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.

Козловой двухконсольный самомонтирующийся электрический кран (рис. 1) изготавливается двух пролетов - 32 и 20 метров с подвижной и неподвижной кабинами.

Рис. 1 - Консольно-козловой кран

Мост крана представляет собой решетчатую конструкцию прямоугольного сечения. В нижней части сечения моста подвешен ездовой монорельс, над которым расположен настил с ограждением для прохода вдоль моста. Мост опирается на жесткие и гибкие опоры. Жесткие опоры переменного треугольного сечения воспринимают вертикальные, продольные и переносные нагрузки. Гибкие опоры плоской конструкции с поясами из швеллеров предназначены для восприятия вертикальных и продольных нагрузок.

Кран опирается на четыре одноколесные тележки, две из которых приводные. Рамы тележек имеют шарниры для навешивания стягивающего полиспаста при монтаже и фланцы для крепления стяжек. По монорельсу пролетного строения передвигаются грузовая тележка с механизмом подъема и тележка кабины. Грузовой полиспаст выполнен по развернутой схеме и запасован на траверсу, имеющую центральный крюк и две боковые скобы для навешивания строп.

1.1 Технические характеристики проектируемого механизма

2. Расчеты, подтверждающие работоспособность и надежность механизма подъема груза

2.1 Цель и задачи расчета

- 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;

- расчет вала барабана и его проверка по напряжениям изгиба;

- выбор подшипников и их проверочный расчет

2.2 Выбор схемы полиспаста

Для проектируемого крана грузоподъемностью Q = 8,5 т.

Рис. 2.1 - Схема полиспаста крана грузоподъемностью 8,5 т: 1 - барабан, 2 - блок, 3 - траверса, 4 - крюк, 5 - трос

2.3 Коэффициент полезного действия полиспаста

(2.3)

где k - коэффициент запаса прочности;

k=5,5 (таблица 4.2 [1]).

По разрывному усилию (таблица Д.1 [1]) выбираем канат двойной свивки типа ЛК-Р, конструкции 6х9 (1+6+6/6)+1 О.С ГОСТ 2688-80 18 мм имеющий при маркировочной группе проволок 1764 МПа разрывное усилие F=209000 Н

Рис. 2.2 - Схема сечения каната двойной свивки типа ЛК-Р, конструкции 6Ч9 (1+6+6/6) + 1 О.С. ГОСТ 2688 - 80

Таблица 2.1 - Основные параметры каната

2.6 Фактический коэффициент запаса прочности

(2.4)

кран двухконсольный груз прочность

где F_табл. - Разрывное усилие каната по таблице;

F_табл.=44280 Н (таблица Д.1 [1]);

F_max - Разрывное усилие в канате при максимальной нагрузке;

F_max=8051 Н.

2.7 Выбор крюковой подвески

По таблицам (приложение Г.1 [1]) выбираем типовую крюковую подвеску с учетом грузоподъемности, режима работы, диаметра каната и схемы полиспаста.

Таблица 2.2 - Основные параметры подвесок

2.8 Диаметр барабана D_б по средней линии навиваемого на него стального каната

Рис. 2.3 - Параметры барабана

(2.5)

где d_k - диаметр каната;

e - коэффициент, зависящий от типа машины, привода механизма и режима работы (таблица 4.3 [1]);

Принимаем D_б=360 мм.

2.9 Длина каната, навиваемого на барабан с одного полиспаста

(2.6)

где h - высота подъема груза, м;

Z₃ - число запасных витков на барабане, (принимаем Z₃=2);

Z_к - число витков каната, находящихся под прижимным устройством, (принимаем Zк=4);

u_п - кратность полиспаста;

2.10 Определение длины барабана

Рис. 2.4 - Длина барабана

При расчете рабочей длины барабана следует учесть, что в проектируемом механизме полиспаст сдвоенный. Тогда рабочая длина барабана для каната, свиваемого с одного полиспаста, будет равна

(2.7)

где t_б - шаг винтовой линии, по таблице 4.4 [1] t_б =20 мм.

Тогда

Полная длина барабана для сдвоенного полиспаста

(2.8)

Длина ненарезной части, необходимая для закрепления его в станке при нарезке канавок

(2.9)

Так как длина барабана , проверка стенки барабана на совместное действие кручения и изгиба не проводится.

2.11 Определение толщины стенки барабана

Из условия технологии изготавливаемых литых барабанов толщина стенки должна быть не менее, м

(2.10)

где D - диаметр барабана по дну канавки;

(2.11)

где - диаметр каната, м

2.12 Крепление конца каната на барабане

Конец каната на барабане крепят накладкой с трапециевидными канавками.

Выбираем накладку с двумя болтами.

Напряжение в месте крепления на барабане, Н

(2.12)

где f - коэффициент трения между канатом и барабаном; принимаем равным f=0,25;

б - угол обхвата барабана запасными витками каната (б=3р…4р), принимаем 3,5р;

e=2,74 - основание логарифма.

2.13 Сила, растягивающая один болт, Н

(2.13)

где f₁ - приведенный коэффициент трения между канатом и накладкой с трапецоиды сечением канавки.

(2.14)

где в=40⁰ - угол наклона боковой грани канавки;

2.14 Сила, изгибающая один болт, Н

(2.15)

2.15 Суммарное напряжение в каждом болте, Н

(2.16)

где k - коэффициент запаса надежности крепления каната, (k=1,5);

l - расстояние от головки шпильки до барабана, мм (по дну канавки);

d₁ - внутренний диаметр резьбы шпильки, мм.

(2.17)

где d_к - диаметр каната (d_к=18 мм);

Принимаем болт d₁=M16.

(2.18)

Принимаем l =22 мм.

[у_р] - допускаемое напряжение на растяжение материала болта, Н/мм²

[у_р]=0,5у_т, (2.19)

где у_т - предел текучести материала шпильки, Н/мм, можно выбрать по таблице или рассчитать по классу прочности; для класса прочности 4.6;

[у_р]=0,5•240=120 Н/мм²

Условие прочности выполняется.

2.16 Статическая мощность электродвигателя

Максимальная статическая мощность двигателя, которую должен иметь механизм в период установившегося движения при подъеме номинального груза, равна

(2.20)

где Q - номинальная грузоподъемность, кг;

V_п - скорость подъема, м/с;

з_м - КПД механизма (з_м = 0,8…0,9).

Вес крюковой подвески не учитывается.

Прежде чем выбирать электродвигатель, уменьшаем мощность электродвигателя на 25% (Р_с=40 кВт).

Выбираем электродвигатель из таблицы А.1 [1] в зависимости от режима работы и расчетной мощности. Принимаем электродвигатель серии МТF 412-6.

Рис. 2.5 - Двигатель МТF 311-6

Таблица 2.3 - Основные параметры двигателя МТF

Таблица 2.4 - Габаритные, установочные и присоединительные размеры

2.17 Частота вращения барабана

, (2.21)

где V_п - скорость подъема груза, м/мин.

Определяем общее передаточное число привода механизма:

, (2.22)

где n_дв - частота вращения вала ротора электродвигателя, мин^-1.

2.18 Выбор редуктора

Расчетная мощность на быстроходном валу, кВт.:

Р_р = k_р • Р_с (2.23)

где k_р - коэффициент, учитывающий условия работы редуктора, (k_р = 1,0);

Р_с - наибольшая статическая мощность, передаваемая редуктором при нормально протекающем процессе работы механизма, кВт, равна Р_с равна расчетной.

Р_р = 1,0 •55,6 = 55,6 кВт

Выбираем в таблице Б.5 [1] горизонтальный двухступенчатый редуктор Ц2 - 350.

Рис. 2.6 - Редуктор Ц2 - 350.

Таблица 2.5 - Техническая характеристика редуктора Ц2 - 350

Таблица 2.6 - Основные размеры редуктора Ц2 - 400

Таблица 2.7 - Размеры концов валов, мм

Рис. 2.7 - Тихоходный вал с венцом для зубчатой муфты

Передаточное число редуктора u_ф не должно отличаться от требуемого u более, чем на 15%.

, (2.24)

Условие выполняется.

Определяем момент статического сопротивления на валу двигателя в период пуска при подъеме груза, Н•м.

, (2.25)

где; F_мах - усилие на канате, набегающем на барабан, Н;

Z - число полиспастов;

D_б - диаметр барабана, м;

u_р - передаточное число редуктора (привода);

з_б - КПД барабана (з_б на подшипниках качения принять 0,96);

з_пр - КПД привода (з_пр = 0,9).

Номинальный момент, передаваемый муфтой, принимается равным моменту статических сопротивлений, Н•м.

Т_м^н = Т_с (2.26)

Н•м

2.19 Выбор соединительных муфт

По кинематической схеме, представленной на рисунке 1.1, установлены две муфты. Одна МУВП с тормозным шкивом установлена на быстроходном валу с левой стороны, а вторая МУВП между двигателем и редуктором.

Расчетный момент для выбора муфты с тормозным шкивом определяется по формуле, Н•м:

Т_м=, (2.27)

где; k₁ - коэффициент, учитывающий степень ответственности механизма, (k₁ = 1,3);

k₂ - коэффициент, учитывающий режим работы механизма, (k₂ = 1,2)

Т_м=

Из таблицы В.3 выбирается муфта упругая втулочно-пальцевая с тормозным шкивом.

Рис. 2.8 - Муфта упругая втулочно-пальцевая с тормозным шкивом

Таблица 2.8 - Основные параметры муфты

Рис. 2.9 - Муфта упругая втулочно-пальцевая

Таблица 2.9 - Основные параметры муфты

Определяем средний пусковой момент двигателя с асинхронным ротором, Н•м:

Т_ср.п. = (1,5…1,6) · Т_мах (2.28)

где Т_мах - максимальный момент двигателя, Н•м.

Т_мах = Т_ном · ш_мах (2.29)

где Т_ном - номинальный момент двигателя, Н•м;

ш_мах - максимальная кратность пускового момента, (ш_мах = 2,0).

Т_ном = 9550 · Р/n, (2.30)

где Р - мощность электродвигателя, кВт;

n - число оборотов электродвигателя, мин^-1.

Т_ном = 9550·40/965 = 395,85 Н•м

Т_ср.п. = (1,5…1,6) · 395,85 = 554,19….. 633,36

Принимаем среднее значение Т_ср.п. = 593 Н•м.

Определяем фактическую частоту вращения барабана, мин^-1:

n_б^ф = n_дв/ u_р (2.31)

n_б^ф = 965 / 15,1 = 63,9 мин^-1.

Определяем скорость подъема груза, м/с:

, (2.32)

где D_б - диаметр барабана по центру каната, м

u_п - кратность полиспаста

м/с

Отклонение фактической скорости подъема груза от заданной не должен превышать 15%.

Определяем время пуска при подъеме груза, с:

, (2.33)

где I_мах - суммарный момент ротора двигателя и муфты, кг·м².

I_мах = I_р + I_м, (2.34)

где I_р - момент инерции ротора двигателя, кг·м^2;

I_м - момент инерции муфты, кг·м²

I_мах = 6,9 + 0,675= 7,6 кг·м²

где n_дв - частота вала электродвигателя, мин^-1;

Q - грузоподъемность крана, 10000 кг;

V_ф - фактическая скорость подъема груза, м/с;

з_м - КПД механизма, (з_м = 0,9);

Т_ср.м - средний пусковой момент двигателя, Н·м;

Т_с - момент статического сопротивления на валу двигателя, Н·м;

с

Оптимальным считается t_п = 1,0…. 2,0 с. Следовательно наше время подъема груза является оптимальным. Условие выполняется.

Определяем ускорение при пуске, м/с².

а = V_ф / t_п, (2.35)

а = 0,6 /1,7 =0,35 м/с²

Определяем момент статического сопротивления на валу электродвигателя при торможении механизма, Н·м.

, (2.36)

где F_мах - усилие в канате, набегающем на барабан, Н;

Z - число полиспастов;

Н·м

2.20 Выбор тормоза

Расчетный тормозной момент определяется по формуле:

Т_Т = Т_с^Т · k_Т, (2.37)

где k_Т - коэффициент запаса торможения, k_Т = 1,5.

Т_Т = 458*1,5 = 545 Н·м.

Выбираем тормоз колодочный с приводом от электрогидравлических толкателей ТКП - 300, по таблице К.1.

При выборе тормоза необходимо выполнение условия: номинальный тормозной момент должен быть не меньше расчетного.

Т_с^Н > Т_Т, (2.38)

Т_с^Н = 500 Н·м

Т_Т = 458 Н·м

500 Н·м > 458 Н·м

Условие выполняется.

Рис. 2.10 - Тормоз колодочный постоянного тока

Таблица 2.10 - Техническая характеристика и основные размеры тормозов с электрогидравлическим приводом ТКП - 300.

Определяем время торможения при опускании груза, с:

, (2.39)

с

Определяем путь торможения механизма подъема груза, м:

S = V_ф / t_т, (2.40)

S = 0,6/2,01=0,29 м.

Определяем максимальное время торможения, с:

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

, (2.41)

> c.

Определяем при торможении, Н/с²:

а_Т = V_Ф / t_Т ? [а_Т], (2.42)

а_Т = 0,6/2,01=0,5 ? 0,9 м/с²

[а_Т] - допускаемое ускорение (замедление) для кранов, работающих с лесоматериалами и с сыпучими материалами [а_Т] = (0,6…0,9) м/с².

2.21 Расчет оси барабана

При сдвоенном полиспасте, ось барабана испытывает напряжение изгиба от действия усилий двух ветвей каната

Рис. 2.11 - Расчетная схема оси

Определяем равнодействующую, как показано на схеме

R=2Fmax (2.43)

где: Fmax - наибольшее усилие в канате, набегающем на барабан, Н

R=2•41692,5=83385 Н

Расстояние между опорами оси

(2.44)

Принимаем предварительно В=60 мм, С=80 расстояние от опоры до края барабана. Принимаем конструктивно это расстояние принимаем 180 мм

Расстояние между ступицами барабана

(2.45)

Расстояние от центра ступицы приложение равнодействующей напряжения канатов

(2.46)

Нагрузка на ступицу барабана 1

(2.47)

Нагрузка на ступицу барабана 2

 (2.48)

Для определения опорных реакций R_А и R_В составляем уравнение моментов относительно опоры А.

R_а= (2.49)

R_а=

Нагрузка на опору В, учитывая симметричное расположение нагрузок

Ra =Rb=9289,8H

Крутящий момент на оси барабана при сдвоенном полиспасте, Н м

Т= Fmax Dб (2.50)

Т=15009Н

Определяем изгибающий момент в сечении оси 1, Н·м.

М₁ = R_А ·l₁, (2.51)

М₁ = 9289,8·0,18 = 1672,2 Н·м.

Приведенный момент, Н·м.

, (2.52)

Н·м.

Диаметр оси в опасном сечении,

 (2.53)

где: Мпр - приведенный момент в опасном сечении оси, Н м

- допускаемое напряжение на изгиб, Н/мм2

= (2.54)

где: - предел выносливости стали, Н/мм2 для углеродистых сталей

(2.55)

где - предел прочности стали, принимаем = 500Н/мм2

К0 - коэффициент, учитывающий конструкцию детали, (принимаем 2,5)

[n] - коэффициент запаса прочности для легкого режима работы равен 1,4

=

По стандартному ряду принимаем dв =80 мм, (ГОСТ 6636-69)

2.22 Расчет подшипников скольжения и проверка их на долговечность

В данном случае подшипники выбираются по диаметру вала, условиям эксплуатации и монтажа. Учитывая эти факторы, выбираем подшипники шариковые радиальные сферические двухрядные с диаметром внутреннего кольца d_п = 50 мм. ГОСТ 5720-75 из таблицы И.1 [1]. Основные размеры и параметры подшипника 1310 представлены на рисунке 2.12 и в таблице 2.11.

Рисунок 2.12 - Основные размеры подшипника 1610.

Таблица 2.11 - Основные размеры и параметры подшипника

Определяем долговечность подшипника, млн. об:

, (2.56)

где; С - табличное значение динамической грузоподъемности, Н;

R_э - эквивалентная нагрузка, Н;

б - показатель степени для шариковых подшипников, б = 3.

Определяем эквивалентную нагрузку:

R_э = Х · R_r · V · К_б · К_т, (2.57)

где Х - коэффициент радиальной нагрузки, Х = 1;

R_r = R_А - радиальная нагрузка, равная опорной реакции, Н;

V - коэффициент вращения; при вращении внутреннего кольца V = 1

К_б - коэффициент безопасности, принимаем из условия работы механизма К_б = 1,5;

К_т - температурный коэффициент, К_т = 1.

R_э = 1 · 9289,8 · 1 · 1,5 · 1 = 13934,7 Н

L₁₀ = (43600/ 13934,7)³ = 30,6 млн. об.

Определяем расчетную долговечность подшипников в часах

, (2.58)

ч.

Полученное значении больше 10000 часов, значит подшипник подобран правильно.

Заключение

Как показали проектные и проверочные расчеты, выбранный канат, крюковая подвеска, электродвигатель, редуктор, соединительные муфты и тормоз, отвечают правилами и нормами Госгортехнадзора и обеспечивают выполнению основных положений технического задания, максимальные отклонения от нормали не превышают 3%, что в пределах допустимого.

Конструкция барабана, вала и подшипниковых опор барабана спроектированы с учетом специфики эксплуатации механизма и требований предъявляемых к прочности, надежности и долговечности данных изделий.

Следовательно, можно сделать вывод: спроектированный механизм подъема груза отвечает необходимым критериям работоспособности и обеспечивает выполнение требований технического задания. Монтажный чертеж механизма и сборочный чертеж барабана со спецификациями представлены в графической части курсовой работы.

Список источников