Стрела крана

Размещено на http://www.allbest.ru

Сибирский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Подъёмно-транспортные, путевые,

строительные и дорожные машины»

Стрела крана

Курсовая работа по дисциплине «Строительная механика и металлические конструкции машин»

Пояснительная записка

СМиМК.ММ311.03.00.00.00 ПЗ

Выполнил:

студент гр. ММ 311

Автухов А.В.

2017

1. Составление конструктивной схемы металлоконструкции

Цели расчёта: определение основных размеров, типа конструкции, обеспечение возможности транспортировки конструкции.

Размеры стрелы принимаем по следующим рекомендациям:

Высота стрелы по середине длины h, м, [2]:

h = (1/20…1/30)l, (1.1)

где - длина стрелы, м.

Принята высота стрелы h = 0,7 м.

Ширина сечения стрелы на опоре:

b₀ = h_k(1/10…1/15), (1.2)

металлоконструкция сталь стрела жесткость

Высота сечений у концов стрелы h_k = 0,25 м.

Принята ширина сечения b₀ = 1,5 м.

Ширина стрелы у головной части b_k = 0,8.

Оптимальный угол наклона раскосов, б = 40…50 град, [2].

Принято: б = 45 град.



2. Выбор стали и определение расчётных характеристик

Цели расчёта: определение марки стали, определение метода расчёта и расчёт характеристик.

Материал для металлоконструкций машин должен быть прочным, упругим, должен сопротивляться циклическим и ударным воздействиям, как при положительных, так и при отрицательных температурах, обладать коррозийной стойкостью и хорошей свариваемостью. [1]

Указанным требованиям соответствуют стали с содержанием углерода не более 0,22…0,25%, [1].

Стали с большим содержанием углерода, несмотря на высокую прочность, для металлоконструкций не принимаются из-за склонности к хрупкому разрушению и плохой свариваемости.

По вышеперечисленным рекомендациям принята низколегированная сталь 16Г2АФ в химический состав которой входят: углерод - до 0,16%, марганец - 2%, кремний - менее 1%, никель.

Допускаемое нормальное напряжение , МПа [3]:

, (2.1)

где - предел текучести стали, МПа; - коэффициент запаса прочности; [3]

МПа. (2.2)

Допускаемое нормальное напряжение по смятию [],МПа:



, (2.3)

МПа.

Допускаемое касательное напряжение сварного шва на срез ,МПа:

, (2.4)

где - допускаемое напряжение растяжению основного материала, = 314 МПа;

МПа.

Допускаемое касательное напряжение ,МПа.

, (2.5)

где - допускаемое напряжение стали, = 314 МПа;

МПа.



3. Определение действующих нагрузок в соответствии с принятыми расчётными состояниями

Расчет усилий в элементах стрелы произведен при максимальных рабочих нагрузках: разгон или торможение механизма поворота крана. При расчете на стрелу действуют вертикальные и горизонтальные нагрузки. Расчетная схема стрелы и эпюры поперечных, продольных сил и изгибающих моментов приведена на рисунке 1. Расчет стрелы крана произведен в APM WinMachine, результаты приведены на рисунках 4.1-4.2.

Рисунок 1 - Расчетная схема стрелы.

Цели расчёта: определение основных случаев нагружения и сочетания нагрузок.

Распределенная нагрузка от силы тяжести стрелы в вертикальной плоскости:

(3.1)



где - сила тяжести стрелы, кН(кН); - длина стрелы, м (м) ;

.

Вертикальная расчетная нагрузка от силы тяжести груза:

, (3.2)

где- номинальная грузоподъемность, Q = 630 кН, g - сила тяжести крюковой подвески, кН;

кН. (3.3)

кН.

Силы инерции масс стрелы и груза в горизонтальной плоскости, возникающие при повороте стрелы, приняты равными 10% от соответствующих вертикальных нагрузок.

Сила инерции массы стрелы:

, (3.4)

кН.

Сила инерции массы груза:

, (3.5)

.

Максимальная ветровая нагрузка Pв, Н, [4]:

P_в = P_в^с + P_в^д

где P_в^с - статическая составляющая ветровой нагрузки; P_в^д - динамическая составляющая ветровой нагрузки.

Статическая составляющая ветровой нагрузки P_в^с, Н, [4]:

P_в^с = ?(p_в^hA_н), (3.7)

где p_в^h - распределённое давление ветра; A_н - расчётная наветренная площадь конструкции или груза.

Распределённое давление ветра p_в^h, Па, [4]:

p_в^h = q_вkcn₇, (3.8)

где q_в - динамическое давление ветра, q_в = 125 Па, [4]; k - поправочный коэффициент, учитывающий изменение динамического давления, k = 1; [4]; c - коэффициент аэродинамической силы, (для стрелы с =1,6; для груза с =1,2), [4]; n₇ - коэффициент перегрузки, n₇ = 1, [4].

Для стрелы: p_в^h = 125?1?1,6?1 = 200 Па.

Для груза: p_в^h = 125?1?1,2?1 = 150 Па.

A_н^с = ц₃A_б, (3.9)

где ц₃ - коэффициент заполнения, ц₃ = 0,4, [4]; A_б - площадь передней грани с наветренной стороны конструкции,

A_н^с = 0,4?7,13 = 2,85 м².

А_н^г=28 м²[5]

P_в^с = 200?2,85 = 570 Н.

P_в^г = 150•28=8700 Н

P_в^д = 3m_пж_вP_в^с, (3.10)

где m_п - коэффициент пульсации скорости ветра, m_п = 0,12, [4]; ж_в - коэффициент динамичности, ж_в = 1,75, [4].

P_вс^д = 3?0,12?1,75? 570 = 360 Н.

P_вг^д =3?0,12?1,75? 8700 = 5481 Н.

P_вс = 570 + 360 = 930 Н.

P_вг= 8700 + 5481 = 14,2 кН.

Сила, действующая на канат механизма подъема груза:

, (3.11)

где m - кратность полиспаста, :

Сила от раскачивания груза, кН:

, (3.12)



где б?- угол отклонения груза, [4].

кН.

Центробежная сила стрелы, кН:

, (3.13)

где - масса соответствующего элемента,??- угловая скорость поворота стрелы, = 0,1 с^-1[4]; r - расстояние от оси поворота до центра тяжести стрелы в расчетном положении, r = 2,1 м.

кН.

Центробежная сила груза, кН:

,

кН.



4. силовой расчет стрелы

Расчет усилий в элементах стрелы произведен в программном модуле Stracture3D. Системы АРМ WinMachine [5]. Расчетная схема стрелы приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1- Пространственная расчетная схема стрелы

Распределение усилий в элементах стрелы показано на рисунке 4.2, перемещения - на рисунке 4.3.

Рисунок 4.2 - Усилия в элементах стрелы

Рисунок 4.3 - Перемещения стрелы



5. ПОДБОР ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ СТРЕЛЫ

Пояса стрелы воспринимают продольные силы и изгибающие моменты. Расчеты ведутся в наиболее нагруженном сечении стрелы у основания опорного шарнира.

Местная устойчивость проверена исходя из условия:

, (5.1)

5.1 Выбор сечения пояса

Таблица № 1 - индекс стержня 57 (Rod 75)

Узел	Сила [Н]	Момент [Н*мм]
	Fx (осевая)	Fy	Fz	Mx (кручения)	My	Mz
40	75505.18	-496.78	230.64	-10418.02	165208.53	-222699.84
8	75503.34	-437.61	230.64	-10418.02	70026.50	71384.48

Подбор поперечного сечения пояса произведем из условия жесткости для сжатых элементов:

, (5.2)

где-предельная гибкость для пояса, =80..100, - коэффициент, зависящий от характера закрепления концов стержня; длина участка.

Из формулы (5.2) определен минимальный радиус инерции:

Принят уголок №8 со следующими характеристиками:

А = 12,3 см2 - фактическая площадь сечения;

i min = 1,57 см - минимальный радиус сечения;

d = 8 мм - толщина полки;

i = 2,44 см - радиус инерции;

I = 73,4 cм4 - момент инерции;

b = 80 мм - ширина полки.

z₀ = 2,27 cм.

В зависимости от и принят [6]

где - коэффициент продольного изгиба зависит от и расчетного сопротивления стали R_y.

Определен момент сопротивления W, см²:

(5.3)

Проверка местной устойчивости пояса (4.1):

309•10⁶



5.2 Выбор сечения уголка для раскосов

Подбор поперечного сечения раскосов произведем из условия жесткости для сжатых элементов:

, (5.4)

где-предельная гибкость для раскосов, =120..150, - коэффициент, зависящий от характера закрепления концов стержня; длина участка.

Из формулы (5.2) определен минимальный радиус инерции:

Принят уголок № 5.6 со следующими характеристиками:

A = 5,41 см² - фактическая площадь сечения;

i_min = 1,1 см - минимальный радиус сечения;

t = 5 мм - толщина полки;

i = 1,72 см - радиус инерции;

I = 16 см⁴ - момент инерции;

b = 56 мм - ширина полки;

z₀ = 1,57 см - расстояние от центра тяжести до наружной грани полки.

Таблица № 2 - индекс стержня 95 (Rod 120)

Узел	Сила [Н]	Момент [Н*мм]
	Fx (осевая)	Fy	Fz	Mx (круч.)	My	Mz
5	-22089.91	94.12	-114.29	520.08	-10107.37	10973.86
46	-22090.71	145.15	-114.29	520.08	4077.96	-3874.22

Подбор поперечного сечения производится из условия жесткости сжатых элементов.

В зависимости от и принят

Проверка по формуле (5.1):

Условие выполняется.

5.3 Выбор сечения стойки

Подбор поперечного сечения стойки произведем из условия жесткости для сжатых элементов:

, (5.5)

где-предельная гибкость для пояса, =120..150, - коэффициент, зависящий от характера закрепления концов стержня; длина участка.

Из формулы (5.5) определен минимальный радиус инерции:



Принят уголок № 3.2 со следующими характеристиками

A = 2,43см² - фактическая площадь сечения;

i_min = 0,62 см - минимальный радиус сечения;

t = 4 мм - толщина полки;

i = 0,96 см - радиус инерции;

I = 2,26 см⁴ - момент инерции;

b = 32 мм - ширина полки;

z₀ = 0,94 см - расстояние от центра тяжести до наружной грани полки.

Таблица № 3 - индекс стержня 15 (Rod 18)

Узел	Сила [Н]	Момент [Н*мм]
	Fx (осевая)	Fy	Fz	Mx (круч.)	My	Mz
9	19679.48	1165.38	-341.85	-24674.10	-12552.46	45351.32
12	19675.96	1165.38	-341.85	-24674.10	-11698.83	42449.29

В зависимости от и принят

Проверка по формуле (5.1):

Условие выполняется.



6. РАСЧЕТ ОБЩЕЙ УСТРОЙЧИВОСТИ СТРЕЛЫ

Общая устойчивость стрелы рассчитывается в вертикальной плоскости по среднему сечению и в горизонтальной плоскости по опорному сечению.

6.1 Определение геометрических параметров стрелы

Момент инерции сечения стрелы I, см⁴:

, (6.1)

. (6.2)

где I₁ - момент инерции одного уголка пояса, см⁴; ,- расстояние между уголками; А - площадь сечения одного уголка, A =см².

Радиус инерции i,см определен по формуле:

(6.3)

Все результаты сведены в таблицу 1.

Таблица № 6.1 - Геометрические характеристики сечений

Сечение	А, см2	Ix, см4	ix, см	Iy, см4	iy, см4
А-А	12,3	7981,1	25,5	79013,6	80,15
Б-Б	12,3	60563,6	70,2	162961,1	115,1
В-В	12,3	7981,1	25,5	27704,4	47,46



6.2 Определение усилий в сечениях стрелы

Изгибающий момент в сечении стрелы Мс приближенно может быть определен:

(6.4)

где N₁ и N₂ - усилия в поясах рассматриваемой панели решетки стрелы для соответствующей плоскости; а - расстояние между поясами.

Для среднего сечения (рисунок 6.1) изгибающий момент равен (6.4):

Для опорного сечения (рисунок 6.1) изгибающий момент равен:

Рисунок 6.2 - Усилия в поясах наиболее нагруженной панели горизонтальной решетки у опорного сечения стрелы



Продольное усилие Nc в сечении стрелы приближенно может быть определено:

(6.5)

где R1 и R2 - реакции в корневых опорах стрелы

6.3 Определение общей устойчивость стрелы в вертикальной плоскости

Гибкость стрелы в вертикальной плоскости как сплошностенчатого стержня постоянного сечения:

(6.6)

где - приведенная расчетная длина стрелы; - максимальный радиус инерции.

, (6.7)

где м₁ - коэффициент приведения длины стержня в вертикальной плоскости;

м =1 [6].

Коэффициент м₁ определяется [5, таблица 7.2] в соответствии с параметрами:



; (6.8)

Приведенная гибкость стрелы относительно оси X:

, (6.9)

где - площадь сечения уголка раскоса, см²,- коэффициенты зависящие от угла наклона раскосов в плоскостях, перпендикулярных осям X и Y.

принято равным 0,905.

Условие устойчивости стрелы:

, (6.10)

,

.

Условие устойчивости выполняются.

Гибкость стрелы относительно оси Y:

По таблице 5.3. определен .

;

(6.11)

,

Приведенная гибкость стрелы определяется по формуле (5.9):

Принято

Проверка устойчивости по формуле (4.9):

Устойчивость достаточна, так как разница меньше 5%. Условие выполняется.



7. РАСЧЁТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ УЗЛОВ

7.1 Расчет и конструирование сварных соединений

При конструировании узлов стрелы крана производится расчет прикрепляемых элементов решетки к поясам. Эти расчеты сводятся к определению необходимой длины сварных швов по максимальному усилию, действующему в прикрепленном элементе.

Общая минимальная длина сварных швов в одном соединении не должна быть менее 40 мм, а перехлест соединяемых элементов должен быть не менее пяти толщин наиболее тонкого из них или - четырех катетов шва, т.к. при меньшем перехлесте швы быстро растрескиваются.

Условие прочности углового сварного шва:

(7.1)

где N - усилие, действующее на присоединяемый элемент; А_ш - площадь сварного шва; в - коэффициент провара сварного шва, в = 0,8 - для однопроходной полуавтоматической сварки; k_ш - катет углового шва; l_ш - длина сварного шва; [ф_ш] - допускаемое напряжение сварного шва при сдвиге (п. 2 (2.4)), [ф_ш] = 188 МПа.

Из (7.1) длина сварного шва:

. (7.2)

Обычно к расчетной длине шва добавляют 10 мм на непровар в начале шва и на кратер в конце.

Катет шва обычно назначается минимально возможным, исходя из максимальной толщины соединяемых элементов [5].

Сварные швы, прикрепляющие фасонку к поясу, выполняются непрерывными по всей длине перехлеста. Их расчет при неразрезанном поясе производится на действие усилия, равного разности усилий в соседних панелях пояса - N_п = N'_п - N”_п.

Расчет соединений ведется для наиболее нагруженных элементов решеток.

Определение длины шва, прикрепляющего стойку к поясу.

Действующее усилие в стойке N_c = 19,6 кН. Минимально допустимый катет, исходя из толщины пояса (см. п. 5.1) может быть принят 4 мм [5, таблица 10.3].

По (7.2) длина шва:

м.

Длина шва меньше минимально допустимой (40 мм).

Для обеспечения необходимого нахлеста стойки на пояс и надежности соединения сварку следует выполнять двумя фланговыми швами. Шов, присоединяющий прилегающую полку уголка стойки, выполняется минимальной длины 40 мм, так как испытывает меньшее усилие, а шов, присоединяющий выступающую полку уголка с большим усилием, согласно рекомендациям [5], - 100 мм. Ширины полки поясного уголка для расположения швов достаточно.

Определение длины шва, прикрепляющего раскос к поясу.

Действующее усилие в раскосе (таблица 3) N_р = 22,6 кН. Минимально допустимый катет, исходя из толщины пояса (см. п. 5.1) может быть принят 4 мм [5, таблица 10.3].

По (7.2) длина шва:



м.

Так как длина шва незначительна, принимаем длины швов и их расположение таким же, как для стойки.

Определение длины шва, прикрепляющего фланец к поясу.

Действующее усилие в поясе у стыка секций (рисунок 4.2) N_п = 75 кН. Минимально допустимый катет, исходя из толщины фланца может быть принят 6 мм [5, таблица 10.3].

По (7.2) длина шва:

м.

Данное соединение является тавровым и сварка производится по замкнутому контуру поперечного сечения пояса, что значительно превышает требуемую длину сварного шва.

Рисунок 7.1- Схема крепления раскосов к поясному уголку в сечении Г-Г.

7.2 Расчет болтового соединения

Для обеспечения транспортирования стрелы, как на автомобильном, так и на железнодорожном транспорте проектируемая стрела разделена на секции. Соединение секций предполагается выполнять на высокопрочных болтах, устанавливаемых на фланцы.

Стык секций воспринимает, как продольные усилия, так и поперечные усилия соединяемых элементов (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 - Схема нагружения болтового соединения на фланце

Для исключения сдвига элементов от поперечных усилий Q должна быть обеспечена затяжка высокопрочных болтов, создающая необходимую силу трения между фланцами:

, (7.3)

где Т - расчётное усилие, создаваемое поверхностью трения фланца, Т_б - то же при действии одного болта; Р_б - осевое усилие натяжения высокопрочного болта; n_б - число болтов; m_см - коэффициент, учитывающий возможное уменьшение натяжения болта из-за обмятия поверхности контакта, m_см = 0,9; µ - коэффициент трения, принимаемый в зависимости от обработки, соединяемых поверхностей, µ = 0,35 [5].

Рисунок 7.3 - Усилия в наиболее нагруженном фланцевом соединении

Из (7.3):

(7.4)

Суммарное поперечное усилие в стыке (рисунок 7.3):

.

При принятии n_б = 3 получим (7.4):

.

Необходимая площадь болта определяется из условия:

, (7.5)

где N_б - продольное усилие, приходящееся на один болт (N_? = 166 кН - рисунок 7.3), N_б = 55,5 кН; А_нт - площадь болта нетто (по резьбе); у_bВ - временное сопротивление разрыву стали высокопрочного болта после термической обработки, 800 МПа для стали 30 [5].

Из (7.5) получим:

м².

Тогда диаметр болта d_b равен:

м.

Так как высокопрочные болты такого размера не выпускаются принимаем минимальный размер 16 мм - болт М16.

7.3 Расчет и конструирование проушины

Рисунок 7.4 - Конструкция проушины



Размеры проушины назначают в соответствии с принятым диаметром оси шарнирного соединения, который изначально определяется исходя из действующего усилия при работе на срез с учетом количества плоскостей среза.

Материал проушины соответствует материалу стрелы - 16Г2АФ с [у_T] = 314 МПа (п. 2 (2.1)).

Максимальная нагрузка, действующая на шарнир, определяется реакциями в наиболее нагруженной корневой опоре (рисунок 6.4). Реакции в вертикальной плоскости приведены в таблице 7.4.

Таблица 7.4. Реакции в вертикальной плоскости.

Rх, кН	Ry, кН
15,3	220,7

Условие прочности оси при работе на срез:

, (7.6)

где F - нагрузка, действующая на шарнир; n_ср - число рабочих срезов оси, n_ср = 2; d - диаметр оси; [ф_ср] - расчётное сопротивление и допускаемое напряжение срезу для материала оси (см. п. 2 (2.5)), [ф_ср] = 167 МПа.

Из (7.6) получим:

(7.7)

Тогда диаметр оси равен:



м.

Принимаем размер диаметра 35 мм.

Суммарная ширина проушин b определяется из расчета листов проушин или колец (накладных, врезных) на смятие:

(7.8)

где [у_см]- допускаемое напряжение и расчётное сопротивление смятию в цилиндрических шарнирах (см. п. 2 (2.3)), [у_см] = 220 МПа.

Из (7.8) получим ширину b:

м.

По рекомендациям [5, таблица 10.2] толщина опорного листа стрелы принимается равной 12 мм, а для обеспечения требуемой ширины проушины 26 мм в него устанавливается врезное кольцо. Наружный диаметр врезного кольца D принимается в диапазоне (2,5…3,5)d [5] - D= 3,5d = 122 мм.

Прочность кольца проушины должна быть проверена по наибольшим нормальным напряжений у_1,2, возникающих на их внутренних волокнах, по формуле (при посадках не более H11/d9):

(7.9)

где k_б ? 3…4 - коэффициент концентрации напряжений (для угла распределения напряжений б = 0…20? и соотношения D/d = 2,5…3,5); 0,85у_т - предел пропорциональности для стали, 0,85ут = 374 МПа.

МПа

326 МПа < 374 МПа

Условие выполняется.



Список использованных источников

СТО СГУПС 01.01-2012. Курсовой и дипломный проекты. Требования к оформлению. Новосибирск, 2000. 41 с.

Проектирование стрелы крана. Методические указания к выполнению курсовой работы по металлическим конструкциям. Новосибирск, 1981. 12с.

Выбор сталей для металлоконструкций машин. Методические указания / Сост. В. В. Картышкин, В. А. Глотов, Г.Ф. Тимофеев. Новосибирск, 1997. 20с.

Справочник по кранам. Т1. Под ред. А. И. Дукельского. Л, 1971. 400с.

Металлические конструкции. Методические указания к практическим занятиям. Сост. В. А. Глотов, Г. Ф. Тимофеев. Новосибирск, 1998. 25с.

СниП 11-23-81. Нормы проектирования. Стальные конструкции. М, 1982. 26с.

Металлические конструкции. Справочные материалы к практическим занятиям и курсовому проектированию. Сост. В. А. Глотов, Г. Ф. Тимофеев. Новосибирск, 1998. 26с.

Размещено на Allbest.ru

...