Классификация подъемно-транспортных машин

Н.Н. Эльяш

МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ

ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

Электронное учебное пособие (конспект лекций)

Екатеринбург 2015

УДК 621.874

Эльяш Н.Н. Металлоконструкции подъемно-транспортных машин: Электронное учебное пособие (конспект лекций). Екатеринбург: Изд-во Рос. гос.проф.-пед- ун-та, 2015. 60с.

Содержание пособия полностью соответствует рабочей программе, составленной согласно требованиям ФГОС ВПО с учетом рекомендаций Примерной основной образовательной программы по направлению подготовки 051000.62 Профессиональное обучение (по отраслям). Профиль подготовки - «Машиностроение и материалообработка», профилизация «Подъемно-транспортное оборудование».

Пособие предназначено в помощь студентам для самоорганизации учебной работы при изучении дисциплины «Металлоконструкции подъемно-транспортных машин», что особенно актуально при заочной форме обучения, а также при использовании дистанционных технологий. В пособии дана классификация металлоконструкций, приведены краткие сведения о материалах для их изготовления с учетом особенностей работы и видов нагрузок. Рассмотрены вопросы монтажа, расчета соединений; приведены общие сведения о методах неразрушающего контроля. Изложены методики прочностных расчетов.

Пособие также может быть рекомендовано для преподавателей и студентов учреждений высшего и среднего профессионального образования профилизации «Транспорт», и других направлений подготовки, связанных с использованием грузоподъемной техники.

Рецензент – доктор технических наук, профессор А.П.Комиссаров (ФГБОУ ВПО «Уральский государственный аграрный университет)

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН…………………………..................
2.1. Виды металлоконструкций кранов, основные характеристики
2.2. Типы и конструкции подкрановых балок………………............
2.3. Материалы, сортамент, сечения металлоконструкций кранов..
2.4. Соединения металлоконструкций………………………………
2.4.1. Сварные соединения………………………………………
2.4.2. Заклепочные и болтовые соединения…………………….
2.5. Основные принципы технологии монтажа, эксплуатации и ремонта металлоконструкций………………………………….
2.6. Виды и средства контроля металлоконструкций……………..
2.6.1. Характеристика дефектов сварных соединений………
2.6.2. Способы неразрушающего контроля сварных соединений………………………………………………..
3. РАСЧЕТ КРАНОВЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
3.1. Нагрузки на металлоконструкции кранов……………………
3.1.1. Режимы работы кранов…………………………………..
3.1.2. Виды нагрузок……………………………………………
3.2. Методики расчета металлических конструкций………………
3.2.1. Расчет по предельным состояниям……………………...
3.2.2. Расчет по допускаемым напряжениям………………….
3.3. Расчет металлоконструкций двухбалочного мостового крана..
3.3.1.Исходные данные для расчета. Основные соотношения размеров мостовых балок………………………………..
3.3.2. Проверка на прочность главной балки………………...
3.3. 3Расчет торцевых балок……………………………...........
3.3.4. Проверка соединений металлоконструкции на срез…..
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………….
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

«Металлоконструкции подъемно-транспортных машин» – это одна из дисциплин профессионального цикла бакалавров, обучающихся в соответствии с учебными планами профилизации «Подъемно-транспортное оборудование». Все подъемно-транспортные машины состоят из механизмов, несущих металлических конструкций и систем управления. Металлоконструкции – это составляющая, которая в наибольшей степени определяет техническую безопасность, надежность, металлоемкость, ремонтопригодность и экономичность всего комплекса подъемно-транспортного оборудования.

Задачи изучения данной дисциплины состоят в следующем:

· получить знания о материалах для изготовления металлоконструкций; о видах нагрузок на металлоконструкции и режимах их работы.

· получить знания о конструкциях стержней, балок и ферм, применяемых в грузоподъемных механизмах.

· изучить основные методы проектирования и расчета металлоконструкций, их элементов и соединений.

· овладеть навыками выполнения расчетов элементов металлоконструкций на прочность и на устойчивость.

· овладеть навыками применения нормативно-технической документации, справочной литературы и современной вычислительной техники;

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

Соединения металлоконструкций

В металлоконструкциях ПТМ используют сварные, заклепочные и болтовые соединения. Заклепочные и болтовые соединения применяются главным образом в монтажных стыках и узлах, когда это вызывается требованиями перевозки конструкций (ограничение габаритов) или условиями их монтажа.

