Проектирование основных сборочных единиц механизма

Диаметры барабана по средней линии навивки каната и по дну ручья определяют по формулам (4.1) и (4.2) с последующим округлением до ближайшего значения по нормальному ряду.

Толщину стенки предварительно определяют по эмпирическим зависимостям:

- для чугунных барабанов δ = 0,02∙D_б + (6÷10) мм; (4.7)

- для стальных барабанов δ = 0,01∙D_б + 3 мм.  (4.8)

Расчетные значения δ округляют в сторону увеличения, причем, исходя из технологических соображений изготовления барабанов, принимают значения:

- для чугунных барабанов δ не менее 12 мм;

- для стальных барабанов δ не менее 15 мм.

Минимальная длина барабана (рисунок 4.3) при навивке каната в один слой:

- при одной ветви каната на барабане L = L₀ + L₁ + 2L₂;

- при двух ветвях каната на барабане L =2L₀ + 2L₁ + L₃,

где L₀ – длина участка барабана для навивки каната в один слой; L₁ – длина участка барабана для крепления 3÷4 витков каната прижимными планками (L₁≈3t_н); L₂ – длина участка вала под ребордой (ширина реборды L₁≈1,5 t_н); L₃ – длина среднего ненарезанного участка барабана.

а)

б)

а – при навивке одной ветви каната;

б – при навивке двух ветвей каната

Рисунок 4.3. Расчетная схема для определения длины барабана

Длина участка барабана для навивки каната в один слой:

,       (4.9)

где z_р – число рабочих витков для навивки каната на барабан; z_н – количество неприкосновенных витков каната (по правилам Госгортехнадзора z_н=1,5); z_кр – число витков для крепления конца каната (z_кр=3…4); Н – высота подъема груза; а_п – кратность полиспаста; D₀ – диаметр барабана, измеренный по средней линии навитого в один слой каната; t_н – шаг навивки каната (у гладких барабанов t_н=d_к).

Длина среднего ненарезанного участка барабана:

L₃ = A – 2∙h_min∙tg γ                  (4.10)

где А – расстояние между осями ручьев блоков крюковой подвески или направляющих блоков, с которых ветви каната наматываются на барабан; h_min – минимальное расстояние между осями барабана и направляющих блоков; γ – угол отклонения каната от средней плоскости блока или от направления каната на барабане (можно принимать γ = 3÷6⁰).

Значение h_min регламентированы правилами Госгортехнадзора и принимается по заданному Q, например, для:

· Q = 3,2÷6,3 т     h_min = 600÷650 мм;

· Q = 8,0 т            h_min = 870 мм;

· Q = 10÷12,5 т    h_min = 1000÷1050 мм;

· Q = 15÷20 т       h_min = 1150÷1200 мм;

Важным показателем технической характеристики барабана лебёдки является его канатоёмкость, которая, в некоторых случаях, будет решающей при подборе лебёдки.

В тех случаях, когда по тем или иным причинам канатоёмкость неизвестна, её определяют по формуле

,

где W - канатоёмкость, м; m - число витков каната, укладываемое по всей рабочей длине барабана ( ); l - рабочая длина барабана, мм; t - шаг навивки каната, мм (для гладкого барабана t = d; для барабана с канавками t=1,1d); n - число слоев навивки каната; d - диаметр каната, мм; D - диаметр барабана, мм; 2·π·D - длина двух витков каната, которые должны оставаться на барабане для уменьшения нагрузки на узел закрепления каната.

Пример 1

Определить длину каната, наматываемого на барабан диаметром 300 мм, длиной рабочей части 700 мм, число слоев навивки каната n=4, диаметр каната d = 17,5 мм. Поверхность барабана с канавками.

Узлы крепления свободных концов каната должны быть конструктивно простыми, удобными для осмотра и монтажа, обеспечивать легкость замены каната и надежность его крепления, исключать резкие перегибы каната. Крепление каната на барабане осуществляется разными способами (рисунок 4.4), которые регламентированы правилами Госгортехнадзора.

Рисунок 4.4. Способы крепления каната на барабане

Наибольшее распространение получили крепления наружными прижимными планками, которые бывают с полукруглыми (сечение А-А) или трапецеидальными канавками (сечение Б-Б). Применение вместо полукруглых опорных поверхностей у прижимных планок трапецеидальных увеличивает давление на наклонных поверхностях, что увеличивает величину приведенного коэффициента трения. Однако такие планки способствуют повышенной деформации канатов в узлах крепления.

Планки бывают одно- и двухболтовые. При d_к≤31 мм следует закреплять канат не менее чем двумя одноболтовыми прижимными планками или одной двухболтовой планкой, а при d_к>31 мм – двумя двухболтовыми планками.

При стальных барабанах прижимные планки крепят болтами или винтами, а при чугунных барабанах – вместо болтов используют шпильки. Это обусловлено возможностью выкрашивания резьбы в чугунных барабанах при частых подтягиваниях узлов крепления каната в процессе эксплуатации.

Длина свободного конца каната от последнего зажима на барабане должна быть не менее двух диаметров каната. Изгибать свободный конец каната под прижимной планкой и возле нее не допускается.

Поскольку перед узлом крепления располагаются неприкосновенные витки каната, то усилие s_кр, выдергивающее канат из узла крепления, оказывается за счет сил трения меньше, чем усилие в рабочей ветви s_max. Используя известное соотношение между усилиями в набегающей и сбегающей ветвях гибкой нити, можно записать

,                              (4.14)

где е=2,7 – основание натуральных логарифмов; f – коэффициент трения скольжения каната о поверхность барабана (для реальных пар трения f = 0,1÷0,16); α – угол обхвата барабана витками неприкосновенного запаса (при z_н = 1,5 α = 3π; при z_н = 2 α = 4π;).

Для того чтобы канат был надежно закреплен, необходимо затяжкой болтов создать силы трения не менее s_кр. Тогда требуемое усилие затяжки болтов:

	при полукруглых планках: ;            (4.15)
	при трапецеидальных планках: ,         (4.16)

где F_б – необходимое суммарное усилие затяжки болтов;2f –число, учитывающее наличие и работу двух пар трения "канат – барабан" и "канат – планка с полукруглыми канавками";f₁ – приведенный коэффициент трения для планок с трапецеидальными канавками  (здесь β = 40⁰ – угол наклона боковой грани прижимной планки).

Для расчета болта на прочность необходимо вначале задаться диаметром болта. Опытом установлены следующие рекомендации:

- при диаметре каната до 12,5 мм принимают болты М12;

- при диаметре каната до 15,5 мм принимают болты М16;

- при диаметре каната до 17,5 мм принимают болты М20.

Крепежные болты испытывают сложное напряженное состояние, определяемое напряжениями растяжения σ_р от усилия F_б, напряжениями изгиба σ_и от усилия S_кр, а также касательными напряжениями кручения τ, создаваемыми суммарным действием моментов трения в резьбе и на торце головки болта. Поэтому суммарные напряжения в опасном сечении одного болта

,           (4.17)

где 1,3 – число, учитывающее влияние τ; k – коэффициент надежности крепления (k≥1,5); z_б – число крепежных болтов; d₁ – внутренний диаметр резьбы болта; [σ_р] – допускаемые напряжения.

При необходимости из этой формулы можно определить потребное количество болтов z_б.

Допускаемое напряжение в болтах (винтах), изготовленных из стали Ст 3, имеющей предел текучести σ_т=240 МПа:

[σ_р] = σ_т/2,5.                   (4.18)

Если условие прочности (4.17) не выполняется, то необходимо или увеличить число болтов или принять большее число витков каната, охватывающих барабан (увеличится угол α и уменьшится S_кр).

4.2.4 Расчет оси барабана

Исходными данными для расчета оси барабана являются: максимальное натяжение каната S_max; группа режима работы механизма подъема; конструкция и размеры оси барабана (рисунок 4.2.). Расчетная схема оси барабана представлена на рисунке 4.5.

В процессе подъема положение каната относительно опор барабана меняется непрерывно. Поэтому значения реакций опор будут также изменяться во времени. Если канат занимает положение посередине, то R_A=R_D=F_max/2 (F_max=S_max), где R_A и R_D соответственно реакции в опорах A и D. Наибольшие значения реакций будут соответствовать крайним положениям каната (точки В и С на рисунке 4.5).

Определим реакции R_A и R_D (рисунок 4.5). При определении реакций возможны два случая:

а) канат находиться в крайнем левом положении над ступицей В:

откуда:

R_A=F_max(l+l₁+l₃)/(l+l₁+l₂+l₃);

R_D=F_max-R_A.

б) канат находиться в крайнем правом положении над ступицей С:

откуда:

R_D=F_max(l+l₂)/(l+l₁+l₂+l₃);

R_A=F_max-R_D

Размеры l, l₁, l₂, l₃ - принимаются по рисунок 4.5.

Строим эпюры изгибающих моментов для расчетных положений каната и определяем суммарные значения моментов в точках В и С.

Максимальные значения моментов:

М_{В max}=R_Al₂

М_{C max}=R_D(l₃+l₁)

Значения моментов М_В и М_C для крайних положений каната можно определить из графического построения эпюр изгибающих моментов (рисунок 4.5).

Суммарные значения изгибающих моментов:

 

Дальнейший расчет оси рекомендуется вести по большему значению суммарного изгибающего момента.

Диаметр оси под ступицей барабана (рисунок 4.6):

                                  (4.19)

Рисунок 4.5. Расчетная схема оси барабана.

 

Допускаемое напряжение на изгиб определяется по формуле:

[s]_и=s_-1/n_sK'                                 (4.20)

где s_-1 – предел выносливости при изгибе для материала оси (таблица 4.2); n_s - коэффициент запаса прочности для деталей механизма подъема, принимаемый в зависимости от режима работы (таблица 4.3); K' – коэффициент, учитывающий конфигурацию деталей K'=1.3…1.6. Для гладких деталей, ослабленных шпоночными пазами K^'=2.0…2.8.

 

Рисунок 4.6. Ось барабана

Диаметры остальных участков оси определяются по следующим соотношениям:

- диаметр оси для посадки подшипников:

d_п=(0.85…0.9)d_{c n}, мм                         (4.21)

- диаметр оси в среднем сечении:

d_cp=(1.15…1.25)d_{c n}, мм                       (4.22)

Полученные численные значения диаметров оси d_п и d_cp необходимо округлить в соответствии с ГОСТ 8032 (ряды предпочтительных чисел). Длины отдельных участков оси определяются по конструктивным соображениям.

 

Таблица 4.2 - Материалы, рекомендуемые для изготовления осей барабанов

 

Марка стали	Диметр заготовки, мм	Твердость НВ, не ниже	Механические характеристики, МПа
			sв	sт	s-1
Сталь 45	до 80	200-270	560-900	280-650	250-380
Сталь 40Х	до 120	200-270	730-900	500-750	320-410
Сталь 40ХН	до 200	240-270	820-920	650-750	360-420
Сталь 20Х	120	197	650	400	300
Сталь 12ХН3А	120	260	950	700	420

 

Таблица 4.3 - Допускаемые значения коэффициентов запаса прочности [n_s] для деталей механизмов подъема

 

Группа режима работы	Прокат и поковки	Литье
1; 2; 3	1,4	1,7
4	1,6	1,9
5	1,7	2,0
6	1,85	2,2

 

По эпюрам изгибающих моментов (рисунок 4.5) определяют наиболее опасные сечения оси, которые необходимо проверить на прочность. Такими сечениями являются: участок оси под ступицей В (сечение В-В), где изгибающий момент имеет наибольшее значение; сечение; сечение Е - Е – ослабленное галтельным переходом; сечение С - С - ослабленное шпоночным пазом.

Прочность сечения определяется по значению коэффициента запаса прочности:

n_s=(s _-1)_D / s_ні[ n_s],                           (4.23)

где (s _-1)_D – предел выносливости материала оси; s_и =  – расчетное напряжение изгиба в опасном сечении; [n_s] – допускаемое значение коэффициента запаса прочности (таблица 4.2).

Предел выносливости материала в рассматриваемом сечении:

(s _-1)_D=s _-1/(K_s)_D                      (4.24)

Предел выносливости при изгибе s_-1 принимается по таблице 4.2.

Коэффициент концентрации напряжения для рассчитываемого сечения:

                   (4.25)

где К_s - эффективный коэффициент концентрации напряжений (таблица 4.4); К_D – коэффициент, учитывающий влияние размеров поперечного сечения оси (таблица 4.5); К_F – коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхности (для R_A=0.1…0.4 мкм - К_F =1; для R_A =3.2…0.8 мкм - K_F =1.05…1.25); K_v – коэффициент, учитывающий влияние поверхностного упрочнения (таблица 4.6).

Если условие (4.23) не выполняется, то для обеспечения необходимой прочности оси можно принять либо более прочный материал, либо увеличить диаметры соответствующих участков оси, либо предусмотреть другой вид термообработки.

Радиус галтели r принимается в зависимости от значений меньшего из сопрягаемых диаметров:

 

Диаметр оси d, мм:	32…45	50…70	80…100
Радиус галтели r, мм:	2	2.5	4

 

Напряжение изгиба в опасном сечении оси

s_е=М/W                              (4.26)

где М – изгибающий момент в проверяемом сечении (рисунок 4.5);
W – осевой момент сопротивления в расчетном сечении оси.

 

Осевой момент сопротивления:

а) для оси круглого сплошного сечения W=0,1d³;

б) для оси со шпоночной канавкой W=0,1d³-bt(d-t)²/(2d), (4.27)

где d – диаметр оси в проверяемом сечении; b и t – размеры шпоночного паза ([2], С. 520-522).

 

Таблица 4.4 - Выбор эффективного коэффициента концентрации напряжений

 

t1/r	r/d	Ks при sB  (МПа)
		500	700	900	1200
2	0.01	2,55	1,6	1,65	1,7
	0.02	1,8	1,9	2,0	2,15
	0.03	1,8	1,95	2,05	2,25
	0.05	1,75	1,90	2,0	2,2
3	0.01	1,9	2,0	2,1	2,2
	0.02	1,95	2,1	2,2	2,4
	0.03	1,95	2,1	2,25	2,45
5	0,01	2,1	2,25	2,35	2,5
	0,02	2,15	2,3	2,45	2,65

t₁=(d_сp-d_cm)/2 –разность сопрягаемых диаметров (рисунок 4.6).

 

 

Таблица 4.5 - Выбор коэффициента масштабного фактора

 

Напряженное состояние и материал	Значение Kd при диаметре d, мм
	30	40	50	70	100
Изгиб для углеродистой стали	0,88	0,85	0,81	0,76	0,71
Изгиб для высокопрочной легированной стали	0,77	0,73	0,70	0,67	0,.62

 

 

Таблица 4.6 - Значения коэффициента К_v.

 

Вид упрочнения	sв, МПа	Кv
		для гладких осей	KsЈ1.5	KsЈ1.8-2.0
Закалка с нагревом ТВЧ	600-800 800-1000	1,5-1,7 1,3-1,5	1,6 -	2,4-2,8 -
Дробеструйный наклеп	600-1500	1,1-1,25	1,5-1,6	1,7-2,1

 

4.2.5 Подбор подшипников для оси барабана

Исходными данными для подбора подшипников являются: реакции в опорах, диаметры посадочных участков оси d_п, на которых устанавливаются подшипники, долговечность работы подшипника и режим работы механизма подъема.

Рекомендуемая последовательность подбора подшипников качения:

а) назначить тип и класс точности подшипника. Опорные узлы осей барабанов воспринимают в основном только радиальные нагрузки. Поэтому в данных узлах могут быть применены шариковые или роликовые подшипники качения. Но в процессе навивки каната на барабан возможны эксцентричные нагрузки способные вызвать перекос оси. Кроме того, в отдельных конструкциях барабанов опоры располагаются вне барабана, что может вызвать также перекос оси. Поэтому для осей барабанов целесообразно использовать радиальные сферические шарикоподшипники или роликоподшипники ([2], таблицы 100 и 102).

Для данного типа опорных узлов рекомендуется назначить подшипники 0-го или 6-го класса точности (как более экономичных);

б) по диаметру посадочного участка оси d_n подобрать подшипники ([2], таблицы 100 и 102) и выписать значения его динамической (С) и статической (С₀) грузоподъемности;

в) определить реакции R в опорах оси барабана;

г) вычислить динамическую эквивалентную нагрузку для опор А и D (рисунок 4.5).

R_E = VXRK_БK_Т                            (4.28)

где V – кинематический коэффициент, учитывающий число нагружения тел качения (при вращении с осью внутреннего кольца подъемника К_К=1; если вращается внешнее кольцо подшипника, то К_К=1.2); R – значение радиальной реакции в рассчитываемой опоре; X – коэффициент соотношения осевой и радиальной нагрузок (для опор, нагруженных только радиальными силами, X=1); К_Б – коэффициент безопасности, принимаемый в зависимости от назначения и условий эксплуатации оборудования (для строительных и монтажных кранов, подъемников и т.п. К_Б = 1,1 – 1,2); К_Т – температурный коэффициент (для стандартных подшипников К_Т =1).

д) определить частоту вращения барабана:

n_б =υ_гр/(pD₀), об/мин                          (4.29)

где υ_гр – скорость подъема груза, м/мин; D₀ – диаметр барабана по центрам каната, м.

е) по отношению С/R_E и известном n_б по таблицам 63 и 64 [2] определить ориентировочное значение долговечности подшипника в часах L_h. Если расчетный ресурс подшипника L_h окажется меньше требуемого (таблица 4.7), то необходимо принять подшипники более тяжелой серии.

 

Таблица 4.7 - Требуемый ресурс работы подшипников

 

Группа режима работы	1, 2, 3	4	5	6
Суммарное время работы, ч	1000	3500	5000	10000
Требуемая долговечность подшипников Lh, ч	500	2000	4000	6000

 

ж) Определить требуемую динамическую грузоподъемность подшипника:

                (4.30)

где р – показатель степени, принимаемый: для шариковых подшипников равным 3, для роликовых – 10/3.

---

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 1581; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

---

Мы поможем в написании ваших работ!