РПЗ ТНУ. РПЗ ТНУ12-02. Разработка конструкции

• Название: Разработка конструкции
• Анкор: РПЗ ТНУ
• Дата: 09.02.2021
• Размер: 0.69 Mb.
• Имя файла: РПЗ ТНУ12-02.doc
• Тип: Документы; #175071

Министерство высшего и среднего специального образования Российской Федерации
Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н. Э. БАУМАНА




ФАКУЛЬТЕТ РК (Робототехника и комплексная автоматизация)

КАФЕДРА РК3(Детали машин)
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ НА ТЕМУ:
Разработка конструкции

консольного полноповоротного крана на колонне
Студент ( ) Группа

(фамилия, инициалы) (индекс)

Руководитель проекта ( ) Дата:

(фамилия, инициалы)


МОСКВА

1. Введение.

В данной работе проектируется полноповоротный кран с постоянным вылетом, который состоит из механизма подъема, механизма поворота, металлоконструкции.

Стрела представляет собой облегченную в целях экономии материала и уменьшения веса сварную конструкцию. Стрела крепится к колонне, вращающейся вокруг своей оси.

Кран крепится к полу с помощью фундаментных болтов.

В данной расчетно-пояснительной записке содержатся основные расчеты для проектирования составных частей, металлоконструкции и непосредственно сборки полноповоротного крана.
Технические требования:

Типовой режим работы – 4М;

Электропитание от сети переменного 3-х фазного тока с частотой 50 Гц и напряжением 380 (220) В;

Необходимо разработать:

Общий вид крана;

Механизм подъема;

Механизм поворота;

Металлоконструкцию;

Спецификации и расчетно-пояснительную записку.

2. Содержание:

1. Введение……………………………………………………………….......................2

2. Содержание…………………………………………………………......................…3

3. Механизм подъема (тельфер)……………………………………....................……..4

3.1. Схемы и полиспасты.

3.2 Двигатель.

3.3 Канат.

3.4 Барабан.

3.5 Прочность барабана.

3.6. Передаточное отношение привода.

7. 
   Редуктор.
   
8. 
   Тормоз.
   
9. 
   Выбор муфты.
   
10. 
    Блоки.
    
11. 
    Крюковая подвеска.
    

4. Металлоконструкция.................………………………………....................…... 11

4.1. Определение основных размеров.

4.2. Проверка статического прогиба.

4.3. Определение веса металлоконструкции.

4.4. Проверка времени затухания колебаний.

4.5. Проверка прочности.

5. Механизм поворота.................………………………………................………. 15

5.1. Вес поворотной части.

5.2. Нагрузка на опоры.

5.3. Выбор электродвигателя.

5.4. Редуктор.

5.5. Расчет на нагрев.

5.6. Тормоз.

5.7. Предохранительная муфта.

5.8. Упругая муфта.

5.9. Расчет подшипников тихоходного вала редуктора.

6. Расчет фундаментных болтов……………………………………………………..21

7. 
   Расчет подшипников опорных узлов………………………………...………..23
   

8. Список литературы.................…………………………………................……..26

3.Расчёт механизма подъёма.

Исходные данные для расчета:

Грузоподъемность F_Q = 3.2 кН;

Скорость подъема V_п = 8 м/мин;

Частота вращения V_пов = 2.5 об/мин;

Высота подъема H = 3.5 м;

Вылет стрелы L_max = 3 м;

Машинное время работы t_ = 4000ч.

Режим работы 4М

3.1.Схемы и полиспасты.

Т.к. механизм подъема расположен на стреле, рациональной является двухбарабанная схема с червячным редуктором при сдвоенном полиспасте(m=2).


КПД полиспаста и отклоняющих блоков

_п= , где =_бл=0,97  КПД блока; а=1  кратность полиспаста; t=1  число; m=2  число полиспастов на КПД не влияет.
3.2.Двигатель.

Мощность (кВт) при подъеме номинального груза весом F_Q (Н) с установившейся скоростью V (м/мин)  статическая мощность

, где G_захв=0,03F_{Q .}

Предварительно значения коэффициентов полезного действия принимают 0,9

G_захв = 0,033200 = 96Н

P_ст= кВт

Применим двигатель типа 4АС (трехфазные, асинхронные повышенного скольжения). Синхронная частота n_с=1000 мин^-1  наиболее рациональная и предпочтительная.

По каталогу выбираем двигатель 4АС90L6У3 с Р_н=1.8 кВт (ПВ = 25) и n = 900 мин^-1.
3.3.Канат.

Наибольшая сила натяжения в канате

.

Тип каната выбирают по ГОСТ 2688-80.

Рекомендуемый предел прочности материала проволок _В=1600…1800 Н/мм².

Выбор размера каната, т.е. его диаметра d_кан , проводят по разрушающей нагрузке. Разрушающая нагрузка каната должна удовлетворять условию F_разр  KF_max. Коэффициент запаса прочности К=5,5 в соответствии с режимом работы.



F_разр  5,51700 = 9345 Н.

Выбран канат двойной свивки типа ЛК-Р по ГОСТу 2688-80:

D_кан=5,1мм; F_разр=15 кН; группа 1764(180).
3.4.Барабан.

Диаметр барабана по дну канавки D_бар  d_кан(e-1), где е=18 – коэффициент, принятый в зависимости от режима работы и типа крана.

D_бар=5,1(18-1) = 86.7 мм.



Принимаем диаметр барабана по стандартному ряду чисел Ra40 D_бар=120мм.

Т.к. применен сдвоенный полиспаст, с двумя барабанами, то размеры каждого из них и их взаимное положение определяют исходя из условия непривышения допустимого угла (3) между осью каната и касательной к оси винтовой канавки.

Длина барабана L_бар= l_н+ l_p+l_раз+l_кр= p(z_p+6), где l_н=1,5p = 8.7 мм  расстояние до начала нарезки; l_p= z_pp = 52.2 мм  длина рабочей части барабана;

z_p=  число рабочих витков;

H  высота подъема;

l_раз = z_разp = 1,5p = 8.7мм  длина части барабана, на которой размещаются разгружающие витки; l_кр = z_кр p=3p =17.4 мм  длина части барабана, на которой размещается крепление каната; p=(1,1…1,2) d_кан  шаг нарезки.


Принимаем шаг нарезки p=1,15d_кан5.8мм;

z_p= .

Тогда L_бар = p(z_p+6) = 5.8(9 + 6) = 87мм, но по стандартному ряду чисел принимаем длину барабана 130мм.

3.5 Прочность барабана.

Напряжениями изгиба и кручения в стенке барабана можно пренебречь.

Напряжения сжатия в стенке барабана

.Для стального барабана [_сж]=110Н/мм²

примем толщину стенки барабана 8мм

_сж= 110
3.6.Передаточное отношение привода.

Частота вращения барабана, мин^-1

.

Необходимое передаточное отношение привода

n_бар= мин^-1

i= =

Принимаем по Ra20 передаточное отношение 40

Фактическая скорость подъема





Фактическая скорость отличается от номинальной скорости подьема меньше 10%, утверждаем i = 40 по Ra20.
3.7.Редуктор.

Наибольший момент на тихоходном валу редуктора

T_max=

Момент на барабане, Нм

Нм

T_max= Нм

Энергетической характеристикой современного редуктора является номинальный момент Т_ном, под которым понимается допустимый вращающий момент ни тихоходном валу при постоянной нагрузке и числе циклов нагружений лимитирующего зубчатого колеса, равном базовому числу циклов контактных напряжений N_HG. Номинальный вращающий момент на выходном валу выбранного редуктора должен удовлетворять условию

Т_ном  Т_НЕ,

где эквивалентный момент

Т_НЕ=k_НДТ_max.

Т_max наибольший вращающий момент на тихоходном валу редуктора при нормально протекающем технологическом процессе.

Для червячных редукторов

k_НД = k_НЕ = 0,8

Т_НЕ = 0,8182.3 = 146 Нм

Выбираем редуктор по ГОСТу 21164-75 типа Ч-80 с передаточным числом 40 и

Т = 222Нм. Допустимая радиальная нагрузка на вал F_ном = 4000Н

Коэффициент долговечности для червячных и глобоидных редукторов:

- для t_ = 4000ч и режима работы 4М

Так как на тихоходном валу размещены 2 барабана, то можно записать:



где F_мах – наибольшая сила натяжения каната на барабане.

- условие выполняется, оставляем выбранный редуктор.
3.8.Тормоз.

Тип тормоза для режима 4М - ТКП или ТКГ. Необходимый момент тормоза T_m=k_mT_гр.

k_mкоэффициент запаса торможения ; k_m=2 для 4М

Определение требуемого момента тормоза:

Грузовой момент на валу тормозного шкива

, где _обр=0,5(1+ )2- )

КПД при подъеме

=_п_бар_м²_ред

=0,70,970,99=0,67

_ч=0,9(1- ) = 0,648

_обр=0,5(1+ )(2- )=0,465

Т_гр=

Т_т  Т_грk_торм = 4.332 = 8.7 Нм

Выбираем ТКП100 с Т_т=20 Н м
3.9 Выбор муфты.

Тормоз установлен между двигателем и редуктором, поэтому тормозной шкив выполняется на редукторной полумуфте.

Нормализованную муфту выбираем в соответствии с условиями

; ,

где d- диаметр вала; -наибольший допустимый диаметр отверстия в полумуфте или втулке; - номинальный момент муфты ( по каталогу); - наибольший момент, передаваемый муфтой.



Упругие элементы проверяют на смятие в предположении равномерного распределения нагрузки между пальцами



где Т_к – вращающий момент,Нм; d_п-диаметр пальца,мм; l_вт-длина упругого элемента,мм

Пальцы муфты изготавливают из стали 45 и рассчитывают на изгиб:



Допускаемые напряжения изгиба , где _т-предел текучести материала пальца,МПа; Зазор между полумуфтами С=3…5мм

Из атласа по ПТМ выбираем упругую втулочно-пальцевую муфту с тормозным шкивом D_t=100мм с пальцами d=10мм выдерживающими нагрузку до 31.5Нм.
3.10 Блоки.

Диаметр блока по дну ручья

D_бл d_кан(е-1) = 5,1(18 -1) = 86.7 100мм

Целесообразно диаметр блока принимать на 25% больше, чем получилось. Принимаем



D_бл=100мм

R=(0,6…0,7)d_кан=0,6*5,1=3,06мм

h=(2…2,25)d_кан=2*5,1=10,2мм

Частота вращения отклоняющего блока об/мин.

n_откл=

Наибольшая нагрузка на подшипниках блока полиспаста

1700Н

где z_n – число подшипников блока

Эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник блока

,

где K_HE = 0.8 – коэффициент эквивалентности, u=1,2 – коэффициент вращения наружного кольца, K_Б=1,3 – коэффициент безопасности.

Выберем подшипник 204 ГОСТ 8338-75, а с целью унификации все подшипники блока полиспаста возьмем такими же.

3.11 Крюковая подвеска.

Выбираем крюк однорогий по ГОСТ 6627-74 для грузоподъемных машин и механизмов с машинным приводом исполнение 1.

№ крюка – 5

Наибольшая грузоподъемность – 80кН

Подшипник крюка шариковый упорный однорядный №8204H C_оа = 32000Н

Упорный подшипник выбирается из условий статической грузоподъемности.



3200Н  32000Н –условие выполняется, подшипник проходит с запасом.

4. Металлоконструкция.
4.1 Определение основных размеров

Исходными данными для расчета является длина вылета L, грузоподъемность Q.

Высота сечения стрелы



Принимаем стандартный двутавр №40

Высота колонны:

H_кол = H+0.8-0.3 = 3.5 + 0.8 - 0.3 = 4м

Диаметр колонны:

D_кол=0.63

Принимаем D_кол= 351мм

Толщина стенки колонны:

_кол=(0.05…0.08)D_кол=(0.05…0.08)*351 = 17…28мм

принимаем _кол=22мм

Момент инерции колонны:

_кол=0.32Dкол³*_кол=0.32*351³*22=305*10⁶мм⁴
4.2. Проверка статического прогиба.

Эпюра изгибающих моментов аналогична приведенной на рисунке.


Расчетная длина стрелы:



Расстояние между подшипниками:

мм

Принимаем

Фактический прогиб:



Допустимый прогиб:



Как видно фактический прогиб не превышает допустимого.
4.3. Определение веса металлоконструкции.

Вес стрелы:



Координаты центра тяжести стрелы:



Вес подвижной колонны



Вес неподвижной колонны:

G_кол = 2.5*10^-4D_кол*_кол*H_кол = 2.5*10^-4*351*22*4000 = 7722H
4.4.Проверка времени затухания колебаний.

Приведенная масса:



Жесткость:



Период собственных колебаний:



Логарифмический декремент затухания:



Начальная амплитуда:



Время затухания колебаний

- условие выполнено.
4.5 Проверка прочности.

Допускаемое нормальное напряжение:



Допускаемое касательное напряжение, в том числе и для сварных швов:



Расчет в данном случае целесообразно начинать с подвижной колонны, так как в опасном сечении подвижной колонны действует наибольший момент в вертикальной плоскости.

Момент инерции в опасном сечении:



Момент сопротивления изгибу:



Напряжение изгиба:





Условие выполняется.

5. Механизм поворота.

Исходные данные:

Грузоподъемная сила F_Q= 3.2кН

Частота вращения крана n=2.5об/мин

Вылет стрелы L = 3м

K_he=0,8

Машинное время t_=4000
5.1 Поворотная часть.

Вес механизмов, расположенных на поворотной части, определяют укрупнено, по узлам. Вес готовых изделий принимаем по каталогу.

G_ред=191Н

G_муф=30Н

G_бар=200Н
G_торм=158Н
G_двиг=287Н
G_мет=1119Н
G_крюк=150Н
G_под=96Н
Координаты центра тяжести:

Х_стр=1200мм



5.2. Нагрузка на опорные узлы.

Для крана с внешней опорой горизонтальная нагрузка:






_{Вертикальная нагрузка:}




5.3. Выбор электродвигателя.

Номинальная частота вращения вала двигателя.

Принимаем n_c = 1000 мин^-1

тогда n_н = 0.9*n_c = 0.9*1000 =900 мин^-1

Передаточное отношение привода:



Приведенный момент инерции груза:



Приведенный момент инерции стрелы:



Приведенный момент инерции колонны:



Приведенный момент инерции при пуске:



Окружная скорость cтрелы на максимальном вылете:



Время пуска:

Принимаем a = 0.3 м/с²

с

Номинальный вращающий момент электродвигателя:



t_п.о = 0.7 - относительное время пуска:

Номинальная мощность электродвигателя по условию разгона:



Сопротивление повороту.



где d₁ – диаметр упорного подшипника.

d₂ – диаметр радиального подшипника.

f₁ и f₂ –приведенные коэффициенты трения.

Мощность электродвигателя при установившемся движении (статическая мощность):



Принимаем двигатель со встроенным электромагнитным тормозом:

4А63В4/12Е2У1.2 с мощностью Р_Н=0,06 кВт,

n_дв= 450 мин^-1, T_max/T_ном= 1.6; J = 11*10^-4 кг*м² ; T_{мах.торм}=0.3Нм исполнение IM3001

Коррекция предварительных расчетов.

Номинальный вращающий момент:

Нм - номинальный момент двигателя;

Р_н- номинальная мощность двигателя при ПВ=40%;

Требуемое передаточное отношение привода



Приведенный момент инерции груза:



Приведенный момент инерции стрелы:



Приведенный момент инерции колонны:



Приведенный момент инерции при пуске:



Относительное время пуска:

c – двигатель с короткозамкнутым ротором.

Здесь - кратность максимального момента двигателя, принимаем по каталогу; - загрузка двигателя; Р_ст- статическая мощность установившегося движения (ее определение дано выше).

Время пуска:

c

Где J_пр.п- приведенный к валу электродвигателя момент инерции при пуске, кгм²;

n_н = n_дв – номинальная частота вращения электродвигателя, мин^-1;

Среднее ускорение:

м/c²

двигатель проходит, так как ускорение лежит в допустимом пределе 0.2-0.3 м/с²
5.4 Редуктор.

Наибольший момент на тихоходном валу редуктора:



Номинальный момент двигателя



m – кратность максимального момента двигателя

-максимальный момент на тихоходном валу редуктора

Частота вращения тихоходного вала:



Расчет передачи был произведен с помощью ЭВМ. Рассчитан волновой редуктор с неподвижным жестким колесом.

Вращающий момент на тихоходном валу 348 Нм

Частота вращения тихоходного вала 2.5 об/мин

Ресурс 4000 час

Режим нагружения 3

Передаточное отношение механизма 180

Данные полученные в результате проектного расчёта редуктора представлены в распечатке:


5.5.Расчет на нагрев.

Так как двигатель выбираем с учетом ПВ, то специальных расчетов их на нагрев проводить не требуется.

5.6.Тормоз.

Т.к. выбран двигатель со встроенным тормозом, дополнительный тормоз не нужен.

5.7. Муфта.

Применим упруго предохранительную муфту расположенную на тихоходном валу редуктора. Чтобы муфта срабатывала точно при заданном моменте предусматривают регулирование силы нажатия пружины. Пружина витая цилиндрическая.

При этом моменте муфта должна срабатывать.

D_H=115мм

D_ВН=75мм

максимально допустимая сила нажатия.

- допустимое рабочее давление

Число поверхностей трения ( минимальное допустимое, т.е. не менее)



Принимаем z=2.



Всего четыре пружины, тогда сила нажатия пружины



Принимаем стандартную пружину F_пр=2100Н ( № )

D = мм; d = мм; f₃ = мм
5.8. Расчет упругой муфты.

В данном случае применим муфту со стальными стержнями. Полумуфты устанавливаем на концы валов редуктора и приводного вала.

Коэффициент режима работы k=1,1…..1,4- при спокойной работе

T=348 НМ n=2.5 об/мин

Габаритные размеры муфты:

D₀=15(T)^1/3=15*(348)^1/3 = 85мм, примем из конструктивных соображений D₀ = 90мм

D=1.2D₀ =1.2*90 =108мм, примем D =110мм

S= *D₀ = 0.26*D₀=0.26*85=22.1мм примем S = 22мм

t = 0.1S = 0.1*22 = 2.2мм

l_c= 2.4S = 2.4*22 = 52.8мм примем l_c = 56мм

l₁= 0.075*l_c = 0.075*56 = 4.2мм примем l₁ = 4.5мм

диаметр стержней в мм:

стержни из стали 60С2XA для нее _и=1260МПа

d_c= 4_и*D₀*²*(3-²)/(3*E) =4*1260*90*0.26²*(3-1²)/(3*2.15*10⁵*0.035) =2.7мм

примем d_c=3.2мм

число стержней:

z = 64*10³**T / (*_и*(dc)³) =64*10³ *0.26*1*348 / (*1260*(3.2)³)=23.1 примем z =25

5.9. Расчет подшипников тихоходного вала редуктора:

Расчет подшипников производится на статическую грузоподъемность, т.к. частота вращения вала n=2.5 что меньше значения n  10мин^-1



Расстояние между опорами: АВ = 100мм, ВС = 57мм

Найдем реакции в подшипниках:













Принимаем шариковые радиальные однорядные подшипники №210 C_r = 35100H

Условие пригодности подшипника:



Выбранный подшипник проходит.

6.Расчет фундаментных болтов.



Исходные данные для расчета:

Вес подвижной части металлоконструкции крана: G_п.ч = 1600 Н

Вес неподвижной колонны: G_кол = Н

Максимальный вес груза (с тележкой): F_Q = 6500 Н

Вылет стрелы крана: L = 3200 мм

Центр тяжести крана: x_мет = 1280 мм

Диаметр основания колонны D = 800мм

Расстояние до крайнего болта X = 400мм
Выбираем болты класса прочности 4.8

_т = 320 Мпа –предел текучести

S= 2.5 –коэффициент запаса

_р = _т/S = 128 МПа

F_N = G_п.ч + G_кол+ F_Q = 1600 + 10267 + 6500 = 18367 H

М = G_п.ч ^. x_мет + F_Q ^. L = 1600 ^. 1280 + 6500 ^. 3200 = 22.85 ^. 10⁶ Н^.мм

условие не раскрытия стыка:







=0.75 коэффициент основной нагрузки, для стыка метала бетоном.








Условие прочности





Для выбранного болта М30

d₁ = 26.21 мм



128МПа

Болты подходят по условию прочности.


7. Расчет подшипников опорных узлов.

Нагрузки на опорные узлы.

Вертикальная нагрузка:



Горизонтальная нагрузка:



Наибольшая нагрузка на ролик:



Расчет подшипников опорного узла.

Верхняя опора состоит из двух подшипников: упорного и сферического.

Расчет подшипников производится на статическую грузоподъемность, т.к. частота вращения стрелы минимальна (n  10мин^-1).

Выбираем сферический радиально-упорный двухрядный шариковый подшипник.

Данный тип подшипников допускает большие углы перекосов во время работы крана.

Тип подшипника 1315, статическая радиальная грузоподъемность .

Условие пригодности подшипника:



Выбранный подшипник проходит по статической грузоподъемности.

Упорный подшипник выбирается так же из условий статической грузоподъемности. В данном случае также необходимо обеспечить геометрическую совместимость двух подшипников в одном опорном узле.

Тип 8210 Н .

5630Н  50000Н

Расчет подшипников роликовой опоры:

Принимаем шариковые однорядные радиальные подшипники №208 статическая радиальная грузоподъемность .

Для увеличения грузоподъемности установим на вал два одинаковых подшипника, тогда суммарная грузоподьемность возрастет в два раза С_ =64000Н

Условие пригодности подшипника:



условие выполнено, подшипники проходят.

Список литературы:

1. Л. П. Варламова, В. П. Тибанов. Детали машин. Соединения.

— МГТУ им. Н. Э. Баумана 1999.
2. Детали машин. Атлас конструкций. — М., Машиностроение, 1979.
3. Дунаев П. Ф., Леликов О. П. Детали машин. Курсовое проектирование.

— М.: Высшая школа, 1990.
4. Дунаев П. Ф., Леликов О. П. Конструирование узлов и деталей машин.

— М.: Высшая школа, 1985.
5. Решетов Д. Н. Детали машин. — М.: Машиностроение, 1989.
6. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. М., Машиностроение, 1993г, 639с