Проект металлических конструкций крана мостового электрического г.п. 100/20т

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИН

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ПТМ и ДМ

Проект металлических конструкций крана мостового электрического г.п. 100/20т

Мариуполь, 2013

Реферат

ГЛАВНАЯ БАЛКА, ОПОРНАЯ ЧАСТЬ, ЭТАЖНОЕ ОПИРАНИЕ, ПРОЛЕТ, ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ НАГРУЗКИ, АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, КОНЦЕВАЯ БАЛКА.

Объект проектирования - мостовой кран общего назначения. Цель работы - закрепление и углубление знаний студентов по расчету и конструированию металлических конструкций грузоподъемных машин общего назначения.

Произведено проектирование главной балки, торцевой балки моста крана, а также был проведен проверочный расчет на прочность и конструктивная проработка пролетной балки моста.

Введение

Работоспособность, надежность и безотказность эксплуатации подъемно-транспортного оборудования во многом зависит от точности расчета и качества изготовления их металлических конструкций. В связи с этим, крановые металлоконструкции должны отвечать следующим требованиям: обеспечение прочности, общей устойчивости отдельных ее элементов, статической и динамической жесткости, определенной выносливости. Вместе с тем, металлические конструкции должны обладать, возможно, минимальной массой и трудоемкостью изготовления.

Выполнение курсового проекта по дисциплине "Проектирование металлических конструкций ПТМ" вырабатывает у студентов навыки проектирования несущих элементов металлоконструкции и их сопряжений, развивает практический подход к выбору основных и сварочных материалов, к обоснованию способа сварки.

Основными задачами курсового проекта являются:

·        закрепление и углубление знаний, полученных студентами при изучении общеобразовательных и специальных дисциплин;

·        приобретение навыков самостоятельной творческой работы, пользования технической и справочной литературой, стандартами, нормативами;

·        приобретение навыков конструирования сварных металлоконструкций.

Характер работы в процессе курсового проектирования позволяет решать задачи студенческой научно-исследовательской работы.

балка кран мост

1. Исходные данные для расчета

Необходимо спроектировать двухбалочный мост с коробчатыми сплошностенчатыми балками, с рельсом, расположенным по оси верхнего пояса. Примем в качестве аналога «блочное» исполнение моста по типу конструкции завода «Сибтяжмаш» [4] с «этажным» опиранием пролетных балок на торцевые балки.

Кран мостовой электрический предназначен для работы в механосборочном цехе:

-       грузоподъемность Q = ¹⁰⁰/₂₀т;

-       максимальная высота подъема Н = 13м;

-       пролет крана L=25,5 м;

-       скорость подъема V_под =^0,17/_0,19 ^м/_с ;

-       скорость передвижения тележки V_тел. = 0,5 ^м/_с;

-       скорость передвижения крана V_{кр .}= 1,25^м/_с;

-       вес тележки G_Т = 340 кН;

-       база тележки В_т= 3,5 м;

-       колея тележки L_Т= 4,4 м;

-       приведенная к грузу масса вращающихся частей механизма главного подъема m₁ = 3200 т;

-       вес крюковой подвески механизма главного подъемаG_кр.п.=35,9 кН;

-       приведенная к грузу среднепусковая сила двигателя механизма главного подъема Р= 1118 кН;

-       коэффициент жесткости канатов полиспаста механизма главного подъема при подъеме груза с земли (при длине подвеса груза H= 13 м)с_п =13,43•10³ кН/м;

-       вес одного приводного узла механизма передвижения крана G_пр = 10 кН;

-       среднее ускорение крана при разгоне j_к=0,1 м/с²;

-       максимальный реактивный момент привода, передаваемый на фундамент редуктора механизма движения крана Т_пр. = 9,54кН·м;

-       группа режимов работы: крана- 3М, механизмов - 4М.

Статические давления на колеса составляют:

-       от номинального собственного веса: кН; кН; кН; кН;

-       от веса номинального груза:  кН;  кН; кН;

кН;

-       суммарные статические:  кН; кН;  кН; кН.

-       база крана: Вк = 4,5 м.

Тележку на мосту ориентируем таким образом, чтобы ее приводные колеса с давлениями Д₂ и Д₃были обращены в сторону кабины машиниста. Это несколько скомпенсирует взаимное влияние веса кабины и максимального давления колеса Д₁ на изгибающие моменты и поперечные силы. Таким образом, колеса тележки с давлениями Д₁ и Д₂будут располагаться на приводной балке моста.

Вес кабины управления принимаем равным G_к = 15 кН[1].

2. Проектный расчет. Материал конструкции. Расчетные нагрузки

В качестве материала для основных несущих элементов в соответствии с табл. 3.1 принимаем низколегированную сталь 15ХСНД по ГОСТ 19281-73.

Расчетные сопротивления основного металла R (МПа) в соответствии с табл. 4.6 равны:

при растяжении, сжатии, изгибе - R = 290;

при срезе -R_ср =170;

при смятии торцевой поверхности- R_т.см. = 430.

Расчетные сопротивления сварных соединений (МПа) принимаем в соответствии с табл. 4.7:

для заводских стыковых швов при работе на растяжение и сжатие- R^св =290;

при работе на срез-  = 170;

для угловых швов при работе на срез = 200.

Собственный вес пролетной части моста.

Для заданных параметров крана при выбранной общей схеме его исполнения и принятом материале по графикам рис. 5.1 находим в качестве первого приближения

G_пм.н = 570кН.

Интенсивность нормативной распределенной нагрузки на каждую балку моста определяем по формуле (5.1). Для первого приближения:

Расчетные нагрузки.

Расчетные нагрузки комбинации I.1.А определяем в соответствии с табл. 5.1.

-        коэффициент перегрузок для металлоконструкций k_q = 1,1;

-        коэффициент перегрузок для оборудованияk_G = 1,2;

-        коэффициент перегрузок для веса тележкиk_GT =1,1;

-        для веса груза (см. табл. 5.3) k_Q = 1,1.

Коэффициент динамичности ψ_Q определяем в зависимости от параметров крана:

где Q=100т - грузоподъемность, G_кр.п=35,9кН- вес крюковой подвески; (Q, P, G_кр.п,m₁- исходные данные).

По графикам рис. 5.2 находим ψ_Q = 1,01 (на графике цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены кривые отношений  которые соответственно равны 0,025, 0,05, 0,1, 0,2). В соответствии с табл. 5.1 находим расчетные нагрузки:

-       распределенная нагрузка от собственного веса пролетной части моста:

-       вес кабины управления:

-       вес приводов механизма движения крана:

Динамические нагрузки рассчитываются путем умножения веса груза на коэффициент динамичности ψ_Q. Расчетное давление колеса тележки на балку Д_iравно:

,

где - давление от расчетного веса тележки (исходные данные);

- давление от расчетного веса груза (исходные данные).

Давление колес тележки на балку:

Равнодействующая колес тележки:

Расчетная схема приложения нагрузок принята в соответствии с рис. 5.4а, где

;

При четырехколесной тележке (рис. 5.4а) наибольший изгибающий момент от подвижной нагрузки действует в сечении под колесом с давлением Д₁, расположенным от опоры на расстоянии:

м.

Для этого суммарный изгибающий момент:

l₁=a₁, l₂=a₂, по табл. 2.5.

Коэффициент неполноты расчета определяем по формуле (4.3):

где  коэффициент, учитывающий ответственность рассчитываемого элемента (табл. 4.1);

 коэффициент, учитывающий отклонения в геометрических размерах конструкций (табл. 4.2);

 коэффициент, учитывающий несовершенства расчета (табл. 4.4).

Момент сопротивления сечения пролетной балки, необходимый по условию прочности, определяем по формуле (6.34):

Коэффициент жесткости моста предварительно может быть принят как минимально возможный по условиям третьего предельного состояния:

где G_QH- вес груза:

 G_Т.Н.- вес тележки; - предельный относительный прогиб моста при действии номинальной подвижной нагрузки (табл. 5.4)

Момент инерции балки по условиям минимальной статической жесткости:

Определение размеров поперечного сечения пролетных балок двухбалочных мостов в средней части пролета.

Применяем конструкцию сплошностенчатой коробчатой балки с рельсом по оси пояса. Эту конструкцию применяют для большинства двухбалочных кранов. Чаще всего поперечное сечение балки (рис. 5.11) имеет две оси симметрии. Оптимальную, по условию минимума веса при обеспечении заданной прочности, высоту стенки  для балки с двумя осями симметрии определяют по выражению:

Оптимальную, по условию минимума веса при обеспечении заданной жесткости, высоту стенки  определяют по выражению:

Гибкость стенки :

,

где h- принятая высота стенки (бóльшая по абсолютной величине  или  при равной толщине ).

Рассчитанные по приведенным формулам значения высоты стенки  и гибкости  в зависимости от толщины стенки ( в диапазоне от 4 мм до 20мм) представляем в виде таблицы (табл. 6.1)

Таблица 6.1.

Зависимость геометрических характеристик коробчатого сечения пролетной балки от толщины листа проката.

Результаты расчетов приведенных в таблице оформляем в виде графика, представленного на рисунке 1.1.

График строим в следующей последовательности:

¾      построим оси координат (вертикальная ось- высота стенки h, гибкость S и площадь поперечного сечения балки F; горизонтальная ось- толщина стенки );

¾      задаемся диапазоном толщины стенки

¾      строим график зависимости высоты стенки  (кривая 1) и  (кривая 2) от ее толщины (формулы 5.26 и 5.30);

¾      сопоставив кривые 1 и 2 между собой, устанавливаем, что определяющей будет высота стенки  при соблюдении требований прочности, так как ;

¾      построим график зависимости гибкости стенки  с высотой  от ее толщины;

¾      поскольку гибкость стенки по рекомендациям ВНИИПТМАШ составляет , то проектируем эту область на кривую 3, а затем на горизонтальную ось и находим оптимальный диапазон толщины стенки ;

¾      из полученного диапазона принимаем для дальнейших расчетов толщину стенки  верхнего и нижнего  поясов по стандарту проката (ГОСТ 19903-74¾ Приложение 1), приняв

¾      на основании выбранной толщины  определяем высоту балки и окончательно принимаем по стандартному размеру проката;

¾      рассчитываем общую высоту балки

¾      строим графики зависимости площади поперечного сечения балки для; B=H·0,4 =2116·0,4=840 мм. На основании анализа графиков (рис. 1.1) можно заключить, что наиболее рациональной, по условию минимума веса, будет балка с размерами , , B=0,85м.

¾      определяем ширину балки B и окончательно округляем по стандартному размеру проката. Таким образом, в дальнейших расчетах используем значения  согласованных по стандартным размерам проката («Сталь горячекатаная листовая». Сортамент ГОСТ19903-74¾ Приложение 1).

¾      Площадь поперечного сечения балки в этом случае равна  Критерием рациональности принятого решения должно быть получение сечения минимальной площади при приемлемых по конструктивным соображениям габаритах.

Схема поперечного сечения показана на рис. 1.2

Главная балка.

Рисунок 1.2 Схема принятого поперечного сечения главной балки.

Геометрические характеристики сечения.

момент инерции относительно X:

Осевой момент инерции X-X:

Момент инерции относительно Y:

Осевой момент инерции Y-Y:

Площадь поперечного сечения:

Площадь поперечного сечения уменьшилась по сравнению с оптимальной менее чем на1%.

Опорная часть пролетной балки.

Основные размеры определились при компоновке опорного узла (см. рис. 6.2). Используя опыт завода «Сибтяжмаш», увеличим толщину стенки в опорной части до δ₂ =0,008 м, а толщину нижнего пояса (гнутого листа) примем δ₃ = 0,01 м, , B=2,5В=2,1м

Принятое поперечное сечение показано на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 Схема принятого поперечного сечения опорной части главной балки.

Геометрические характеристики сечения:

Момент инерции X-X

Статический момент инерции

Момент инерции Y-Y

Торцевая балка.

Высоту торцевой балки назначают обычно из конструктивных соображений и, как правило:

 ;

где Н- высота главной балки.

Толщину поясов принимают для обеих балок одинаковой, равной толщине пояса пролетной балки. Расчетная длина балки (расстояние между осями балансиров) равно Lб = 4,5 м. Поперечное сечение показано на рис. 6.5. Геометрические характеристики сечения:

Рисунок 6.5 Схема принятого поперечного сечения торцевой балки.

Геометрические характеристики сечения

Площадь сечения

Момент инерции X-X

Момент сопротивления X-X

Статический момент сечения

Момент инерции Y-Y

Осевой момент сопротивления Y-Y

3. Проверочный расчет на прочность и конструктивная проработка балок моста

Проверочный (уточненный) расчет отдельных элементов конструкции главной балки включает следующие прочностные расчеты:

1.       Проверка прочности балки в средней части пролета при общем изгибе в двух плоскостях (формула 5.36);

2.       Проверка прочности поперечного ребра по условиям работы верхней кромки на сжатие от местного давления колеса тележки (формула 5.39);

3.       Проверка прочности верхнего пояса балки (формула 5.43);

.        Проверка местной устойчивости стенки (формула 5.50);

.        Проверка прочности опорного сечения в зоне начала закругления при «этажном» сопряжении (формула 5.63…5.65);

.        Проверка прочности сварных швов (шов соединяющий пояс со стенкой (формула 5.61) и монтажный шов узла соединения балок (формула 5.66)).

Средняя часть пролетной балки

Прочность балки при ее общем изгибе в двух плоскостях проверяем на действие нагрузок комбинации 1.1.Б (см. табл. 5.1).

Для определения расчетных вертикальных нагрузок по формулам (5.3), (5.4) и рис. 5.4 находим коэффициенты толчков с учетом схемы моста и наличия балансирных тележек ходовых колес.

Вес пролетной части моста в качестве первого приближения ранее определяли по графикам (рис 5.1). Уточняем вес пролетной части моста:

где q_2н- нормативная интенсивность распределенной нагрузки:

где F=0,0252м² - площадь первоначального поперечного сечения главной балки (размеры δ, В, h- получены по графику); ₁=0,0254м² - площадь поперечного сечения окончательно спроектированной главной балки (размеры приняты с учетом ГОСТа).

где q_б- погонный вес окончательно спроектированной балки:

где γ=7,85- плотность материала,=9,807- ускорение силы тяжести,

q₀- погонный вес остальных элементов балки (рельс и его крепление, балконы, ограждения и т.д.):

где q_1Н- ранее рассчитанная нормативная вертикальная распределенная нагрузка в первом приближении;

Рисунок 6.6 Расчетная схема приложения вертикальных нагрузок.

Приведенная масса моста и тележки:

фактический коэффициент жесткости моста, по формуле (5.29):

парциальная частота поперечных колебаний моста

При ω_м=25с^-1 и V_к=1,25^м/_с находим а=0,035 (рис. 5.3);

для тележки крана

для груза

Коэффициент толчков для моста крана

для тележки крана:

для груза:

Тогда вертикальные нагрузки будут равны:

По формулам (5.11), (5.12), и рис. 5.4,а,

Горизонтальные инерционные нагрузки при движении крана

При среднем ускорении крана во время разгона j_к=0,1 м/с², т.е. при горизонтальные инерционные нагрузки будут равны:

По формулам (5.15) и (5.17) находим:

При определении коэффициента неполноты расчета принимаем m₃= 0,85, тогда и

Схему приложения горизонтальных нагрузок (рисунок 6.7) принимаем по рис. 5.5.

Рисунок 6.7 Расчетная схема приложения горизонтальных нагрузок на мост крана

Проверку производим по условию (5.36):

Прочность средней части балки при общем изгибе в двух плоскостях обеспечена.

Ребра жесткости

Фактическая гибкость стенки пролетной балки в ее средней части:

т. е. стенка может укрепляться только поперечными основными и дополнительными ребрами жесткости (большими и малыми диафрагмами.)

Рисунок 6.8 Схема размещение ребер жесткости

Диафрагмы будем выполнять из листового проката; в больших диафрагмах выполним вырезы в средней части. Ширину выступающей части ребра определяем по условию (5.37):

толщина ребра должна быть не менее:

Момент инерции ребра относительно плоскости стенки должен быть не менее:

Принимаем Тогда его момент инерции относительно плоскости стенки:

Проверку прочности ребра по условиям работы его верхней кромки на сжатие по формулам (5.39) и (5.40):

По таблице П.9.2 [1] для рельса КР-70 находим:

Расчетная зона распределения давления колеса по ребру (для сварных балок):

При расположении рельса по оси пояса поперечное ребро проверяется по условиям работы верхней кромки на сжатие от местного давления колеса по формуле (5.39):

где длина линии контакта рельса и пояса над ребром;

где b_рс=130мм - ширина подошвы рельса.

Д_max=Д₁- давление колеса тележки.

При m₃=0,85, m₀=0,85 и

следовательно, прочность верхней кромки диафрагмы обеспечена.

Шаг ребер

Из условия прочности рельса по формуле (5.41) определим шаг дополнительных поперечных ребер:

где W_xmin= 240.65м³- наименьший момент сопротивления рельса при изгибе [9];

предел прочности материала рельса.

Учитывая, что пояс балки достаточно тонкий, для обеспечения его прочности при действии местных напряжений от давления колес тележки принимаем конструктивно шаг малых диафрагм в средней части балки а₁ = 0,88мм, а шаг больших диафрагм а=3а₁=2,64 м. В концевых частях балки ребра ставим в соответствии с необходимостью приварки фундаментов под привод механизма передвижения крана. Расстановка диафрагм показана на чертеже пролетной балки.

Прочность верхнего пояса

При контакте подошвы рельса с поясом балки пояс находится в плоском напряженном состоянии и его прочность нужно проверять по условию (формула 5.43):

,

где

,

- напряжение в балке от ее общего изгиба в продольном направлении, МПа;

- местные нормальные напряжения в поясе соответственно вдоль и поперек продольной оси балки.

При 

где h_р- высота рельса, принимаем по табл. 5.5... 5.7 коэффициенты k₁; k₂; k₃, соответственно равны: 0,138; 0,176; 0,161.

Напряжение в балке от общего изгиба в продольном направлении:

Местное нормальное напряжение в полке поперек продольной оси балки (формула 5.44):

Местное нормальное напряжение в поясе вдоль продольной оси балки:

Суммарное напряжение в балке:

Проверка прочности верхнего пояса:

Прочность верхнего пояса обеспечена.

Проверка местной устойчивости стенок

Проверка местной устойчивости стенки зависит от выбранного варианта размещения ребер жесткости:

при подкреплении стенок только поперечными основными ребрами жесткости формула (5.50)

при использовании продольных ребер жесткости формулы (5.54 и 5.56).

В данном виде расчета местную устойчивость стенки, укрепленной только поперечными основными и дополнительными ребрами жесткости в средней части балки, где проверяем по формуле (5.50):

;

Предварительно определяем γ:

где - ширина и толщина сжатого пояса,

- высота и толщина стенки,

с-коэф. принимаемый по табл. 5.10.

В зависимости от полученного значения γ по табл 5.9 принимается коэффициент k₀=6,3.

Критическое напряжение находим по формуле:

Максимальное расчетное напряжение:

Запас местной устойчивости:

Местная устойчивость стенок в средней части балки обеспечена.

Опорное сечение пролетной балки

Прочность опорного сечения пролетной балки проверяем для случаев действия нагрузок комбинаций I.2.A и 1.2.Б (табл. 5.1).

Как видно из предыдущих расчетов, вертикальные нагрузки комбинации I.2.A будут такими же, как и для комбинации I.1.А, а для комбинации I.2. Б- как для комбинации I.1. Б; при этом вертикальные нагрузки комбинаций Б оказались больше, чем комбинаций А. В связи с этим опорное сечение пролетной балки проверяем только на действие более опасного случая-комбинации нагрузок I.2.Б. Как отмечено выше, вертикальные и горизонтальные инерционные нагрузки комбинации I.2.Б равны соответствующим нагрузкам комбинаций I.1.Б.

Определим более опасное с точки зрения максимальной поперечной силы в опорном сечении положение тележки на мосту.

При положении тележки с грузом у опоры А (рис. 5.4а и рис. 5.6) реакции опор приводной пролетной балки:

При положении тележки у опоры В:

Более опасным будет случай положения тележки у опоры А.

Силу перекоса моста определяем по формуле (6.18):

где при работе крана в помещении;

Наибольший вертикальный изгибающий момент в точке  (см. рис. 6.22) соответствии с размерами балки (см. рис. 12.7 и 12.11) равен:

где l- плечо силы  от точки  (см. рис. 6.22).

Горизонтальные изгибающие моменты в узлах сопряжения балок определяем по формулам (6.27…6.29):

Тогда:

Эксцентриситеты скручивающих нагрузок (рисунок 6.9) в соответствии со схемой рис. 5.9 и рис. 6.2…6.5.

принимаем:

Рисунок 6.9 Схема эксцентричного приложения нагрузок на пролетную балку

Скручивающий момент для опорного узла приводной пролетной балки:

где распределенная нагрузку от веса балкона.

для неприводной пролетной балки:

Напряжения в стенке опорной части приводной пролетной балки в точке находим по формулам:

где - ширина и высота замкнутого контура поперечного сечения по осям стенок и поясов.

Для соотношений:

гдеплощадь нижнего пояса и стенок;

при а = 90° по графикам (рис. 5.16 ) находим: К_R = 1; = 1,2; = 0,8; = 1,25; коэффициент формы сварного шва = 1,0;

Тогда

Принимаем , тогда:

 и

следовательно, прочность сечения обеспечена.

Сварной шов

Прочность сварных швов, соединяющих пояс со стенкой балки проверяем на прочность по формуле:

где Q - наибольшая поперечная сила в рассматриваемом сечении (Аmax);н - статический момент брутто пояса балки относительно ее общей нейтральной оси:

Β - коэффициент, для однопроходной автоматической сварки β= 1,0;ш - толщина углового шва, принимаемая равная катету, вписанного в сечение шва равнобедренного треугольника (hш=10мм);бр. - момент брутто сечения балки:

Принимаем

 и

прочность шва обеспечена.

Монтажный сварной шов узла соединения балок

Проверку прочности шва на действие нагрузок комбинации I.2.Б производим по формуле(5.66):

Проверяем шов в соответствии со схемой (рисунок 6.9) на действие горизонтального изгибающего момента Мв.г. Принимаем катет шва равным толщине

пояса торцевой балки, т.е. h = 0,008 м.

Координату центра тяжести шва по отношению к оси лобового шва (параллельного оси торцевой балки) находим в соответствии с рисунком 6.10.e=0.286м

Расстояние от центра тяжести шва до наиболее удаленной его точки:

Полярный момент инерции шва:

где Jz, Jy- моменты инерции площади поперечного сечения шва относительно осей z и y.

Для монтажного шва примем m = 0,8 , тогда:

 и

Прочность шва обеспечена

Торцевая балка

Проверку прочности балки в опасном сечении - в узле сопряжения с пролетной приводной балкой - производим для случая действия нагрузок комбинации I.2.Б. Расчетную схему нагружения принимаем в соответствии с рисунками 5.6 и 5.10.

Максимальный изгибающий момент:

Горизонтальный момент равен:

Нормальное напряжение от изгиба в двух плоскостях:

 и

Максимальное касательное напряжение среза в стенке:

Прочность торцевой балки обеспечена.

Проверка динамической жесткости моста

Проверку динамической жесткости моста проводим по времени затухания колебаний порожнего крана.

В соответствии с формулой (5.84) время затухания колебаний при их периоде, равном:

= 540 × 0,251 = 8,5с < t = 12...15c.

Предельное время затухания колебаний не должно

превышать 12…15с.

Динамическая жесткость моста удовлетворительна.

Список использованной литературы

1.       Учебное пособие по дисциплине «Проектирование металлоконструкций ПТМ»/ В.П. Лаврик, Ю.Г. Сагиров, О.М. Щеглов, В.П. Четверня- Мариуполь, 2002. - 142с.

.        Учебное пособие по дисциплине «Проектирование металлоконструкций ПТМ»/ В.П. Лаврик, И.И. Пирч, Ю.Г. Сагиров, А.Н. Кузьмин- Мариуполь, 2008. - 83с.

.        Иванченко Ф.К. и др. Расчеты грузоподъемных и транспортирующих машин.- К.: Вища школа, 1978.