Разработка проекта повышения грузоподъемности и безопасности табельной грузоподъемной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Железнодорожные войска - специализированный род войск, являющийся структурной частью Сухопутных войск и предназначенный для строительства, восстановления и прикрытия железнодорожных путей сообщения в реальной боевой обстановке. С помощью железнодорожного транспорта происходит передислокация войск, подвозятся к линии фронта резервы, вооружение и боевая техника, боеприпасы и продовольствие.

Именно от функционирования этого вида транспорта во многом зависит успех крупных военных кампаний и полномасштабных войн.

Цель совершенствования Железнодорожных войск до 2020 года - придание им инновационного облика, удовлетворяющего потребностям обеспечения вооруженной защиты национальных интересов государства, соответствующего его экономическим и мобилизационным возможностям, в общей структуре военной организации государства.

Основными направлениями развития Железнодорожных войск на среднесрочную перспективу являются [39]:

- оптимизация организационно-штатной структуры органов управления, соединений и воинских частей;

- развитие базы мобилизационного развертывания и инфраструктуры;

- совершенствование системы комплектования войск, системы социального обеспечения военного строительства в интересах войск;

- повышение интенсивности и качества оперативной, боевой и мобилизационной подготовки органов управления, соединений и частей;

- решение задач модернизации вооружения, военной и специальной техники, создание научно-технического, конструкторского и производственного задела, выполнение НИ и ОКР работ, направленных на создание новой, унифицированной, стандартизированной, высокоэффективной системы вооружения и восстановительной техники для переоснащения соединений и воинских частей.

Модернизация техники железнодорожных войск в общем, и грузоподъемных кранов на железнодорожном ходу в частности, является одним из наиболее перспективных направлений развития Железнодорожных войск.

Всего существует три группы кранов. Основными критериями классификации выступают: форма остова, тип движения, вид конструкции [9].

Первая группа - стреловые поворотные. Сюда относятся краны на гусеничном, автомобильном или железнодорожном ходу. Также существуют мачтово-стреловые краны. Здесь же плавучие, полупортальные и портальные механизмы. Вторая группа - мостовой тип. Сюда относятся мостовые, козловые и перегрузочные мосты. За счёт этой техники груз перемещается по определённой территории вокруг строящегося сооружения. Как правило, траектория движения - прямоугольник. Третья группа - кабельные краны. Они могут передвигать объекты по линии или по прямоугольнику. Всё зависит от типа концевых башен: они бывают передвижными и стационарными [7].

Классификация стреловых кранов следующая: различают неполноповоротные и полноповоротные краны. Главное отличие заключается в том, что полноповоротные перемещают объект по окружности, а неполноповоротные по площади сектора. Также следует отметить, что если стреловый кран передвигается по рельсовым путям, то груз перемещается лишь в пределах площади, находящейся непосредственно у путей, а если ход автомобильный, то площадь может иметь любую конфигурацию.

На сегодняшний день широкое распространение получила техника с дизель-электрическим приводом. Принцип работы заключается в том, что дизель приводит в действие генератор, за счёт которого током обеспечиваются двигатели каждого компонента крана [1].

Целью представленного дипломного проекта является разработка проекта повышения грузоподъемности (путем разработки конструкции противовеса крана) и безопасности (путем разработки системы управления устойчивостью крана в период действия высоких ветровых нагрузок) табельной грузоподъемной техники на железнодорожном ходу на примере крана КЖ-461.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ возможностей повышения грузоподъемности табельного железнодорожного крана;

- провести анализ возможностей повышения безопасности табельного железнодорожного крана;

- разработать требования к проектируемому оборудованию;

- дать описание конструктивной схемы установки разрабатываемого оборудования;

- произвести расчет основных параметров разрабатываемого оборудования;

- разработать систему управления устойчивостью крана в период действия высоких ветровых нагрузок;

- разработать технологический процесс выполнения среднего ремонта железнодорожного крана;

- описать процесс испытаний крана и правила его приемки после ремонта;

- рассмотреть вопросы обеспечения техники безопасности при выполнении ремонтных работ железнодорожного крана.

Объектом исследования является конструкция крана КЖ-461.

Предметом исследования является конструкция противовеса крана, а такжесистема управления устойчивостью крана в период действия высоких ветровых нагрузок.

В качестве теоретико-методологической базы выступают следующие методы исследования:

- изучение, систематизация и анализ литературы по исследуемой теме;

- анализ нормативной документации.

Представленная выпускная квалификационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и четырех листов графического материала.



Глава 1. Анализ конструкции табельного железнодорожного крана

1.1 Анализ возможностей повышения грузоподъемности табельного железнодорожного крана

Анализ состояния вопроса производства кранов серии КЖ

Открытое акционерное общество «Кировский машзавод 1 Мая» на протяжении почти 70 лет является основным в России производителем железнодорожных кранов различной грузоподъемности.

Несмотря на сложную экономическую ситуацию, предприятие постоянно обновляет ассортимент выпускаемых кранов, наращивает их выпуск, создает новые, более совершенные модели, расширяет их типоразмеры и модификации.

На заводе непрерывно совершенствуют конструкцию кранов, учитывая современные тенденции и опыт эксплуатации, привлекая ведущие научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации.

Результатом этих работ явилось создание железнодорожных дизель-электрических кранов КЖ-462 и КЖ-562, пришедших на смену уже давно морально устаревшим КЖ-461 и КЖ-561, выпускавшихся заводом с 1992 г.

Впервые на кране КЖ-462 и КЖ-562 применены пусковые дроссели, предназначенные для ограничения тока фазного ротора асинхронного электродвигателя в пусковых и тормозных режимах.

Такие дроссели обеспечивают плавность пуска и торможения механизмов крана без системы управления ротором двигателя.

Отсутствие промежуточных аппаратов, снятие пиков тока и момента многократно повышают надежность работы всего электропривода (особенно механической части), увеличивают межремонтный цикл, сокращают длительность ремонта и его стоимость. Пусковые дроссели расположены в «карманах» поворотной рамы и кузове крана [11].

Благодаря применению джойстиков вместо командконтроллеров в качестве переключателей управления движениями крана, заметно уменьшились усилия, требуемые для управления.

Теперь для включения какого-либо механизма достаточно перевести рукоятку джойстика на одну позицию, после чего происходит плавный разгон двигателя, приводящего данный механизм.

На более же ранних моделях кранов нужно было сделать до пяти переключений рычагом командконтроллера.

Таким образом, уменьшилась утомляемость машиниста во время работы, что положительно сказывается на повышении производительности труда.

Повысилось удобство управления краном при работе с грейфером. Если требуется уменьшить скорость подъема грейфера, нужно просто нажать кнопку на рукоятке джойстика, и двигатель лебедки уменьшит частоту вращения.

Для управления подъемом и опусканием стрелы, освещением и сигнализацией, а также режимами работы дизель-генераторной установки применена коммутационная аппаратура лучших производителей, имеющая повышенную надежность и большее число циклов включения-выключения.

Не остается без внимания и дальнейшее повышение безопасности эксплуатации и обслуживания дизель-электрических железнодорожных кранов.

С этой целью установлен ограничитель грузоподъемности ОНК-160, предназначенный для защиты крана от перегрузок и опрокидывания при подъеме груза, защиты рабочего оборудования и груза от повреждений при работе в стесненных условиях или в зоне ЛЭП (координатная защита).

Предусмотрены отображение информации о состоянии крана, а также регистрация основных параметров его работы, накопление и хранение этой информации в течение всего срока эксплуатации, выдача ее для дальнейшей обработки с целью анализа работы крана и его механизмов.

Ограничитель выдает цифровую информацию о [14]:

- моменте опрокидывания крана;

- величине вылета крюка;

- фактической массе поднимаемого груза;

- максимальной грузоподъемности на данном вылете стрелы;

- угле наклона стрелы относительно горизонта.

Блок обработки информации данных и аналого-цифровой преобразователь расположены на пульте управления краном.

На кране применена новая система управления подачей топлива, которая служит для дистанционного изменения частоты вращения вала двигателя.

Она включает в себя мотор-редуктор, который через тягу и вилку воздействует на рычаг топливного насоса. Управление осуществляется дистанционно с пульта приборов.

Такая система позволила увеличить плавность и, в свою очередь, точность регулирования оборотов двигателя. Использование электропривода существенно увеличило надежность системы по сравнению с предыдущей.

Устройства остановки двигателя смонтированы совместно с системой управления подачей топлива и служат для дистанционной остановки.

По показателям обзорности с места машиниста кабина превосходит прототипы и не уступает зарубежным аналогам.

Кабина машиниста оборудована современной системой нормализации микроклимата, имеющей вентиляционно-приточный агрегат, фильтры и подающей через регулируемые дефлекторы очищенный воздух в зоны дыхания, ног и обдува стекол.

Проведенный на заводе анализ состояния парка кранов по службам локомотивного хозяйства дорог России позволяет рассчитывать на востребованность кранов КЖ-462 и КЖ-562.

Статистика показывает, что в настоящее время на сети дорог возраст кранового парка распределяется следующим образом: до 25 % кранов имеют срок эксплуатации более 30 лет, еще 27 % составляют краны со сроком службы от 20 до 30 лет, 20% - от 15 до 20 лет [3].

В целом получается, что более 70% кранового парка составляют машины с предельными или истекшими сроками службы.

Это очень тревожный сигнал, на который крайне необходимо обратить внимание всем лицам, ответственным за безаварийную эксплуатацию грузоподъемной техники.

Для наиболее полного удовлетворения всех запросов своих потребителей ОАО «Кировский машзавод 1 Мая» выпускает широкую гамму кранов на железнодорожном ходу различной грузоподъемности для всех служб железных дорог. Это дизель-электрические краны КЖ-462 грузоподъемностью 16 т, КЖ-562 - 25 т, КЖ-661 - 32 т, КЖС-16 - 16 т, габариты которого позволяют выполнять работы на двухпутных участках дорог без остановки движения по соседнему пути.

Все вышеперечисленные краны способны выполнять погрузочно-разгрузочные работы как крюком, так и грейферами объемом 1,2 или 2,0 м³, а также электромагнитной шайбой для переработки ферросодержащих грузов.

С недавнего времени ОАО «Кировский машзавод 1 Мая» предлагает не только новые краны. Понимая сложное экономическое положение многих своих постоянных потребителей, завод предлагает выполнять на своей базе капитальный ремонт ранее выпущенных кранов.

При таком ремонте потребитель получает практически новый кран, так как изготовитель не восстанавливает детали и узлы, а заменяет их новыми.

Кроме того, завод по заявке потребителей поставляет запасные части и агрегаты для кранов.

Пути повышения грузоподъемности железнодорожных кранов

Опишем пути повышения грузоподъемности железнодорожных кранов.

Принцип расчаливания стрелы крана состоит во временном креплении оголовка стрелы расчалками к якорям или неподвижным конструкциям. При этом угол между расчалками и собственной осью стрелы должен быть значительно больше угла между стрелоподдерживающей системой крана и той же осью стрелы, что уменьшает сжимающее стрелу усилие и позволяет повысить грузоподъемность крана [17].

Строссоподдерживающую систему крана выключают из работы, а восстанавливающий момент создают усилия натяжения канатных расчалок.

Вылет стрелы изменяют при помощи полиспаста расчалок. Стрела при этом работает как шевр, а сам кран выполняет функцию его опоры.

Разделяют два вида расчаливания стрел: неманевренную и маневренную, обеспечивающую поворот крана на необходимый угол. Во втором случае ось блока, соединяющего обе расчалки, должна находиться строго на вертикальной оси поворота крана.

Расчаливание стрел кранов позволяет увеличить их грузоподъемность на минимальных вылетах на 35…40%, а на больших вылетах стрел - еще больше.

При опирании оголовка стрелы крана на временную опору исключается возможность потери устойчивости краном (опрокидывания) и обеспечивается увеличение грузового момента.

Опорой служит наклонная конструкция (портал, шевр), шарнирно связанная со стрелой с целью исключения передачи на последнюю, изгибающих моментов. Опору выполняют облегченной для удобства переноса ее на стреле при перемещении крана в рабочей зоне.

Данный принцип модернизации применяют как при одиночной, так и спаренной работе кранов. Интересен зарубежный опыт применения двух таких кранов в качестве мачт кабельного крана. К недостаткам принципа следует отнести трудоемкость монтажа (демонтажа) опорной стойки и утрату двух рабочих движений - изменения вылета стрелы и поворота крана [16].

С целью повышения грузоподъемности работающих совместно кранов иногда оголовки их стрел шарнирно соединяют горизонтальным ригелем. Такое решение увеличивает грузоподъемность кранов на минимальных вылетах стрел в 1,5…2 раза, а на максимальных в 6…7 раз [15].

Необходимо отметить, что указанный метод модернизации грузоподъемных кранов обусловливает увеличение нагрузок на их стрелы, поэтому их необходимо проверить расчетом.

Так же применяется Г-образнаяприставка к крану, с помощью которой на базе крана создают портальный кран с повышенной грузоподъемностью.

Приставка состоит из решетчатого ригеля, шарнирно прикрепленного к башне крана, и мачты. По краям ригеля закреплены два грузовых полиспаста, обеспечивающие, кроме подъема груза, перемещение его в плоскости портала.

Г-образную приставку монтируют при помощи самого крана.

Улучшить грузовысотные характеристики стреловых кранов, кроме модернизации, позволяют эффективные методы их применения.Так, высокую эффективностьприменения обеспечивает спаренная работа двух (нескольких) грузоподъемных крапов при монтаже (перемещении) одного груза.

Строповку груза выполняют через балансирную траверсу, распределяющую рабочую нагрузку пропорционально грузоподъемности применяемых кранов. Поэтому краны могут иметь различные грузовысотные характеристики [18].

Очевидно, что при этом желательно применять грузоподъемные краны с равными скоростями подъема груза.

В случае, когда грузоподъемные краны имеют различные скорости механизмов подъема груза, спаренную работу кранов ведут, но специальной циклограмме (цикловой диаграмме), согласующей их рабочие движения. При этом краны работают по заданному циклу. Циклограммы составляют на стадии разработки ППР и включают в их состав.

Обычно фирмы одновременно выпускают несколько модификаций базовых моделей грузоподъемных кранов, обеспечивающих улучшение их грузовысотиых характеристик.

Основные из них [15]:

«Супер лифт» (сверхтяжелый подъем) - установка на поворотной платформе крапа дополнительной мачты с креплением к ее оголовку гибкого подвеса стрелы крана и дополнительного противовеса с противоположной стороны (мачтово-стреловое оборудование МСО);

«Макси лифт» (максимальный подъем) - установка на поворотной платформе дополнительной противовесной консоли, увеличивающей плечо приложения силы тяжести противовеса.

«Ринг лифт» (круговой подъем) - вынесение стрелы вперед за пределы поворотной платформы крана с опиравшем ее на специальный кольцевой рельсовый путь, уложенный концентрично оси вращения крана.

Такое решение увеличивает грузовой момент крана в 2…4 раза, так как кран является противовесом, и сохраняет все его рабочие движения, кроме передвижения;

«Транзи лифт» (подъем с передвижением) - вынесение противовеса назад за пределы поворотной платформы крана на специальную тележку с опиранием ее на основание установки крана или на специальный кольцевой рельсовый путь аналогично «Ринг лифт» и соединение противовеса рамной конструкцией с поворотной платформой крана.

Указанные принципы модернизации кранов существенно увеличивают восстанавливающий момент, уменьшают рабочие нагрузки на стрелу и улучшают грузовысотные характеристики кранов.

Анализ отечественных и зарубежных принципов модернизации кранов позволяет уточнить основные направления их развития [5]:

- создание грузоподъемных кранов большой грузоподъемности, высокой единичной мощности, высокомобильных и маневренных, оснащаемых прогрессивным стреловым оборудованием с улучшенными грузовысотными характеристиками;

- применение сменных противовесов с изменяемой массой или вылетом;

- вынесение стрелы или противовеса за пределы поворотной платформы крана;

- создание специальных кранов-манипуляторов, обеспечивающих подъем и перемещение груза, ориентацию его в пространстве, установку в требуемом положении и расстроповку без участия такелажников, т.е. работающих в полуавтоматическом режиме.

1.2 Анализ возможностей повышения безопасности табельного железнодорожного крана

К основным приборам и устройствам безопасности, устанавливаемым на грузоподъемных кранах, относятся: ограничитель грузоподъемности (грузового момента), ограничители вылета стрелы, высоты подъема крюка, поворота вращающейся части крана, анемометр, сигнализатор АСОН-1, выносные опоры, тормоза, буферные устройства, ограждения, галереи, площадки и лестницы [34].

Ограничитель грузоподъемности (момента) - предохранительное устройство, автоматически отключающее привод механизма подъема груза в случае превышения допустимой грузоподъемности крана.

В кранах с постоянной грузоподъемностью ограничитель регламентирует лишь вес поднимаемого груза, в кранах с переменной грузоподъемностью - момент, создаваемый весом груза.

На стреловых грузоподъемных кранах широко применяется ограничитель грузоподъемности типа ОГП-1, состоящий из двух датчиков, релейного блока и панели сигнализации. Первый датчик измеряет усилие, возникающее при подъеме груза, и называется датчиком усилия (ДУС).

Обычно его устанавливают в стреловой расчалке у оголовка стрелы, и он является динамометром, преобразующим усилие динамометрического кольца в пропорциональный электрический сигнал.

Второй датчик задает предельно допустимые усилия, возникающие при подъеме груза, в зависимости от вылета стрелы и называется датчиком угла (ДУГ). Его устанавливают на стреловых самоходных кранах у оси пяты стрелы также соосно с ней. Релейный блок служит для сравнения электрического сигнала от датчика ДУС с сигналом от датчика ДУГ и выдает соответствующие команды приборам панели сигнализации и исполнительным органам крана.

Панель сигнализации служит индикаторным устройством, благодаря которому крановщик может наблюдать по шкале прибора за степенью загрузки крана и включением исполнительных устройств [6].

Согласно «Правилам устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов» стреловые краны для предупреждения их опрокидывания должны быть оборудованы ограничителем грузоподъемности (грузового момента), автоматически отключающим механизмы подъема груза, масса которого превышает нормальную грузоподъемность более чем на 10%.

