МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
РАСЧЕТ МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА КРАНА НА КОЛОННЕ Ме...
31 downloads
281 Views
906KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
РАСЧЕТ МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА КРАНА НА КОЛОННЕ Методические указания к курсовому и дипломному проектированию для студентов специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование»
Пенза 2006
УДК 621.86 Дана методика и пример расчета опорно-поворотного устройства и механизма поворота крана на колонне. Рассмотрены процессы пуска и торможения. Приведены расчеты элементов крана: противовеса, подшипников, опорно-поворотного узла и муфты предельного момента. Методические указания подготовлены на кафедре «Транспортнотехнологические машины и оборудование» и предназначены для студентов специальности 190205 Ил
Табл
Библиогр
Составители: Н.Е.Курносов,Ю. К. Измайлов, В. В. Лобачёв, В.А.Ермоленко, Л.П.Корнилаева Рецензент: главный конструктор ОАО «Пензмаш» Гуреев Н.В.
РАСЧЕТ МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА КРАНА НА КОЛОННЕ 1. Схема механизма и исходные данные Кран на колонне (рисунок 1) состоит из стрелы 1, гильзы 2, колонны 3, опорной рамы 4, противовеса 5, механизма поворота 6, упорного подшипника 7, нижнего и верхнего радиальных подшипников 8 и 9, электротали 10. Упорный подшипник 7 верхний радиальный подшипник 9 устанавливаются в траверсе 11. Исходные данные: грузоподъемность (масса груза) mГ=4т = 4.103 кг; высота подъема груза hг =3м; вылет ℓг = 4м; угловая скорость крана ωk = 0,2 рад /с; группа классификации механизма М6; режим нагружения L2 (умеренный) - по ИСО 4301/1 [1, с.202] 2. Расчет противовеса и колонны 2.1. Вес груза и тельфера FГТ = 1,25 . mГ . g= 1,25 . 4.103 . 9,81 = 4,91.104 Н, где 1,25 - коэффициент веса телъфера. Вес стрелы FC= k . FГТ . λC = 0,3 . 4,91.104 .4 = 5,89.104 H, где k =0,3 1/м - коэффициент веса стрелы; λC - длина стрелы; λC = 4 м = ℓГ. Масса стрелы mC = FC /g = 5,89.104/9,81 = 6.103 кг. Плечо силы тяжести стрелы совместно с консолью противовеса и гильзой λC= 0,3. λг= 0,3.4 =1,2 м, где 0,3 - коэффициент плеча силы тяжести стрелы, консоли противовеса и гильзы. 2.2. Вес противовеса Fn = (FC. λC + FГТ . λГ/2 )/ λn , где λn - плечо силы тяжести противовеса (противовес вдвое уменьшает опрокидывающий момент, реакции горизонтальных подшипников и момент, из
Рисунок 1 – Расчетная схема крана на колонне:
Рисунок 2 – Эпюры изгибающих моментов поворотной части крана и колонны
гибающий колонну, если он уравновешивает стрелу и половину номинального груза). Примечание: понятия "вес" и "сила тяжести" равнозначны. Примем: λn =λC =1,2 м , тогда Fn = (5,89.104 . 1,2 + 4,91.104 .4/2 )/ 1,2=14,1.104 Н. Масса противовеса mП = Fn/g=14,1.104/9,81= 14,3.103 кг. 2.3. Момент, изгибающий колонну (рисунок 2) при номинальном грузе Микн = FГТ .λГ + FС .λС – Fn .λn; Микн =4,91.104 .4 + 5,89.104 . 1,2– 14, ..104 .1,2 = 9,8 .104 Н.м. Момент, изгибающий колонну при отсутствии груза (тельфер находится слева): МИКО= FС .λС – Fn .λn= 5,89.104 . 1,2– 14,1.104 .1,2 = 9,8.104 Н.м. Если имеем равенство абсолютных значений: МИКН ≈ - МИКО, то противовес выбран правильно. Далее считаем, что МИКН = МИКО= МИК (см. рисунок 2). 2.4. Напряжение изгиба внизу колонны можно определить из условия прочности колонны: σИК= МИК/WИК ≤ [σ] =σТ/(n . kσ), откуда момент сопротивления колонны: WИК= n . kб. МИК/ σТ, где n=1,4 – коэффициент запаса прочности [2, с. 81]; kб=1,3 – коэффициент безопасности [2, с.76] Выполним наконечники 2 и 3 колонны 1 (рисунок 3) из стали 35 ГОСТ 8731 -74 (термообработка – нормализации), для которой σТ= 314.106 Па [3, с.106]. Примем DK=180 мм, в зоне посадки подшипника. Получим: WИК=1,4 . 1,3 . 9,8.104/314.106 = 5,66.10-4 м3.
Рисунок 3 – Опорно-поворотное устройство крана на колонне
Диаметр нижнего наконечника колонны: DK= 3 10WИК = 3 10 ⋅ 5,66 ⋅ 10 −4 = 0,178 м.
3. Расчет подшипников опорно – поворотного устройства 3.1. Реакция упорного подшипника FV= FГТ + FC + Fn = (4,91 + 5,89 + 14,1) .104 = 24,9.104 Н. Выберем упорный подшипник по статической грузоподъемности СО из условия: СО≥ FV. Согласно [5,с. 237], этому условию удовлетворяет подшипник шариковый упорный 8313. Его внутренний диаметр dV= 65 мм, наружный диаметр DV =115 мм, высота hV=36 мм, статическая грузоподъемность СОV=26.104 Н. Для равномерного нагружения шариков установим выпуклую и вогнутую сферические шайбы радиусом R (см. рисунок 3). 3.2. Расстояние h между радиальными подшипниками (см. рисунок 1) примем исходя из соотношения: h =(0,2….0,5)hГ= (0,2….0,5) . 3= 0,6….1,5 м. Примем h=1 м. Реакции радиальных подшипников Fh= МИК/ h = 9,8 .104/1 =9,8.104 Н. Выберем верхний радиальный подшипник по статической грузоподъёмности СО из условия: СО≥ Fh. Согласно [5, с. 215], этому условию удовлетворяет подшипник 222. Его внутренний диаметр dh1= 110 мм, наружный Dh1= 220 мм, ширина Bh1= 38мм, статическая грузоподъёмность СОh1=105 Н > 9,8 .104 Н = Fn. Выберем нижний радиальный подшипник с внутренним диаметром, равным диаметру колонны ниже гильзы: DK= 180 мм. Подходит подшипник 136 [5,с. 121]. Его внутренний диаметр dh2= 180 мм, Dh2= 280 мм, ширина B= 46 мм, статическая грузоподъёмность СОh2= 1,56.105 Н > Fn = 9,8 .104 Н. 4. Компоновка опорно – поворотного устройства 4.1. Колонну выполним из трубы 1 с наконечниками 2 и 3 (см. рисунок 3). Диаметр нижнего наконечника 3 равен внутреннему диаметру нижнего радиального подшипника. По п. 2.2 dh2= 180 мм. Диаметр верхнего наконечника 2 равен внутреннему диаметру верхнего радиального подшипника
dh1= 110 мм. Поэтому выберем внутренний диаметр трубы dВ= 110 мм. Из справочника [4,с. 232] выберем трубу колонны стальную бесшовную горячедеформированную, ГОСТ 8732-78 с наружным диаметром DНК= 194 мм, толщина стенки δК= 45 мм. Тогда внутренний диаметр трубы колонны составит: DВК= DНК – 2 δК= 194 – 2.45= 104 мм. Момент сопротивления трубы колонны изгибу WИТК=
WНТК=
π ( D 4 НК − D 4 ВК ) 32 DНК
3,14(0,194 4 − 0,104 4 ) = 6,6.10-4 м3. 32 * 0,194
Условие прочности трубы колонны по п. 2.4 выполняется: WНТК=6,6.10-4 > WНК= 5,66.10-4 м3. Очевидно, что предел текучести трубы колонны можно задать меньшим или равным пределу текучести наконечника. Выберем для трубы колоны сталь 35, для которой σТ=32 кгс/мм2 = 314 МПа [3, с.106]. Обозначение заготовки трубы колонны в спецификации: Труба
194 × 45 × 800 КР ГОСТ 8732 . В35 ГОСТ 8731
Здесь 800КР обозначает, что длина трубы в поставке кратна 800 мм. Это соответствует длине трубы колонны (рисунок 3). 4.2. Гильзу 4 ( см. рисунок 3) выполним из трубы с внутренним диаметром DВГ= Dh2 – (4...6)мм. Это несколько меньше, чем наружный диаметр нижнего радиального подшипника. Припуск (4..6)мм снимают в процессе расточки под подшипник. Примем DВГ=215 мм. Толщина стенки трубы гильзы 4 несколько меньше, чем у трубы колонны 1, т.е. δТ= 25 мм < 45 мм. Тогда наружный диаметр трубы гильзы составит 325 мм. По [4, с. 232] выберем трубу гильзы:
Труба
325 × 25 × 1500 КР ГОСТ 8732 Б10 ГОСТ 8731
Примечание: Сталь Б10 менее прочна, чем сталь В35, но прочность гильзы, по– видимому, будет достаточной, т.к. гильза имеет значительно больший диаметр, чем колонна. Это проверяют нижеследующим расчетом, который не является обязательным. 4.3. Расчет гильзы на прочность. Согласно эпюре изгибающих моментов (см. рисунок 2) опасное сечение гильзы находится на уровне верхнего радиального подшипника. Момент, изгибающий гильзу: МИГ = МИК = 9,8 .104 Н.м. Момент сопротивления гильзы WИГ=
π ( D 4 НГ − D 4 ВГ ) 32 DНГ
=
3,14(0,325 4 − 0,275 4 ) = 16,7 .10-4 м3. 32 ⋅ 0,325
Напряжение в расчетном сечении гильзы σИГ=
М ИГ 9,8 ⋅ 10 4 = = 58,7 .106 Па. −4 WИГ 16,7 ⋅ 10
Коэффициент запаса прочности гильзы σТ 314 ⋅ 10 6 n= = = 5,3 >[n] = 1,4, σ ИГ 58,7 ⋅ 10 6
где [n]= 1,4 – допускаемый коэффициент запаса прочности, [2, с. 81]. Очевидно, что гильза имеет избыточную прочность в расчетном сечении. 4.4. Расчет пальцев 5 (см. рисунок 3) на смятие и срез под действием усилия, равного реакции упорного подшипника не приводится, так как легко выполняется с помощью технической литературы в области деталей машин. 5.Расчет механизма поворота 5.1. Момент сопротивления поворота крана в период пуска: Т∑= ТТР+ТД
(1),
где ТТР – момент силы трения; ТД – динамический момент. Момент сил трения ТТР= 0,5.f(FV.dV+ Fh(dh1+ dh2)),
где f = 0,015 – приведенный коэффициент трения в подшипниках [6,с. 49]. ТТР= 0,5.0,015. (24,9.104 . 65.10-3+ 9,8.104(110+ 180) .10-3) = 334 Нм. Динамический момент: ТД= JK.εK
(2),
где JK – момент инерции крана и механизма поворота относительно оси вращения, εK – угловое ускорение крана. Момент инерции крана JK= (mn λГ2 + mТГ λГ2) .γ.β, где γ = 1,3…1,4 – коэффициент, учитывающий инерционность поворотной части крана (без груза и противовеса); β = 1,05…1,1 – коэффициент, учитывающий инерционность механизма поворота. Примем γ = 1,3; β = 1,05. Тогда: JK= (14,3.103.1,22 + 5.103 .42) .1,3.1,05 = 1,37.104 кг.м2
Угловое ускорение крана ( минимальное)
εK= [a]/ λГ где [a] = 0,15 м/с2 – минимальное линейное ускорение груза, [7, с.18]. Получим
εK= [0,15]/ 4 = 0,0375 рад/с2, тогда по формуле (2) имеем: ТД= 1,37.104.0,0375 = 5155 Н.м. По формуле (1) момент сопротивления повороту крана в период пуска составит: Т∑= 334 + 5155 = 5490 Н.м. 5.2. Мощность электродвигателя в период пуска
Р=
T∑ ⋅ ω K
η
,
где η – КПД механизма:
η = ηР.ηО, где ηР =0,9…0,5 – КПД одноступенчатого червячного редуктора. Примем ηР = 0,7; ηО= 0,95 – КПД открытой зубчатой пары. Тогда η =0,7.0,95 = 0,665. Получим: Р=
5490 ⋅ 0,2 0,665
= 1650 Вт = 1,65 кВт.
Выберем электродвигатель 4АС90LE6 с встроенным электромагнитным тормозом. Номинальная мощность РЭ = 1,7 кВт при ПВ = 40%. Для заданной группы классификации механизма М6 имеем ПВ = 40% (таблица 1). Частота вращения nЭ = 930 мин-1. Момент инерции электродвигателя JЭ= 0,0073 кг.м2 [8, с. 84]. Угловая скорость электродвигателя ωЭ=
π ⋅ nЭ 30
=
3,14 ⋅ 930 = 97,4 рад/с 30
Номинальный момент электродвигателя ТЭ= РЭ/ωЭ= 1,7.103/97,4 = 17,5 Н.м Вал электродвигателя – цилиндрический; длиной λ1 = 50 мм; диаметром d1 = 24 мм [8, с. 84]. Таблица 1 – Соответствие групп классификации и режимов работы. Режим работы [2,c. 235]
Группа классификации механизма ИСО 4301/1
Группа режима работы механизма, ГОСТ 25855 – 82 1М – 2М
Продолжительность включения ПВ%
Л
М3 – М4
15
С Т
М5 М6 М7
3М 4М 5М
25 40 40
ВТ
М8
6М
60
Примечание: В технической литературе указана мощность Р40 (т.е. ПВ = 40%). При ПВ= 25% те же электродвигатели имеют большую мощность: Р25= Р40 40 / 25
= Р40.1,27,
а при ПВ = 60% – меньшую: Р60= Р40 40 / 60
= Р40.0,84.
5.3. Общее передаточное число u=
ωЭ 97,4 = = 487. ωК 0,2
Механизм поворота крана (см. рисунок 3) имеет редуктор 6 и открытую зубчатую передачу, которая состоит из зубчатого венца 8 и подвенцовой шестерни 9. Общее передаточное число механизма поворота:
u= uР.uО, где uР и uО - передаточные числа червячного редуктора и открытой зубчатой передачи. Обычно uО = 6...12. Выберем червячный редуктор типа Ч. Он имеет передаточные числа от 8 до 80. Примем uР = 63. Тогда uО = u/ uР = 487/63 = 7,73. Расчетный крутящий момент на тихоходном валу редуктора в период пуска ТР=ТНЭ . uР . ηР = 17,5 .63.0,7 = 772 Н.м. Выберем редуктор Ч-125 с номинальным моментом на тихоходном валу ТРН=700Н.м [10, с.427]. Это несколько меньше расчетного значения, но значение ТРН дано для непрерывной работы в течении 24 ч [10, с.422]. Согласно ГОСТ 16162-93 редукторы общего назначения, в т.ч. червячные, в период пуска должны допускать кратковременные перегрузки в 2 раза превышающие номинальное значение (не более 3-10 циклов в течение срока службы). Тогда допускаемый крутящий момент на тихоходном валу редуктора при пуске составит: ТРН =2.ТРН = 700.2 = 1400> ТР = 772 Н.м,
т.е. редуктор подходит. Редуктор Ч-125 при uР = 63 имеет: КПД=0,72; конец тихоходного вала конический диаметром 50 мм, длиной 110 мм, с посадочной частью вала длиной 82 мм. Конец быстроходного вала - конический, диаметром 32 мм, длиной 58 мм [10, с.426]. 5.4. Выбор муфты Для соединения валов электродвигателя и редуктора выберем муфту МУВП-250 ГОСТ 21424-93. Эта муфта имеет коническое отверстие диаметром 32 мм, длиной 58 мм, соответствующее быстроходному залу редуктора [9, с.336]. Маховой момент муфты: GD2 = 0,054 кг.м2. Момент инерции муфты: JМ=
0,054 GD 2 = = 0,0135 кг.м2. 4 4
6.Расчет процесса пуска механизма поворота 6.1. Максимальное время пуска из условия минимального ускорения груза (см. п. 4.1) составит: tn =
ωK 0,2 = = 5,3 с. 0,0375 εК
Минимальное время пуска tn= 1с [7, c.28], т.е. tn= 1 ..5,3 с. Примечание: если время пуска превышает 3 с, то пуск короткозамкнутого двигателя общего назначения осуществляют без его перегрузки двигатель относительно номинального момента. Во время действия пускового момента проскальзывает фрикционная муфта, настроенная на номинальный момент электродвигателя. 6.2. Условие пуска ω T ТНЭ ≥ TP + ЭД u ⋅η tn
⎛ m λ2 + m λ2 ⎜1,2 ⋅ J 1 + 1,3 n n 2 ГТ Г ⎜ uη ⎝
⎞ ⎟; ⎟ ⎠
(5)
где ТНЭ- номинальный момент электродвигателя (при длительном пуске); tn – заданное (максимальное) время пуска; J1 – момент инерции масс на первичном валу: J1 = JЭД + JМ = 0,0073 + 0,0135 = 0,0208 кг.м2.
Коэффициент 1,2 в уравнении (5) учитывает инерционность вращающихся частей механизма приведенную к выходному валу редуктора; коэффициент 1,3 в уравнении (5) учитывает момент инерции стрелы (без противовеса и груза). Из уравнения (5) получим: 17,5 ≥
97,4 334 + 487 ⋅ 0,665 tn
⎛ 14,3 ⋅ 10 3 ⋅ 1,2 + 5 ⋅ 10 3 ⋅ 4 2 ⎜⎜1,2 ⋅ 20,8 ⋅ 10 −3 + 1,3 487 2 ⋅ 0,665 ⎝
⎞ ⎟⎟ ⎠
или: 17,5 ≥1,03 +
97,4 tn
(25 ⋅10
−3
+ 826 ⋅ 10 −3
).
Заметим, что первое слагаемое в скобках (момент инерции масс, вращающихся на первичном валу) в 30 раз меньше, чем второе слагаемое (момент инерции крана, приведенный к первичному валу). Обратим внимание также, что число 1,03 (момент трения в подшипниках) мало по сравнению с числом 17,5 (тормозной момент). Получим: tn =
82,9 = 5,02 ≤ 5,3 с. 17,5 − 1,03
Фактическое время пуска меньше заданного (максимального) и удовлетворяет условию: tn > 1сек [7, с.28], т.е. больше минимально допустимого времени пуска. Считаем, что пусковой процесс механизма поворота будет протекать нормально: без чрезмерного раскачивания груза. При nk = 2 мин-1 половину оборота кран совершает за 15 с. Если время пуска равно времени торможения 5 с, получим, что время, за которое кран совершает половину оборота (наибольшее время цикла) составит tK=5+10+5=20 с. Из них 10 с. – пуск и торможение, которые увеличивают время цикла примерно в 2 раза, с 15 до 20с. т е. на 25 % .Это приемлемо для кранов с неинтенсивным использованием. Если заказчик потребует снизить tn до значения 2…4 с, придется перейти на наибольший типоразмер редуктора: Ч – 160, или проектировать специальный редуктор [2, с. 279]. 7. Расчет процесса торможения Целесообразно принять время торможения меньшим или равным времени пуска. В соответствии с [7, c.28], tT