками и покрытых сверху листом настила. На тележке предусмотрены ограничители высоты подъёма крюковой обоймы, линейка для выключателей её крайних положений на мосту крана, буфера и перила ограждения.

    2. Выбор геометрической схемы мостового крана

    Главные фермы моста, по которым перемещается тележка с грузом, имеют параллельные пояса, около опор их высота понижается. Высота главных ферм с учетом необходимой жесткости в вертикальной плоскости h принимается равной ; на опорах h0-1.875 m; длина панели d=1.875 м.

    Параллельно главным фермам устанавливают фермы жесткости, которые имеют ту же схему, что и главные. Постановка ферм жесткости, соединенных с главными фермами, обеспечивает устойчивость последних. Расчет прочности кранового моста ведется в предположении, что полезная нагрузка от веса тележки с грузом передается только главным фермам.

    В плоскостях верхних и нижних поясов главных ферм и ферм жесткости располагают продольные связи. Верхние и нижние связи имеют одинаковые схемы. Полагают, что верхние продольные связи воспринимают усилия, возникающие в мосте от динамических нагрузок. Нижние связи ставят для получения общей жесткости кранового моста в горизонтальной плоскости. Расстояние между поясами главных ферм и ферм жесткости (высота ферм связей) .

    Расстояние между осями колес крана . Расстояние между главными фермами определяется размером крановой тележки: принимаем . Общая схема кранового моста представлена на Рис. 1. Между главными фермами III и фермами жесткости I предусматривается установка поперечных связей IV для повышения сопротивляемости моста скручиванию. Расчету прочности они не подлежат.

    Рис.1. Схема кранового моста 

    3. Выбор расчетной  схемы.

    Рис.2 Расчетная схема

    M=1 т.

    Q=mgn1km/Lk.

    N1=1.1

    Km=1/4

    Gг= 9.8*1.1*1.4\22.5=0.533 кН\м.

    Ферма жесткости

    Рм=15кн.

    Q’эк=qг\2=0.268.

    Qc=0.1qг

    4. Выбор и характеристика  основного металла

• К числу рекомендуемых марок стали относится сталь Вст3пс ГОСТ 380-Табл 1. Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества

    Табл.2 Механические свойства при Т=20 °С стали ВСт3пс

    Табл.3 Физические свойства стали ВСт3пс

    Табл.4 Технологические свойства стали ВСт3пс

    Табл.5 Температура критических точек стали ВСт3пс

    Табл.6 Химический состав в % стали ВСт3пс

    5. Выбор способа  сварки и сварочных  материалов.

    Полуавтоматическая сварка в среде защитного газа наиболее применимая для данной конструкции. В качестве защитного газа используем углекислый газ (СО₂).

    Сущность  данного способа сварки электрическая  дуга и расплавленный металл, защищенный от влияния кислорода и азота зона защитного газа.

    Преимущества  полуавтоматической сварки в среде  углекислого газа:

    1. простота процесса сварки;

    2. возможность выполнения швов  в различных пространственных  положениях;

    3 механизация процесса за счет  автоматической подачи сварочной проволоки в зону расплавления основного металла;

    4. небольшой объем шлаков, позволяющей  получить швы высокого качества;

    5. возможность соединения металлов  различных толщин;

    6. повышение производительности труда;

    Защита  сварочной ванны осуществляется углекислым газом, который в нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с едва ощутимым запахом. Углекислый газ, предназначенный для сварки должен соответствовать ГОСТ 8050-85. Этот газ дешевле, например, чем гелий, аргон, и другие, обеспечивает хорошую защиту шва. Углекислый газ выпускается двух сортов в зависимости от чистоты.

    І сорт- содержание углекислого газа не менее 99,5%

    ІІ  сорт- содержание углекислого газа не менее 90%.

    Наиболее  подходящий сорт для сварки данного  изделия - І, где СО₂ =99%, получается шов хорошего качества и меньше потерь на разбрызгивание.

    В качестве защитного газа при сварке изделия «Задний борт» применяем  углекислый газ СО₂ первого сорта, содержание чистого газа по объему не менее 99,5%.

    Сварку  в СО₂ обычно выполняют на постоянном токе обратной полярности плавящимся электродом. Сварочный ток и диаметр электродной проволоки выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла и расположения шва в пространстве. Величина сварочного тока определяет глубину проплавления и производительность процесса сварки.

    Одним из важных параметров режима сварки в  СО₂ является высокая производительность процесса. Требования к качеству сборки и подготовки деталей под сварку в СО₂: сварочная проволока (08-2,5)мм должны соответствовать ГОСТ 14771-76.

    При полуавтоматической сварке в среде  защитных газов применяются сварочная  проволока и защитный газ.

    В зависимости от назначения применяется  проволока сварочная сплошного  сечения и порошковая, наплавочная  сплошного сечения. По виду поверхности  низкоуглеродистая и легированная проволока подразделяется на неомедненную и омедненную. Проволока может изготавливаться из стали, выплавленной электрошлаковым или вакуумно-дуговым переплавом или вакуумно-индукционных печах.

    Проволока сварочная, применяемая при сварке в углекислом газе должна соответствовать ГОСТ 2246-70. Поверхность проволоки должна быть чистой и гладкой, без трещин, расслоений, ржавчины, окалины, масла и других загрязнений, не должна иметь резких перегибов во избежание заедания ее в спирали гибкого шланга держателя.

    Рассмотрим  характеристики сварочной проволоки  Св 08Г2С ГОСТ 2246-70. Ее применяют для  изготовления конструкции из низколегированных  сталей с повышенными требованиями к металлу шва по ударной вязкости при отрицательной температуре.

    Таблица № 7- Химический состав наплавленного металла

    Таблица № 8 - Механический состав металла шва

    Проволоку Св 08Г2С ГОСТ2246-70 применяют также для сварки конструкции из легированной стали повышенной и высокой прочности с временным сопротивлением разрыву 690-980 МПа, сварка может производиться во всех пространственных положениях.

    Рассмотрим  также сварочную проволоку Св-12Х13 ГОСТ3456-70. Ее применяют для сварки конструкций из хромистых сталей и наплавке уплотнительных поверхностей стальной арматуры.

    Таблица №9 - Химический состав наплавленного металла

    Таблица № 10 - Механические свойства металла шва

    Из  выше предложенных проволок применяем  сварочную проволоку Св 08Г2С потому что данная проволока применяется  для сварки конструкции из легированной стали повышенной и высокой прочности с временным сопротивлением разрыву 690-980 МПа, сварка может производится во всех пространственных положениях. Также Мn и Si положительно влияют на свойства металла шва - компенсируют дополнительное окисление металла при сварке и образованию пор.

    6. Определение внутренних  усилий и выбор  сечений

    Собственный вес одной главной фермы из стали ст.3 можно определить предварительно по справочникам или по следующей приближенной формуле:

    Таким образом, в данном случае

    При применении низколегированной стали  вес конструкции снижается приблизительно на 20 %. Поэтому примем .

    Собственный вес одной фермы жесткости  составляет около половины веса главной, т. е. .

    Собственный вес одной продольной фермы связей может быть принят равным 1/3 веса главной фермы, т. е. .

    Вес настила площадки примем .

    Вес механизма передвижения .

    Каждая  из двух главных ферм воспринимает постоянно действующую нагрузку, состоящую из ее собственного веса , половины веса верхних и нижних продольных связей , половины веса настила и половины веса механизма перемещения . Общая нагрузка на главную ферму будет:

    Равномерно  распределенная нагрузка на 1 м длины главной фермы составит :

    Кроме того, на главную ферму в середине пролета передается половина веса моторного узла, равного 8 кН.

    Определим полезную нагрузку, воспринимаемую главной фермой. Вес тележки крана для заданной грузоподъемности  равен 80 кН, расстояние между ее осями , динамический  коэффициент поднимаемого груза, равного 160 кН, принимаем 1,2. Поэтому сила, действующая на каждое из четырех колес тележки, равна:

    Р=(80+160)\4=60кН

    При отсутствии динамического коэффициента:

    Найдем  нагрузку, передаваемую на верхние продольные, фермы связи. Последние воспринимают горизонтальные усилия при торможении крана. Эти усилия определяются умножением величин весов крана, тележки и поднимаемого груза на коэффициент 0,1. Т.о. горизонтальная равномерно-распределенная нагрузка на ферму связей будет равна:

    От  узла электродвигателя сосредоточенная горизонтальная сила в узле 6 составит:

    От  тележки и полезного груза  Р горизонтальная сила прикладывается в месте нахождения каждого из колес тележки:

    Каждая  из вертикальных ферм жесткости воспринимает нагрузку от собственного веса, половину веса верхних и нижних продольных связей, половину веса настила и половину веса механизмов. Общая нагрузка на ферму жесткости равна:

    Равномерно распределенная нагрузка на ферму жесткости составит:

    В середине пролета на ферму жесткости  действует сосредоточенная нагрузка равная половине веса моторного узла .

    Определение усилий в стержнях ферм может быть произведено разными способами. Наиболее целесообразно в данном случае применить метод линий влияния, поскольку вычисляются усилия от грузов, перемещающихся по пролетам. Схема фермы представлена на Рис. 2, а. Все стержни по этой схеме условно показаны растянутыми (стрелки от узлов). Отрицательные значения вычисленных усилий указывают на наличие сжатия.

    Построим  линии влияния усилия для средней  панели 5'6' верхнего пояса главной фермы. Линии влияния поясов для ферм рассматриваемого типа имеют треугольные очертания. Для панелей 5'6' линия влияния имеет вид треугольника, как указано на Рис. 2.б. Моментной точкой является узел 6.

    Ордината  линии влияния находится путем  умножения величины реакции А при нахождении единичного груза в узле 6' (эта реакция равна 0,5) на 6d и деления на высоту фермы h. Таким образом, для стержня 5'6' ордината линии влияния равна:

    Аналогичным путем находим ординату линии  влияния стержня 56 нижнего пояса (Рис. 2, в). Его моментная точка находится в узле 5'. Ордината линии влияния 56 равна реакции Л при нахождении груза в узле 5', умноженной на 5d и деленной на h,:

    Построение  линии влияния для других панелей  поясов в данном случае не имеет смысла, так как при сравнительно небольшом пролете фермы изменять сечения поясов по их длине не следует.

    .

    Рис. 3. К определению усилий методом линий влияния

    Линия влияния стержня 01 имеет треугольное очертание (Рис. 2,г.). Ее высота , где ; . Поэтому

    Для построения линии влияния усилия наиболее нагруженного раскоса  (Рис. 2, г) поступают следующим образом. При нахождении единичного груза справа от рассматриваемой панели (второй) усилие в раскосе равно . Линия влияния имеет ординату, равную 1,41 на левой опоре. При нахождении груза слева от указанной панели усилие в раскосе равно и определяется прямой с ординатой 1,41 на правой опоре.

    Между узлами 1' и 2' линия влияния имеет характер прямой. Как следует из (Рис. 2, д.), наибольшая по абсолютной величине положительная ордината линии влияния +1,17, отрицательная - 0,12.

    С помощью аналогичных рассуждений  строят все прочие линии влияния усилий раскосов 23'; ; ; 5'6 (Рис. 2, е, ж, з, и). Усилия в стойках 2'2; 4'4; 6' 6 образуются при нагружении панелей верхнего пояса, примыкающих к соответствующим узлам.

    Стойка  2'2 (Рис. 2, к) работает лишь при нахождении единичного груза в панелях 1'2' или 2'3'. При нахождении груза, равного 1, в узле 2' усилие в стойке 2'2 равно -1.

    При нахождении указанного груза в узле 1' или левее его, а также в узле 3' или правее его усилие в стойке 2'2 равно 0. Поэтому линия влияния усилия имеет очертание треугольника с высотой, равной 1, в узле 2' и длиной, равной 2d. Аналогично строят линии влияния усилий в стойках 4'4 и 6'6 (Рис. 2, л, м). Стойки 3'3 и 5'5 являются нерабочими и испытывают совершенно незначительные усилия от собственного веса и веса панелей нижнего пояса, примыкающих к узлам. Эти усилия можно не учитывать.

     Линию влияния стойки 1'1 легко построить из рассмотрения равновесия узла 1 (рис. 2, а): 

    В раскрытой форме:

    Откуда:

    Таким образом, усилие в стойке 11' равно 0,353 от усилия в поясе 01, но обратно ему по знаку. Линия влияния 01 имеет очертание, показанное на (Рис. 2, г). Усилие в стержне 01' находится проектированием всех сил в узле 0 на горизонтальную ось, откуда следует, что 01'=-01. Усилие в раскосе 01 равно по величине и обратно по знаку 01'.

    Построив  линии влияния для основных интересующих нас стержней главной фермы, определим расчетные усилия от заданных нагрузок. Для этого воспользуемся известным уравнением:

    где Pi — величины сосредоточенных грузов, кН;

          y_i— ординаты линии влияния под сосредоточенными грузами;

    q — равномерно распределенная нагрузка, Н/м;

     - площадь, ограниченная линией  влияния, соответствующая длине загруженного участка фермы, м.

    Для определения расчетных усилий в  стержнях фермы над каждой линией влияния подвижные нагрузки располагают таким образом, чтобы они вызывали в рассматриваемом элементе максимальные усилия. Одно из колес тележки будем располагать над вершиной треугольной линии влияния, другое — со стороны соседней большей ординаты. Установки тележки над положительными участками линии влияния показаны сплошными линиями, а над отрицательными— пунктирными (Рис. 2). Над двузначными линиями влияния производят две установки тележки в целях определения наибольшей положительной растягивающей силы и наибольшей отрицательной сжимающей.

    В графах 2-4 (Табл. 1) приведены значения положительных ординат линии влияния, в графах 5-7 отрицательных. Умножением и на Р (величина нагрузки на колесо тележки) получаем расчетные усилия в стержнях от полезной нагрузки.

    В графах 8 и 9 указаны длины положительных и отрицательных участков линии влияния, а в графах 10-12 - величины положительных и отрицательных их площадей. Умножением Q сумм (для элементов, имеющих двузначные линии влияния) на величину q вычисляем расчетные усилия от равномерного нагружения всего крана. Умножением у_1/2 на величину Р₆ находим усилие, вызываемое весом мотора.