ПРАКТИКА. Пименов Владимир Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры технического сервиса Балаклейский С. П. Б 20 Синтез технологических машин методические указания
 Скачать 7.2 Mb.
|
        Министерство образования и науки Республики КазахстанКостанайский государственный университет имени А. Байтурсынова Кафедра технического сервиса С.П. Балаклейский Подъемно-транспортные машины Методические указания к практическим занятиям Костанай 2014 ББК Б 20 Авторы: Балаклейский Сергей Петрович, кандидат технических наук, доцент Рецензенты: Айдарханов Арман Маратович, кандидат технических наук, зав. кафедрой транспорта и технологических машин Рудненского индустриального института Нурписов Жумабек Амангалиевич, кандидат технических наук, доцент кафедры машин, тракторов и автомобилей Пименов Владимир Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры технического сервиса Балаклейский С.П. Б 20 Синтез технологических машин. Методические указания к практическим занятиям. – Костанай: КГУ им. А. Байтурсынова, 2014. - 144 с. Методические указания составлены для использования при проведении практических занятий с бакалаврами специальности 5В071300 – Технологические машины и оборудование. Рассмотрено и рекомендованы к изданию на заседании кафедры «Технологические машины и оборудование» «__» ________ 201__ г. Протокол № ___ Утверждены методическим советом инженерно-технического факультета «__» _________201__г. Протокол № ___ Ó Костанайский государственный Университет им А. Байтурсынова Содержание
Тема 1. Нагрузки, действующие на ГПМ (2 ч) Различают нагрузки рабочего и нерабочего состояния машин. В рабочем состоянии ГПМ с грузом или без него может совершать рабочие движения собственными механизмами. Нерабочим состоянием считается такое, при котором эксплуатация ГПМ не допускается по условиям внешней среды (ураган, землетрясение и т.п.) или из-за необходимости проводить ремонтные или монтажные операции. К нагрузкам нерабочего состояния относятся повышенные ветровые, монтажные и испытательные (при испытаниях машины с нагрузкой, превышающей номинальную). Нагрузками являются: 1 Наибольший допускаемый вес груза, а также вес грузозахватного устройства (крюковой обоймы, грейфера и т.п.): 2 Вес элементов конструкции машины, включая балласт и противовес: 3 Давление ветра, зависящее от скоростного напора движущегося воздуха (ветра) и конфигурации воспринимающей поверхности конструкции и груза; 4 Вес снега и слоя льда при обледенении, причем воздействие последнего особо ощутимо для тонких растяжек и канатов; 5 Сила инерции как крана и груза, так и элементов любого механизма и двигателя в периоды неустановившегося движения, а при вращательном установившемся движении системы, сила инерции поворотной части крана и груза. 1.1. Нагрузка от весовых воздействий Вес Q поднимаемого груза является функцией его массы, максимальные значения которой соответствуют номинальной грузоподъёмности крана для данного вылета крюка: Q0 = Qg. Грузоподъемность стреловых кранов переменная и обычно изменяется по закону сохранения постоянства силового грузового момента М = Q0Ri = const, однако в ряде конструкций для обеспечения удобства эксплуатации она является постоянной. У некоторых типов башенных кранов, грузоподъемность изменяется ступенчато (рис. 1.1). В кранах пролётного типа грузоподъемность постоянна при любом положении груза Относительно пролетного строения. Массу нормальных грузозахватных приспособлений — крюковых блочных обойм и подъемных канатов — принимают равной 0,03 ... 0,05 номинальной массы груза. Массу специализированных захватов — грейферов, подъемных электромагнитов, вакуумных захватов, траверс, клещевых захватов — учитывают в текущей, зависящей от вылета крюка, грузоподъемности, соответственно уменьшая полезную грузоподъемность.  R Рисунок 1.1. 3ависности грузоподъемности Q крана от вылета R: 1 — Q = const; 2 — Q изменяется ступенчато; 3 — Q изменяется плавно Для проектных расчетов массу крана в целом и его отдельных частей — металлоконструкций, механизмов, силового оборудования— принимают пo аналогии с уже выполненными конструкциями, данные по которым приводятся в ГОСТах, атласах н опубликованных технических характеристиках машин (табл. 1.1). Таблица 1.1 Основные параметры строительных кранов
