CC BY
1
НАЗЕМНЫЕ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
И КОМПЛЕКСЫ
УДК 621.86
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-494-495
КОНСТРУКТОРСКАЯ ПРОРАБОТКА ВАРИАНТА ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ КОЗЛОВОГО КРАНА
П.В. Витчук, В.В. Зезюля, К.А. Баранов, А.Д. Кузнецова
Рассмотрена возможность повышения грузоподъемности козлового крана на основе усиления пролетной конструкции оттяжками с конструкторской проработкой предложенного варианта усиления. Проведен сравнительный анализ исполнений козлового крана. Проведено сравнение элементов привода на примере механизма подъема. Подтверждена несущая способность металлической конструкции путем пересчета сечения по коэффициенту запаса по пределу текучести, который был снижен до 2,5.
Ключевые слова: грузоподъемность, грузоподъемный кран, металлическая конструкция, пролетное
строение.
При повышении грузоподъемной характеристики крана основной является задача повышения несущей способности его металлической конструкции. Проблема недостаточной мощности механизмов крана в данном случае вторична, поскольку решается заменой стандартизированных и унифицированных элементов механизмов на более мощные, а также изменением соответствующих присоединительных размеров механизмов к металлической конструкции.
На основе работы [1] было установлено, что наилучшим вариантом усиления пролетной конструкции является применение оттяжек, работающих на растяжение (рис. 1). Схема составлена по уже освоенной в производстве конструкции пролетной балки 1 и ригеля 2. Нововведением являются канатные оттяжки 3.
Рис. 1. Схема усиления: 1 - пролетная балка; 2 - ригель; 3 - канатная оттяжка
Стоить отметить несовершенство предложенной схемы. Высоты ригеля, выполненного по серийному исполнению, недостаточно для эффективной работы оттяжек ввиду малости угла наклона оттяжки в точках, значительно удаленных от ригеля. Кроме того, необходимо учесть вертикальную податливость каната и балки, а также естественную вытяжку каната и обеспечение возможности его натяжения.
Основываясь на уже известных методиках и полученных зависимостях [1-9], были проведены расчеты основных силовых факторов, возникающих в пролетном строении (усилия Р, критического изгибающего момента М , крутящего момента Т) модернизированного исполнения крана. Результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты расчетов _____
Р, кН 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
Мкр, кН-м кр 61,7 68,6 75,4 82,3 89,1 96 103 110 117 123 130
Т, кН 19,8 39,6 59,3 79,1 98,9 119 138 158 178 198 218
На основании расчетов было установлено, что использование оттяжек позволяет повысить грузоподъемность более чем в 2,5 раза. Но для исключения значительных перегрузок остальных элементов металлоконструкции целесообразно принять максимальное нагружение Р = 80 кН, соответствующее грузоподъемности Q = 16 т.
При подборе каната следует увеличить разрывное усилие на 20-25 % что позволит учесть увеличенную массу крановой тележки вследствие замены её механизмов. С другой стороны, для обеспечения приближенности вертикальных податливостей каната и пролетной балки необходимо использовать канат значительно большего диаметра. Вариантом, удовлетворяющим всем требованием, служит Канат 40-Г-1-ОЖ-Н-1370 ГОСТ 2688-80.
Натяжение каната обеспечивается талрепом.
Для крепления другого конца каната целесообразно использовать клиновую втулку.
Для обеспечения оптимального угла наклона необходимо нарастить имеющийся ригель с помощью арки. Данный элемент является облегченным исполнением используемого в ригеля.
Таким образом, решив поставленные задачи, была проработана конструкция усиления, представленная на
рис. 2.
Одними из основных элементов грузоподъемной машины служат пролетная балка 1, на которой размещены крановый путь, галерея и прочие элементы конструкции, и ригель 4, соединяющий пролетное строение с опорами. В качестве элемента, повышающего несущую способность моста, служит канатная оттяжка 3, работающая на растяжение. Оттяжка связывает арку 4 с пролетной балкой 1 при помощи талрепа 2, шарнирно закрепленного на кронштейне 8, установленном на основной металлоконструкции. С другой стороны оттяжка крепится к кронштейну 6 с помощью клиновой втулки 7. Натяжение каната осуществляется кручением муфты талрепа 2.
Так как исполнение козлового крана с усиленным пролетным строением позволяет поднимать груз с большей массой, то необходимо заменить механизмы крана. Стоит отметить, что некоторые элементы узлов имели избыточный запас по прочности, из-за чего они не были заменены. Расчет крановых механизмов проводится с учетом известных методик [2-4], а результаты сравнения сведены в табл. 2.
Таблица 2
Сравнение элементов механизмов крана__
Элемент Параметр Серийное исполнение Модернизированное исполнение
Механизм подъема
Канат Диаметр, мм 12 16,5
Разрывное усилие, кН 76,2 152
Электродвигатель Тип (серия) АИР132М6 АИР180М8
Мощность, кВт 7,5 15
Число оборотов, об/мин 1000 (940) 750 (730)
Редуктор Тип (серия) Ц2-400-25 Ц2У-315Н-25
Передаточное отношение 25 25
Крутящий момент, Н-м 3350 8000
Тормоз Тип (серия) ТКП-200 ТКГ-200
Диаметр шкива, мм 200 200
Тормозной момент, Н-м 157 300
Муфта Тип (серия) МУВПТ-250 МУВПТ-500
Передаваемый момент, Н- м 250 500
Механизм передвижения тележки
Электродвигатель Тип (серия) АИР80В8 АИР112МА8Е
Мощность, кВт 0,55 2,2
Число оборотов, об/мин 750 (710) 750 (710)
Редуктор Тип (серия) Ц3ВК-100-25 В-160-31,5
Передаточное отношение 25 31,5
Крутящий момент, Н-м 500 2500 (932,33)
Тормоз Тип (серия) ТКП-200 АИР112МА8ЕК
Диаметр шкива, мм 200 -
Тормозной момент, Н-м 157 60
Муфты Тип (серия) МУВПТ-125 МЗ-1
Передаваемый момент, Н-м 125 1000
Тип (серия) МУВП-500 МЗ-2
Передаваемый момент, Н-м 500 1600
Колесо Тип (серия) К2Р 200х60 К2Р 200х60
Окончание таблицы 1
Механизм передвижения тележки
Электродвигатель Тип (серия) АИР100Ь6Б АИР132М6Е
Мощность, кВт 2,2 7,5
Число оборотов, об/мин 1000 (940) 1000 (970)
Редуктор Тип (серия) Ц3ВК-160-20 В-160-20
Передаточное отношение 20 20
Крутящий момент, Нм 600 2500
Тормоз Тип (серия) АИР100Ь6ЕК АИР132М6ЕК
Тормозной момент, Нм 30 60
Муфта Тип (серия) МЗ-1 МЗ-1
Передаваемый момент, Нм 1000 1000
Колесо Тип (серия) К2Р 400х80 К2Р 400х80*
Неизменность металлической конструкции объясняется избыточным коэффициентом запаса, заложенным при проектировании изначальных конструкций. Доказать данное утверждение возможно путем пересчета напряжений, возникающих в сечениях, при нагружении повышенной массой груза. Проверим запас прочности концевой балки грузовой тележки и стоек опор крана, сечения которых представлены на рис. 3.
2а1
180
а б
Рис. 3. Сечения конструкций: а - концевой балки тележки; б - стойки опор
Найдем искомый коэффициент для балки тележки, используя метод предельных состояний [10]:
^ = % '
где Шх - момент сопротивления сечения; М = О ■ Ь - наибольший изгибающий момент от нагрузки; Ь - половина базы тележки; уа - коэффициент неполноты расчета; Ку - допустимое напряжение. С учетом метода допускаемых напряжений [11]:
ст = М.
где ст - действующее напряжение.
Момент сопротивления для сечения (рис. 3, а):
=1Н 2С + Ь/Ы/ =10,2762 ■ 0,0010 + 0,24■ 0,276■ 0,012 = 1,12■Ю-3, м3
3
3
где Н - высота стенки; ^ - толщина стенки; Ьу - длина пояса; Ьу - толщина пояса. Отсюда
16 ■ 9,81 ■Ю3 -1,8/2 ,„„ Л „
ст =---^-= 177 МПа.
1,12 ■Ю-3
Определим коэффициент запаса конструкции в опасном сечении с учетом коэффициента неполноты расчета:
„ = СТ = = 2,51.
Гвст 0,55 ■ 177
Как видно, концевая балка грузовой тележки способна выдержать повышенную нагрузку, но при этом понижается коэффициент запаса 6 до 2,5.
Другой неизменной частью металлоконструкции является остов крана. Опоры рассчитываются согласно рекомендациям и методикам [12, 13].
Сечение конструкции (рис. 3, б) должно обеспечивать соблюдение условия:
N Мх МУ —+—- + —-<[ст], А Жх 1 1
где N - усилие от вертикальной нагрузки; Мх , Му - изгибающие моменты в соответствующих плоскостях; Жх , Шу - момент сопротивления сечения в соответствующих плоскостях; А - площадь сечения; [ст] = 355 МПа - допускаемое напряжение [12].
Учитывая, что опора крана состоит из двух жестких стоек, то напряжения, создаваемые изгибающим моментом от пролетного, равномерно распределится между плетями, а вертикальные усилия распределятся на каждую стержневую составляющую, т. е. на четыре стойки, пренебрегая скручиванием в ригеле [12]. При этом, учитывается коэффициент неравномерности распределения момента у = 1,1 :
1 N 1 Мх Му , ,
---+-Г0---+—- <Ы .
Л л Л Щх Щу 1 J
4 A 4
(1)
Изгиб от тележки с грузом:
Mx = (<т + + Gмост )
L
где Gт , , <мост
- вес тележки, груза, моста; L - пролет крана. Вследствие деформации стойки, в ней будет действовать изгибающий момент:
м;=8у (к+к"),
(2)
где 8у = 0.2/ - стрела прогиба;/- перекосная деформация от соответствующей нагрузки; К = ~ вертикальная
реакция от действия сил при перекосе;
Я" = Р/
вертикальная реакция от действующей на опору вертикальной
нагрузки Р; Т - усилие перекоса; Н - высота стойки; Ь - база опоры.
