Курсовая работа

По дисциплине «Строительная техника»

Выполнила:

студентка Гребенчукова А.В.

группа ТВ-294

Шифр: 10036

Вариант №6

Проверил:

доц. Мацей Р.А.

Одесса 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................ 2

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕДЛЯ ПРОЕКТИРОВОЧНОГО РАСЧЕТА ЛЕБЕДКИ.. 3

2 РАСЧЕТ И ВЫБОР СТАЛЬНОГО КАНАТА....................................................... 5

3 РАСЧЕТ И ВЫБОР БЛОКОВ ПОЛИСПАСТА И ОТКЛОНЯЮЩИХ БЛОКОВ 7

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ БАРАБАНА ЛЕБЕДКИ................ 7

5 ПРОВЕРКА ПРОЧНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЕЧАЙКИ БАРАБАНА ЛЕБЕДКИ НА СЖАТИЕ........................................................................................................ 10

6 РАСЧЕТ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ СТЕНКИ ОБЕЧАЙКИ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ ИЗГИБА И КРУЧЕНИЯ................................................................. 11

7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ РЕБОРД БАРАБАНА И ВЫСТУПАЮЩЕЙ ЧАСТИ............................................................................................................................... 13

8 РАСЧЕТ БЕЗЗАЗОРНОГО БОЛТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ОБЕЧАЙКИ И СТУПИЦЫ БАРАБАНА.......................................................................................................... 14

9 ДИАМЕТР ОКРУЖНОСТИ ВЕРШИН РЕБОРД................................................ 18

10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТОРЦЕВЫХ СТЕНОК СОЕДИНЕНИЯ ОБЕЧАЙКИ И СТУПИЦЫ БАРАБАНА...................................................................................... 18

11 ГАБАРИТНАЯ РАСЧЕТНАЯ И КОНСТРУКТИВНАЯ ДЛИНЫ БАРАБАНА 20

12 РАСЧЕТ ДИАМЕТРА ЦАПФЫ ОСИ ВРАЩЕНИЯ БАРАБАНА ЛЕБЕДКИ В ОПАСНОМ СЕЧЕНИИ........................................................................................ 20

13 РАСЧЕТНАЯ ЛИНЕЙНАЯ СКОРОСТЬ ТЯНУЩЕЙ ВЕТВИ КАНАТА И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ ЕЙ ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ БАРАБАНА............... 23

14 МОЩНОСТЬ СТАТИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ВАЛУ БАРАБАНА ЛЕБЕДКИ............................................................................................................. 23

15 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД МЕХАНИЗМА ЛЕБЕДКИ........................................... 24

16 РАСЧЕТ МОЩНОСТИ И ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.......................... 24

17 РАСЧЕТ И ВЫБОР РЕДУКТОРА..................................................................... 26

18 РАСЧЕТ И ВЫБОР ТОРМОЗА КОЛОДОЧНОГО, ГИДРАВЛИЧЕСКОГО.. 31

19 РАСЧЕТ И ВЫБОР ОПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ ОСИ ВРАЩЕНИЯ....... 33

БАРАБАНА ЛЕБЕДКИ.......................................................................................... 33

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................................... 39

ВВЕДЕНИЕ

Лебедками называют грузоподъемные и грузоперемещающие машины у которых в качестве рабочего (исполнительного) механизма навиваемого на барабан лебедки используют гибкий элемент - стальной канат.

а)

б)

Рис. 1 - Реверсивная лебедка без полиспаста; а) - фото, 1-предохранительный кожух тормоза, 2 - редуктор, 3 - барабан лебедки, 4 - рама 5 - электродвигатель,
6 - устройство управления; б) - принципиальная схема лебедки

При выполнении различных монтажных и погрузочно-разгрузочных работ лебедки применяются как самостоятельно действующие машины или используются как составная часть крановых и других механизмов подъемно-транспортных машин.