Обобщая и усредняя, с известным приближением можно функционально связать массы крана и его основных узлов с базовыми параметрами крана: номинальной грузоподъемностью Q, вылетом при номинальной массе груза R (или пролетом крана L), наибольшей высотой подъема Н (таблица 1.2). В формулах таблицы: Q — номинальная грузоподъемность крана при основной стреле; вылет R = M/Q (м), Н — в м, М — в кг∙м. Снеговая нагрузка Р, определяется по массе снега, распределенной по площади горизонтальной проекции воспринимающей поверхности из расчета 50 ... 250 кг/м3 в зависимости от зоны работы крана (СНИП ІІ-6-74). Для средней полосы европейской части бывшего СССР и Сибири (ІІІ зона) снеговую нагрузку на единицу площади принимают равной 1000 Н/м2. При определенных атмосферных условиях и температуре от 0 до -5 °С на оттяжках и канатах образуется слой льда толщиной 1 ... 1,2 см. Плотность льда δ = 900 кг/м3. Для круглых оттяжек и канатов линейная масса m слоя ориентировочно равна m ≈ 0,36 (1 + d) кг/м, где d — диаметр оттяжки или каната, см. Таблица 1.2 Расчетные формулы для ориентировочного определения массы (т) 6ашеиных кранов и их элементов  1.2. Ветровые нагрузки Грузоподъемные устройства, расположенные вне зданий, должны работать в любую погоду, в том числе и в ветреную. Предельное давление ветра, при котором еще возможна и безопасна работа крана, определяет ветровую нагрузку на кран в рабочем состоянии. Кран в нерабочем состояпни рассчитывают на давление ветра, имеющего место при шторме, буре или урагане. Нагрузки от ветрового воздействия на груз н кран определяются в соответствии с ГОСТ 1451—77. Скорость ветра характеризуется пульсацией, что предопределяет динамичность ветрового воздействия (рис. 1.2).  Рисунок. 1.2. Изменение скорости ветра Современные методы расчета давления ветра основываются на учете кинетической энергии движущегося воздуха (скоростном напоре), определяющей то наибольшее возможное давление в движущемся с некоторой скоростью воздушном потоке, которое может получиться в точках, где скорость обращается в нуль. Если ρ = 1,225 кг/м3 — плотность воздуха, а v (м/с) — его скорость, то динамическое давление (Па) ветра q = ρv2/2 = 1,225 v2/2 = 0,61Зv2. Территория СССР разбита на семь районов с различными предельными расчетными скоростями ветра v на высоте 10 м над уровнем земли; при этом динамическое давление принимают следующим: Район……. I II III IV V VI VII V, м/с……. 21 24 27 30 33 37 40 q, Па ……..270 350 450 550 700 850 1000 Европейская и юг азиатской части бывшего СССР относятся к I—Ill районам. Горные районы Кавказа и Средней Азии и побережья морей, кроме указанных далее, относятся к ІV—V районам, северное н северо-восточное побережья страны — к VI, VII районам. Распределенная ветровая нагрузка (Па), т. е. нагрузка, приходящаяся на 1 м2 воспринимающей поверхности, рв = qkc (1 + β), где k — экспериментально определяемый коэффициент возрастания динамического давления по высоте: Высота над поверхностью земли, м ……………………10 20 40 60 100 200 350 и выше k……………………………. 1 1,25 1,55 1,75 2,1 2,6 3,1 (для промежуточных высот значение k определяется интерполяцией; для кранов, работающих в городах и лесных массивах разрешается снижать коэффициент k приблизительно на 15 %); с — коэффициент аэродинамической силы, учитывающий характер обтекания объекта воздушным потоком, определяемый продувкой в аэродинамической трубе; значения с для различных конструктивных элементов приведены ниже. Конструкции из труб большого диаметра (D>700 мм). . . . . 0,6 ... 0,8 Кабины, противовесы, канаты, оттяжки, грузы . . . . . . . . . . .1,2 Коробчатые металлоконструкции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,4 ... 1,6 Решетчатые конструкции: трёхгранные из труб . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,3...І,6 четырехгранные изт руб . . . .. .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .1,5...1,8 трехгранные из уголков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 ... 2,5 четырехгранные из уголков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,3 ... 2,8 1 + β = 1 + mпξ ≈ 1,2 ... 