Введение
мост балка кран опорный
Грузоподъемные машины используются во многих отраслях народного хозяйства в металлургии, строительстве, при добыче полезных ископаемых, машиностроении, транспорте, и в других отраслях.
Развитие машиностроения, занимающиеся производством грузоподъемных машин, является важным направлением развития народного хозяйства страны.
Кранами называются грузоподъемные устройства, служащие для вертикального и горизонтального перемещения грузов на большие расстояния. В цехах предприятий электромашиностроения наибольшее распространение получили мостовые краны, с помощью которых производится подъем и опускание тяжелых заготовок, деталей и узлов машин, а также их перемещение вдоль и поперек цеха. Вид мостового крана в основном определяется спецификой цеха и его технологией. Многие узлы кранового оборудования, например главная и концевые балки, выполняются однотипными для различных разновидностей кранов.
Двух – балочные мостовые краны являются более устойчивыми и надёжными. Однобалочные доступнее по цене, менее габаритны и более просты, поэтому распространены шире и пользуются более высоким спросом, чем двух – балочные. Деление кранов связано с методом фиксации моста. Если мост крепится к особым консолям вверху балки, то конструкции на его основе называются подвесными. С другой стороны, если мост опирается на краевые балки, то оно получает наименование опорного мостового механизма. Также ещё рассматривают консольные кран-балки. Опорные считаются более надёжными и более крепко зафиксированными, чем подвесные, а следовательно, более производительными, так как они могут поднять больший вес при прочих равных условиях. Но при всех этих бесспорных преимуществах над подвесными кранами у опорных имеется и недостаток – они имеют меньшую площадь поверхности активного охвата при эксплуатации.
Подвесные приспособления, пусть и менее устойчивые, требующие иногда дополнительных укреплений и более сложные по устройству крепления моста, всё же дают выгоду в территории полезной зоны для работы, поскольку низ балки остаётся в воздухе и может быть использованным для перемещения тележки. Такая разница между этими двумя категориями мостовых однобалочных кранов хорошо заметна, когда грузоподъёмные работы проводятся в промышленном помещении, где требуется задействовать устройство, по возможности, по всей территории здания, и, следовательно, правильнее будет остановиться на подвесном варианте. Вообще же мостовые однобалочные краны эксплуатируются не только в закрытых пространствах, но и на отдельных эстакадах для погрузки и разгрузки, при наличии специального навеса.
1. Мостовой кран
Мостовой кран – это подъёмный кран, имеющий металлоконструкцию ферменного или балочного типа, выполненную в виде опорного или подвесного моста. Мост перемещается по подкрановым рельсам вдоль пролёта цеха или открытой грузовой площадки. По мосту поперёк пролёта передвигается крановая тележка с грузозахватным приспособлением.
Конструктивные разновидности м. к.: консольный, полукозловой, козловый краны и мостовой перегружатель.
Кран – балка – это подвижный металлический мост с подвижным подъемным механизмом. Кран – балка своими концевыми телегами опирается на рельсы. Рельсы укладываются на верхних полках подкрановых балок. Подкрановые балки устанавливают в цехах, складах, промплощадках. Конструкционно кран – балки разделяют на опорные краны и подвесные краны. Подвесной кран подразумевает вариант, когда крановые пути располагаются выше плоскости движения пролетной балки. Кран – балка (кран мостовой) используются для выполнения погрузочно-разгрузочных, в строительстве, в складском хозяйстве.
По пролетной балке, которая крепится к концевым балкам, перемещается грузоподъемный механизм. В качестве грузоподъемного механизма используется ручная или электрическая таль.
Кран-балки подвесные передвигаются по монорельсовым путям, изготовленным из двутаврового профиля и подвешенным на перекрытия здания.
На электрических кранах устанавливают электродвигатели, пусковые и регулировочные сопротивления, тормозные электромагниты, контроллеры, защитную, и т.д. Электродвигатели, аппараты и электропроводку кранов монтируют в исполнении, соответствующем условиям окружающей среды.