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕДЛЯ ПРОЕКТИРОВОЧНОГО РАСЧЕТА ЛЕБЕДКИ

1.1 Расчетная схема реверсивной лебедки, включает полиспаст с грузовым крюком, отклоняющие блоки, барабан, схему запасовки каната, редуктор, муфту-тормоз, электродвигатель и раму на которую установлены механизмы лебедки и устройство управления.

Вычерчиваем на листе формата А4 расчетную схему (рис. 1.2) полиспаста и схему запасовки стального каната.

1.2 Масса поднимаемого номинального (максимального) груза в т.ч. масса грузозахватных механизмов Q, кг.

При этом масса грузозахватных приспособлений для различных схем запасовки с кратностью полиспаста m = 2, 3, 4, 5 обычно принимается соответственно равной 0.025, 0.05, 0.075, 0.085 от массы поднимаемого груза, кг.

Q = 2100

1.3 Скорость V_Q (м/с) подъема груза Q реверсивной лебедкой.

V_Q = 0.18

Рисунок 1.2 - Схема полиспаста

1.4 Канатоемкость барабана лебедки L (м), включающая в т.ч. 1.5…2 запасных витка каната, предусмотренных правилами Госгортехнадзора (ГГТН) для уменьшения нагрузки на заделку конца каната на барабане и 2…2.5 витка, занятых креплением конца стального каната на барабане.

L = 135

1.5 Количество слоев навивки К_s стального каната на барабане лебедки (рис. 4.1.)

К_s = 2

1.6 Силовой расчет лебедки выполним для случая полного использования грузоподъемности лебедки, т. е. при подъеме номинального (максимального) груза Q.

1.7 Режим работы лебедки

1.7.1 Теоретическая часть

В основе классификации механизмов кранов по режиму работы лежат два показателя: классы использования в зависимости от времени работы механизма за весь срок службы и классы уровня нагружения в зависимости от коэффициента нагрузки k [6].

Приближенное соответствие групп режимов работы механизмов приведено в табл. 1.1.

Таблица 1.1 - Соответствие групп режима работы механизмов [7]

1.7.2 Режим (интенсивность) работы лебедки согласно исходным данным

Режим - средний

1.8 Материал цилиндрической обечайки барабана лебедки (обечайка обычно изготавливается из стали или чугуна, см. п. 4.8).

Материал - чугун СЧ-32

1.9 Способ соединения торцевых стенок цилиндрической обечайки и ступицы барабана выполняется с помощью беззазорного болтового соединения.

1.10 Материал торцовых стенок соединения обечайки и ступицы барабана лебедки (обычно изготавливаются из стали или чугуна).

Материал - чугун СЧ-32

1.11 Материал оси вращения барабана (обычно изготавливается из стали)

Материал - сталь 45

2 РАСЧЕТ И ВЫБОР СТАЛЬНОГО КАНАТА

2.1 Определяем на схеме (рис.1.2) количество блоков полиспаста К_п.

К_п = 3

2.2 Определяем на схеме количество отклоняющих блоков К_о.

К_о = 1

2.3 Определяем на схеме количество подвижных блоков полиспаста К_подв.

К_подв = 1

2.4 Определяем на схеме количество неподвижных блоков полиспаста К_неподв.

К_неподв = 3

2.5 Определяем кратность полиспаста m. Кратностью полиспаста называется отношение количества ветвей стального каната на которых подвешен груз к количеству ветвей каната навиваемых на барабан лебедки (см. рис. 1.2, сечение А‑А).

m = 3

2.6 Определяем КПД одного блока полиспаста η¹_б.п и одного отклоняющего блока η¹_о.б. из справочника или каталога. Если КПД блока полиспаста и отклоняющего блока не заданы в исходных данных, то принимаем их численные значения из интервала 0.95…0.98.

2.6.1 КПД блока полиспаста η¹_б.п = 0.95

2.6.2 КПД отклоняющего блока η¹_о.б. = 0.94

2.7 Определяем КПД механизма полиспаста.

2.7.1 Предварительно определяем количество всех ветвей каната τ, представляющее собой сумму всех ветвей полиспаста плюс тянущую ветвь, навиваемую на барабан лебедки

τ = 4

2.8 КПД простых полиспастов у которых тянущая ветвь, навиваемая на барабан лебедки сходит с верхнего неподвижного блока полиспаста определяется по формуле

η_пол. = [η¹_б.п. + (η¹_б.п.)² +……….+ (η¹_б.п.)^(τ-1)] / m (2.1)

η_пол. = 0.90

2.9 КПД всех отклоняющих блоков равен произведению их КПД.

η_о.б = (η¹_о.б.)^Ко (2.2)

η_о.б = (0.94)¹ = 0.94

2.10 Тяговое усилие Р_л в тянущей ветви стального каната, навиваемой на барабан лебедки, H

Р_л = Q × 9.81 / (m × η_пол. × η_о.б.), (2.3)

где Q - масса поднимаемого груза и в том числе грузозахватных устройств, кг

Р_л = 2100× 9.81 / (3 × 0.90 ×0.94) = 8117.21 H

2.11 Выбор типоразмера стального каната.

2.11.1 Коэффициент запаса прочности К_з ветви стального каната навиваемой на барабан лебедки при действии на эту ветвь тягового усилия Р_л определяется в зависимости от режима работы лебедки по табл. 2.1 [2].

Таблица 2.1 - Соотношение режимов работы и коэффициентов запаса прочности, К_з

2.11.2 Коэффициент запаса прочности К_з

К_з = 5.5

2.11.3 Разрывное усилие R в стальном канате, соответствующее тяговому усилию Р_л и режиму работы лебедки, Н

R = Р_л × К_з (2.4)

R = 8117.21 × 5.5 = 44643.62

2.11.4 Диаметр стального каната d_к (мм), запасованого в блоки механизма полиспаста и навиваемого на барабан лебедки выбираем из таблицы А.1 [10] в соответствии с величиной разрывного усилия R каната в целом. Для этого по таблице А.1 [10] воспользуемся, например маркировочной группой стального каната - 44643.62 (45450), Н/мм².

2.11.5 Для этой маркировочной группы из таблицы А.1 [10] по величине разрывного усилия R (Н) каната в целом выбираем диаметр d_к (мм) стального каната.

d_к =9,1

3 РАСЧЕТ И ВЫБОР БЛОКОВ ПОЛИСПАСТА И ОТКЛОНЯЮЩИХ БЛОКОВ

3.1 Расчетный, наименьший, допустимый диаметр блоков полиспаста d^р_б.п. и отклоняющих блоков d^р_о.б. рассчитывается в зависимости от режима работы лебедки из соотношений, представленных в таблице 3.1 [2], мм.

Таблица 3.1 - Расчетные формулы для определения диаметров блоков

При этом принимаем d^р_о.б. = d^р_б.п.,

Режим - тяжелый, тогда соответствующее уравнение из таблицы 3.1 определиться следующим численным выражением, мм

d^р_о.б. = d^р _б.п. =18 × 9.1= 163.8

3.2. Диаметр блоков полиспаста и диаметр отклоняющих блоков выбираем ближайший больший по сравнению с расчетным из стандартных значений нормального ряда диаметров, мм.[1]

d _б.п. = d_о.б. = 180

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ БАРАБАНА ЛЕБЕДКИ

4.1 Расчетный диаметр цилиндрической обечайки барабана лебедки [3], мм

D^р_б.л. = d^р _б.п. × 1.35, (4.1)

где 1.35 – эмпирический коэффициент

D^р_б.л = 180 × 1.35 = 445.5

4.2 Диаметр обечайки D_б.л. (рис. 4.1) барабана лебедки выбираем ближайший больший по сравнению с расчетным из стандартных значений нормального ряда диаметров, мм

D_б.л. = 250

4.3 Стальной канат может навиваться на барабан в один или несколько слоев. Барабаны, на которые стальной канат укладывается (навивается) в один слой в большинстве своем бывают нарезные, а многослойные барабаны - гладкие (рис. 4.1).

4.4 Если количество слоев К_s в исходных данных для случая многослойной навивки не задано, то его необходимо определить методом подбора из уравнения, представленного в п. 4.7. При этом должно выполнятся условие ℓ^р_б.л. ≤ 3 × D_б.л.. Количество слоев каната при многослойной навивке обычно не должно превышать четырех слоев.

Для случая многослойной навивки каната на барабан выбираем гладкий (не нарезной) тип барабана.

4.5 Определяем расчетную рабочую длину ℓ^р_б.л (мм) гладкого барабана лебедки (рис. 4.1) для случая многослойной навивки каната на барабан при заданном количестве слоев К_s.

4.6 Предварительно определим условный средний диаметр расчетного условного слоя навивки каната на барабан лебедки (рис.4.1), мм

D_ср = D_б.л. + К_s × d_к, (4.2)

где D_б.л., d_к - диаметры, мм.

D_ср = 250+ 2×9.1 = 268.2

4.7 Расчетная рабочая длина барабана, рассчитанная по условному среднему диаметру расчетного условного слоя навивки каната на барабан лебедки, мм.

ℓ^р_б.л. = (L × 10³ × d_к) / (π × D_ср × К_s), (4.3)

где L - канатоемкость барабана, м;

d_к и D_ср - диаметры,_. мм.

ℓ^р_б.л. = (135× 10³×9.1) / (π × 268.2×2) = 729.38

Рисунок 4.1 - Гладкий барабан лебедки для многослойной навивки каната

4.8 Цилиндрическая обечайка барабана лебедки (рис. 4.1) изготавливается из следующих материалов. Чугуны: СЧ 15, СЧ18, СЧ 24. Стали: низкоуглеродистые ВСт.3сп, Сталь 20; среднеуглеродистые 35Л, 55Л; низколегированные 09Г2, 09Г2С, 15ХСНД.

Если материал обечайки не задан в исходных данных, то его выбираем из перечня материалов представленных выше.

Материал - чугун СЧ-32

4.9 Расчетная толщина цилиндрической обечайки δ^р₀ барабана определяется по эмпирическим формулам [2] и зависит от материала обечайки, мм.

4.10 Расчетная толщина δ^р₀ цилиндрической обечайки чугунного барабана определяется выражением, мм

δ^р₀ = 0.02 × D_б.л. + (6…10) мм, (4.4)

где D_б.л - диаметр барабана лебедки (рис. 4.1), мм

δ^р₀ = 0.02 × 250 + 8 = 17

4.11 Округляем расчетную толщину δ^р_о цилиндрической стенки обечайки до ближайшего большего целого значения δ_о, мм.

δ₀ = 13

4.12 Для барабанов, полученных способом отливки должно удовлетворятся технологическое ограничение δ_о ≥ 12 мм, [2].

δ₀ = 13

5 ПРОВЕРКА ПРОЧНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЕЧАЙКИ БАРАБАНА ЛЕБЕДКИ НА СЖАТИЕ

5.1 Для гладкого барабана (рис. 4.1) принимаем шаг навивки S_H равным диаметру стального каната d_k, мм

S_H = d_k = 9.1

5.2 Определяем напряжение сжатия σ_сж цилиндрической поверхности обечайки, воспринимающей усилие давления со стороны боковой поверхности стального каната (решение задачи Лемэ) [1], МПа

σ_сж = Р_л / (δ₀ × s_н), (5.1)

где Р_л - тяговое усилие в ветви каната навиваемой на барабан лебедки, Н;

δ₀ - толщина цилиндрической обечайки барабана, мм;

s_н - шаг навивки каната на барабан лебедки, мм.

σ_сж = 8117.21 / (13×9.1) = 68.61

5.3 Численные значения допускаемых напряжений сжатия [σ_сж] для различных материалов с учетом различных режимов работы лебедки, представлены в таблице 5.1 [1], МПа.

