Дипломная работа: Модернизация путевой рельсосварочной машины

При первом сочетании (а) предусматривают следующую работу механизма: машина неподвижна, проводится подъем (резкий – для второго расчетного состояния) груза с земли.

 При этом грузовая тележка должна находиться в наиболее опасных, с позиции нагружения, положениях (на консоли и в пролете).

При втором сочетании (b): тельфер с грузом в движении, происходит разгон (резкий – для второго состояния) или торможение.

При сочетании «а» действуют следующие виды нагрузок:

- вес портала;

- вес тельфера с поперечной балкой;

- вес груза (включая грузозахватное приспособление) с учетом динамического коэффициента;

- горизонтальная нагрузка из-за превышения уровня одного из рельсов;

- нагрузка от максимальной силы ветра на груз и тельфер.

При сочетании «b»:

- вес портала с учетом коэффициента толчков;

- вес тельфера с поперечной балкой;

- вес груза (включая грузозахватное приспособление) с учетом коэффициента толчков;

- горизонтальные нагрузки из-за уклона оси пути и из-за превышения уровня одного рельса в кривых;

- нагрузки от максимальной силы ветра на груз и тельфер.

2.2.2 Определение действующих нагрузок

 В практике краностроения применяют два метода расчета металлических конструкций (МК): метод допускаемых напряжений и метод предельных состояний.

Метод предельных состояний позволяет более эффективно использовать материал конструкции. На сегодняшний день он разработан для кранов, передвигающихся по рельсовому пути (мостовые, козловые, башенные, железнодорожные и т.д.), что позволяет применить его для расчета портала.

Согласно методу предельных состояний, определение несущей способности кранов ведется по расчетным нагрузкам, получаемым умножением величины действующей нагрузки на соответствующий коэффициент перегрузки ni, учитывающий ее возможное превышение.

2.2.2.1 Нагрузки сочетания «а»

Равномерно распределенная нагрузка от соответствующего веса элементов портала , Н/м [1]:

,                                      (2.1)

где n1 – коэффициент перегрузки элементов МК, n1 = 1,1 [1]; mi – масса i-ого элемента, кг; g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с; li – расчетная длина элемента, м.

Распределенный вес ездовой балки пролетной рамы , Н/м:

Н/м.

Распределенный вес стоек , Н/м:

 = 551 Н/м.

Распределенный вес поперечной балки пролетной рамы , Н/м:

= 1860 Н/м.

Вес элементов оборудования , Н [1]:

,                       (2.2)

где Mi – масса i-го элемента оборудования, кг; n3 - коэффициент перегрузки элементов подвижного оборудования, n3 = 1,1 [1].

Вес тельфера , Н [1]:

5400 Н.

Вес передвижной поперечной кран- балки , Н:

650 Н.

Вес груза при расчете по максимальным нагрузкам рабочего состояния, кН [1]:

 , (2.3)

где n4 – коэффициент перегрузки, определяемой в зависимости от группы режима работы машины, n4 = 1,25 для группы 4К [1]; ψМ – динамический коэффициент нагрузки на МК для подъема груза с жесткого основания с подхватом согласно [1] определяется:

 ,                           (2.4)

где уст – статический вертикальный прогиб конструкции от веса груза в месте его приложения, для портала согласно, м [1]:

,                   (2.5)

где ; J – момент инерции ездовой балки пролетной рамы , Jx = 9,5 ∙ 10-5 м4; J1 – момент инерции портальной стойки ,J1 = 3,5 ∙ 10-5 м4; h – высота портала ,h = 2,7 м; L – длина пролета, L = 5,5 м; l – длина консоли , l = 1,5 м; G – вес груза ,G = 5 ∙ 10-4 Н; ξ – поправочный коэффициент , ξ = 1,5 [1]; λст – перемещение точки

подвеса груза вследствие статического удлинения грузовых канатов от веса груза, м:

 ,                         (2.6)

где lк – длина каната, lк ≈ 2,3 м, n – количество канатов, на которых подвешен груз, n = 2; Ек – модуль упругости каната , Ек = 1 ∙ 102 Н [1]; Ак – площадь каната , Ак = 8 ∙ 10-5 м2; mМ – приведенная к точке приложения нагрузки масса конструкции, кг [1]:

  (2.7)

где а = 0,25…0,33; qр – распределенная масса рассматриваемой части пролетного строения, qр= 54,2 кг/м; mТ – масса тельфера, mТ = 500 кг; mг – масса груза, mг = 5000 кг; mКБ – масса передвижной балки , mКБ = 60 кг; QН – номинальный вес груза, принимаем исходя из реализации подъемной способности тельфера (грузоподъемность 5 т), что возможно при подъеме сварочного агрегата вследствие его зацепления на пути; υ – скорость подъема груза (υ = 8 м/мин = 0,133 м/с); сМ – приведенный к точке подвеса груза коэффициент жесткости конструкции:

  .                                     (2.8)

Приведенная масса конструкции , кг:

 кг.

Перемещение точки подвеса груза , м:

 = 7,1 ∙ 10-3 м.

Коэффициент жесткости см:

 = 17,7 ∙ 106.

Статический прогибм:

  = 5,13 ∙ 10-3 м.

Динамический коэффициент :

 .

Вес груза, кН:

Qг = 1,25 ∙ 1,35 ∙ 50 ∙ 103 = 84,4 кН.

Горизонтальная перекосная нагрузка из-за превышения уровня одного из рельсов в кривых участках пути , кН:

 Fпр = n1QH sin γ,                    (2.9)

где γ – угол наклона плоскости пути к горизонту из-за превышения уровня одного из рельсов, γ ≈ 60 – соответствует превышению в 150 мм.

Fпр = 1,1 ∙ 50 ∙ 103 ∙ sin 60 = 5,5 кН.

Ветровая нагрузка на груз и тельфер , Па:

                        (2.10)

где  – статическая составляющая ветровой нагрузки, Па; - динамическая составляющая ветровой нагрузки, Па.

 = pВΣAM,                                    (2.11)

где pВ – распределенное давление ветра в данной зоне высоты, Па; ΣAM – наветренная площадь груза и тельфера, ΣAM = 3м2 – по фактическим обмерам.

Распределенное давление ветра рВ , Па:

 рВ = qВkcn7,                            (2.12)

где qВ – динамическое давление (скоростной напор) ветра на высоте до 10 м над поверхностью земли , qb = 125 Па; k – поправочный коэффициент для фактической высоты, k = 1 [1]; с – аэродинамический коэффициент , с = 1,2 [1]; n7 - коэффициент перегрузки , n7 = 1[1].

Распределенное давление ветра рВ , Па:

рВ = 125 ∙ 1 ∙ 1,2 ∙ 1 = 150 Па.

Статическое давление ветра , Па:

= 150 ∙ 3 = 450 Па.

Динамическое давление ветра , Па:

 = 3mnξb,             (2.13)

где mn – коэффициент пульсации скорости ветра, mn = 0,12 [1]; ξВ – коэффициент динамичности; τ - периода собственных колебаний портала, с:

 .                            (2.14)

Период собственных колебаний портала τ, с:

= 0,11 с.

При τ =0,11 коэффициент динамичности ξВ = 1,75.

Динамическое давление ветра , Па:

= 3 ∙ 0,124 ∙ 1,75 ∙ 450 = 290 Па.

Суммарная ветровая нагрузка на груз и тельфер , Па:

= 450 + 290 = 740 Па.

2.2.2.2 Нагрузки сочетания «b»

Вес груза для сочетания «b» примем в зависимости от паспортного веса сварочной головки Qн.

 Вес сварочной головки Qн , кН:

 Qн = ma ∙ g, (2.15)

где тa – масса сварочной головки, кг.

Qн = 3500 ∙ 9,81 = 34,34 кН.

Расчетом по формуле (2.3) при Qн =34,34 кН получено =47,21 кН.

В горизонтальной плоскости, кроме ветровой и перекосной нагрузки, учитываемых для сочетания «а» следует учесть нагрузки от уклона пути Fy в продольном профиле и нагрузки, возникающие при разгоне тельфера Fр и инерционные нагрузки от раскачивания груза Fи.        

Нагрузка от уклона пути Fy, кН[1]:

 Fy = n3 (ma + mT+тКБ) ∙ tg φ ∙ g,              (2.16)

где φ – угол уклона пути , φ = 100.

Fy = 1,1 (3500 + 500+60) ∙ 0,176 ∙ 9,81 = 7,71 кН.

Инерционная нагрузка от раскачивания груза Fи, кН[2]:

,                       (2.17)

где n5 – коэффициент перегрузки , n5 = 1,2; amax – максимальное ускорение при разгоне или торможении тельфера , amax = 0,67 м/с2 [2].

 = 1,2 (3500 + 500+60) ∙ 0,67 = 3,26 кН.

Нагрузки при разгоне тельфера Fp, кН[2]:

 Fp = Qa ∙ tg (n6 α), (2.18)

где n6 – коэффициент возможного превышения принятого угла раскачивания, n6 = 1,1; α – угол отклонения грузового каната от вертикали, α = 60 [1].

Fp = 34,34 ∙ 103 ∙ tg (1,1 ∙ 60) = 3,97 кН.

Расчетом по формуле (2.9) при Qн =34,34 кН получено =3,95 кН.

2.2.3 Определение усилий в элементах металлоконструкции портала

2.2.3.1 Сочетание нагрузок «a»

Нагрузки, связанные с весом груза и тельфера, передаются на МК в местах контакта ходовых колес тельфера с поперечной кран-балкой. Для расчета положение тельфера принято наиболее неблагоприятным с позиции нагружения портала – портал наклонен, тельфер находится в крайнем положении (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Расчетные схемы для сочетаний нагрузок «а»

Сосредоточенные силы:

= 45,48 кН;

кН.

2.2.3.2 Сочетание нагрузок «b».

Сосредоточенные силы:

= 27,18 кН;

 =10,2 кН.

 кН;

Расчет усилий в металлоконструкции портала выполнен в программе APM Structure3D (приложение А).

2.3 Проверочный расчет тельфера

Цель расчета: определить диаметр ходовых колес тельфера и рассчитать цилиндрическую зубчатую передачу привода колес.

Условия расчета:

- тельфер перемещается по полке двутавра №20;

- момент вращения на ведомом валу Т=355 Н. м;

- частота вращения ведомого вала n=20 об/мин ;

- передаточное число u=2.

2.3.1 Выбор ходовых колес

 Максимальная статическая нагрузка на ходовые колеса Fmax, кН [7]:

  (2.19)

где kн – коэффициент неравномерности распределения нагрузки на колеса, kн=1,1[7]; mT – масса тельфера; g – ускорение свободного падения; nк – число ходовых колес, nк=4.

Принят диаметр ходовых колес тельфера D=160 мм.

Выбранное колесо проверяют по напряжениям смятия в зависимости от типа контакта колеса с поверхностью катания, который обусловлен конструкцией колеса и типом поверхности. В качестве поверхности катания колеса выбрана полка двутавра.

Напряжения смятия при линейном контакте s, МПа [7]:

  (2.20)

где Kr – коэффициент, учитывающий влияние тангенциальной нагрузки (силы трения) на напряжение в контакте, зависит от условий работы, Kr= 1,1 [7]; KД – коэффициент динамичности,  u - номинальная скорость передвижения; aж – коэффициент, зависящий от жесткости пути; KН - коэффициент неравномерности нагрузки по ширине колеса, KН =1,5 [7]; b – рабочая ширина полки двутавра, м.

  (2.21)

здесь B0 – ширина полки двутавра; r – радиус фасок полки двутавра; D - диаметр ходового колеса, м; Fmax – максимальная статическая нагрузка на колесо, Н; [sN] – допускаемое напряжение при приведенном числе оборотов N за срок службы:

  (2.22)

[s0] – допускаемое напряжение;

  (2.23)

где NC – полное число оборотов колеса за срок службы.

 (2.24)

где uС – усредненная скорость передвижения колеса, м/с:

  (2.25)

где β – коэффициент, зависящий от отношения времени неустановившегося движения tН (суммарное время разгона и торможения) к полному времени передвижения t, β=0,7 [7]; Т – машинное время работы колеса, Т=3200ч; u - коэффициент приведенного числа оборотов принимают в зависимости от отношения минимальной нагрузки на колесо Fmin к максимальной Fmax, u=0,16 [7].

Усредненная скорость передвижения колеса uС, м/с [7]:

Полное число оборотов колеса за срок службы NС, об [7]:

Приведенное число оборотов за срок службы N, об [7]:

Допускаемое напряжение при приведенном числе оборотов N за срок службы [sN], МПа [7]:

Рабочая ширина полки двутавра b, м [7]:

Коэффициент динамичности KД [7]:

Напряжения смятия при линейном контакте s, МПа [7]:

.

Условие выполняется, принимаем диаметр ходовых колес тельфера D=160мм.

2.3.2 Выбор подшипников качения

Динамическая грузоподъемность подшипников С, кН [6]:

  (2.26)

где L – расчетный ресурс, млн. об [6]:

  (2.27)

где n – частота вращения, об/мин; Lh – ресурс подшипника, ч; P - приведенная нагрузка, Н; p – показатель степени, p=3 [6].

Приведенная эквивалентная нагрузка Р, кН [6]:

  (2.28)

где Fr – радиальная нагрузка, Fr=14800Н; Fа – осевая нагрузка, Fа=3077Н; V - коэффициент вращения ,V=1,2 [6]; Kб – коэффициент безопасности, учитывающий динамическую нагрузку, Kб=1,1 [6]; KТ – температурный коэффициент, Kб=1,0 [6]; X,Y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузки.

Предварительно принят шарикоподшипник радиальный сферический двухрядный №1210 ГОСТ 5720 с параметрами  С=22,9 кН; С0=10,8 кН .

Из отношения  определен коэффициент осевого нагружения e [6]:

e=0,52.

Определено отношение , где V - кинематический коэффициент, V=1 [6].

Так как 0,21<0,52, следовательно, приведенная эквивалентная нагрузка P, кН [6]:

Ресурс выбранного подшипника Lh, ч [6]:

 , (2.29)

 где а- коэффициент долговечности , а=1.

Расчетный ресурс L, млн.об [6]:

Динамическая грузоподъемность подшипника С, кН:

Окончательно принят шарикоподшипник радиальный сферический двухрядный №1209 ГОСТ 5720 с параметрами  С=21,7 кН; С0=9,65.

2.3.3 Определение сопротивлений передвижению

Статическое сопротивление передвижению  состоит из сопротивления от трения в ходовых частях , уклона пути  и от ветровой нагрузки  [7]:

 ,                                 (2.30)

Сопротивление от трения в ходовых частях , Н [7]:

 ,                                (2.31)

где  - коэффициент трения качения колеса по полке двутавра, =0,0003 [7];  - коэффициент трения в подшипниках колес, f=0,015 [7];  - коэффициент, учитывающий трение реборд колеса о полку двутавра , =1,2 [7];  - диаметр цапфы колеса, d=0,045 м.

.

Сопротивление от уклона пути , Н [7]:

                                           (2.32)

где i – уклон пути, i=0,004 [7].

.

Сопротивление от ветровой нагрузки Fв , H [7]:

 (2.33)

где Fк – сопротивление от ветровой нагрузки на металлоконструкцию, Н [7]:

 (2.34)

где p – распределенная нагрузка на единицу площади металлоконструкции или груза, Па [7]:

 (2.35)

где q – динамическое давление ветра, q=125 Па [7]; k – коэффициент, учитывающий изменение динамического давления в зависимости от высоты расположения элементов над поверхностью земли, k=1,0 [7]; с – коэффициент аэродинамической силы, для машины с=1,5; для груза с=1,2 [7]; n – коэффициент перегрузки, n=1,0 [7]; Ак – наветренная площадь металлоконструкции , Ак=0,58м2; FГ - сопротивление от ветровой нагрузки на груз, Н [7]:

  (2.36)

где АГ – наветренная площадь груза, АГ=5,8м2 [7].

Распределенная нагрузка на единицу площади металлоконструкции pK, Па:

Распределенная нагрузка на единицу площади металлоконструкции pГ, Па:

Сопротивление от ветровой нагрузки на металлоконструкцию FК ,Н:

Сопротивление от ветровой нагрузки на металлоконструкцию FГ ,Н:

Сопротивление от ветровой нагрузки FВ, Н:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5