Двух – балочные мостовые краны в простейшем случае состоят из двух параллельных балок, закрепленных концами к общим балкам. Грузовая тележка с тельфером и электрической талью у двух – балочных кранов двигается по рельсам верхних поясов несущих кран-балок.
Мостовые однобалочные краны состоят из двутавровой балки, концы которой крепятся к поперечным балкам, на подвижных колесах. В виде подъемного механизма используется ручная таль или тельфер, перемещающиеся по нижней части балки.
Двух – балочная и однобалочная мостовая кран – балка может быть изготовлена подвесной или опорной.
Кран опорный мостовой – перемещается по рельсам, уложенным на металлических или железобетонных подкрановых балках, а точка крепления находится выше плоскости движения балки. Благодаря тому, что нагрузки, которые возникают при подъеме груза, являются не растягивающими, такое устройство опорных кран-балок считаются более безопасными, долговечными и надежными.
Мостовой балочный подвесной кран – перемещается по нижним полкам балки, расположенной под нижними поясами стропильных ферм. В таком виде кран балка держится на опорных приспособлениях внутренних стен сооружения. В подвесном мостовом кране точка опоры находится ниже или на уровне движения кран-балки, это нужно для того, чтобы использовать всю полезную площадь цеха, склада или иного сооружения.
Механизмы мостового крана рассчитаны на три основные функции: передвижение тележки, подъем груза, передвижение опорного моста. И все эти крановые системы применяются для монтажных работ в различных цехах ремонтных предприятий, или погрузочно – разгрузочных работ в складских помещениях, и размещают на них любые электрические тали или электротельферы.
В зависимости от конструкции, мостовые краны балочные способны поднимать груз от 1 до 100 тонн. Подъемный мостовой кран рассчитывается для работы, как в закрытых, так и на открытых крановых эстакадах, в различных условиях работы и температурных режимах. Питание мостового крана и тали электрической (электротельфера) осуществляется от сети переменного тока c частотой 50 Гц.
Мостовые краны в зависимости от назначения и характера выполняемой работы снабжают различными грузозахватными приспособлениями: крюками, грейферами и т.п.
Настоящий курсовой проект направлен на расчёт геометрических размеров и проверку главной балки моста крана на прочность.
2. Исходные данные
Мост крана состоит из двух пространственно жестких балок, соединенных по концам пролета с концевыми балками, в которых установлены ходовые колеса. Крановая тележка перемещается по рельсам, уложенным по верхним поясам коробчатых балок.
Основные данные:
ширина пролёта главного моста l=12 м;
грузоподъемность крана Q=15000 кг;
высота подъёма груза Н=12 м
массу моста GM=12000 кг;
массу главной балки G1=3200 кг;
массу механизма передвижения G2=2300 кг.
Мост выполнен сварным, в качестве материала принята углеродистая сталь марки Ст3псп3 по ГОСТ 380-71.
3. Расчёт металлической конструкции моста крана
Необходимая высота балки в среднем сечении определяется из условия:
Принимаем H=830 мм.
Высота сечения балки у опоры:
.
Для обеспечения достаточной жёсткости при кручении ширина балки по осям вертикальных листов выбирается из условий:
Принимаем B=280 мм.
Верхний пояс балки 1 изготовлен из стали толщиной 8 мм, нижний 2 имеет толщину 6 мм рис. 1, a; принятая толщина вертикальных стенок 3 равна 6 мм. Исходя из принятых размеров, определяем основные расчётные характеристики среднего сечения. Площадь сечения:
Пояса 1 0,8Ч32=25,6 см2
Пояса 2 0,6Ч32=19,2 см2
Стенок 3 2Ч0,6Ч81,6=97,92 см2
Площадь всего сечения F=142 см2.
Статический момент элементов сечения относительно оси x1?x1 у его основания:
Статический момент всего сечения S=6866 см3.
Положение центра тяжести сечения относительно оси x1-x1:
Моменты инерции относительно горизонтальной оси x-x:
Общий момент инерции сечения Jx=131743 см4.
Моменты сопротивления сечения относительно оси x-x:
наибольший (для волокон верхнего пояса)
наименьшего (для волокон нижнего вала)
Моменты инерции элементов рассматриваемого сечения относительно вертикальной оси y-y:
Общий момент инерции сечения Jy=23848 см4.
По аналогичным расчётам определяем и основные характеристики концевых сечений балки рис. 1, б:
Пояса 1 0,8Ч32=25,6 см2
Пояса 2 0,6Ч32=19,2 см2
Стенок 3 2Ч0,6Ч40,1=48,12 см2
Площадь всего сечения F=93 см2.
Статический момент элементов сечения относительно оси x1?x1 у его основания:
Статический момент всего сечения S=2019 см3.
Положение центра тяжести сечения относительно оси x1-x1:
Моменты инерции относительно горизонтальной оси x-x:
Общий момент инерции сечения Jx=25067 см4.
Момент сопротивления сечения относительно оси x-x:
наибольший (для волокон верхнего пояса)
наименьшего (для волокон нижнего вала)
Момент инерции элементов рассматриваемого сечения относительно вертикальной оси y-y:
Общий момент инерции сечения Jy=13663 см4.
Дальнейший расчёт производим на статическую прочность исходя из двух основных расчётных случаев:
1) подъём с земли свободно лежащего груза (подъём с подхватом) или резкое торможение груза при неподвижном кране;
2) резкое торможение крана (или тележки), передвигающегося с поднятым грузом.
4. Расчёт главных балок моста по первому случаю нагрузок
Нагрузками на рассчитываемую балку в данном случае является масса поднимаемого груза, масса тележки, собственная масса балки и дополнительные силы инерции при подъёме или торможении груза. Последующий расчёт производим для наиболее нагруженной балки со стороны механизма передвижения. Нагрузка от собственной массы и массы механизма передвижения, приходящаяся на 1 м этой балки, таким образом, будет равна:
Ранее принятая масса тележки GТ=4000 кг. Балка также будет нагружена крутящим моментом из-за внецентренного приложения нагрузки от массы механизма передвижения моста, в данном случае этой нагрузкой можно пренебречь.
Для определения динамического коэффициента предварительно определяем массы моста и поднимаемого груза:
Скорость подъёма груза:
Статический прогиб балки от массы поднимаемого груза приближенно определяем из условия P=Q:
Коэффициент жёсткости моста:
Статическое удлинение канатов при подъёме номинального груза
Q=15000 кгс:
где i-число концов каната, на которых подвешен груз; f-площадь поперечного сечения проволок каната, Ек – модуль упругости каната;
H – высота подъёма груза.
Динамический коэффициент по формуле:
В этой формуле для случая подъёма груза:
Для случаев экстренного торможения по формуле:
за расчётную принята величина a=0,010.
Нагрузки на колесе тележки определяем из условия (рис. 2):
Рис. 2 Схема распределения нагрузок от массы груза на ходовые колёса тележки.
на колесо C:
на колесе D:
Расчётная схема балки для определения напряжений от подвижной нагрузки приведена на рис. 3. Максимум этих напряжений имеет место под левым колесом тележки при положении равнодействующей давлений на оба колеса на расстоянии a/2 от середины пролёта (a-расстояние от равнодействующей до левого, наиболее нагруженного колеса тележки).
Нагрузка на опору А от массы тележки с грузом в этом случае:
Рис. 3 Схема к определению нагрузок в среднем сечении главной балки моста:
a-от сосредоточенной нагрузки;
б-от собственной массы моста.
Изгибающий момент в рассматриваемом сечении от подвижной нагрузки:
Нагрузка на опору А от массы балки и механизма передвижения:
Изгибающий момент от этой нагрузки:
Суммарный изгибающий момент:
Напряжения в растачиваемом сечении:
Допускаемое напряжения [у]=1700 кгс/см2.
Для обеспечения устойчивости стенок балки между ними установлены поперечные листы (диафрагмы) по схеме показанной на рис. 4. Принятое наибольшее расстояние между диафрагмами lД =2000 мм. На среднем участке балки это расстояние проверяем из условия устойчивости стенки по критическим напряжениям, полагая её заданной по двум сторонам (рис. 5, a):
Запас устойчивости стенки по наибольшим напряжениям
Наименьшая допустимая величина
В рассчитываемом кране тележка передвигается по подкрановому рельсу, прикреплённому к верхнему поясу балки прижимными планками.
Рис. 4 Схема размещения диафрагм главной балки
Для уменьшения в рассчитываемом кране тележка передвигается по под крановому рельсу, прикреплённому к верхнему поясу балки прижимными планками.
Для уменьшения напряжений, возникающих в этом поясе под катком, последний усилен дополнительными рёбрами (рис. 4) высота которых обычно определяется из условия:
Принимаем
где Н – принятая высота балки. Принятое наименьшее расстояние между рёбрами (рис. 4)
Рис. 5 Схемы к расчёту устойчивости стенок главной балки:
a – в середине пролёта;
б – в концевых участках балки
Изгибающий момент при положении колеса тележки между рёбрами с учётом жёсткости заделки рельса и верхнего пояса балки по приближённой формуле:
Момент сопротивления рельса относительно оси x-x Wx=178,12 см3. Напряжения в рельсе:
Допускаемые напряжения для этого случая [у]И=2300ч2500 кгс/см2.
Ширину площадки диафрагмы, воспринимающей нагрузку на колесо тележки, условно принимаем по формуле:
где – ширина подошвы рельса; – толщина диафрагмы.
Напряжение смятия торца диафрагмы при толщине :
Допустимо [у]СМ=1,5 [у]Р=1,5Ч1700=2550 кгс/см2.
5. Проверка среднего сечения по второму расчётному случаю
Расчётными для этого случая является нагрузки от масс груза и тележки, собственной массы конструкции, сил инерции при торможении моста и дополнительные динамические нагрузки, возникающие при передвижении крана (удары на стыках рельсов и т.п.) и учитываемые коэффициентом толчков kT. Этот коэффициент при скорости передвижения крана х=70 м/мин равен 1,1.
Расчётные нагрузки на ходовые колёса тележки от собственной массы и массы перемещаемого груза для этого случая:
на колесо С
на колесо D
Нагрузка от собственной массы балки:
Нагрузка на опору А от подвижной нагрузки при положении тележки, указанном на рис. 3.
Изгибающий момент от этой нагрузки
Нагрузка на ту же опору от собственной массы балки:
Изгибающий момент от этой нагрузки:
Суммарный изгибающий момент:
Напряжение от этого момента:
Наибольшее ускорение при пуске в нормальных условиях и наибольшем пусковом моменте двигателя в данном случае подсчитанное по формулам amax=0,35 м/с2, при торможении amax=0,3 м/с2.
Расчётное ускорение в последующих расчётах определяем из двух условий: первое второе- исходя из предельного знания допустимого по условиям сцепления приводных колёс с рельсами; kпр и k0-число приводных колёс и общее число колёс крана.
В дальнейшем за расчётную принята наименьшая величина
Сила инерции при этом ускорении:
от подвижной нагрузки
от массы
Наибольший изгибающий момент от этих сил в горизонтальной плоскости:
Напряжение от изгиба в горизонтальной плоскости:
Суммарное напряжение:
что больше найденного выше для первого расчётного случая .
Рис. 6 Схемы к расчёту главной балки моста:
a – опорного сечения;
б – стыка стенок.
6. Расчёт опорного сечения главной балки
Это сечение проверяем по нагрузкам первого расчётного случая при положении тележки у опоры моста (рис. 6, a). Кручение от внецентренного положения нагрузки от массы механизма передвижения моста не учитываем. Динамический коэффициент при этом положении тележки определяется аналогично приведённому выше в этом параграфе при yст=0 и равен
Расчётные нагрузки на колёса тележки:
Наибольшая перерезывающая сила (рис. 5)
Статический момент половины сечения относительно оси x-x (рис. 1, б)
Касательное напряжение по формуле (2) таб. 41 [1]:
Допускаемые напряжения:
Устойчивость стенки балки в концевом сечении проверяем по касательным напряжениям. За расчётную принимаем наибольшую для этого участка высоту h=600 мм; принятое расстояние между диафрагмами на этом участке aр=1100 мм (рис. 4, б). Критическое напряжение по формуле (5) таб. 41 [1] с учётом защемления стенок у поясов (рис. 5):
Запас устойчивости:
Допустимая величина
7. Расчёт сварных швов
Этот расчёт рассмотрим на примерах швов верхнего пояса и стыков вертикальных стенок балки.
Для наиболее нагруженного участка шва, расположенного у опоры балки, усилие, приходящееся на 1 см длины, определяется по общей формуле:
где – наибольшая перерезывающая сила, подсчитанная выше; – статический момент верхнего пояса относительно горизонтальной оси x-x:
Исходя из среднего предела прочности основного материала балки
(ув=44 кгс/мм2), по таб. 43 [1] выбираем электрод марки Э42. Допускаемое напряжение в шве на срез согласно таб. 42:
Принятый катет шва д=6 мм. Необходимая длинна швов на 1 м длины балки:
Проверка выполнена прерывистыми швами длиной 80 мм и шагом t=125 мм.
Стыки вертикальных листов балки расположены на расстоянии l2=4000 мм от опор; пояса стыкуются вне этих стыков. Расчёт производим на изгиб при наиболее невыгодным положении колеса тележки над стыком (рис. 6, б) при первом комбинации нагрузок.
Нагрузку на левую опору моста от массы тележки с грузом при этом будет равна:
Изгибающий момент от этой нагрузки в рассчитываемом сечении:
Изгибающий момент от равномерно распределённой нагрузки:
Суммарный изгибающий момент:
Расчётный момент сопротивления (рис. 1, a):
где Jx -момент инерции сечения, подсчитанный выше.
Напряжение в рассчитываемом шве:
Допустимые напряжения в случае ручной сварки по таб. 42 [1]:
8. Расчёт концевых балок
Расчёт производим при положении тележки у опоры моста при нагрузках на колёса тележки, подсчитанных выше в этом параграфе. За расчётную принимаем первую комбинацию нагрузок. Схема балки приведена на рис. 7, a.
Рис. 7 Схема концевой балки моста
Нагрузка на опору правой балки, расположенной со стороны механизма передвижения, P1=14360 кгс, со стороны троллей P2=12100 кгс.
Нагрузка на левую опору рассчитываемой концевой балки согласно расчётной схеме (рис. 7, б):
на правую опору:
Изгибающий момент в сечении I?I:
Момент сопротивления этого сечения, подсчитанный аналогично приведённому выше, .
Напряжения в рассчитываемом сечении:
Допускаемое напряжение [у]=1700 кгс/см2.
Для обеспечения достаточной жёсткости балки эти напряжения целесообразно принимать не более 800 -1000 кгс/см2.
Заключение
В курсовом проекте проведен обзор и анализ существующих конструкций мостовых кранов, выполнена их классификация.
Выявлены достоинства и недостатки мостовых кранов.
Приводится описание спроектированной конструкции.
Произведён проектный и проверочный расчёты металлоконструкции моста крана грузоподъемностью 15000 кг пролетом здания 12 м и высотой подъема 12 м.
Литература
1 Павлов Н.Г. Примеры расчёт кранов. Изд. 4-е, перераб. и доп. Л., «Машиностроение», 1976. 320 с;
2 Соколов С.А. Металлические конструкции подъёмно-транспортных машин: Учеб. пособие. Спб.: Политехника, 2005. 423 с;
3 Строительная механика и металлические конструкции машин: учебник / С.А. Соколов. – Спб.: Политехника, 2011. – 450 с;
4 Общие правила проектирования стальных конструкций. СП 53-102 -2004. Спб.: ДЕАН, 2007. 272 с;
5 СНип 11-23-81*. Стальные конструкции. Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2000. 96 с;
4 ГОСТ 1517-87 (ГОСТ 1575-87) Краны грузоподъёмные. Ряды основных параметров.;
5 ГОСТ 27584-88 Краны мостовые, козловые, электрические. Общие технические условия;
6 ГОСТ 534-78 Краны мостовые опорные. Пролёты;
7 ГОСТ 2.104-68 Единая система конструкторской документации;
8 ГОСТ 2.105-95 Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам.