Сварные соединения

Основным видом соединений металлоконструкций мостовых кранов является сварное соединение встык, выполненное стыковым швом, автоматической, полуавтоматической или ручной сваркой электродами не ниже типа Э42, при этом для ответственных конструкций швы считаются равнопрочными с основным металлом, то есть:

[s ^св]= [s ],

где [s ^св], [s ] - соответственно, допускаемые напряжения растяжения, сжатия и изгиба сварного шва и основного металла конструкций.

В этом случае швы делают прямыми с подваром корня шва и выводом его концов за пределы стыка. Швы встык, воспринимающие растягивающие силы делают прямыми или косыми в зависимости от способов сварки и контроля качества. Виды сварных стыковых соединений изображены на рисунке 7. Если контроль производится только путем наружного осмотра, то прямые швы считают неравнопрочными и назначают при расчетах запас прочности 15 %. При необходимости равнопрочности швы делают косыми [3].

Расчетные характеристики среза для стыковых швов определяют из соотношения:

[ t _СВ] = 0, 6 [s].

Напряжение в шве прямого стыка проверяется по формулам, известным из курса «Детали машин»:

- при сжатии

где [s_с^св] - допускаемое напряжение при сжатии;

при растяжении

где [s_р^св] - допускаемое напряжение при растяжении.

Рисунок 7 - Сварные соединения встык, выполненные швами:

а) – прямым; б) – косым

Прочность швов косых стыков может быть проверена расчетом на действие нормальных и касательных напряжений по формулам:

- на растяжение

- на срез

где F - расчетная осевая продольная сила, Н;

d - наименьшая толщина соединяемых элементов;

l _ш - расчетная длина стыкового шва;

α - угол между направлением продольной силы и швом.

Соединения внахлестку осуществляются при помощи угловых швов – фланговых или лобовых, которые представлены на рисунке 8. Наибольшая расчетная длина фланговых швов ограничивается величиной, равной 60 h_ш, наименьшая – 4 h_{ш, ,}но не менее 40 мм (h_ш– катет углового шва). Исключение составляют сопряжения, в которых усилие воспринимается фланговым швом на всем его протяжении (например, поясные швы балок), при этом длина шва не ограничивается.

Сварные угловые швы, воспринимающие продольную силу, рассчитываются по формуле:

где h_у- катет шва; e - коэффициент, зависящий от вида сварки:

e = 1 для автоматической сварки, однопроходной;

e = 0, 8 – для полуавтоматической, однопроходной;

e = 0, 7 – для ручной и многопроходной автоматической и

полуавтоматической сварки,

[t _у^св] = 0, 7 s - допускаемое напряжение углового шва при срезе.

Рис. 8 - Сварные соединения внахлестку. lш – длина шва; hш - толщина шва, принимаемая равной катету вписанного треугольника; e - коэффициент, зависящий

от вида сварки.

Режимы работы кранов

Степень использования крана по времени характеризуется коэффициентами использования его в течение суток или в течение года

k_c = T_c / 24 или k_г = T_г / 365,

где Т_с и Т_г - число часов и число дней работы крана в течение суток
и в течение года, соответственно.

Т_г= 250 при двух выходных днях в неделю, 300 – при одном, 360 – при непрерывном производстве.

Величины этих коэффициентов задаются при проектировании [4].

Расчет металлических конструкций производится для трех вариантов нагрузки (режимов работы):

I - нормальные нагрузки рабочего состояния крана при эксплуатации в нормальных условиях, плавные пуски и торможения, нормальное состояние подкранового пути, груз, соответствует назначению крана. Если в элементах металлоконструкций нагрузки вызывают большое число циклов напряжений, то краны тяжелого и весьма тяжелого режима проверяются на выносливость по эквивалентным нагрузкам.

II - максимальные нагрузки рабочего состояния крана, возникающие
в тяжелых условиях при работе с максимальным грузом, максимальной силе ветра, неудовлетворительном состоянии подкранового пути, наибольшем крене и т.п. Эти нагрузки возникают редко и не вызывают большого числа циклов усталостных напряжений, поэтому расчет по ним производится только на прочность.

III - максимальные нагрузки нерабочего состояния крана, вызываемые его собственным весом и ураганным ветром. По этим нагрузкам производится расчет на прочность и устойчивость. Для расчета металлоконструкций этот случай имеет значение только для кранов большой высоты и с особо большим вылетом (строительных, портальных).

Кроме перечисленных могут иметь место случаи действия специальных нагрузок, например, от снега и обледенения, монтажных нагрузок, сейсмических и т.п.

