Расчёт вертикального подьёма тележки

     Введение

     В современных условиях поточного  и автоматизированного производства значение подъемно-транспортных машин качественно изменилось. Они вышли за рамки своего первоначального назначения – вспомогательного оборудования для механизации трудоемких процессов производства – и являются связующими звеньями в технологической цепи, обеспечивающими непрерывность производства, основным регулятором поточного производства, ограниченной частью технологических процессов, определяющих ритм и производительность основного оборудования предприятия. Подъемно-транспортные устройства являются основой комплексной механизации и автоматизации производственных процессов. От правильного выбора наиболее рациональных машин зависит высокопродуктивная работа всего предприятия.

     Конструкция подъемно-транспортных машин непрерывно совершенствуется, в связи, с чем возникают новые задачи по расчету, проектированию, исследованию и выбору оптимальных параметров машин, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели и качество машин.

     В данной работе был рассчитан и  спроектирован механизм подъема  мостового крана, были рассчитаны параметры  барабана, выбран канат, подобраны двигатель и редуктор, подобрана крюковая подвеска, выбран тормоз.  

      1 Назначение и  область применения  проектируемого изделия 

     Электрические подъёмные краны - это устройства служащие для вертикального и горизонтального  перемещения грузов. Подвижная металлическая конструкция с расположенной на ней подъемной лебёдкой являются основными элементами подъёмного крана. Механизм подъемной лебёдки приводится в действие электрическим двигателем.

     Подъемный кран представляет собой грузоподъемную машину циклического действия, предназначенную для подъема и перемещения груза, удерживаемого грузозахватным устройством (крюк, грейфер).  Он является наиболее распространенной  грузоподъемной машиной, имеющей весьма разнообразное конструктивное исполнение и назначение.

     Мостовой  кран (рис.1) представляет собой мост, перемещающейся по крановым путям на ходовых колесах, которые установлены  на концевых балках. Пути укладываются на подкрановые балки, опирающиеся на выступы верхней  части колонны цеха. Механизм передвижения крана установлен на мосту  крана. Управление всеми механизмами происходит из кабины прикрепленной к мосту крана. Питание электродвигателей осуществляется по цеховым троллеям. Для подвода электроэнергии применяют токосъемы скользящего типа, прикрепленные к металлоконструкции крана. В современных конструкциях мостовых кранов токопровод осуществляется с помощью гибкого кабеля. Привод ходовых колес осуществляется от электродвигателя через редуктор и трансмиссионный вал.

     Любой современный грузоподъемный кран в  соответствии с требованиями безопасности, может иметь для каждого рабочего движения в трех плоскостях, следующие самостоятельные механизмы: механизм подъема - опускания груза, механизм передвижения крана в горизонтальной плоскости и механизмы обслуживания зоны работы крана (передвижения тележки).

      1.1 Техническая характеристика  проектируемого механизма 

Грузоподъемность, т                                                                                          15,0

Высота  подъема, м                                                                                                  5

Скорость  подъема, м/с                                                                                       0,06

Ориентировочная масса каната                                                                    30 – 50 

     1.2 Описание и обоснование  варианта проектируемого  механизма 

     Кинематическая  схема механизма подъема с крюковой подвеской показана на рисунке. Электродвигатель 1 соединен с цилиндрическим редуктором 5 при помощи муфт 2 и 4 и вала- вставки 3; полумуфта 4 со стороны редуктора выполнена с тормозным шкивом, на котором установлен колодочный тормоз. Редуктор 5 соединен с барабаном 6 при помощи муфты 2. На барабан наматывается канат полиспаста с грузозахватным приспособлением.

     Одной из поставленных целей курсовой работы является проектирование конструкции механизма подъема груза.  

      2 Расчеты, подтверждающие работоспособность и надежность механизма подъема груза 

     2.1 Цель и задачи  расчета  

     Общий расчет механизма подъема груза  включает с себя:

     - выбор полиспаста, крюка с крюковой  подвеской, типового электродвигателя, редуктора, муфт и тормоза;

     - выбор и расчет каната;

     - расчет геометрических параметров  каната;

     - выбор схемы и способа крепления  конца каната на барабане; 

     2.2 Расчеты по выбору  каната, двигателя,  номинального момента  и редуктора 

     Принимаем механизм подъема со сдвоенным двукратным полиспастом.

     Усилие  в канате, набегающем на барабан: 

     где

            Q – номинальная грузоподъемность крана, кг;

             z – число полиспастов в системе;

             u_г – кратность полиспаста;

             - общий КПД полиспаста и обводных блоков: 

     где

             - КПД полиспаста;

             - КПД обводных блоков.

     Коэффициент полезного действия полиспаста, предназначенного для выигрыша в силе (концевая ветвь  сбегает с подвижного блока): 

     Поскольку обводные блоки отсутствуют, где  то 

     Расчетное разрывное усилие в канате при  максимальной нагрузке на канат: 

     где

            F_k – наибольшее натяжение в канате (без учета динамических нагрузок), F_к = F_б = 12386 Н;  

     к – коэффициент запаса прочности. к =5,5. 

     С учетом выбираем по ГОСТ 2688 – 80 канат  двойной свивки типа ЛК-Р конструкции  диаметром     d =11 мм, имеющий при маркировочной группе проволок 1764 МПа разрывное усилие F=68800 Н.

     Канат грузовой (Г), первой марки (1), из проволоки  без покрытия ( - ), нераскручивающаяся (Н):  

     Канат  -  11 – Г – I – Н – 1764 ГОСТ 2688 – 80 . 

     Фактический коэффициент запаса прочности каната:

     Требуемый диаметр барабана по средней линии  навитого стального каната D = 11∙25 = 275 мм. Принимаем диаметр барабана D = 300мм.

     Выбираем подвеску крюкового типа 1 грузоподъемностью 5т, имеющую блоки диаметром 320 мм с расстоянием между блоками b = 200 мм. 

     Длина каната, навиваемого на барабан с  одного полиспаста: 

     где

            Н – высота подъема груза; 

            z₁ – число запасных витков на барабане до места крепления, z₁ =2;

            z₂ – число витков каната, находящихся под зажимным устройством на барабане, z₂ = 3. 

     Рабочая длина барабана для навивки каната с одного полиспаста: 

     где

     L_k – длина каната, навиваемого на барабан;

     t – шаг витка t = 13,5 ; 

     m – число слоев навивки m =1;

     φ – коэффициент неплотности навивки; для нарезных барабанов φ =1.

     Приняв  расстояние между правой и левой  нарезками на барабане равным расстоянию между ручьями блоков в крюковой обойме, т.е. l = b = 0,2 м, найдем полную длину барабана:

     Минимальная толщина стенки литого чугунного  барабана: 

     где

            D_б – диаметр барабана; D_б = D – d = 0,3 – 0,011 = 0,289 м. 

     Принимаем δ =14 мм.

     Приняв  в качестве материала барабана чугун  марки СЧ 15(σ_в = 650 МПа;  [σ_сж] = 130 МПа), находим напряжение сжатия в стенке барабана: 

     Статическая мощность двигателя механизма подъема груза: 

     где

            η – КПД механизма, при зубчатой цилиндрической передаче и опорах качения η = 0,85. 

     С учетом указаний выбираем крановый электродвигатель с фазным ротором MTF 211-6, имеющий при ПВ = 25% номинальную мощность P_ном = 9кВт и частоту вращения n = 915 мин ^-1. Момент инерции ротора I_р = 0,115 кг∙м², максимальный пусковой момент двигателя Т_мах = 195 Н∙м. 

     Частота вращения барабана :

     где

            D_расч – расчетный диаметр барабана, D_расч = D = 0,3 м. 

     Передаточное  число привода:

     Расчетная мощность редуктора: 

     где

            к_р  - коэффициент, учитывающий условия работы редуктора, к_р = 2,2.

            Р – наибольшая мощность, передаваемая  редуктором при нормально протекающем процессе работы механизма, Р = Р_с = 11,54 кВт. 

     По  передаточному числу и мощности выбираем редуктор цилиндрический горизонтальный двухступенчатый типоразмера Ц2 – 400 с передаточным числом  u_р = 41,34 и мощностью на быстроходном валу при среднем режиме работы Р_р = 28,1 кВт. 

     Момент  статического сопротивления на валу двигателя в период пуска:

     Номинальный момент, передаваемый муфтой, принимается равный моменту статических сопротивлений  .

     Расчетный момент для выбора соединительной муфты: 

     где

            - номинальный момент, передаваемый муфтой;

             к₁ – коэффициент, учитывающий степень ответственности механизма,    к₁ = 1,3;

             к₂ - коэффициент, учитывающий режим работы механизма, к₂ = 1,2. 

     Выбираем ближайшую по требуемому крутящему моменту упругую втулочно-пальцевую муфту № 1 с тормозным шкивом диаметром D_т = 200 мм и наибольшим передаваемым крутящим моментом 500 Н∙м.

     Момент  инерции муфты I_м = 0,125 кг∙м². Момент инерции ротора двигателя и муфты I =I_р+ I_м =0,115+0,125 = 0,24 кг∙м². 

     Средний пусковой момент двигателя:

     где

            ψ_max – Т_max / Т_ном – максимальная кратность пускового момента электродвигателя: ;

            ψ_min – минимальная кратность пускового момента электродвигателя, ψ_min = 1,4;

     Время пуска при подъеме груза:

     Фактическая частота вращения барабана:

     Фактическая скорость подъема груза:

     Эта скорость отличается от ближайшего значения 0,2 м/с из стандартного ряда на 7%, что допустимо. 

     Ускорение при пуске:

     Средняя высота подъема груза составляет 0,5…0,8 номинальной высоты

     H = 6м. Примем Н_ср = 0,8Н = 0,8∙6 = 4,8м.

     Тогда время установившегося движения

     Сумма времени пуска при подъеме  и опускании груза за цикл работы механизма  ∑t_П = 0,86 + 5∙0,43 + 1∙0,172 + 3∙0,043 + 0,2 + 5∙0,1 + 1∙0,04 + 3∙0,01 =  = 3,881 с.

     Общее время включений двигателя за цикл ∑t = 2(1+5+1+3)t_у + ∑t_П = 2∙10∙24+3,881 = 483,88 с.

     Среднеквадратичный  момент: 

     Среднеквадратичная  мощность двигателя:

     Условие Р_ср < Р_ном соблюдается 4,4кВт < 9 кВТ.

     Момент  статического сопротивления на валу двигателя при торможении механизма :

     Необходимый по нормам Госгортехнадзора момент, развиваемый тормозом, при k_Т = 1,75 для среднего режима работы Т_Т = 74,9∙1,75 = 131,075 Н∙м.

     Выбираем тормоз ТКТ-300/200 с тормозным моментом 240 Н∙м, диаметром тормозного шкива D_Т = 300 мм. Регулировкой можно получить требуемый тормозной момент Т_Т = 131,075 Н∙м. 

     Время торможения при опускании груза:

     Из  табл. 1.22[1] для среднего режима работы находим путь торможения механизма подъема груза:

     Время торможения в предположении, что скорости подъема и опускания груза одинаковы, то :

     Замедление  при торможении:

      3 Выбор датчика положения 

     В связи с тем, что разрабатываемое мехатронное устройство предназначено для учебных и исследовательских целей, то целесообразно реализовать дублирующую схему датчиков положения. Для этого необходимо выбрать датчик непосредственного линейного положения/перемещения, а так  же датчик вращения винта.

     Выбирая датчик, прежде всего, необходимо правильно  определить приоритеты по следующим  критериям:

     - разрешение и точность;

     - линейность;

     - скорость измеряемого процесса;

     - условия применения и класс  защиты;

     - надежность;

     - габаритные размеры; 

     - малая стоимость.

     Теперь  необходимо учесть, что датчик может  определять абсолютное или относительное  положение контролируемого объекта. Исходя из этого, существуют два основных метода определения положения и  измерения перемещений.

     В первом методе датчик вырабатывает сигнал, являющийся функцией положения одной из его частей, связанных с подвижным объектом, а изменения этого сигнала отражают перемещение. Такие датчики положения называются абсолютными. К ним относятся:

     - резистивные (потенциометрические)  датчики;

     - индуктивные датчики с подвижным сердечником;

     - емкостные датчики с подвижными  обкладками;

     - цифровые кодовые датчики абсолютных  значений.

     Во  втором методе датчик генерирует единичный  импульс на каждом элементарном перемещении, а положение определяется подсчетом суммы импульсов в зависимости от направления перемещения. Такие датчики положения называются относительными. Достоинством таких датчиков, по сравнению с абсолютными, является простота и низкая стоимость, а недостатком необходимость периодической калибровки и дальнейшей микропроцессорной обработки.

     Датчики также делятся на контактные и  бесконтактные. В бесконтактных датчиках связь между подвижным объектом и датчиком осуществляется посредством магнитного, электромагнитного или электростатического полей, а также оптоэлектронным способом.

     Магнитные датчики применяются для определения скорости вращения, передвижения, положения и угла поворота различных объектов.  Работа магнитных сенсоров основана на пропорциональном изменении выходного напряжения или сопротивления под воздействием внешнего магнитного поля. Многие немагнитные материалы проницаемы для магнитных полей, поэтому возможно измерение, даже если в поле между датчиком и магнитным объектом попадают другие немагнитные материалы.

     Магниторезисторы - это элементы, сопротивление, которых меняется в зависимости от направления силовых линий магнитного поля, пронизывающих магниторезистор. Эти датчики работают только с ферромагнитными мишенями, так как ферромагнитные материалы имеют остаточную намагниченность. Слабая зависимость срабатывания датчика от величины магнитного поля и высокая максимальная частота (до 20 кГц) позволяют использовать эти датчики для измерения скорости вращения валов и шестерен. Модификации датчика с двумя выходными сигналами, сдвинутыми по фазе на 90 град. друг относительно друга, позволяют определить направление движения.

     Также как и магниторезистивные, датчики  на основе эффекта Холла предназначены  для регистрации быстродвижущихся мишеней из ферромагнитных материалов. Помимо высокой скорости регистрации (до 20 кГц), эти датчики имеют увеличенную дистанцию срабатывания (до 2,5 мм), и расширенный температурный диапазон работы (от -40 до +120 град. С).

     Магнитный энкодер - этот датчик угла поворота вала, который определяется при помощи магнитного ротора, закрепляемого на вращающемся валу. Эти датчики можно использовать вместо вращающихся трансформаторов, как бесконтактные потенциометры, или как определители положения вала в системах позиционирования.

     Также существуют магнитные датчики линейных перемещений объекта. Линейка из ферромагнитного материала, имеющая магнитные полюса, крепится на подвижный объект. Над ней на расстоянии крепится магнитный датчик. При перемещении линейки вдоль датчика, последний вырабатывает импульсы на своих выходах.

       Исходя из вышеприведенных рассуждений, можно сделать вывод, что для разрабатываемой системы управления целесообразно применение бесконтактных датчиков. В соответствии с приведенными принципами работы выбираем в качестве датчиков открытия технологических люков, конченых положений, наличия подносов – индуктивные бесконтактные датчики ВК А2-41-N-2-250-инд-НТ. Структурная схема, основные технические характеристики и схема включения выбранного датчика представлена в таблице 3.1 

     Таблица 3.1 - Бесконтактные датчики.

     Продолжение таблицы 3.1

       Также будет использован инкрементный датчик WDG58E обладающий следующими характеристиками: