Описание устройства механизма подъёма крана

1. ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА  МЕХАНИЗМА ПОДЪЁМА.

 

Механизм подъёма  крана представляет собой специальную  лебёдку, состоящую из электродвигателя 1, муфты 2 соединяющая двигатель с трансмиссионным валом  3, муфта с тормозом  4 соединяющая трансмиссионный вал с ведомым валом редуктора 5, ведомый вал через муфту 6 соединён с приводным барабаном 7, полиспаст 8 – это система подвижных и неподвижных блоков объединённых гибкой связью, канатом или цепью, полиспаст соединён с крюком ( лист.1).

Полиспаст, в механизме  подъёма, применён для получения  выигрыша в силе, который состоит, из системы подвижных и неподвижных блоков, связанных между собой канатом. Поскольку груз при этом висит на нескольких ветвях каната, то усилие в канате уменьшается во столько раз, сколько ветвей каната держат груз. Соответственно требуется канат меньшего диаметра, и как следствие этого, меньшего диаметра и барабан. С уменьшением диаметра барабана уменьшается также потребное передаточное число редуктора, так как возрастёт частота вращения барабана. Всё это упрощает конструкцию механизма подъёма,  делая её более лёгкой и компактной. На кранах обычно применяются сдвоенные полиспасты (на барабан наматываются две ветви каната), что обеспечивает строго вертикальный подъём груза.

Заданные параметры  для проектирования:

Грузоподъёмность – 

Режим работы  -               тяжёлый.

Кратность полиспаста  -     .

Высота подъёма  -           

Скорость подъёма  - 

2. РАСЧЁТ И ВЫБОР  КАНАТОВ.

Для обеспечения строго вертикального подъёма груза применяются сдвоенные полиспасты,  у которых на барабан наматываются две ветви. Число ветвей каната, на которых висит груз, зависит от грузоподъёмности крана. Чем больше число ветвей тем меньше усилие в канате, на барабане, а следовательно, меньше диаметр каната и барабана, меньше диаметр вала и размеры подшипников вала. Однако с увеличением числа ветвей увеличивается и число блоков, а это усложняет и утяжеляет подвеску. В данном случае грузоподъёмность крана равна         Основываясь на практике принимаем количество ветвей равное 4. Величина этого выигрыша характеризуется кратностью полиспаста и определяется по формуле.

⟹

где  Z – число ветвей, на которых висит груз (в данном случае Z=4);             – число ветвей, наматываемых на барабан (для сдвоенного полиспаста  .) В данном случае, исходя из условия, будет использоваться сдвоенный полиспаст.

.

При использовании  полиспаста скорость движения каната будет больше скорости подъёма груза (.  ). Максимальное усилие в канате в точке  набегания  его на барабан определяется по формуле:

 

где Q – грузоподъёмность, кг;

  – КПД полиспаста;

- КПД неподвижных блоков=0,98 (n - число таких блоков приходящихся на одну ветвь каната)

Расчётное разрывное  усилие в канате согласно правилам Госгортехнадзора определяется как  : где 

- коэффициент запаса прочности, (при тяжёлом режиме равен 6,0.)

.

Окончательно канат  выбирается по таблицам ГОСТа ближайшего большего разрывного усилия. В данном случае имеем  ( - диаметр каната). Предел прочности стали  1764 МПа.

3.ВЫБОР КРЮКА И РАСЧЕТУПОРНОГО ПОДШИПНИКА.

В мостовых кранах общего назначения применяются  кованые однорогие крюки, которые  могут быть укороченного или удлиненного  типа. Для проектируемой крюковой подвески принимается удлинённый крюк (рис.1).  Крюк выбирается по ГОСТу 6627-74 в зависимости от грузоподъёмности и режима работы.

 Выбираем крюк под номером 17;       

 

 

Крюк с помощью  подшипника и гайки устанавливается  в траверсе блочной подвески (рис.2). Упорный подшипник выбирается по диаметру хвостовика крюка и статической грузоподъёмности подшипника (вращение крюка является только установочным.)

 

 

Рис 1

 

Статическая грузоподъёмность определяется по формуле:

 

где – динамический коэффициент;

 –грузоподъёмность крана;

- ускорение свободного падения.

Для крюков применяются однорядные шариковые упорные подшипники по ГОСТу – 6874-75. Выбираем тип подшипника 8214.

Размер подшипника:

 

Упорный подшипник  верхним кольцом устанавливается  с натягом на хвостовик крюка. Нижнее кольцо имеет внутренний диаметр  на 0,2 мм больше, чем верхнее, поэтому  оно свободно охватывает хвостовик  крюка. Упорный подшипник удерживается на хвостовике гайкой, которая навинчивается  на резьбовую часть хвостовика.

 

4.РАСЧЁТ ГАЙКИ КРЮКА.

Гайка крюка выполняется  с уширением нижней части, которая  охватывает упорный подшипник. Наименьший диаметр гайки определяется по формуле:

.где 

 

По правилам безопасности стопорение гайки может осуществляться только при помощи планки, которая устанавливается в шлице на торцевой части хвостовика и крепиться болтами в тело хвостовика или гайки.

 

 

 

 

 

 

5.РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДВЕСКИ.

Траверса подвески служит для крепления крюка и  блоков подвески (рис 2) . Траверса работает на изгиб. Расчёт на прочность ведется по двум опасным сечениям А-А; В-В.

Рис. 2

                                                 

Максимальный изгибающий момент в сечении А-А и сечении В-В определяется по формулам:

 
где 

150 мм- средняя часть траверсы

 

 

Траверса обычно изготавливается из стали 40-45 с пределом выносливости 250…260 МПа. Поскольку траверса работает в пульсирующем цикле, то допускаемое напряжение для предварительного расчёта определяем по упрощенной формуле:

 

где  коэффициент, учитывающий конструкцию детали

(для валов, осей  и цапф  );

  – допускаемый коэффициент запаса прочности ( для тяжёлого режима =1,7).      

 

Параметры траверсы определяются проектным расчетом из условия прочности при изгибе

 

где  М- момент в расчетном сечении

W- момент сопротивления расчетного сечения

- допускаемое напряжение изгиба

Момент сопротивления  в сечениях А-А и В-В( см рис2)

 

; можно принять  равную как: D+(10….15)мм

⟹

диаметр отверстия под хвостовик  крюка, равную как: D+(2…5)мм

 

Где D-наружный диаметр упорного подшипника

 

Исходя из условия  прочности, необходимая высота траверсы будет равна:

 

Необходимый диаметр  цапфы определяется по формуле:

 

6.РАСЧЁТ БЛОКОВ ПОДВЕСКИ.

Блоки служат для  поддержания и изменения направления  их движения. Перегиб каната на блоках является одной из причин износа канатов, поэтому, чем меньше диаметр блока, тем больше износ каната.

 

Минимально допустимый диаметр блока определяется по формуле:

 
где – диаметр каната, мм.

- коэффициент, учитывающий допустимый перегиб каната на барабане, для тяжёлого режима .

 

Рис3

Профиль канавок  блоков принимается по нормалям в  зависимости от диаметра каната.(Рис3) Каждый блок устанавливается на двух шариковых радиальных подшипниках.

Расчет  подшипника:

Нагрузка  на один подшипник при максимальном грузе  вычисляется по формуле:

 

где - динамический коэффициент; - число блоков в подвеске; - коэффициент вращения (при вращении наружного кольца подшипника )

Однако в связи  с тем, что кран работает с разными  грузами, расчёт следует вести по эквивалентной нагрузке, которую  с достаточной точностью можно  определить по следующей формуле:

 

где - коэффициент приведения ( для ТР равный 0,75);

 

Требуемая долговечность  подшипника  L (в млн. оборотов) определяется по формуле:

 

где - долговечность подшипника, равная 5000 часам (для тяжёлого режима); - частота вращения блока,  , которая вычисляется по формуле:

 

где  - скорость каната м/с; - скорость груза м/с; - кратность полиспаста; - диаметр блока, м.

Делаем вычисления:

 

 

Расчётная динамическая грузоподъёмность шарикового подшипника будет равна:

 

 

Подшипник выбирается по ГОСТу – 8338 – 75. Выбираем подшипник: Типоразмер 412 Рис.4

 

7.РАСЧЁТ БАРАБАНА.

Барабан служит для  навивки каната и создания тягового усилия. По технологии изготовления барабаны могут быть литыми (чугун марок  СЧ-15-32, СЧ-28-48, или сталь марок 25Л  и 35Л) либо сварными из стальных листов (Ст3). Сварные барабаны значительно  легче литых, но более трудоёмки  по изготовлению. Расчётными параметрами  барабанов являются: диаметр, длина, и толщина стенки. Диаметр барабанов определяется по той же формуле что и диаметр блоков. Для равномерной укладки каната на поверхности барабана наносятся винтовые канавки нормализованного профиля. При использовании сдвоенного полиспаста, когда на барабан наматываются две ветви каната, на одной половине барабана делается левая нарезка, на другой правая.

 В этом случае  при вращении барабана обе ветви либо наматываются, сдвигаясь к середине барабана, либо сматываются с барабана, смещаясь к его краям.

 

 

 

Расстояние между  центрами канавок, или попросту говоря шаг, принимается равным:

 , мм.

Рис.5

 Толщина стенки  при предварительном расчёте  может быть принята: 

для стальных барабанов   где - толщина стенки барабана,  - толщина каната, мм; Принятая толщина стенки должна быть проверена на сжатие по формуле:

 

где  - максимальное усилие в канате,

        - допускаемое напряжение сжатия, МПа.

(для стали марок   Ст.3 и 25Л – 240 МПа,).

Длина барабана при  использовании сдвоенного полиспаста (на барабан наматываются две ветви  каната) определяется по следующей  формуле:

 

где  мм– участок закрепления конца каната;

       - участок неприкосновенных витков трения (для уменьшения нагрузки на элементы крепления каната);

       - участок навивки рабочей ветви каната;

 

здесь - длина общей длины каната, наматываемой на барабан; - высота подъёма груза;  – кратность полиспаста;  - диаметр барабана.

 

       – длина концевой части барабана;

        - средний участок барабана, разделяющий левую и правую нарезки.

Длина среднего участка принимается такой, которая должна обеспечить угол набегания каната на барабан -не более  6 градусов.

 

.(230мм)

  , принимаем

 

В итоге длина  барабана равна:

 

 

8.РАСЧЁТ УЗЛА КРЕПЛЕНИЯ КАНАТА.

В механизмах подъёма  мостовых кранов крепление каната на барабане производится при помощи одноболтовых и двухболтовых прижимных планок (рис. 7). В случае применения одноболтовых планок независимо от расчета их должно быть не менее двух. Они устанавливаются с шагом в 60. 

Как уже указывалось  выше, для уменьшения нагрузки на прижимные  планки правилами предусматриваются  наличие запасных витков трения. С  учётом влияния этих витков усилие в канате перед прижимной планкой можно определить по формуле Эйлера:

 

где е – основание натуральных логарифмов;  f = 0,1…0,16 – коэффициент трения каната о барабан; – угол обхвата барабана витками трения      ( при ). 

 

Рис. 7

С учётом всех сил  трения, которые удерживают канат  на барабане, усилие в одном болте  может быть найдено по формуле:

 

где z – число болтов;  – коэффициент трения каната о планку  (при клиновой канавке планки

 

При диаметре каната до 12,5 мм принимают болты (шпильки) М12, до 15,5 – болты М16, до 17,5 – болты М20. Принятый болт проверяют на растяжение:

 

где – 1,3 коэффициент, учитывающий кручение и изгиб болта;  - коэффициент запаса крепления;  - площадь сечения болта, ;  - допускаемое напряжение растяжения для Ст.3.

 

Проверка  диаметра выбранного болта:

=

 

9.РАСЧЁТ ВАЛА БАРАБАНА

В современных конструкциях механизмов подъёма мостовых кранов, для обеспечения компактности, применяется  специальное зубчатое зацепление. В этом случае конец тихоходного вала редуктора выполнен в виде зубчатого венца, входящего в зацепление с другим венцом, укреплённым непосредственно на барабане. При таком соединении крутящий момент от вала редуктора передаётся через зубчатое соединение прямо на барабан, минуя вал барабана. В этом случае вал превращается в ось, так как не передаёт крутящего момента и работает только на изгиб. Нагрузка на ось барабана создаётся усилиями двух ветвей каната (рис8), которые наматываются на барабан ( весом, самого барабана можно пренебречь ). Таким образом, суммарная нагрузка на барабан составит:

 

где  - максимальное усилие в канате, (Н).

  Нагрузки от барабана на ось передаются через ступицы. Для предварительного расчёта можно принять эти нагрузки сосредоточенными по серединам ступиц и равными: