Розробка механізму підйому вантажу

 

 

Для прикладу візьмемо кран з такими даними

 

Q = 8т Lс = 12м

Нк = 4м V = 0,3м/с

А – 3 В – 4

n1 = 2 n2 = 1 n3 = 4

 

 

2.1 Загальну схему крана накреслити приблизно так, як показано на рисунку 1.

2.2 Кінематичну схему Вашого механізму зобразити на окремій сторінці, але з реальним розташуванням блоків і барабана відносно стріли і колони. Стрілу можна розмістити або горизонтально, або під кутом β=30˚. Блоки відхилення канатів механізмів підйому вантажа і зміни нахилу стріли вважати розміщеними на одній осі В, зміщеній відносно осі колони “назад” на відстань Нв.

 

Нв = (0,1... 0,2) Нк (1)

 

Можна взяти попередньо з запасом Нв = 0,2Нк.

Див. схему на рисунку 2

Нв = 0,8м

 

2.3 Визначити швидкість каната на барабані за формулою

 

Vк =V ∙ n (2)

 

V – швидкість підйому вантажу (задана),

n - передаточне число канатної системи;

 

n = n1 ∙ n2 (3)

n1 і n2 - передаточні числа поліспастів (в таблиці 1).

 

 

Рисунок 2 Кінематика канатної системи

 

 

n = 2∙1=2

Vк = 0,3∙2 = 0,6 м/с

 

2.4 Визначити максимальний статичний натяг каната на барабані;

 

(4)

 

Де G – сила ваги вантажу,

ŋn - ККD (коефіцієнт корисної дії) канатної системи.

 

В системі виміру СІ

G = 1000Q∙g (H)

Відповідно до [ 1 ]

 

 

(5)

 

Де ŋ1 - ККD одного блока на підшипниках кочення

 

G = 1000∙8∙9,8 = 78,4 ∙ 10³ Н

 

ŋ1 = 0,98

 

Попередньо вже можна визначити потужність приводу на барабані:

 

Р б = GV/ŋ_n (6)

або

Р _б = F_k ∙V_k (7)

P б = 40,4 ∙ 10³ ∙ 0,6 = 24,24 ∙ 10³ Вт

 

Результати обчислень за формулами (6) і (7) співставити для самоперевірки.

 

2.5 Вибрати канат за розривною силою Fp.

 

Fp = Fк ∙ Кк (8)

 

де Кк - коефіцієнт запасу прочності. Коефіцієнт Кк вибирається з довідників [ 1 ], [ 4 ] в залежності від умов і режиму його роботи,

 

Кк = 5...6

 

В нашому прикладі

 

Кк = 5,5

 

F p = 40,4 ∙ 10³ ∙ 5,5 = 222,2 ∙ 10³ Н

 

Для помірних навантажень (А=3) і інтенсивної роботи в часі (В=4) беремо канат марки ЛК-Р діаметром dк = 19,5 мм.

 

2.6 Діючі діаметри блоків і барабана визначаються за формулами

 

d бл = dк ∙ Ке (9)

D б =dк ∙ Кб (10)

 

Ке, Кб - емпіричні коефіцієнти [1], [4]

 

Ке =16...25

Кб = 20...30

 

Кількість канавок для троса на барабані

 

Z = Z1 + Z2 + Z3 (11)

 

де Z1 - кількість канавок для робочої довжини намотуваного троса,

Z2 - кількість канавок в запас,

Z3 - кількість канавок для закріплення троса на барабані

 

(12)

 

Робоча довжина намотуваного троса (найбільша з можливих)

 

l роб = n1 Lс (sinβ max – sinβmin) + n2 Lс (cosβmin - cosβ max) (13)

 

Z2 + Z3 = 7

 

Крок канавок на барабані

 

b = 1,15 ∙d_к (14)

 

Довжина барабана (без реборд)

 

Lб =Z·b (15)

 

Кутова швидкість барабана

 

ωб = 2Vк / Dб (16)

 

Крутильний момент на валу барабана

 

 

М*кр = Fк ∙Dб/2 (17)

Чисельно відповідно до (9)…(17)

 

 

d_бл = (19,5 ∙20) = 400 мм

 

D б = (19,5 ∙ 25) = 500 мм

 

L роб = 2 ∙12 (sin 70˚ - sin 20˚) + 1 ∙ 12 ∙ (cos 20˚ - cos 70˚) = 21,5 м

 

 

Z = (12,9 +7) = 19,7 (беремо 20)

 

b = 1,15 ∙ 19,5 = 22, 4 (беремо 23)

 

Lб = 20 ∙ 23 = 460 мм

 

ωб = 2∙ 0,6/0,5 =2,4 1/c

 

 

М*кр = 40,4 ∙ 10³ ∙ 0,5/2 = 10,1 ∙ 10³ Н∙м

 

 

2.7 Вибір підшипників для барабана

Для цього спочатку визначте мінімальний діаметр вала під підшипник, за умови надійного опору його крутильному моменту.

 

М*кр = Wp τmax / Кτ (18)

 

де Wp - полярний момент опору,

τmax – максимальні можливі напруження зсуву,

Кτ - коефіцієнт запасу

 

 

Wp = 0,2 dв ³ (19)

 

(dв – діаметр вала)

 

Для сталі 40х поліпшеної (закалка при 830... 850˚с,отпуск 500˚с), [8]

s_Т= 700 МПа

 

τmax =~ 0,7s_Т = 490 МПа

 

Зважаючи на деяке спрощення розрахунку за формулою (18), коефіцієнт запасу візьмемо з перебільшенням, k_τ = 2,5 (в довідниках – до 2,0).

Тоді діаметр вала визначиться за формулою

 

(20)

 

 

Реально dв = 65 мм

 

Це означає, що внутрішній діаметр підшипника повинен бути не меншим, ніж d_в.

Зважаючи на малі оберти барабана, рідкість випадків дії максимального навантаження і переривистий характер роботи механізму, підшипники виберемо за допустимим статичним навантаженням Со з урахуванням максимального коефіцієнта динамічності Кд = 2, [ 1 ] – стор. 38 і максимального коефіцієнта запасу прочності Кзп = 1,6, [ 1 ] – стор. 49.

 

Тоді матимемо

 

Со = Fк ∙ Кд ∙ Кзп (21)

 

Формула (21) передбачає, що максимально натягнений канат знаходиться над одним із двох підшипників, що рідко буває.

 

В нашому випадку

 

Со = 40,4 ∙10³ ∙ 2 ∙ 1,6 = 129,3 ∙ 10³ Н

 

Цьому параметру відповідають кульковий підшипник №417 (Со = 138∙ 10³,

dвн =85, dзовн = 210) і роліковий підшипник №3613 (Со =145×10³Н, d_вн=65мм,

211 ∙ 10³ Н, dвн = 75мм, d_зовн = 140 мм) [8]. Беремо другий.

2.8 Вибір електродвигуна

 

Попередньо потужність електродвигуна можна визначити через потужність на барабані (7), поділивши її на коефіцієнт корисної дії приводу

ŋпр=ŋр ∙ ŋб (22)

де ŋр – ККD редуктора,

ŋб – ККD опор барабана.

Орієнтовно ŋпр = 0,95 ∙ 0,98 = 0,93

Тоді так звана статична потужність двигуна визначиться формулою

 

Рст =GV/ (ŋn∙ ŋпр) (23)

 

Встановлювана (еквівалентна) потужність двигуна має бути меншою за рахунок перерв в роботі (з урахуванням ПВ) і збільшеною за рахунок додаткового нагріву двигуна при частих пусках (коефіцієнт перенавантаження Кпер).

(24)

– ПВ двигуна за даними в каталозі

 

Для механізмів підйому [ 1 ] Кпер = 1,2. Іноді при високій частоті пусків і відомій діаграмі завантаження крана, для обчислення Рэ конкретно розраховують динаміку пусків (див. додаток).

 

 

Рст = 78,4 ∙ 10³ ∙ 0,3/ (0,97 ∙ 0,93) = 26 ∙ 10³ Вт

 

 

Рэ = Вт

 

Механізми підйому вантажу є помірно інерційними механізмами, і для їх приводу доцільно застосовувати асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором з поліпшеною пусковою характеристикою. Таким є двигуни серії МАП для морських суден. [2], [9]

В нашому випадку це може бути двигун МАП 521 – 6: Р = 25 кВт при ПВ 60%, n = 930 об/хв, М_max = 850 Н ∙ м, M_n = 600 Н ∙ м, η = 89 %,

І_рот = 0,575 кг ∙ м², G = 435 кг.

 

Про інерційність механізмів підйому вантажу можна дізнатися з додатка А

2.9 Вибір редуктора здійснюється за потужністю двигуна і передаточним співвідношенням U_p. [4], [8].

U_p= ω_д/ω_б , (25)

 

де ω_д і ω_б - кутові швидкості двигуна і барабана

ω_д = π ∙n /30 (26)

ω_д = π ∙ 930 /30 = 97,4 1/с

U_p= 97,4 /2,4 = 40,6

 

Звертаємось до каталогу... З’ясовуємо, що потрібного редуктора нема. Бо при розрахованій потужності Рэ = 19,75 кВт вхідний вал редуктора не може сягати швидкості 1000 об/хв. Тому треба взяти інший двигун, або МАП 622 - 6/12/24 (трьохшвидкісний для повторно – короткочасного режиму роботи), або

МАП 621 – 8 /16 (двохшвидкісний, легший, з більш жорсткою механічною характеристикою, але з перебільшеним пусковим струмом).

 

Беремо двигун 622 – 6/12/24

Р = 32 кВт при ПВ 40%, n = 920 об/хв, М_max = 870 Н∙м, M_n = 730 Н∙м,

ККД = 87%, І_рот = 1,5 кг ∙ м²

Тоді ω_д = πn/ 30 = π ∙ 920 /30 = 96,3 1/с

U_p= 96,3/2,4 = 40,1 (прибл.)

Вибираємо редуктор Ц2 – 400:

Р = 26,3 кВт, U_p= 41,34, кутова швидкість на вході – до 750 об/хв. Перевіримо кутову швидкість на виході з редуктора, тобто - на барабані.

ω_б = ω_д /U_p = 96,3 /41,34 = 2,33 1/с

 

Одержали на барабані меншу кутову швидкість, ніж була розрахована

(2,4 1/с). Виправити цю розбіжність можна наступними діями:

1. Перейти на редуктор з меншим передаточним числом; тоді швидкість намотуваного каната буде перебільшеною, на що замовник може погодитись.

2. Переробити редуктор

3. Збільшити діаметр барабана, щоб швидкість троса, (а також вантажу) залишилась проектною.

Залишаємо редуктор Ц₂ - 400

 

2.10 Вибираємо за М_кр пружну втулочно - пальцеву муфту між двигуном і редуктором з тормозним шківом діаметром Dш [4]

 

М_кр = М^*_кр / U_p = 10,1 ∙ 10³/41,34 = 244 Н∙м

В нашому випадку Dш = 300 мм

 

2.11 Вибираємо тормоз на муфту по каталогу [4].

ТК – 300, М = 800 Н∙м

 

2.12 Вибираємо за крутильним моментом зубчату муфту між редуктором і барабаном [4].

 

D = 320 мм, М_кр =11,8 ∙ 10³ Н∙м

 

2.13 Прогнозована технічна характеристика крана

 

1. Вантажопідйомність Q- задана

2. Виліт стріли L

Lmax =Lc cosβmin

Lmin = Lc cosβmax

3. Висота підйому нока

Нmax = Lc sinβmax

Hmin = Lc sinβmin

4. Швидкість підйому вантажа V –задана

5. Швидкість нока при підйомі стріли Vн = 0,7V

6. Швидкість повороту крана

ωпов = 2∙V/Lmax

nпов = 30 ∙ω пов/ π

7. Маса крана, приблизно, за емпіричною формулою

mкр = 0,95 Q^0,8 ∙ Lc^0,5

 

В нашому випадку

1. Q = 8т

2. Lmax = 12 ∙cos 20° = 11,3м

Lmin = 12∙ cos 70° =4,1м

3. Нmax =12 ∙ sin 70° = 11,3 м

Нmin = 12 ∙ cos 70° = 4,1м

4. V = 0,3 м/с

5. Vн = 0,7 ∙ V∙ 0,3 = 0,21 м/с

6. ωпов = 2 ∙ 0,3/11,3 = 0,053 1/с

nпов = 30 ∙ 0,053/ π = 0,506 об/хв.

 

 

7. mкр = 0,95 ∙ 8^0,8 ∙ 12^0,5 = 17,36т

 

В пояснювальній записці ці дані приводяться округлено в такій формі:

 

1. Вантажопідйомність − 8т

2. Виліт стріли Lmax − 11м

Lmin − 4м

і т.д.