Перекосная нагрузка установившегося движения крана:
ТЩ - 0,75^
/ «14-
1,75
где Щ1,Щ2 - сопротивления передвижению опор.
Сопротивления передвижению опор (рис. 4):
Щ =2 г1®+ 2^Т
(3)
(4)
где , 12 - суммы вертикальных нагрузок на ходовое колесо; ю = 0,00675 - удельное сопротивление передвижения от сил трения в ходовых колесах; ¥Т - установочное тормозное усилие.
2 М
Г.....
Рис. 4. Схема к расчету крана на перекосные нагрузки
При расчете принимают такое положение тележки, при котором нагрузка на опоры будет максимальной. В данном случае размещение груза по центру пролетного строения вызовет наибольший изгибающий момент, превосходящий величину вертикальной нагрузки на опору, при нахождении тележки в точке опоры. Используя зависимости (2) - (4) уравнение (1) преобразуется к виду:
1 97,03 1 1024 2,27 „„Л/ГТТ -+—-1,1--+——< 355 МПа,
4 А
4
Щ,,
24,6
-+-
285
-+-
2,27
37200 3,19 -106 3,19 -106
Коэффициент запаса:
И
355
■ = 257< 355 МПа.
- = 2,513.
уеа 0,55 - 256,855
Аналогично рассчитываемому ранее элементу металлической конструкции, опора выдерживает заданную нагрузку с понижением коэффициента запаса до 2,5. Таким образом, подтверждена эффективность применения оттяжек для усиления металлической конструкции пролетного строения крана.
Список литературы
1. Анализ вариантов повышения несущей способности пролетного строения козлового крана / П.В. Витчук, Н.А. Витчук, Е.В. Славкина, К.А. Баранов, А.Н. Шафорост // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2024. Вып. 1. С. 440-450.
Щ2 = Т12т + ЕТ
п =
2. Александров М.П. Грузоподъемные машины. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана - Высшая школа, 2000. 552 с.
3. Расчеты крановых механизмов и их деталей: в 2-х т., Т. 1 / Под общ. ред. Р.А. Лалаянца. М.: ВНИИПТМАШ, 1993. 187 с.
4. Расчеты крановых механизмов и их деталей: в 2-х т., Т. 2 / Под общ. ред. Р.А. Лалаянца. М.: ВНИИПТМАШ, 1993. 163 с.
5. Ермоленко В.А., Витчук П.В. Особенности расчета показателей надежности грузоподъемных машин // Надежность. 2016. № 2 (57). С. 20-25.
6. СТО 24.09-5821-01-93 Краны грузоподъемные промышленного назначения. Нормы и методы расчета элементов стальных конструкций. М.: ВНИИПТМаш, 1993. 135 с.
7. РД 22-207-88 Машины грузоподъемные. Общие требования и нормы на изготовление. М.: СКТБ БК, 1988. 112 с.
8. Абрамович И.И. Проектные расчеты металлоконструкций мостовых кранов. М.: Подъемтранссервис,
2012. 28 с.
9. Снитко Н. К. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1966. 535 с.
10. Жегульский В.П. Проектирование и расчет крановых металлических конструкций: учеб. пособие. Екатеринбург: Изд.-во Урал. ун-та, 2019. 184 с.
11. Соколов С.А. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин: Учебное пособие. СПб.: Политехника, 2005. 423 с.
12. ОСТ 24.090.72-83. Нормы расчета стальных конструкций мостовых и козловых кранов. М.: ВНИИПТМаш, 1983. 92 с.
13. Абрамович И.И., Котельников Г.А. Козловые краны общего назначения. М.: Машиностроение, 1971.
279 с.
Витчук Павел Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,
Зезюля Валерий Владимирович, канд. техн. наук, доцент, zezyulyavv@bmstu. ru, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,
Баранов Кирилл Александрович, студент, baranovka@student. bmstu. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,
Кузнецова Анастасия Дмитриевна, магистрант, kuznecovaad@student. bmstu. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана
DESIGN ELABORATION OF AN OPTION FOR INCREASING THE BEARING CAPACITY OF A DECK STRUCTURE OF
A GANTRY CRANE
P.V. Vitchuk, V. V. Zezyulya, K.A. Baranov, A.D. Kuznetsova
The paper considers the possibility of increasing the load capacity of a gantry crane by strengthening the span structure with guy ropes with a design study of the proposed option, a comparative analysis of the gantry crane designs is carried out. A comparison of the drive elements is carried out using the example of a lifting mechanism. The bearing capacity of the metal structure was confirmed by recalculating the cross-section margin coefficient, which was reduced to 2.5. Key words: lifting capacity, hoisting crane, metal structure, span structure.
Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, Vitch-uk@bmstu. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,
Zezyulya Valery Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,
Baranov Kirill Alexandrovich, student, baranovka@student. bmstu. ru, Russia, Kaluga, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,
Kuznetsova Anastasiya Dmitrievna, undergraduate, kuznetsovaad@student. bmstu. ru, Russia, Kaluga, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch
