Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

стреловой вылет устройство нагрузка

Для решения стоящих перед современным машиностроением задач повышения надежности и производительности машин при одновременном снижении их металлоемкости и энергоемкости необходимо широкое внедрение методов оптимизации параметров машин, позволяющих значительно улучшить различные параметры, эксплуатационные характеристики проектируемых и исследуемых объектов.

Теория оптимизации находит сегодня эффективное применение во всех направлениях инженерной деятельности. К ним относятся, в первую очередь, проектирование систем и их составных частей, планирование и анализ функционирования существующих систем, инженерный анализ и обработка информации, управление динамическими системами.

В данном курсовом проекте рассмотрена оптимизация функциональных параметров системы изменения вылета (СИВ) стрелового крана по критерию минимума металлоемкости. Как показывает опыт, снижение металлоемкости - один из наиболее эффективных способов снижения себестоимости машины. В качестве объекта исследования выступает стреловое устройство с прямой стрелой и с полиспастной системой изменения вылета. Выполнены расчеты уравновешивающего устройства с подвесным противовесом. Оптимизация параметров осевого контура СИВ выполнена с применением ЭВМ. Графическая часть проекта выполнена на одном листе формата А1. Результаты графоаналитического расчета представлены в расчетно-пояснительной записке.

1. Определение исходных параметров

Оптимизация стреловой системы заключается в определении значений всех параметров ее схемы так, чтобы они отвечали заданию на проектирование, компоновочным ограничениям (удовлетворительность траектории груза) и были близки к оптимальным по экономическому показателю или, в первом приближении, по массе стреловой системы. Таким образом можно условно выделить группы параметров назначаемые непосредственно по заданию на проектирование; по компоновочным (или другим) ограничениям; определяемых по эксплуатационным ограничениям или оптимально по массе стреловой системы - функциональные параметры, получаемые в процессе оптимизации.

Параметры первой группы даны в задании (тип стреловой системы, тип уравновешивающего устройства и тип механизма изменения вылета, G - вес груза, R_max - максимальный, R_min - минимальный вылет, H - высота подвеса груза, V_ср - средняя скорость горизонтального перемещения груза, режим ПВ%). Параметры второй группы определяем на основании рекомендаций [3, с. 417]. Схема стрелового устройства представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема стрелового устройства с прямой стрелой

Диапазон изменения вылета:

R=R_max-R₁=32-8=24 м.

Высота подъема стрелы на максимальном вылете:

H=25 м.

Координаты расположения блока на стреле:

С=(0…0.4) R, D=(0…0.115) R

С=D=0 м.

Вес груза:

G_гр=49 кН.

Вес блоков и подвески принимаются равными 5% от веса груза:

G_бл=G_п=49*0.05=2.45 кН.

Кратность грузового полиспаста:

m=1.

Кратность уравнительного полиспаста:

m=3.

Допускаемое напряжение из [2, стр. 491] для стали 09Г2С, для II случая нагружения:

[]=160 МПа.

Динамический коэффициент для крюкового портального крана и для случая нагрузки I I [2, с. 68]:

_II=1.5.

Угол отклонения канатов от вертикали для портальных крюковых кранов для режима 5М [2, с. 71]:

_II=15⁰.

Соотношение l₂/l_C=0.3.

Грузовой неуравновешивающий момент на максимальном вылете:

M₁=0.

Грузовой неуравновешивающий момент на минимальном вылете:

MІ=0.05GR=58800 Н*м.

2. Оптимизационный расчет параметров стрелового устройства на ЭВМ

Параметры B и Е - координаты крепления блока на колонне, следует определить из оптимизации стрелового устройства по массе стрелы и по траектории груза.

При оптимизации было исследовано 5 вариантов. Результаты сведены в таблицы. По результатам оптимизации был выбран вариант 5

Допустимое отклонение траектории груза от горизонтали для портальных кранов:

Таким образом, на ЭВМ произведен синтез стрелового устройства заданного типа, в ходе которого определили параметры третьей группы - B и E.

По результатам расчета строим схему стреловой системы в 6 положениях по вылету, график траектории груза и график грузового неуравновешенного момента. Эти же графики строятся графоаналитическим методом.

Отклонение траектории груза от горизонтали находим из следующих соображений. При изменении вылета общая длина грузового полиспаста остается постоянной, меняется длина участка между блоком на колонне и блоком на стреле. При увеличении вылета от максимального до минимального длина этого участка изменяется, за счет чего изменяется длинна подвески груза. Но в то же время стрела поднимается и расстояние от конца стрелы (точки подвеса груза) до начального положения увеличивается. Приняв начальное положение груза за ноль, вычисляем разницу между этими величинами, получая, таким образом, траекторию движения груза. Отклонение груза от горизонтали вычислим по следующей формуле:

где L_i - длина подвески с грузом для данного положения стрелы;

l_пi - длина уравнительного полиспаста для данного положения стрелы.

Результаты построения графоаналитическим методом приведены в табл. 2.

Таблица 2.

, м	32	27.2	22.4	17.6	12.8	8
NG, кН	172	179	185	190	193	195
rG, м	0	-0.236	-0.27	-0.168	0	0.298
МG, кН?м	0	-42	-50	-32	0	58
Yгр, м	0	-0.086	-0.238	-0.356	-0.394	-0.314

Шесть положений стрелы, график грузового неуравновешенного момента и изменения координаты подвеса груза представим на рис. 2,3.

Рис. 2. График изменения координаты подвеса груза.

Рис. 3. График изменения грузового неуравновешенного момента

3. Силовой анализ стреловой системы

3.1 Определение стрелового момента

Стреловой момент М_с веса стрелового устройства относительно оси О₁ качания стрелы (см. рис. 1) равен

М_с= G_cr_c+(G_бл+G_под) R,

G_c, G_бл, G_под - вес стрелы, блока, подвески приведены в табл. 1;

r_с - плечо веса стрелы относительно точки О₁,

r_c=l_Ц.Сcos_c,

Положения центров тяжести стрелы находим по следующим зависимостям [3, с. 481]:

_c - угол наклона стрелы, его значения при различных 6 положениях СУ следующие:

Таблица 3

, м	32	27.2	22.4	17.6	12.8	8
c	380	47.90	56.50	64.30	71.60	78.60
rc,м	13.727	11.678	9.614	7.554	5.498	3.443

Результаты расчета стрелового момента сведены в таблицу:

Таблица 4

, м	32	27.2	22.4	17.6	12.8	8
Мс, кНм	626	533	439	345	251	157

Рис. 4. График изменения стрелового момента

По результатам расчета строится график стрелового момента в зависимости от угла наклона стрелы (рис. 4), который в дальнейшем, после расчета механизма уравновешивания, будет использован для определения неуравновешенного стрелового момента.

3.2 Расчет нагрузок, вызванных отклонением канатов от вертикали

Момент от сил, вызванный отклонением канатов от вертикали находим аналитическим методом. Сила создающая момент определяется как

Т₁=Gtg_II=49tg 15=13.13 кН, .

Значения найденных моментов сведены в таблицу:

Таблица 5

, м	32	27.2	22.4	17.6	12.8	8
rб, м	25	30.12	33.85	36.58	38.52	39.8
М, кНм	328	395	444	480	506	523

По этим значениям строятся два симметричных графика, от моментов с противоположными знаками, так как направление отклонения канатов может изменяться (рис. 5).

Рис. 5. График изменения нагрузок, вызванных отклонением каната.

3.3 Расчет ветровых нагрузок на стреловое устройство

Момент от ветровой нагрузки определяется по следующей формуле:

М_в=Р_{в. с}h_в.,

где Р_в.с - ветровая нагрузка на стрелу, которая приложена в центре тяжести стрелы.

P_в=р_вF_н,

где р_в - распределенное давление ветра в данной зоне высоты;

F_н - расчетная наветренная площадь конструкции.

р_в=qkcn,

где q - динамическое давление ветра, q=125 Па [3, табл. 1.2.11];

k - коэффициент, учитывающий изменение динамического давления по высоте [3, табл. 1.2.14], значение коэффициента приведено в табл. 6;

с - коэффициент аэродинамической силы, с=1.2 [3, табл. 1.2.15];

n - коэффициент перегрузки, для рабочего состояния принимаемый равным 1 независимо от применяемого метода расчета.

Расчетную наветренную площадь стрелы и хобота получим, исходя из геометрических параметров сечения, которые рассчитаем методом допускаемых напряжений.

Площадь определяется по следующим формулам:

F_н.с=b_сl_c2/3+F_Г;

Где F_Г=7.1 мІ - наветренная площадь груза

Получаем формулы для вычисления ширины сечений:

Вычисляем величины наветренных площадей:

F_н.с=0.87240.62/3=23.6 мІ;

Сила от ветра, действующая на стрелу

,

Полученные величины подставляем в общую формулу для вычисления ветровых нагрузок. Результаты вычислений помещены в таблицу 6 и на рис. 7:

Таблица 6

, м	32	27.2	22.4	17.6	12.8	8
k	1.25	1.25	1.25	1.25	1.25	1.25
Мв, кН	40	47	54	58	61	63

Рис. 7. График изменения ветрового момента

3.4 Суммарные нагрузки на стреловое устройство

Мы имеем два результирующих момента на стрелу: «М+» - случай, когда ветровой момент совпадает по направлению со стреловым моментом и моментом от качания груза; «М-» - случай, когда ветровой момент и момент от качания груза противоположны по направлению моменту от веса стрелы.

;

Результаты расчета представлены в таблице 7 и на рис. 8.

Рис. 8. График изменения моментов, действующих на стрелу

Таблица 7

, м	32	27.2	22.4	17.6	12.8	8
M+, кНм	994	933	887	851	818	801
M-, кНм	258	49	-109	-225	-316	-371

Поскольку мы имеем винтовой механизм изменения вылета стрелы, то суммарный отрицательный момент допускается.

В нашем случае суммарный момент может быть как положительным, так и отрицательным.

4. Синтез схемы уравновешивающего устройства

Задана схема уравновешивающего устройства с противовесом на рычаге.

Синтез схемы уравновешивающего устройства при условии минимального воздействия собственных весов качающийся элементов системы изменения вылета на МИВ производится на ЭВМ после того, как получен график моментов собственных весов элементов стрелового устройства. На этом этапе определяются параметры второй и третьей групп применительно к заданной схеме уравновешивающего устройства.

Исходные данные для расчета определяются из графика стрелового момента. Вводятся начальное и конечное значения угла наклона стрелы к горизонтали; граничные значения момента противовеса (М_п1=1,15М_с1=720 кНм; М_п6=М_с6-0,15М_с1=63 кНм); работа сил стреловой системы А_с, определяемая как площадь под графиком стрелового момента; координаты точки качания коромысла.

Результаты компьютерного расчета приведены в табл. 2.

Оптимальный вариант уравновешивающего устройства выбираем, исходя из требования равенства работ А веса СУ при его подъеме и А противовеса при его опускании. Согласно этому критерию, оптимальным вариантом является вариант, в котором для противовеса А = 55,29т/м = 542,4 кН?м.

По принятому варианту вычерчиваем схему уравновешивающего устройства.

Таблица 8

Рис. 9. Схема уравновешивания стрелового устройства

Определим неуравновешенный момент М_н сил тяжести СУ как:

М_н=М_с-М_п.

Значения момента М_н для шести положений приведены в табл. 10

Значение стрелового неуравновешенного момента представлены в таблице 8 а также на графике (рис. 10).

Таблица 8.

, м	32	27.2	22.4	17.6	12.8	8
Мс, кНм	626	533	439	345	251	157
MП, кНм	720	772	801	814	796	61
МН, кНм	-94	-239	-362	-469	-545	96

Рис. 10. График изменения стрелового неуравновешенного момента



Рис. 12. График изменение моментов, действующих на стрелу, с учетом противовеса

5. Проектировочный расчет механизма изменения вылета

5.1 Построение планов скоростей

В задании дана средняя скорость изменения вылета при заданном винтовом МИВ:

V_ив=50 м/мин.

Для расчета механизма изменения вылета нам необходимо знать скорость винта. Из плана скоростей получаем значение скорости винта ₀=3,47 м/мин=0,058 м/с. Планы скоростей и график изменения скорости с указанием заданной средней скорости приведены на чертеже. Время t_i для участка между вылетами R_i и R_i+1 находим по графику скорости, значения t_i приведены в табл. 11.

Таблица 11

Ri-Ri+1	1 (Rmax) - 2	2-3	3-4	4-5	5-6 (Rmin)
ti, с	0,42	0,48	0,56	0,83	1,19

Время t₀ изменения вылета от наибольшего до наименьшего равно:

t₀=ДR/v_и.в=24/50=0,48 мин=28,8 с.

Результаты расчета приведены в таблице 12 и на рис. 13.

Таблица 12

, м	32	27.2	22.4	17.6	12.8	8
VИВ, м/мин	54.4	52.4	50.1	47.4	43.4	37.7

Средняя скорость изменения вылета при этом равна заданной (V_ив=50 м/мин).



Рис. 13. График изменения скорости изменения вылета.

5.2 Момент статических сил сопротивления

Для определения максимальной мощности находим наибольший момент статических сил сопротивления, действующий на стрелу относительно оси О₁ на произвольном вылете R при установившемся движении привода. Момент находят по формулам:

M₊=M_G+M_H+M_B+M_б;

M_-=M_G+M_H-M_B-M_б,

где М_G - грузовой неуравновешенный момент;

М_H - неуравновешенный момент сил тяжести СУ;

М_В - абсолютная величина момента, созданного действием ветровой нагрузки;

М_б - абсолютная величина момента, вызываемого отклонением грузовых канатов от вертикали.

Вычисленные моменты представлены в табл. 11.

Таблица 11

R, м	МG, кНм	МН, кНм	Мб, кНм	МВ, кНм	М+, кНм	М-, кНм
8	58	96	523	63	740	-432
12,8	0	-545	506	61	22	-1112
17,6	-32	-469	480	58	37	-1039
22,4	-50	-362	444	54	86	-910
27,2	-42	-239	395	47	161	-723
32	0	-94	328	40	274	-462

Для определения статической мощности двигателя момент М_G находят от эквивалентного веса G_э груза:

G_э=ц_эG,

где ц_э=0,7 - коэффициент режима нагружения для данного режима работы [2, с. 50].

При вычислении ветровых нагрузок принимают динамическое давление ветра 0,6q.

При вычислении момента от отклонения канатов принимают G=G_э, б=б_д=4.5є [2, табл. 1.2.25].

Результаты вычислений сведены в табл. 12.

Таблица 12

R, м	МGэ, кНм	МН, кНм	Мбэ,кНм	МВэ, кНм	Мэ+, кНм	Мэ-, кНм	Мэmax, кНм
32	0	-94	67.5	24	-2,5	-185,5	-185,5
27,2	-29,4	-239	81.3	28,2	-159	-377,9	-377,9
22,4	-35	-362	91.4	32,4	-273	-520,8	-520,8
17,6	-22,4	-469	98.8	34,8	-358	-625	-625
12.8	0	-545	104.2	36,6	-404	-685,8	-685,8
8	40,6	96	107.7	37,8	282,1	-8,9	282,1

5.3 Расчет усилия в тяговом звене механизма изменения вылета

Усилие U в тяговом звене МИВ при моменте М на стреле

U=M/r,

где r - плечо усилия U в винте, определяется по чертежу.

Результаты расчетов представлены в табл. 12.

Таблица 12

R, м	r, м	U+, кН	U-, кН	U+э, кН	U-э, кН	Umax, кН	Uэmax, кН
32	11,18	66,19	-38,64	-0,22	-16,59	66,19	-16,59
27,2	11,53	1,91	-96,44	-13,79	-32,78	-96,44	-32,78
22,4	11,75	3,15	-88,43	-23,23	-44,32	-88,43	-44,32
17,6	11,88	7,24	-76,60	-30,13	-52,61	-76,60	-52,61
12.8	11,88	13,55	-60,86	-34,01	-57,73	-60,86	-57,73
8	10,59	25,87	-43,63	26,64	-0,84	-43,63	26,64

5.4 Расчет мощности двигателя

Среднеквадратичная статическая мощность двигателя МИВ определяется [3, с. 489].

N_ск=U_cкv/з_o,

где з_o - общий КПД МИВ, для предварительных расчетов з_o=0,85 [3, с. 489],

U_cк - среднеквадратичное значение усилия U, определяют на наиболее вероятном интервале вылетов:

,

где дt_i - время для участка между вылетами R_i и R_i-1 находят по графику скорости v_г горизонтального перемещения груза.

дt_i=ДR/v_ив.

Величины i-х усилий определяются из графиков зависимости усилий от вылета.

Величины промежутков времени дt_i и усилий U_i представлены в таблице 13:

Таблица 13

	1	2	3	4	5
дti, с	0,42	0,48	0,56	0,83	1,19
Ui, кН	16,59	32,78	44,32	52,61	57,73

N_ск=47.93 ? 0.058 / 0.85 = 3.27 кВт.

Максимальная статическая мощность двигателя МИВ равна

N_max=U_maxv/з₀,

где максимальное статическое усилие U_max в тяговом звене

U_max= 96.44 кН.

Вычисляем максимальную статическую мощость:

N_max=96,44? 0.058 / 0.85 = 6.58 кВт,

Номинальную мощность двигателя МИВ находят как наибольшее из значений по одной из формул:

N_H=N_ск,

N_H=N_max/ш,

где ш - кратность среднего пускового момента двигателя для трехфазного двигателя с фазовым ротором, ш=1,5 [3, табл. VI.2.5].

N_H= 6,58 кВт,

N_H= 6.58 /1,5 = 4,386 кВт.

Принимаем значение номинальной мощности двигателя механизма изменения вылета:

N_H=5 кВт.

Список литературы

1. Специальные грузоподъемные машины: метод. указания по курсовому проектированию/ составили Д.Е. Бортяков, А.Н. Орлов., СПбГТУ, СПб, 1995. - 28 с.

2. Справочник по кранам: 1 т. В.И. Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др.; под общ. ред. М.М. Гохберга. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988.

3. Справочник по кранам: 2 т. В.И. Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др.; под общ. ред. М.М. Гохберга. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988.

Размещено на Allbest.ru