[σ_сж] = 128

5.4 Записываем условие прочности при проверочном расчете цилиндрической поверхности обечайки барабана на сжатие, МПа

σ_сж ≤ [σ_сж] (5.2)

5.5 Проверяем условие прочности поверхности обечайки барабана лебедки при сжатии подставив расчетные и допускаемые численные значения в условие прочности (5.2), МПа. Если условие прочности (5.2) не выполняется необходимо увеличить толщину стенки цилиндрической обечайки.

68.61≤ 128

Таблица 5.1 - Допускаемые напряжения сжатия для различных материалов, МПа

6 РАСЧЕТ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ СТЕНКИ ОБЕЧАЙКИ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ ИЗГИБА И КРУЧЕНИЯ

6.1 Для случая когда расчетная рабочая длина обечайки барабана ℓ^р_б.л. > 2.8 × D_б.л., необходимо выполнить расчет цилиндрической стенки обечайки на прочность при совместном действии изгиба и кручения от тягового усилия Р_л. При этом обечайку барабана рассчитываем как полый вал кольцевого поперечного сечения.

729.38> (2.8 × 250=700)

6.2 Определяем максимальный изгибающий момент (рис. 6.1), действующий на обечайку барабана лебедки создаваемый тяговым усилием Р_л приложенным на средине длины барабана в опасном сечении, Н×м.

М_и.max = Р_{л ×} ℓ^р_б.л. / 10³ / 4, (6.1)

где Р_л - тяговое усилие, Н;

ℓ^р_б.л. - рабочая длина, мм.

М_и.max = 8117.21× 729.38/ 10³ / 4 = 1480.13

6.3 Определяем вращающий момент, действующий на обечайку барабана лебедки, создаваемый тяговым усилием Р_л на последнем слое навивки (см. расчетную схему (рис. 6.1), Н×м.

М_в = Р_л × [0.5 × D_б.л. / 10³ + d_k / 10³ × (К_s - 0.5)], (6.2)

где Р_л - тяговое усилие, Н;

D_б.л., d_к - диаметры, мм.

М_в = 8117.21× [0.5 × 250 / 10³ + 9.1/ 10³ × (2 - 0.5)] = 1125.45

6.4 Определяем приведенный момент (Н×м) от совместного действия на обечайку барабана изгиба и кручения. Используем 4-ю теорию прочности при условии, что М_кр. = М_в. (рис. 6.1).

М_пр.4 = (М²_и.max + 0.75 × М²_в)^1/2, (6.3)

где М_и.max, М_в – моменты, Н×м.

М_пр.4 = [(1480/13)² + 0.75 × (1125.45)²]^1/2 = 1743.47

6.5 Для цилиндрической стенки (обечайки) барабана определяем отношение α ее внутреннего диаметра к наружному диаметру

α = (D_б.л – 2 × δ₀) / D_б.л, (6.4)

где D_б.л. - диаметр цилиндрической стенки обечайки, мм;

δ₀ - толщина цилиндрической стенки обечайки (рис. 4.2), мм.

α = (250– 2 ×13) / 250 = 0.896

6.6 Определяем осевой момент сопротивления изгибу кольцевого сечения цилиндрической обечайки барабана лебедки, м³

W = π × (D _б.л / 10³)³ × (1 - α⁴) / 32 = π × (250/ 10³)³ × (1 – 0.896⁴) / 32 =0.000545,

где D_б.л. - диаметр, мм.

6.7 Определяем расчетное эквивалентное напряжение по 4-й теории прочности, МПа

σ_экв. = М_пр.4 / W / 10⁶, (6.5)

где М_пр.4 - приведенный момент, Н×м;

W - момент сопротивления, м³.

σ_экв. = 1743.47 / 0.000545/ 10⁶ = 3.199

6.8 Допускаемое напряжение [σ_и] (МПа) на изгиб для чугунов определяем на основании таблицы 5.1 с учетом коэффициента запаса прочности [n]_ч = 10, [2].

[σ_и] = σ_в.и / [n]_ч (6.6)

[σ_и] = 432 / 10 =43.2

Рисунок 6.1 - Расчетная схема цилиндрической обечайки барабана для ее
расчета на прочность при совместном действии изгиба и кручения

6.9 Для проверочного расчета записываем условие прочности цилиндрической стенки обечайки барабана при изгибе с кручением, МПа

σ_экв ≤ [σ_и] (6.7)

6.10 Проверяем условие прочности обечайки барабана лебедки при действии изгиба с кручением подставив расчетные и допускаемые численные значения напряжений в условие прочности (6.7), МПа. Если условие прочности (6.7) не выполняется необходимо увеличить толщину стенки обечайки.

3.199≤ 43.2

7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ РЕБОРД БАРАБАНА И
ВЫСТУПАЮЩЕЙ ЧАСТИ

7.1 Барабаны с многослойной навивкой (рис. 4.1) имеют реборды (от французкого слова rebord - приподнятый край, борт, круговой выступ), предотвращающие соскальзывание витков каната с рабочей длины цилиндрической поверхности обечайки на торцах барабана.

7.2 Расчетная толщина реборд барабана δ_р принимается конструктивно равной диаметру каната d_к, округленному до ближайшего большего целого значения, но не больше толщины δ₀ стенки цилиндрической обечайки барабана, мм.

7.3 Расчетная толщина реборд барабана δ_р

δ_р = d_k ≤ δ₀ = 9.1

7.4 Толщина реборд после округления

δ_р = 10

При этом если обечайка барабана совместно с ребордами литые, то толщина реборд с учетом технологических ограничений должна быть не менее δ_р ≥ 12 мм.

δ₀ = 13

7.5 Диаметры окружностей вершин реборд должны выступать над последним слоем навивки каната на величину h_р, равную не менее 2…2.5 диаметра каната d_к [1] (рис.4.1).

Расчетная высота выступающей части реборды над последним слоем навивки каната рассчитывается по эмпирической формуле, мм

h^р_р = (2…2.5) × d_к, (7.1)

где d_к - диаметр каната, мм.

h^р_р = 2.2 ×9.1 = 20.02

7.6 Округляем высоту h^р_р до ближайшего большего целого значения

h_р = 21

8 РАСЧЕТ БЕЗЗАЗОРНОГО БОЛТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ОБЕЧАЙКИ
И СТУПИЦЫ БАРАБАНА

8.1 Разъемное соединение торцевых стенок обечайки и ступицы барабана (рис.8.1) выполняем болтами для отверстий из под развертки по ДСТУ (ГОСТ 7817-80). При этом выбираем материал болтов – сталь 45 (σ_т = 353 МПа) [1].

8.2 Определяем предварительный диаметр D^п₀ межосевого расстояния на торцовой стенке барабана (рис.8.1) на котором устанавливаются крепежные болты разъемного болтового соединения обечайки и ступицы барабана, мм.

D^п₀ = D_б.л. - 5 × δ₀, (8.1)

где D_б.л - диаметр обечайки барабана, мм;

δ₀ - толщина цилиндрической стенки обечайки барабана, мм.

D^п₀ = 250- 5 × 13 = 185

Рисунок 8.1 - Принципиальная схема барабана лебедки и разъемного
болтового соединения торцевой стенки обечайки со ступицей барабана.

8.3 Ведем относительный безразмерный параметр, q^п

q^п = D_б.л. / D^п₀, (8.2)

где D_б.л., D^п₀ - диаметры, мм

q^п = 250/ 185= 1.35

8.4 Определяем окружное срезающее усилие, действующее на все болты болтового соединения, Н

Р₀ = Р_л × q^п, (8.3)

где Р_л - тяговое усилие, Н.

Р₀ = 8117.21 × 1.35= 10958.23

8.5 Для определения допускаемого напряжения среза [τ]_ср одного болта задаемся коэффициентом безопасности К₁ и коэффициентом нагрузки К₂.

