Расчет механизма подъема крана с электроприводом
1. Выбор типа подъемного
органа
подъемный барабан двигатель
грузозахватный
В качестве подъемного органа
выбираем стальной проволочный канат двойной свивки.
- стальные проволочки, составляющие
прядь;
- прядь;
- сердечник каната;
Сечение каната
2. Определение натяжения
каната и выбор его по ГОСТ
(2.1)
где
Fрасч
- расчетное разрывное усилие каната;
k
- коэффициент запаса, для ПВ = 25% k
= 5,5 [2, с. 6]
Fmax
- максимальное натяжение в ветке каната;
Fразр
- разрывное усилие каната;
; (2.2)
где
iпол. - кратность полиспаста;
ηпол. - КПД полиспаста (ηпол.=0,96); [2, с. 7]
Gпод. - вес грузовой
подвески, Н;
;
По ГОСТ 2688 - 80
выбираем канат двойной свивки с [1, с. 277]
Канатная формула:
Канат 12 - Г - I - 1764 ГОСТ 2688 - 80
где
- диаметр каната, мм;
Г - назначение каната,
канат грузовой;
I
- марка проволок;
- предел прочности на
разрыв проволоки, МПа;
ГОСТ 2688 - 80 - ГОСТ
каната;
Конструкция каната:
Канат ЛК - Р - 6×19
(1+6+6/6)+1 о.с. ГОСТ 2688 - 80
где
ЛК - Р - с линейным
касанием проволок разных диаметров в верхнем слое пряди;
6×19 - канат
шестипрядный, по 19 проволок в пряди;
(1+6+6/6) - навивка
проволок по слоям;
о.с. - органический
сердечник;
ГОСТ 2688 - 80 - ГОСТ каната.
3. Расчет барабана
Профиль канавок на барабане
Определение диаметров барабана
(3.1)
где
Dб
- диаметр барабана;
e
- коэффициент диаметра барабана, принимаемый по нормам
Госгортехнадзора в зависимости
от режима работы (для ПВ = 25% е = 25); [1,
с. 59]
dк
- диаметр каната, мм;
;
(3.2)
где
Dб.расч
- расчетный диаметр барабана;
Выбор профиля и размеров
канавок.
Размеры профиля канавок
барабана выбираются в зависимости от диаметра каната dк.
Для dк = 12 мм [1,
с. 60]
t
- шаг нарезания канавок на барабане;
t
= 13,5 мм
rк
- радиус канавки;
rк
= 6,5 мм
с - глубина нарезания
канавок; с = 3,5 мм
Определение длины
нарезаемой части и полной длины барабана.
(3.3)
где
zр
- число рабочих витков барабана
Схема барабана
;
Принимаем zр = 8,5
(3.4)
где
zсум
- общее число витков каната на барабане;
zкр
- витки каната на барабане, находящиеся под зажимным устройством, принимаем zкр = 2;
z0
- число несматываемых витков, принимаем z0
= 2;
(3.5)
где
lн
- длина нарезаемой части барабана;
Принимаем
(3.6)
где
lб
- длина барабана;
b
- длина не нарезаемой части барабана, принимается b
= (6…8)∙t;
b
= 6∙13,5 = 81 мм
а - расстояние между
винтовыми нарезками в центре барабана принимается конструктивно, исходя из
расстояния между блоками крюковой подвески (а=150…200 мм);
Принимаем
Определение толщины
стенки барабана
Для изготовления
барабана применяем серый чугун СЧ 15 ГОСТ 1412 - 85 ().
Тогда:
(3.7)
где
δ
- толщина стенки барабана;
Принимаем
Проверка барабана на
прочность.
Т.к. lб<3∙Dб,
то основными являются напряжения сжатия.
(3.8)
Барабан пригоден для
работы.
4. Выбор типа крепления
каната к барабану и его проверочный расчет
Для закрепления каната на барабане
устанавливаем накладку с полукруглыми канавками с одним болтом.
Крепление каната накладкой
(4.1)
где
Fкр
- натяжение каната в месте крепления на барабане;
f
- коэффициент трения между канатом и барабаном, (f
= 0,1…0,16);
Принимаем f = 0,13
α
- угол обхвата барабана неприкосновенными витками, α
= z0∙2π;
α
= 2∙2π=4π
Размеры накладки выбираются в
зависимости от диаметра каната.
Для dк = 12 мм [3,
с. 10]
Н - толщина накладки;
Н = 12 мм;
В-длина накладки;
В = 40 мм;
L - ширина накладки;
L = 40 мм;
d - диаметр отверстия под винт;
d = 13 мм;
r - диаметр канавки;
r = 10 мм;
h - глубина канавки;
h = 1,5 мм;
a= 13 мм;
α= до
5ͦ
Принимаем для крепления каната к
барабану 2 накладки и выбираем винт М12
Сила затяжки одного винта:
(4.2)
где
α1
- угол обхвата барабана витком каната, α
= 2π; (один виток вокруг барабана);
- приведённый
коэффициент трения между канатом и накладкой; Для канавок с полукруглыми
канавками принять ;
Сила, изгибающая винт:
(4.3)
где
Fи
- сила, изгибающая винт;
=
(dк+Н) - h
=
(12+12) - 1,5=22,5 мм
(4.4)
где
d1
- внутренний диаметр резьбы винта, для резьбы М12 d1
=10,106 мм;
К - коэффициент запаса,
надежности крепления каната, К≥ 1,5;
(Принимаем К=2).
[σр]
- допускаемое напряжение винта на растяжение, МПа
;
где
предел текучести
материала винта, МПа (для стали 35МПа) [4, с. 98]
коэффициент запаса
прочности. При диаметрах винта М6 - М16 n=3…4
МПа;
Накладка работоспособна
с запасом в 1,1 раз.
5. Выбор грузового крюка
и его подвески
Выбор грузового крюка и
его подвески осуществляется в зависимости от величины грузоподъемности и режима
работы.
Для Q = 5 т и ПВ=25% по ГОСТ 6627 - 74 выбираем крюк однорогий с
номером заготовки крюка - 13 исполнение 1: [1, с. 297]
Заготовка крюка 13 - 1
ГОСТ 6627 - 74
Табл.1 Размеры крюка
D
|
S
|
b
|
h
|
d
|
d1
|
d2
|
L
|
l
|
l1
|
l2
|
r
|
r1
|
r2
|
r3
|
r5
|
r6
|
r7
|
r8
|
r9
|
Вес в кг
|
75
|
55
|
48
|
75
|
52
|
45
|
М42
|
250
|
38
|
105
|
60
|
11
|
85
|
10
|
40
|
100
|
50
|
75
|
25
|
-
|
9,6
|
Все размеры в мм.
Материал крюка Сталь 20 ГОСТ1050-88
Для Q=5 т. и среднего режима работы
выбираем крюковую подвеску:
Табл.2. Размеры крюковой подвески
Q, т
|
Режим работы
|
Тип
|
Диаметр каната в мм
|
D
|
D1
|
B
|
b
|
b1
|
H
|
h
|
Вес в кг.
|
5
|
С
|
I
|
11
|
320
|
405
|
305
|
200
|
125
|
612
|
335,5
|
72
|
Крюк однорогий
Крюковая подвеска
Рассчитаем хвостовик крюка на
растяжение
(5.1)
где -внутренний
диаметр резьбы М42
Для стали 20 МПа
Условие прочности
выполняется.
Схема полиспаста
6. Выбор специального
грузозахватного устройства и его расчет на надежность
Постановка задачи:
В качестве специального
грузозахватного устройства выбираем эксцентриковый захват.
Подъем производится на
высоту Н = 3 м,
Груз - стальные листы т
= 2000 кг, (G=19620 Н);
Длина: а = 4000 мм
Ширина: b = 1000 мм
Толщина: δ=10
мм.
Расчет:
Усилие распора N создаёт силу трения:
(6.1)
где
- коэффициенты трения
груза (стального листа), соответственно об эксцентрик и заднюю стенку захвата.
Условие удержания
поднятого груза:
(6.2)
где
, ,
тогда необходимая сила распора:
(6.3)
где
k
- коэффициент запаса, (k=1,25…1,5).
следовательно условие
удержания груза выполняется.
Из уравнения моментов
относительно оси эксцентрика (т. О) получаем соотношение, определяющее
параметры эксцентрика:
(6.4)
где
- радиус эксцентрика
- толщина листа
Из (6.4) получим:
(6.5)
Схема эксцентрикового
захвата
7. Определение частоты
вращения барабана и выбор КПД механизма
(7.1)
где
nб
- частота вращения барабана;
Выбор КПД механизма.
(7.2)
где
ηобщ
- общий КПД механизма;
ηпер
- КПД передач, принимаем ηпер
= 0,85;
ηпол
- КПД полиспаста (ηпол=0,96);
8. Определение требуемой
мощности двигателя и выбор его по ГОСТ
(8.1)
где
kзап
- коэффициент запаса, kзап
= 1,15;
Выбираем двигатель серии
MTKF с короткозамкнутым ротором по ГОСТ 19523 - 81
Электродвигатель серии MTKF 312-6
Мощность на валу
электродвигателя (при ПВ=25%): Рдв = 17,5 кВт;
Частота вращения ротора:
пдв = 915 мин-1
Диаметр вала: dдв = 50 мм
Пусковой момент: Тпус.=590
Н·м;
Маховый момент ротора: GD2 = 4g·Jрот.,
Н·м2;
где
Jрот.
- момент инерции ротора двигателя, кг·м2; (Jрот.=0,3 кг·м2);
g
- ускорение свободного падения, g=9.81
м/с2.
GD2
дв= 4·9,81·0,3 =11,77 Н·м2;
Масса: 195 кг
Определение общего
передаточного числа и выбор редуктора по ГОСТ.
(8.1)
где
Uпер
- передаточное число передач;
Выбираем по
передаточному числу и мощности в зависимости от режима работы горизонтальный
цилиндрический двухступенчатый редуктор типа РМ - 500 по ГОСТ 20373 - 80.
[1, стр. 322]
Частота вращения вала:
1000 мин-1
Передаточное число
Uред
= 31,50;
Диаметр хвостовика
быстроходного вала: d = 50 мм
ηред
= 0,96
Так как передаточное число редуктора
отличается от расчетного передаточного отношения, определим фактическую
скорость подъёма груза:
(8.2)
(8.3)
Фактическая скорость
подъёма:
;
(8.4)
Расхождение составляет
2,17%, что допустимо.
Выбор муфт
Расчетный момент муфты
(8.5)
где
- номинальный момент на
валу муфты;
k1
- коэффициент, учитывающий степень ответственности механизма, k1 = 1,3;
k2
- коэффициент, учитывающий режим работы механизма, k2
= 1,2; [1, стр. 42]
Для вала барабана
(8.6)
Для вала двигателя
(8.7)
(8.8)
Выбираем муфты:
Для вала двигателя МУВП
800 ГОСТ 21424 - 75 с тормозным шкивом.
С передаваемым крутящим
моментом 800 Н ∙ м; [1, стр. 340]
шириной тормозного шкива
B = 145 мм;
маховым моментом
инерции: GD2 = 4g·Jм.,
Н·м2;
где
Jм.
- момент инерции муфты, кг·м2; (Jм.=0,6
кг·м2);
g
- ускорение свободного падения, g=9.81
м/с2.
GD2
м= 4·9,81·0,6 =23,54 Н·м2;
Масса муфты - 60 кг.
Муфта упругая
втулочно-пальцевая 800-50-I
ГОСТ 21424-75
Для вала барабана МЗ
8000 ГОСТ 5006 - 55. [1, стр. 333]
С передаваемым крутящим
моментом 8000 Н ∙ м.
Муфта зубчатая 8000-90 -
ГОСТ 5006-55
9. Проверка двигателя на
перегрузку
Проверка двигателя на
перегрузку в установившемся режиме работы.
Для нормальной работы
электродвигателя необходимо соблюдать следующее условие:
Тном > Тст (9.1)
где
Тном -
номинальный момент на валу электродвигателя;
Тст -
необходимый вращающий момент на валу электродвигателя в установившемся режиме
работы;
(9.2)
,65 Н ∙ м >
148,12 Н ∙ м.
Условие выполняется.
Проверка двигателя на
перегрузку в момент пуска.
(9.3)
ψ - кратность
пускового момента;
Тпуск - пусковой момент
(момент на валу электродвигателя в момент пуска);
Тпуск = Тст +
Тдин
(9.4)
Тдин - динамическая
составляющая пускового момента;
Тдин = Тин1 +
Тин2 (9.5)
(9.6)
где
п1 - частота
вращения 1-го вала (nдв);
tП
- время пуска, принимаем tП
= 2 c;
- маховой момент
суммарный;
= GD2дв + GD2муф
(9.7)
= 11,77 + 23,54 = 35,31
кгс ∙ м2;
(9.8)
Тдин = 48,63
+1,76 = 50,39 Н∙м
Тпуск =
148,12 + 50,39 = 198,51 Н∙м
,34<3,23
Условие выполняется.
. Выбор двухколодочного
тормоза и его проверочный расчет.
Выбор двухколодочного
тормоза по ГОСТ.
(10.1)
Выбираем Тормоз
колодочный с электромагнитом переменного тока
ТКТ - 300/200 с
наибольшим тормозным моментом Тторм = 240 Н ∙ м
шириной колодки Вк
= 140 мм;
диаметром тормозного
шкива D = 300 мм;
углом обхвата шкива
колодкой β = 70˚.
Проверка тормоза на
износостойкость.
. Проверка по
допускаемому давлению
(10.2)
где
N
- сила давления колодок на шкив;
[P] - допускаемая величина давления
колодок на шкив, [P] = 0,6 МПа;
(10.3)
где
f
- коэффициент трения, для вальцованной ленты по стали и чугуну, f = 0,4
Условие выполняется.
. Проверка по величине
динамического трения.
(10.4)
где
[p∙v] - допустимая величина
динамического трения, [p∙v] = 2,5 МПа∙м/с;
(10.5)
Условие выполняется.
Схема двухколодочного тормоза
Кинематическая схема механизма
Список использованных источников
1. Кузьмин А.В., Марон Ф.Л. Справочник по расчётам механизмов
подъёмно-транспортных машин. Минск, Высшая школа, 1983
. Миндовский С.К., Телицын А.А. Расчет механизма подъёма кранов с
электроприводом. Кострома, 2005
. Александров М.П. Подъёмно - транспортные машины, атлас
конструкций. М.: Машиностроение, 1987. - 123 с.
. Анурьев В.И. Справочник конструктора - машиностроителя. Т.1. -
М.: Машиностроение, 2001. - 920 с.
. Александров М.П. Подъемно-транспортные машины: Учебник для
машиностроительных специальностей вузов. - 6-е изд., переработанное - М.:
Высшая школа, 1985. - 520 с., ил.