Концевым выключателем называется предохранительное устройство, предназначенное для автоматического отключения привода механизма крана при переходе его движущимися частями установленных положений. Концевые выключатели служат не для обычных остановок механизмов крана, а для тех аварийных случаев, когда из-за неисправности контроллеров или другой пусковой аппаратуры или из-за оплошности крановщика может возникнуть авария или несчастный случай [12].

Концевые выключатели, устанавливаемые на кранах, включаются в электрическую схему так, чтобы была обеспечена возможность движения механизма в обратном направлении.

Для ограничителей грузоподъемности применяют выключатели с контактами мгновенного действия, которые при достижении рычагом определенного положения срабатывают мгновенно. Концевой выключатель механизма подъема должен быть установлен так, чтобы после установки грузозахватного органа при подъеме без груза зазор между грузозахватным органом и упором был не менее 200 мм.

Концевой выключатель механизма передвижения должен быть установлен таким образом, чтобы отключение двигателя происходило на расстоянии до упора, равном не менее половины пути торможения механизмов.

Ограничители вылета служат для автоматического отключения механизма вылета (вылета стрелы) при подходе стрелы к минимальному или максимальному рабочему вылету. Ограничитель вылета рычажно-кулачкового типа может быть совмещен с указателем вылета. Валик ограничителя через рычаг и тягу соединен с приводом стрелы. В крайних положениях, соответствующих минимальному и максимальному вылету [13].

Соединенная с валиком стрелка указывает вылет по градуированной шкале. Ограничитель высоты подъема крюка служит для автоматического отключения механизма подъема крюка при подходе его к верхнему крайнему положению.

Ограничитель высоты подъема, применяющийся на кранах с подъемными стрелами, состоит из конечного выключателя и груза с двумя направляющими скобами, в которые заведены ветви грузового каната. Груз через серьгу и тросик связан с рычагом конечного выключателя. В нормальном положении груза контакты выключателя замкнуты. Когда крюковая подвеска упирается в груз и приподнимает его, освобожденный от груза рычаг конечного выключателя поворачивается под действием собственной пружины и размыкает контакты. По такому же принципу, но с несколько другой конструкцией работает ограничитель высоты подъема кранов с грузовой тележкой [19, 20].

Анемометр предназначен для автоматического определения скорости ветра, при которой должна быть прекращена работа, и для включения аварийных устройств. Он состоит из датчика ветра, устанавливаемого на оголовке, и измерительного пульта, находящегося в кабине крановщика [21].

Датчик и пульт соединены специальным экранированным кабелем. На измерительном пульте имеются три сигнальные лампы и указатель скорости ветра. Сигнальная лампа зеленого цвета загорается при включении анемометра в сеть, желтого - при увеличении скорости ветра до предельно допустимой величины, красного - при превышении скорости ветра допустимой величины.

С загоранием красной лампы включается звуковой сигнал анемометра.

Для удержания крана от перемещения под действием ветровой нагрузки и предотвращения схода с рельсов ходовых тележек при работе башенного или козлового крана на крановых путях используются противоугонные устройства.

Они состоят из рельсового захвата и клинового упора, которые монтируют на ходовой тележке крана. Захват состоит из двух шарнирно-сочлененных щек и устанавливается в гнезде рамы ходовой тележки без ее переделки [22].

При движении крана щеки рельсового захвата, наезжая на рельсовую накладку в месте стыка рельсов, свободно раскрываются и после прохождения накладки снова смыкаются.

Клиновые упоры позволяют закрепить кран от угона ветром в нерабочем состоянии в любом месте рельсового пути. Для этого устанавливают упоры под ходовые колеса тележек крана (по два упора с каждой стороны). При действии на кран ветровой нагрузки ходовые колеса тележки наезжают на упоры и движение крана прекращается, при этом клиновые упоры работают совместно с рельсовыми захватами.

Для увеличения устойчивости кранов в рабочем состоянии применяются дополнительные выносные опоры. Они выполняются в виде выдвижных балок или откидных кронштейнов, крепящихся к опорной раме [10].

Свободные концы балок или кронштейнов оборудуют винтовыми домкратами, опирающимися на деревянные подушки, или гидравлическими толкателями. Винтовые домкраты работают от ручного привода и используются в кранах небольших грузоподъемностей.

Гидравлические толкатели выносных опор питаются от насосной установки, установленной на неповоротной части крана.

Тормоза на исполнительских механизмах грузоподъемных кранов предназначены для снижения частоты вращения механизмов, полной их остановки, удержания груза на весу в неподвижном состоянии, а в механизмах передвижения для остановки крана на определенном месте.

По конструктивному решению применяют колодочные тормоза, у которых торможение осуществляется прижатием колодок к тормозному шкиву, и ленточные, у которых торможение происходит путем прижатия ленты к тормозному шкиву. Наиболее широко на грузоподъемных кранах применяется колодочный тормоз, так как он прост по устройству и надежен в эксплуатации.

Грузоподъемные краны, движущиеся по рельсовому пути, и их тележки для смягчения возможного удара об упоры или друг о друга должны быть снабжены соответствующими упругими буферными устройствами [8].

Буферные устройства делают в виде укрепляемых на торцах кранов массивных резиновых подушек, деревянных брусьев, пружин или гидравлических устройств.

Резиновые подушки и деревянные брусья применяют на кранах малой массы, движущихся с небольшими скоростями. Пружинные и гидравлические буферы применяют в тяжелых кранах, двигающихся со значительными скоростями (более 0,5 м/с).

Для обеспечения безопасности работы все находящиеся в движении легкодоступные части крана ограждаются прочными металлическими съемными ограждениями, допускающими удобный осмотр и смазку ограждаемых частей.

Обязательному ограждению подлежат [33]:

- зубчатые, цепные и червячные передачи;

- соединительные муфты с выступающими болтами и шпонками, а также другие муфты, расположенные на местах прохода;

- барабаны, расположенные вблизи рабочего места крановщика или в проходах (при этом ограждение барабанов не должно затруднять наблюдения за навивкой каната на барабаны);

- вал механизма передвижения кранов мостового типа при частоте вращения 50 мин^-1 и более (при частоте вращения менее 50 мин^-1 этот вал должен быть огражден в месте расположения люка для выхода на галерею).

Все голые токоведущие части электрооборудования крана, расположение которых не исключает случайное к ним прикосновение, также должны быть ограждены.

Кроме того, грузоподъемные краны должны иметь приборы освещения для работы в ночное время и в условиях недостаточной видимости.

При установке светильников, освещающих рабочую зону крана, освещение должно включаться самостоятельным выключателем.

1.3 Разработка требований к проектируемому оборудованию

Перед тем, как определить требования к проектируемому оборудованию, проведем краткий анализ крана железнодорожного КЖ-461.

Кран железнодорожный дизель-электрический КЖ-461 предназначен для механизации погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских работ на путях колей 1435 и 1520 мм.

Кран данной серии оснащен унифицированным многомоторным дизель-электрическим приводом на трехфазном токе напряжением 380В и частотой 50Гц. Предусмотрена возможность работы крана с питанием от внешнего источника тока при помощи гибкого кабеля.

В основном исполнении кран изготавливается со стрелой длиной 15 м и грузовым крюком для переработки штучных грузов.

По желанию может быть дополнительно укомплектован: вставкой стрелы длиной 5 м, грейфером для переработки сыпучих грузов объемом 1,2 м³ и 2 м³, грейфером песозахватывающим, грузоподъемным электромагнитом с соответствующим оборудованием. Краны с удлиненной стрелой могут быть использованы только для работы с крюком.

Диапазон температуры окружающей среды при эксплуатации крана от минус 40° до плюс 40° С.

Общий вид крана КЖ-461 представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Общий вид крана КЖ-461

Основные технические характеристики крана КЖ-461 представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 -Основные технические характеристики крана КЖ-461

Наименование параметра	Значение параметра
Грузоподъемность максимальная, т: - на выносных опорах - без выносных опор	16,0 12,0
Высота подъема крюка максимальная, м	14,4
Вылет стрелы, м: - минимальный - максимальный	4,8 14,0
Производительность, т/ч (не менее)	82,0
Скорость подъема-опускания, м/мин: - одним барабаном - двумя барабанами	9,5 19,0
Частота вращения, об/мин.	2,0
Скорость передвижения, км/ч: - рабочая - транспортная	6,4 16,5
Мощности дизель-генератора, кВт	100
Преодолеваемый уклон пути на рабочей скорости, g: - с грузом - без груза	10,0 25,0
Задний габарит, м	3,3
Минимальный радиус прохождения кривых, м	60
Скорость буксирования в составе поезда, км/ч	80
Масса,т	55

Кран КЖ-461 оснащен ограничителем нагрузки ОНК-160, который служит для защиты от перегрузки и опрокидывания при подъеме груза, защиты рабочего оборудования от повреждения при работе в стесненных условиях (координатная защита) и для отображения информации о фактической массе поднимаемого груза, предельной грузоподъемности на данном вылете, степени загрузки крана, величине вылета, высоте подъема оголовка стрелы, угле наклона относительно горизонта и угле поворота крана. Встроенный в ОНК-160 регистратор технических характеристик обеспечивает запись и долговременное хранение информации о рабочих параметрах крана, а также о степени загрузки крана в течение всего срока службы [4].

На кране установлен дроссельный электропривод.

Отличительной особенностью дроссельного привода является включение в роторную цепь электродвигателей механизмов передвижения, поворота и грузовой лебедки пусковых дросселей взамен пусковых сопротивлений.

Применение пусковых дросселей позволило обеспечить плавность пуска и торможения во всех режимах при отсутствии системы управления ротором электродвигателя.

Кабина машиниста разработана с учетом единого эргономического решения, отвечающего современным требованиям. Применение АБС-пластика и шумоизоляции позволило создать эргономичную звукопоглощающую термоизоляционную облицовку внутренних поверхностей кабины машиниста.

По показателям обзорности с места машиниста кабина превосходит прототипы и не уступает зарубежным аналогам. Кабина оборудована современной системой нормализации микроклимата, имеющей вентиляционно-приточный агрегат и фильтры и обеспечивающие подачу очищенного воздуха в зоны дыхания, обдува стекол и ног посредством регулируемых дефлекторов.

Вместо контроллеров на панели пульта управления установлены малогабаритные переключатели (джойстики), имеющие небольшую амплитуду и угол поворота рукоятки, что создает более комфортные условия работы машиниста, улучшает дизайн пульта управления.

На основе проведенного анализа сформулируем требования к проектируемому оборудованию:

- в качестве оборудования для повышения грузоподъемности крана должен выступать противовес;

- в качестве оборудования для повышения безопасности крана должна выступать система управления устойчивостью крана в период действия высоких ветровых нагрузок;

- при проектировании оборудования необходимо стремиться к минимизации его массогабаритных показателей;

- проектируемое оборудование должно быть выполнено по возможности на отечественной элементной базе.



1.4 Постановка цели и задач дипломного проекта

Целью представленного дипломного проекта является разработка проекта повышения грузоподъемности и безопасности табельной грузоподъемной техники на железнодорожном ходу на примере крана КЖ-461.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- дать описание конструктивной схемы установки разрабатываемого оборудования;

- произвести расчет основных параметров разрабатываемого оборудования;

- разработать технологический процесс монтажа оборудования на железнодорожный кран;

- разработать технологический процесс выполнения среднего ремонта железнодорожного крана;

- описать процесс испытаний крана и правила его приемки после ремонта;

- рассмотреть вопросы обеспечения техники безопасности при выполнении ремонтных работ железнодорожного крана.



Глава 2. Обоснование конструкции разрабатываемого оборудования

2.1 Описание конструктивной схемы установки разрабатываемого оборудования

В представленной работе в качестве оборудования для повышения грузоподъемности крана КЖ-461 предлагается использование противовеса.

Противовес состоит из контргруза и противовесной консоли.

Контргруз предназначается для уравновешивания веса стрелы и части веса груза и состоит из балласта, который закрепляется на конце консоли.

Противовесная консоль представляет собой обычно неподвижную - горизонтальную или наклонную плоскую ферму с поясами из швеллеров; консоль одним концом шарнирно соединена с нижней частью поворотной головки; другой конец ее подвешен при помощи тяг к верхней части головки.