Виды нагрузок

1. Собственный вес конструкций и расположенного на них оборудования. Обычно считается распределенным по длине равномерно для сплошных конструкций, а для решетчатых – приложенным в узлах.

2. Вес груза (максимальная номинальная масса Q – называется грузоподъемностью крана). G = Q g, где g = 9, 8 м/с².

Степень использования крана по грузоподъемности и по времени зависит от условий эксплуатации. Расчет на выносливость производят по эквивалентной величине груза:

Q_Э= Y_Э Q,

где Y_Э- коэффициент эквивалентности, зависящий от режима нагружения (легкий, средний, тяжелый и весьма тяжелый) [3, с.47]; значения его приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Значения коэффициентов эквивалентности грузоподъемности кранов

Группа режима по правилам Ростехнадзора	Л	С	Т	ВТ
Группа режима по ГОСТ 25546-82 и ИСО 4301-80	1К – 3К	4К, 5К	6К, 7К	8К
Значение Y_Э	Расчет на усталость не производится	0, 7 – 0, 6	0, 8 – 0, 7	1, 0
Коэффициент Y_Э для портальных - I вар. нагрузки - II вар. нагрузки	- 1, 1	- 1, 2	1, 15 1, 3	1.25 1, 5

3. Ветровые нагрузки. Являются горизонтальной силой и определяются по формуле F_B = p_B S_H,

где p_B - удельное давление ветра, принимаемое для рабочего состояния крана при расчете на прочность элементов любой геометрической формы равным: 400 Н/м²– для плавучих и портовых кранов; 250 Н/м²– для всех остальных;

S_Н- наветренная площадь груза, м².

4. Снеговая нагрузка определяется по горизонтальной проекции воспринимающей поверхности и принимается для Европейской части России
и Сибири 1000 Н/м².

5. Гололед образуется при температуре от 0 до -5^о С, образует корку толщиной до 1…1, 2 см. Удельный вес льда 9000 Н/м².

При нормальных режимах работы снег и гололед не учитывается.

6. Инерционные нагрузки возникают:

- при пуске в ход и торможении механизмов;

- при перемещении с переменной скоростью во время установившегося

движения (например, качание стрелы);

- при движении по неровному пути;

- при качке плавучих сооружений.

7. При работе механизма подъема могут иметь место два случая:

1 случай - резкий отрыв груза от земли (подъем с подхватом);

2 случай - разгон при подъеме или торможение при опускании груза на весу.

Динамика учитывается коэффициентом, на который умножается вес груза, включая вес грузозахвата. Тогда усилие в канате будет равно:

S_max = Y Q_K / i, где i – кратность полиспаста подвески груза.

Коэффициент динамичности Y₁ определяют для мостовых кранов по формуле: - для I варианта нагрузки Y₁ =1 + 1, 25 V ;

- для II варианта нагрузки Y₁₁ =1 + 2, 4 V;

(V – номинальная скорость подъема, м/с)

8. Раскачивание груза. Вызывает отклонение подъемных канатов от вертикали, которое следует учитывать при расчете металлоконструкций поворотных кранов. В результате этого отклонения появляется горизонтальная составляющая Т натяжения S подъемных канатов, приложенная к концу хобота или стрелы. Расчетная схема изображена на рисунке 11.

Т = Q_K tg α ,

где Q_K - вес груза и грузозахватного устройства;

α - угол отклонения канатов от вертикали.

Рис. 11 - Горизонтальная сила Т, возникающая при отклонении грузовых канатов

от вертикали

Ориентировочно угол можно находить по формулам:

для 1-го варианта нагрузок α ₁ » (0, 3…0, 5) α ₂,

для 2-го варианта нагрузок tg α ₂ » 0, 05 V ₁,

где V₁- окружная скорость вращения конца хобота (стрелы) при вращении крана, м/с.

9. Монтажные нагрузки. Возникают во время монтажа; в проекте монтажа должно быть указано максимальное давление ветра, при котором можно вести монтаж.

Исходные данные. Основные соотношения размеров балок

Для расчета на прочность можно выбрать любую из основных металлоконструкций: мост (пролетную часть), раму тележки, опоры портала, стрелу. Исходные данные, необходимые для расчета: грузоподъемность, режим работы крана, вес отдельных элементов, материал конструкции.

В качестве примера рассматривается металлоконструкция двухбалочного моста, схема которого приведена на рисунке 3 (из аналогичных конструкций состоят мосты козловых кранов).

ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ РАЗМЕРОВ ГЛАВНЫХ БАЛОК МОСТА:

1. Пролет подкрановых путей - L. При проектировании служит главным исходным размером.

2. База крана – С. Принимается в пределах: С = (0, 17…0, 22 L), что обеспечивает движение кранового моста без перекосов.

3. Колея тележки – А. Принимается в пределах А = (0, 08…0, 1) L.
При больших высотах подъема в связи с увеличением габаритов барабана размер А принимают до 0, 15L.

4. Скосы в нижних поясах пролетных балок принимают в пределах
0, 15 L для снижения веса и удобства стыковки с концевыми балками.

5. Высота концевой балки Н_К для предварительной компоновки принимается в пределах 0, 5 Н, а ее ширина - Д – принимается в зависимости от расстояния между полубуксами колес.

Для предварительной компоновки элементов коробки двухбалочного моста (мостового крана, перегружателя, козлового крана) принимаются следующие соотношения [2]:

Высота балки (общая) Н = ( ¹/₁₆ …¹/₂₀) L ;

Ширина балки В = (0, 5…0, 3) Н ³ 350 мм;

Толщина пояса d _П= 0, 02 В ³ 5 мм :

Толщина стенки d _С= 0, 006 Н ³ 5 мм.

Определив основные размеры балок моста, можно выполнить общую компоновку, после чего производятся расчеты на прочность и выносливость по максимальным нагрузкам рабочего состояния крана. При этом если принятые решения не соответствуют условиям прочности, то необходимо проработать иной вариант металлоконструкции: изменить размеры балок, профили сечений, материалы, виды сварных швов.

Прочность сварных швов монтажных стыков принимается равной прочности основного металла моста.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА:

1. Режим работы – средний (вариант нагружения – II, см. раздел 3.1.1)

2. Материал главных и торцевых балок – Ст.3.

Основные допускаемые напряжения:

- на растяжение, сжатие, изгиб s_Т = 210 МПа;

- на срез τ = 130 МПа;

- на смятие торцов (при наличии пригонки) s_см = 320 МПа;

- на смятие при плотном касании s_см = 160 МПа;

Условие прочности: s ≤ s_Т / n = [s],

где s_Т – предел текучести, n = 1, 3…1, 4 - коэффициент запаса прочности (таблица 2 - для случаев I, II, III).

[s] = 210 / 1, 3 = 161 МПа; [s_см] = 160 / 1, 3 = 124 МПа

3. Вес груза Q = 20 т; Вес тележки G_Т= 0, 3Q = 6 т; (для предварительных расчетов); Вес моста G_М = 16 _Т (принимаем равным 0, 8…1, 2 Q ) [2];

4. Пролет L = 12 м;

5. Высота подъема груза h = 6, 2 м;

6. Скорость подъема – 15 м/мин / 60 с = 0, 25 м/с.

ОПРЕДЕЛЯЕМ ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ (компоновочные)

· База крана С = 0, 2 L = 0, 2 · 12 = 2, 4 м.

· Колея тележки А = 0, 1 L = 1, 2 м.

· Скосы 0, 15 L = 0, 15 · 12 = 1, 8 м.

· Высота главной балки (общая) Н = ¹/₁₆ L = 12 /16 = 0, 7 м

· Высота концевой балки Н_К = 0, 5 Н = 0, 35 м

· Ширина балки В = 0, 4 Н = 0, 4 · 1, 2 = 0, 48м ( ³ 350 мм)

· Толщина пояса d _n = 0, 02 В = 0, 02 · 0, 48 = 9, 6 принимаем 10 мм

· Толщина стенки d_С= 0, 006 _Н= 4, 2 мм -принимаем 5 мм.

Расчет торцевых балок

РАСЧЕТ ТОРЦЕВЫХ БАЛОК НА ИЗГИБ

Торцевые балки изгибаются в вертикальной плоскости под действием опорных давлений главных балок. Эти давления можно считать равными для обеих сторон моста [3]. Поперечная сила распределяется поровну между опорами главных балок, как показано на рисунке 14.

Рис. 14. Расчетная схема для торцевой балки

Величина поперечной силы рассчитывается по формуле

;

Изгибающий момент для торцевой балки двухбалочного моста:

М_И = 0, 5 F_П (С – A),

где С - база крана, А –колея тележки (см. раздел 3.3.1)

М_И = 0, 5 ·280 000 (2, 4 - 1, 2) = 168 кН м.

Осевой момент инерции торцевой балки (высота Н_К = 0, 35м = 35 см) рассчитываем по формуле

Здесь h_C= H_K- 2 δ _п.

Момент сопротивления сечения:

W_x_-_x = 2J_x_-_x / H_К = 2 · 34685см⁴ / 35 см= 1982 см³.

Напряжения изгиба в торцевой балке:

Торцевые балки подвергаются еще и изгибу в горизонтальной плоскости при торможении тележки и при перекосе моста, поэтому при их расчете принимают повышенный запас прочности n = 1, 7. Допустимые напряжения на изгиб для нашего примера: [s_и] = 210 МПа / 1, 7 = 131 МПа.

Сравнение расчетного напряжение с допустимым показывает, что условие прочности выполняется.

Н.Н. Эльяш

МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ

ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

Электронное учебное пособие (конспект лекций)

Екатеринбург 2015

УДК 621.874

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН…………………………..................
2.1. Виды металлоконструкций кранов, основные характеристики
2.2. Типы и конструкции подкрановых балок………………............
2.3. Материалы, сортамент, сечения металлоконструкций кранов..
2.4. Соединения металлоконструкций………………………………
2.4.1. Сварные соединения………………………………………
2.4.2. Заклепочные и болтовые соединения…………………….
2.5. Основные принципы технологии монтажа, эксплуатации и ремонта металлоконструкций………………………………….
2.6. Виды и средства контроля металлоконструкций……………..
2.6.1. Характеристика дефектов сварных соединений………
2.6.2. Способы неразрушающего контроля сварных соединений………………………………………………..
3. РАСЧЕТ КРАНОВЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
3.1. Нагрузки на металлоконструкции кранов……………………
3.1.1. Режимы работы кранов…………………………………..
3.1.2. Виды нагрузок……………………………………………
3.2. Методики расчета металлических конструкций………………
3.2.1. Расчет по предельным состояниям……………………...
3.2.2. Расчет по допускаемым напряжениям………………….
3.3. Расчет металлоконструкций двухбалочного мостового крана..
3.3.1.Исходные данные для расчета. Основные соотношения размеров мостовых балок………………………………..
3.3.2. Проверка на прочность главной балки………………...
3.3. 3Расчет торцевых балок……………………………...........
3.3.4. Проверка соединений металлоконструкции на срез…..
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………….
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Задачи изучения данной дисциплины состоят в следующем:

· получить знания о конструкциях стержней, балок и ферм, применяемых в грузоподъемных механизмах.

· изучить основные методы проектирования и расчета металлоконструкций, их элементов и соединений.

· овладеть навыками выполнения расчетов элементов металлоконструкций на прочность и на устойчивость.

Классификация подъемно-транспортных машин

Подъемно-транспортныемашины можно разделить на три основные группы: подъемники, перемещающие груз в вертикальном или наклонном направлении; крановые устройства (машины, перемещающие груз как в вертикальном направлении, так и в горизонтальном); машины безрельсового транспорта, перевозящие груз в горизонтальном или близком к нему направлении, а также машины, оборудованные грузоподъемными устройствами. Классификационная схема грузоподъемных механизмов приведена на рисунке 1.

Рис.1. Классификация грузоподъемных механизмов

Крановые устройства бывают поворотные и неповоротные; первые, в свою очередь, делятся на передвижные и гораздо реже - стационарные. Передвижные бывают на рельсовом ходу (портальные, башенные, железнодорожные краны) и на безрельсовом ходу (пневмоколесные или автокраны, гусеничные, плавучие, на понтонах). К неповоротным крановым устройствам относят мостовые краны, которые имеют наиболее широкую область применения в цехах предприятий, мастерских, на складах, эстакадах и т.п. [1]. Металлоконструкции кранов бывают балочные, ферменные и смешанные.

Балки – это металлоконструкции, работающие, в основном, на изгиб. Фермы – металлоконструкции, состоящие из стержней, работающих под осевой нагрузкой. Смешанные конструкции включают балочные и ферменные элементы.

Балки более технологичны и надежны, имеют меньшие строительные высоты. Фермы легче и имеют меньшее время затухания колебаний.

Балки применяют в металлоконструкциях малых и средних размеров (стационарные поворотные краны, консольные краны, кран-балки, мостовые краны), в которых увеличение веса еще невелико, при серийном производстве и при тяжелых режимах эксплуатации, нуждающихся в повышенной надежности. Фермы целесообразны для средних и больших размеров (башенные краны, козловые краны, перегружатели), при индивидуальном производстве и ненапряженных режимах эксплуатации [2].

Интенсификация использования кранов и повышение роли технологичности создали устойчивую тенденцию расширения области применения балок.

12 3 4 5 6 Следующая ⇒