1,3—динамический коэффициент, учитывающий пульсацию ветрового воздействия mп и коэффициент динамичности ξ, являющийся функцией периода собственных колебаний Т (с). Для башенных кранов значения mп и ξ приведены в ГОСТ 13994—81. Ориентировочно для них mп = 0,12 ... 0,0004 Н, а ξ = f (Т), где Т ≈ 2 + 0,02L [здесь Н (м) и L (м) полные высота башни и длина стрелы крана]. Зависимость между Т и ξ иелииейная: Т,с, . . . . . . . . . . . 1 2 3 4 5 6 7 8 ξ. . . . . . . . . . . ….1,75 2,25 2,65 2,95 3.16 3,22 3,26 3,3 В нормальных условиях эксплуатации для рабочего состояния крана принимают kc (1 + β) = 1,6 ... 2,5. Ветровая нагрузка (Н) на конструкцию крана, ее отдельные элементы и груз  ,где Fi — площадь, воспринимающая давление ветра, под которой следует понимать теневую площадь. Площадь (м2) груза, если она не известна, можно определить в зависимости от грузоподъемности крана Q (т);  .Для нерабочего состояния при определении Рв.нр, крана учитывают значение q в зависимости от района, в котором установлен кран. Для нормальных условий эксплуатации ориентируются на III район. Для рабочего состояния Рв.р определяют в зависимости от назначения крана при стабильных значениях q (МПа), приведенных ниже. Краны строительные, монтажные, заводов стройматериалов, а также стреловые самоходные общего назначения …………………125 Краны всех типов, устанавливаемые в речных я морских портах. …250 Краны, устанавливаемые на объектах, исключающих возможность перерыва в работе …………………………………………500 Ветровую нагрузку рабочего состояния крана учитывают при расчете металлоконструкций на прочность и выносливость, при проверке грузовой устойчивости крана против опрокидывания, при расчете механизмов крана. Ветровая нагрузка, учитываемая при определении мощности двигателя крановых механизмов, виду непостоянства и нерегулярности ветрового воздействия, принимается не выше 60 % от полной ветровой нагрузки рабочего состояния. Ветровую нагрузку нерабочего состояния крана следует учитывать при расчете на прочность металлоконструкций, механизмов передвижения кранов и их противоугонных устройств, а также и собственной устойчивости крана против опрокидывания. 1.3. Инерционные нагрузки Определение сил инерции Рин, при поступательном движении и инерционного момента М, при вращательном движении приближенно при малых, сравнительно с радиусом вращения, размерах вращающегося тела требует знания лишь масс m, моментов инерции J и ускорений — линейных ј и угловых ε. Силы инерцни определяют по приведенным ниже формулам. А. В период неустановившегося движения (при разгоне или торможении): вертикальная сила инерции груза при подъеме или опускании  ; горизонтальная сила инерции груза при передвижении крана  ;Касательная сила инерции при вращении поворотной части крана  .Б. В период установившегося движения центробежная сила, при вращении поворотной части крана  ,где силы инерции Р — в Н; массы груза Q, подвесных устройств q, крана и вращающихся элементов mi поворотной части крана. стрелы и груза — в кг; радиус Ri — в м; скорости подъема, опускания груза vг и передвижения крана vп – в м/с; частота вращения поворотной части крана tвр — в мин-1; периоды неустановившегося движения — разгона или торможении при подъеме груза tг, передвижении крана tп и вращении поворотной части крана tвр — в с. При вращении поворотной части крана возникающие центробежные и касательные силы инерции, определяются по приведенным формулам для элементов, которые можно приравнять к точечным массам. Для крановых стрел пользоваться этими формулами непосредственно нельзя, так как все элементы стрелы находятся на разных расстояниях от оси вращения. Метод определения центробежных и касательных сил инерции и мест приложения равно действующих их следующий (рис. 1.3).  Рисунок 1.3. Схема к определению нагрузок на стрелу от инерционных сил при вращении поворотной части крана: а – центробежных, б – касательных Центробежная сила Рс.ц от массы стрелы распределена по ее длине L0; равнодействующая приложена на расстоянии lс.ц от пяты. При массе стрелы mс (кг) и равномерном распределении ее по длине стрелы, масса элементарного участка, расположенного на расстоянии l от пяты стрелы, dmс = (mс/Lс) dl. При угловой скорости ω элементарная центробежная сила  Полная центробежная сила  .Подставив ω = πnв/30, получим  .Так как момент элементарной центробежной силы относительно пяты стрелы  ,ордината точки приложения центробежной силы  ,а расстояние ее от пяты стрелы  Касательную силу инерции определим следующим методом. Считая груз, крюковую подвеску и часть стрелового полиспаста (массой тп), прикрепленную к головке стрелы, точечными массами, касательную сил инерции этих масс определим как  ,где t — время неустановившегося движения, с. Касательную силу инерции стрелы массой т0 можно считать распределенной по ее длине Lс. Элементарная касательная сила  .Полная касательная сила инерции  . Положение точки приложения равнодействующей касательных сил инерции стрелы (рис. 1.15, 6) найдем из уравнения моментов относительно пяты стрелы:  ; Абсцисса этой точки  .Момент инерции (кг·м2) для однородных тел правильной геометрической формы можно определить по формуле J = mD2/k, где m — масса тела, кг; D — наружный диаметр тела, м; k — коэффициент, характеризующий распределение масс в теле (для всех тел, кроме сплошного вала, значения его ориентировочно следующие: k = 8 для вала, k 4 для тонкостенной трубы, k = 5,75 для канатного барабана, k= 7,25 для канатного блока, k = 6,5 для зубчатого колеса и тормозного шкива, k = 9 для соединнтельвой муфты). Для наклонного стержня массой тс с поперечными размерами, малыми по сравнению с его длиной (например, стрелы крана), концы которого находятся на расстоянии r1 и r2 от оси вращения,  .Для колонны (мачты или башни) квадратного сечения из четырех уголков, массой тс, поперечным сечением bxb (по центрам тяжести уголков) J = mb2/2. При расчете механизмов грузоподъёмных машин и их элементов необходимо учитывать все возникающие в процессе работы нагрузки, возможное совпадение действия этих нагрузок, определять наиболее опасные их сочетания и по ним проводить расчет на прочность и сопротивление усталости. Для грузоподъёмных машин возможные комбинации расчетных нагрузок подразделяют на три расчётных случая. 1 р а с ч е т н ы й с л у ч а й - нормальная нагрузка рабочего состояния, включающая в себя номинальный вес груза и грузозахватного устройства, собственный вес конструкции, ветровые нагрузки рабочего состояния машины, а также динамические нагрузки, возникающие в процессе пуска и торможения при нормальных условиях использования механизма и при нормальном состоянии подкрановых путей. Для этого расчётного случая основным видом расчета металлических конструкций и деталей механизмов является расчет на сопротивление усталости, а также на нагрев, износ и долговечность. При расчете на сопротивление усталости ветровую нагрузку можно не учитывать ввиду ее относительно небольшого значения, принимаемого равным 50 Па. При переменной массе груза расчет на сопротивление усталости ведут не по номинальному, а по среднему (эквивалентному) значению. Расчет металлоконструкций на сопротивление усталости обязательно проводится кранов 5-й, 6-й и более высоких групп режимов работы (Для кранов 4-й группы режима работы необходимость проведения расчета на сопротивление усталости устанавливается на основе данных опыта эксплуатации; для кранов 1, 2 и 3-й групп режима работы такой расчет не производится). При расчете на сопротивление усталости исходят из требования обеспечить надежную работу всех элементов крана без их ремонта и замены (за исключением быстро изнашивающихся сменных деталей механизмов и электрооборудования - тормозных фрикционных накладок, канатов, щеток двигателей и т. п.) в течение расчётного срока, приведённого в таб.1. 4. II р а с ч е т н ы й с л у ч а й - максимальная рабочая нагрузка, включающая в себя кроме нагрузки от собственного веса и номинального веса груза и грузозахватного приспособления также и максимальные динамические нагрузки, возникающие при резких пусках, экстренном торможении, внезапном включении или выключении тока, и предельную ветровую нагрузку рабочего состояния машины. Предельные значения динамической рабочей нагрузки соответствуют значению момента пробуксовки или юза ходовых колес, а также максимальным моментам двигателя или тормоза, которые могут быть ограничены специальными устройствами (муфтой предельного момента, срезаемым предохранительным штифтом, электрозащитой и т. п.). Расчет по этому случаю ведется с учетом максимально возможного уклона пути, а для плавучих кранов учитывается максимальный крен. Для этого расчетного случая металлические конструкции детали механизмов рассчитывают на прочность с обеспечением заданного запаса прочности. Пор этому жэ расчетному случаю проводится также проверка грузовой устойчивости крана. Нагрузка от собственного веса крана и его элементов должна определяться по конструкторской документации или по результатам взвешивания. III р а с ч е т н ы й с л у ч а й - нерабочее состояние машины на открытом воздухе при отсутствии груза и при неподвижных механизмах. При этом на машину кроме собственного веса действует предельная ветровая нагрузка при нерабочем состоянии машины, а иногда нагрузки, вызываемые снегом, обледенением или температурным воздействием. По этому случаю действия нагрузок производят расчет на прочность металлических конструкций, деталей противоугонных устройств кранов, тормозных устройств, тележек, механизмов изменения вылета стрелы, опорно-ходовых и опорно-поворотных устройств по сниженным значениям коэффициента запаса прочности. Нормативная нагрузка от веса снега определяется по горизонтальной проекции воспринимающей поверхности, и для средней полосы европейской части бывшего СССР и Сибири ее принимают равной 103 Па. Толщину обледенения на оттяжках, канатах и решетчатых элементах металлоконструкций принимают равной 1-1,2 см при удельном весе льда 9 кН/м3. Перегрузки от снега и обледенения при расчете не учитываются. Снеговую и ветровую нагрузку одновременно не учитывают. Нагрузки, вызываемые температурными изменениями окружающей среды, указываются в технических заданиях на проектирование крана и учитываются только при расчете статически неопределимых конструкций. Допускается принимать интервал колебаний температур ±400С. По этому расчетному случаю проводят также проверку собственной устойчивости крана. При определении действующих нагрузок положение стрелы, поворотной части и грузовой тележки принимают наиболее опасным, т.е. создающим наибольшие нагрузки в рассчитываемых элементах. При монтаже и перевозке кранов кроме указанных выше нагрузок возникают монтажные и транспортные нагрузки, которые необходимо учитывать при проверочном расчете, а также при составлении проекта монтажа и выборе мест расположения опор и способов крепления перевозимых элементов кранов. Эти нагрузки в ряде случаев могут оказаться весьма значительными и существенно отличаться от рабочих нагрузок. При этом элементы конструкции, не являющиеся рабочими при эксплуатации, при монтаже могут оказаться рабочими, растянутые элементы могут оказаться сжатыми и т.д. Расчет деталей на сопротивление усталости, износ и нагрев (I расчетный случай) производится по эквивалентным нагрузкам, т.е. по таким нагрузкам стационарного режима, которые вызывают ту же степень усталостного повреждения детали в течение рассматриваемого срока службы, как и фактически действующая нагрузка нестационарного режима. Эквивалентная нагрузка определяется по графикам загрузки механизма во времени, построенным с учетом действительного режима работы. Общий срок службы деталей назначают в зависимости от группы режима работы и для расчета можно пользоваться данными та6л.1. 4 [1]. При отсутствии графиков действительной загрузки механизмов можно пользоваться усредненными графиками использования механизмов по грузоподъёмности (рис. 1.4), построенными на основе обобщения опыта эксплуатации различных грузоподъемных машин.  Рисунок 1.4. Типовые графики нагружения Эквивалентная нагрузка Gэкв= kдGmax или Мэкв= kдМmax, где Gmax и Мmax – максимальная расчетная нагрузка (сила и момент), учитываемая в расчете на сопротивление усталости по I расчетному случаю; kд = kG kт kтр – коэффициент долговечности, учитывающий переменность нагрузки во времени;  ,где т – показатель степени кривой усталости Велера. При расчете на контактную усталость принимается т = 3, а при расчете на контактную усталость по изгибу, кручению, растяжению и сжатию т = 9. Средние значения коэффициента переменности нагрузки для различных механизмов мостовых кранов общего назначения приведены в таблице 8. Таблица 8 Значения коэффициента переменности нагрузки kG
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||