Тяги могут быть жесткими - из прокатных профилей стали (уголки, швеллеры), или гибкими - из канатов.

Для размещения контргруза служит балластный ящик на конце консоли, в который загружают бетонные блоки или металлические чушки.

Вес груза:

где 1,25 -- коэффициент веса со встроенным в барабан электродвигателем.

Вес стрелы:



где -- коэффициент веса стрелы.

Масса стрелы:

Плечо силы тяжести стрелы, совместно с консолью противовеса и гильзой:

где 0,3 -- коэффициент плеча силы тяжести стрелы, консоли противовеса и гильзы.

Вес противовеса:

где -- плечо силы тяжести противовеса (противовес вдвое уменьшает опрокидывающий момент, реакции горизонтальных подшипников и момент, изгибающий раму, если он уравновешивает стрелу и половину номинального груза).

Примем тогда:

.

Масса противовеса:

кг.



2.2 Расчет основных параметров разрабатываемого оборудования

Произведем расчет механизма подъёма железнодорожного крана.

1. Выбор полиспаста, каната, барабана и грузозахватного устройства

В конструкции железнодорожного крана используется полиспаст - устройство для подъёма грузов состоящее из подвижных и неподвижных блоков, огибаемых гибким элементом - канатом. Примем число обводных блоков z = 2 (сдвоенный барабан) и кратность полиспаста i = 4 [3]. В качестве грузозахватного приспособления выбираем крюк, закреплённый в отверстиях траверсы подвески. Масса крюка т = 154 кг [3].

Рисунок 2.1 - Механизм подъёма железнодорожного крана

Грузоподъёмная сила:



где g = 9,81 м/с - ускорение свободного падения.

КПД полиспаста [1]:

где: з_П = 0,99 - КПД пары подшипников качения [3].

Наибольшее натяжение ветви каната, набегающей на барабан при подъёме груза:

Согласно РС 5138 - 75 группе режима К = 4 соответствует средний режим работы [2]. Для среднего режима работы коэффициент запаса прочности каната k_к = 5,5 [3], коэффициент запаса прочности барабана k_d = 25 [3].

Допустимое разрывное усилие каната:

Для железнодорожного крана, работающего на открытом воздухе, при наличии пыли и влаги следует выбирать канат типа ЛК - Р619+1о.с. ГОСТ 2688 - 80 с малым количеством проволок большого диаметра. Этот канат обладает высокой абразивной и коррозионной износостойкостью. Выбирается канат d = 21 мм маркировочной группы 1960 для которого разрывное усилие: .

Расчётный диаметр барабана:



.

В соответствии с ГОСТ 22644 - 77 принимается барабан диаметром:

.

Длина каната, наматываемого на барабан:

.

Шаг нарезки барабана:

.

Длина одной половины рабочей части барабана:

.

Длина одного участка для закрепления каната планкой:

.

Толщина бортика: l_б = 20 мм [3].

Общая длина барабана:

.

2. Кинематический расчёт привода. Выбор двигателя и редуктора

Частота вращения барабана:



.

Потребная мощность на валу барабана:

.

Привод подъёмного механизма железнодорожного крана состоит из гидравлического двигателя, двухступенчатого цилиндрического прямозубого редуктора, двух соединительных упругих втулочно-пальцевых муфт, тормоза.

Кинематическая схема механизма подъема с крюковой подвеской показана на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Кинематическая схема привода

Гидравлический двигатель 1 соединен с цилиндрическим редуктором 4 при помощи муфты 3. Муфта 3 со стороны двигателя выполнена с тормозным шкивом, на котором установлен колодочный тормоз. Редуктор 4 соединен с барабаном 6 при помощи муфты 5.

КПД привода:

,

где: з_М = 0,92 - КПД упругой муфты [5];

з_З = 0,95 - КПД редуктора [5];

з_П = 0,99 - КПД пары подшипников качения [5];

2 - число муфт.

Мощность гидравлического двигателя:

.

Выберем двухступенчатый цилиндрический редуктор Ц2У-160 с передаточным отношением u = 25 [3].

Частота вращения вала гидравлического двигателя:

.

Крутящий момент, развиваемый валом двигателя:

.

Рабочий объём гидравлического двигателя:

.



3. Определение размеров блоков

Диаметр блоков принимается равным диаметру барабана.

Подвижный блок устанавливается на радиальных однорядных шарикоподшипниках.

Эквивалентная динамическая нагрузка для каждого из них:

,

где: z = 2 - число блоков;

= 1,5 - коэффициент запаса тормозного момента [3].

Долговечность подшипника по числу оборотов:

где: L_h = 10⁴ ч. - минимальная долговечность подшипника по времени.

Расчётная динамическая грузоподъёмность подшипника:

.

Блок устанавливается на четырёх радиальных однорядных шарикоподшипниках (по два в каждой опоре) тяжёлой серии 414 ГОСТ 8338 - 75 с динамической грузоподъёмностью С = 143 кН.

Динамическая грузоподъёмность каждой опоры 2С = 286 кН, что больше расчётной динамической грузоподъёмности.

Геометрические размеры подшипника 414:

- диаметр внутреннего кольца, d = 70 мм;

- диаметр наружного кольца: D = 180 мм;

- ширина: В = 42 мм.

Геометрические размеры блока:

- радиус канавки под канат:

мм;

- высота канавки:

;

- ширина канавки:

;

- ширина ступицы блока:

.



4. Выбор грузового крюка и проверка его на прочность

Выбираем однорогий удлинённый крюк типа Б грузоподъёмностью 25 т для тяжёлого режима работы. Основные размеры крюка: a = 210 мм, b₁ = 160 мм, b₂ = 25 мм, h = 205 мм, резьба на стержне крюка ТР110 (d = 110 мм, d₁ = 107 мм, шаг резьбы 7,5 мм), d₀ = 120 мм.

Шарикоподшипник для крюка выбирается по статической нагрузке:

,

где: 1,75 - коэффициент запаса.

Устанавливаются 2 упорных однорядных шарикоподшипника тяжёлой серии 46320 ГОСТ 831 - 75. Грузоподъёмность пары подшипников 2С = 2 · 177 = 324 кН. Диаметр внутренних колец подшипников соответствует диаметру стержня крюка d = a = 100 мм.

По диаметру наружных колец подшипника D = 215 мм определяется ширина траверсы подвески:

мм.

Площадь сечения крюка:

.

Расстояние до центра тяжести сечения:

;

;

.



Коэффициент кривизны:

;

Наибольшие напряжения изгиба:

.



5. Расчёт траверсы подвески на прочность

Траверса работает на изгиб. Наибольшие напряжения изгиба траверсы в сечении, ослабленном отверстием.

Изгибающий момент:

.

Необходимый момент сопротивления опасного сечения траверсы:

.

Высота сечения:

.

Напряжение изгиба в цапфе траверсы:



6. Расчёт толщины стенки барабана и проверка его на прочность

Выбирается барабан сварной из стали Ст.3:

Толщина стенки барабана:

.

Стенки барабана находятся в сложном напряжённом состоянии - они работают на изгиб, кручение и сжатие. Основным является расчёт на сжатие.

Допускаемое напряжение сжатие для стали Ст.3:

.

где: у_В = 300 МПа - предел прочности стали при растяжении.

Рассмотрим барабан с толщиной стенок 15 мм:

.

Толщина стенок барабана 15 мм недостаточна.

Рассмотрим барабан с толщиной стенок 20 мм:

.



7. Расчёт и выбор муфт

Для соединения валов двигателя и барабана с валами редуктора используются упругие втулочно-пальцевые муфты. Для соединения вала гидравлического двигателя с быстроходным валом редуктора выбирается упругая втулочно-пальцевая муфта МУВП 500 - 42 - 2 ГОСТ 21424 - 93:

- диаметр соединяемых валов: d = 42 мм;

- диаметр ступиц муфты: d₁ = 80 мм;

- диаметр фланцев муфты: D = 170 мм;

- длина муфты: L = 170 мм;

- длина полумуфт: l₁ = l₂ = 82 мм;

- диаметр пальцев: d₂ = 18 мм;

- количество пальцев: n = 6;

- номинальный крутящий момент: [М_кр] = 500 Н · м.

Момент, передаваемый муфтой, равен моменту, развиваемому двигателем:

М_кр = М_ДВ = 410 Н · м.

Для соединения тихоходного вала редуктора с валом барабана выбирается упругая втулочно-пальцевая муфта МУВП 16000 - 130 - 1 ГОСТ 21424 - 93:

- диаметр соединяемых валов: d = 120 мм;

- диаметр ступиц муфты: d₁ = 160 мм;

- диаметр фланцев муфты: D = 500 мм;

- длина муфты: L = 515 мм;

- длина полумуфт: l₁ = l₂ = 250 мм;

- диаметр пальцев: d₂ = 35 мм;

- номинальный крутящий момент: [М_кр] = 16 · 10³ Н · м.



8. Выбор шпонок и проверка их на смятие

Полумуфты соединяются с валами при помощи шпонок. Шпонки работают на смятие. Допускаемое напряжение смятия для шпонки, изготовленной из качественной углеродистой конструкционной стали, [у_cм] = 100 МПа.

Валы гидравлического двигателя и быстроходного вала редуктора d_ДВ = d_В1 = 42 мм соединяются с полумуфтами при помощи призматических шпонок 12х8х75 ГОСТ 23360 - 78 со следующими характеристиками:

- ширина шпонки: b = 12 мм;

- высота шпонки: h = 8 мм;

- длина шпонки: L = 75 мм;

- глубина паза на валу: t₁ = 5 мм.

МПа < [у]_см = 100 МПа.

Валы тихоходного вала редуктора и барабана d₃ = d_Б = 120 ммсоединяются с полумуфтами при помощи призматических шпонок 32х18х200 ГОСТ 23360 - 78 со следующими характеристиками:

- ширина шпонки: b = 32 мм;

- высота шпонки: h = 18 мм;

- длина шпонки: L = 240 мм;

- глубина паза на валу: t₁ = 11 мм.

Напряжение смятия в шпоночном соединении:

МПа < [у]_см = 100 МПа.



9. Расчёт и выбор тормоза

Для обеспечения наибольших размеров тормоз устанавливается на валу с наименьшим крутящим моментом, т.е. на валу гидравлического двигателя. Двухколодочная конструкция тормоза обеспечивает разгрузку вала тормозного шкива от радиальной нагрузки.

Наибольший момент тормоз должен развивать при опускании груза:

.

где: k_Т = 2,0 - коэффициент запаса тормозного момента [3].

Расчётному тормозному моменту соответствует двухколодочный тормоз с электрогидравлическим толкателем ТКТГ - 300 [3]:

- наибольший тормозной момент: М_Тmax= 1500 Н · м;

- длины рычагов: l = 525 мм; l₁ = 250 мм;

- ширина колодки: В_к = 180 мм;

- диаметр тормозного шкива: D_Т = 400 мм.

Усилие прижатие колодок к тормозному шкиву:

.

где: f = 0,35 - коэффициент трения между контактными поверхностями шкива и колодок;

2 - число колодок.

Давление между колодкой и тормозным шкивом:



.

Расчётное давление р_см = 0,07 МПа не превышает допускаемого [р_см] = 0,3 МПа, надёжность работы тормоза обеспечивается.

Расчет влияния ветрового потока на кран необходим для определения ветровых нагрузок на конструкцию с последующим вычислением как собственной, так и грузовой устойчивости, а также при проектировании или разработке приборов безопасности.

Существующие нормы расчета кранов на ветровую нагрузку основаны на коэффициентах, учитывающих лобовое сопротивление, изменение динамического давления по высоте, динамическое давление и наветренную площадь конструкции.

Коэффициент лобового сопротивления - безразмерная величина, зависящая от формы и размеров обтекаемого тела, определяемая опытным путем. При расчете ветровой нагрузки, как для рабочего, так и для нерабочего состояния крана, аэродинамическое сопротивление определяют для каждой отдельной части крана коэффициентам для типовых элементов.

Любое сложное двунаправленное положение элементов конструкции приводит к ошибочному определению коэффициента лобового сопротивления.

Наличие неправильных форм сечений элементов, также осложняет поиск и определение данного параметра.

Другой коэффициент определяет зависимость между высотой над поверхностью земли и скоростью ветра. Для упрощения расчетов данный коэффициент дается в линейной зависимости. В [12] установлено что, при различных способах задания скоростного напора ветра по высоте крана (постоянный, ступенчатый, степенной) и формы наветренной площади, в расчетах, скоростной напор ветра можно принимать постоянным в пределах высоты отдельных частей крана (стрела, поворотная платформа и т.д.).

При этом величина давления должна приниматься на высоте равной половине высоты исследуемой конструкции. Это условие является упрощением зависимости распределения давления ветра по высоте крана, которая представляет собой степенную функцию.

Коэффициент динамического давления представляет собой половину произведения плотности воздуха и квадрата скорости ветрового потока.

Важным коэффициентом при определении ветровой нагрузки, является наветренная площадь крана. При действии ветровой нагрузки на конструкцию стрелового устройства не представляется возможным учесть затененные участки, которые так же подвержены ветровому воздействию.

При небольших поворотах стрелы либо других сборочных единиц составной формы, относительно ветрового напора, происходит увеличение наветренной площади вследствие перехода затененных участков в наветренные.

Так же отсутствуют моментные характеристики для конструкций стреловых устройств. Аэродинамические моменты, действующие на стреловое устройство относительно вертикальной оси вращения крана, определяются расчетным путем по аэродинамическим силам, известным для отдельных элементов, без учета моментов, действующих на эти элементы.

Расчет аэродинамических коэффициентов крановых конструкций, имеющих сложные комбинации и взаимное расположение элементов, например, ступенчатые стреловые устройства, которые в последнее время находят широкое применение, с различным набором сечений трубчатых раскосов, представляется достаточно сложным.

Физическое моделирование в аэродинамической трубе несет ряд трудностей, связанных с масштабированием и исполнением модели, исследуемой конструкций крана.

Любые незначительные отклонения при изготовлении масштабной модели крана, приводят к существенной погрешности вычислений. Другим существенным недостатком моделирования ветрового воздействие в обычной аэродинамической трубе является постоянство скорости ветра по высоте.

В последнее время для решения задач аэродинамики и механики сплошных сред широкое применение находят компьютерные CAE-системы, математического моделирования, основанные на методе конечных элементов (МКЭ) и методе конечных объемов (МКО).

В состав современных расчетных комплексов входят универсальные модули, объединенные в логические группы по функциональной принадлежности.

Обычные персональные компьютеры обеспечивают адекватные ресурсы лишь при решении двумерных задач, что для моделирования ветровой нагрузки крановых конструкций не приемлемо. Для проведения сложных трехмерных расчетов с помощью перечисленных CFD-пакетов требуются дорогостоящие высокопроизводительные многопроцессорные системы.

Основные задачи численного моделирования:

1. Построение математической модели ветрового нагружения крана.

2. Определение критического давления скорости ветра рабочего и нерабочего состояния на металлоконструкцию крана.

3. Построение зависимости по данным математического моделирования скорости ветра, положения стрелы и крутящего момента создаваемого ветровым потоком относительно оси вращения крана.

4. Определение влияния положения стрелы относительно направления ветрового потока на устойчивость крана.

На практике могут возникать ситуации, когда скорость ветра принимает резко возрастающий характер. В таком случае очень важно быстродействие системы корректировки устойчивости, которое обеспечивается системой управления активным вспомогательным приводом поворотной платформы крана. Для этого в аппарат нечеткой логики данной системы управления вводится лингвистическая переменная «ускорение ветра», выполняющая прогностическую функцию, что в условиях резко изменяющихся скоростей ветрового потока позволяет скорректировать положение стрелы крана до того, как коэффициент запаса устойчивости примет критическое значение.

Внедрение вспомогательного привода поворотной платформы крана позволяет обеспечить максимум быстродействия при возникновении опасных ускорений за счет того, что кран принимает устойчивое положение с максимально возможной скоростью.

Исследование этого процесса проведено в программном пакете Simulink среды MATLAB посредством синтеза системы автоматического регулирования привода поворотной платформы, а входные управляющие сигналы для моделируемой системы управления формируются посредством системы нечетких правил.

Входными лингвистическими переменными для этой системы являются «ускорение ветра», «скорость ветра», и «положение стрелы», выходными «команда управления вспомог. приводом», «состояние гидромуфты».

При активизации данной системы на блок индикации поступает предупредительный сигнал о возможной опасности.

Составим нечеткий алгоритм для работы системы с данными входными и выходными лингвистическими переменными.

Лингвистической переменной «ускорение ветра» будут соответствовать два терма - «norma», «danger» принадлежащие нечеткому множеству «uskorenie», со значениями [0,5;1], [0,5;2,5] с координатами максимума 1, 2,5м/с и коэффициентами концентрации соответственно 0,8 и 1,7.

Лингвистической переменной «скорость ветра» будут соответствовать два терма - «norma», «danger» принадлежащие нечеткому множеству «skorost», со значениями [0,5;5], [0,5;10] с координатами максимума 5, 10м/с и коэффициентами концентрации соответственно 1,5 и 5,2.

Лингвистической переменной «положение стрелы» соответствуют три терма - «0-10», «10-50», «50-90» принадлежащие множеству «polojenie» со значениями функциональной принадлежности - [10 0]; [15 45]; [15 90], где 0, 45 и 90 - значение угла, выраженное в градусах, а 10, 15 и 15 - коэффициенты концентрации.

Выходные лингвистические переменные будут формировать исполняющие сигналы управления оборудованием вспомогательного привода поворотной платформы.

Это выходная лингвистические переменные «команда управления двигателем» и «команда управления гидромуфтой».

Лингвистической переменной «команда управления двигателем» соответствуют термы «вкл» и «выкл», а лингвистической переменной «команда управления гидромуфтой» - термы «открыта», «закрыта».

Сформированный в результате информационный массив, который характеризует состояние системы, позволяет достоверно определить на базе нечеткой модели устойчивости железнодорожного крана КЖ-461 текущее значение параметра ветрового нагружения и параметра состояния устойчивости.