Для механизмов подъема кранов, работающих с крюком [1].

К₁ = 1.3

Коэффициент нагрузки К₂ выбираем в зависимости от заданной в исходных данных группы режимов работы лебедки из табл. 8.1 [1].

Таблица 8.1 - Коэффициент нагрузки, К₂

8.5.1 Коэффициент нагрузки

К₂ = 1.1

8.6 Определяем допускаемое напряжение растяжения [ σ_р ] крепежного болта [1], Мпа.

[σ_р ] = σ_т / (К₁ × К₂), (8.4)

где σ_т - предел текучести материала болта, МПа.

[σ_р ] = 353 / (1.3 ×1.1) = 243.85

8.7 Определяем допускаемое напряжение среза [τ_ср] крепежного болта [1], МПа

[τ_ср] ≈ 0.6 × [σ_р], (8.5)

где [σ_р] - допускаемое напряжение материала болта при растяжении, МПа.

[τ_ср] = 0.6 × 243.85 = 146.31

8.8 Задаемся количеством установленных болтов m_σ, (обычно 8).

m_σ = 8

8.9 Определяем расчетное количество болтов m^р_σ [1].

m^р_σ = 0.75 × m_σ (8.6)

m^р_σ = 0.75 × 8 =6

8.10 Введем обозначение с_к, приняв для материала болтов допускаемое касательное напряжение [τ_ср]_, рассчитанное по формуле (8.5).

Определим относительный параметр с_к., мм².

с_к = 4 × Р_л. / (π × m^р_σ × [τ_ср]), (8.7)

где составляющие Р_л., Н, [τ]_ср, МПа

с_к = 4 ×8117.21/ (π × 6 ×146.31) = 11.78

8.11 Определяем предварительный расчетный диаметр болта, мм

d^п_б = (q^п × с_к)^½, (8.8)

где с_к - параметр, мм²

d^п_б = (1.35×11.78)^1/2 = 3.99

8.12 Из конструктивных соображений с учетом результатов расчета п. 8.2 и стандартных размеров болтов (табл. 8.2), определяем окончательный диаметр D₀ (рис. 8.1) на котором устанавливаются крепежные болты, мм.

D₀ = 180

8.13 Введем и определим окончательный относительный параметр q для рассчитанного в п. 8.12. диаметра D_0.

q = D_б.л. / D₀, (8.9)

где D_б.л, D₀ - диаметры, мм.

q = 250 / 180 =1.39

8.14 Определяем расчетный диаметр стержня крепежных болтов (мм), установленных на диаметре D₀ соединения торцевых стенок ступицы и обечайки барабана, удовлетворяющих условию прочности на срез.

d^р_б = [(d^п_б)² × q / q^п]^1/2, (8.10)

где d^п_б - диаметр, мм.

d^р_б = [(3.99)² × 1.39 /1.35]^1/2 = 4.05

8.15 Выбираем окончательный типоразмер крепежного болта из табл. 8.2 с диаметром стержня, ближайшим большим к расчетному d^р_б. Длина стержня болта регламентируется толщиной торцевых стенок соединения ступицы и обечайки барабана лебедки, рассчитываемых в п.10.

Стандартные размеры болта ДСТУ ГОСТ 7817-80 - Болты с шестигранной уменьшенной головкой класса точности А для отверстий из под развертки, представлены в табл. 8.2 и на рис. 10.1.

8.16 Стандартный диаметр крепежного болта d₁, ближайший больший к расчетному d^р_б, мм

d₁ = 7

Таблица 8.2 - Стандартные размеры болтов с шестигранной уменьшенной головкой класса точности А

9. ДИАМЕТР ОКРУЖНОСТИ ВЕРШИН РЕБОРД

9.1 Расчетный диаметр окружности вершин реборд барабана с учетом необходимой высоты борта над последним слоем навивки каната на барабане определяем по эмпирической формуле, мм.

D^р _р = D_б.л. + (K_s × d_k + h_p) × 2, (9.1)

где D_б.л., d_k - диаметры реборд над последним слоем навивки, мм;

h_p - высота реборд над последним слоем навивки, мм.

D^р _р = 250 + (2 ×9.1 +21) × 2=328.4

9.2 Диаметр барабана по вершине реборд D_р назначаем конструктивно путем округления расчетного диаметра D^р_р. до ближайшего большего четного целого значения, мм

D _р =330

10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТОРЦЕВЫХ СТЕНОК СОЕДИНЕНИЯ ОБЕЧАЙКИ И СТУПИЦЫ БАРАБАНА.

10.1 Определяем толщину торцевых стенок соединения обечайки барабана δ_к и ступицы δ_с (рис.10.1) из условия прочности стенок на смятие, мм.

Принимаем при этом, что δ_к = δ_с

10.2 Окружное усилие среза, воспринимаемое одним болтом соединения, Н

Р₁ = Р_л × [0.5 × D_б.л. + (K_s - 0.5) × d_k] / (0.5 × D₀ × m^p_σ), (10.1)

где Р_л - тяговое усилие, Н;

D_б.л, d_k, D₀ - диаметры, мм

Р₁ = 8117.21× [0.5 × 250 + (2 - 0.5) ×9.1] / (0.5 × 180 × 6) = 2084.17

10.3 Допускаемые напряжения смятия [σ]_см. для чугуна рассчитываются на основании таблицы 5.1 путем уменьшения допускаемых напряжений сжатия на 10 % [1], МПа.

[σ]_см. =132.3

10.4. Расчетная толщина торцевой стенки обечайки δ^р_к и ступицы δ^р_с барабана при условии, что они изготовлены из одинакового материала, мм.

δ^р_к = δ^р_с = Р₁ / (d₁ × [σ]_см), (10.2)

где Р_1, Н;

d₁ - диаметр стандартного крепежного болта, мм;

[σ]_см, МПа.

δ^р_к = 2084.17 / (7 ×133) = 2.24

10.5 Толщину торцевой стенки барабана (ступицы) округляем до ближайшего большего целого значения, мм

δ_к = δ_с = 3

Рисунок 10.1 - Болтовое соединение торцевых стенок ступицы и обечайки
барабана лебедки; 1,2-поверхности смятия отверстий разъемного соединения

10.6 Если торцовые стенки изготовлены из чугуна и δ_к = δ_с < 12 мм, то с учетом технологического ограничения, мм

δ_к = δ_с = 12

11 ГАБАРИТНАЯ РАСЧЕТНАЯ И КОНСТРУКТИВНАЯ ДЛИНЫ
БАРАБАНА

11.1 Габаритная расчетная длина барабана лебедки определяется по эмпирической формуле, мм.

ℓ_г = ℓ^р_б.л + 2 × δ_р, (11.1)

де ℓ^р_б.л., δ_р - составляющие, мм.

ℓ_г = 729.38+ 2 × 9.1 =747.58

11.2 Конструктивную габаритную длину ℓ^к_б.л. барабана лебедки (рис.4.1) получим путем округления габаритной расчетной рабочей длины ℓ_г до ближайшего большего целого четного значения, мм

ℓ^к_б.л. = 748

12 РАСЧЕТ ДИАМЕТРА ЦАПФЫ ОСИ ВРАЩЕНИЯ БАРАБАНА
ЛЕБЕДКИ В ОПАСНОМ СЕЧЕНИИ

12.1 Если материал оси вращения барабана не задан в исходных данных, то выбираем материал оси из перечня сталей представленных в табл. 12.2.

Материал - Сталь 45

12.2 При передаче вращающего момента от тихоходного вала редуктора к обечайке барабана лебедки с помощью зубчатой муфты ось вращения барабана воспринимает только изгибающий момент. В этой связи такое конструктивное решение является наиболее целесообразным. Расстояния ℓ₁, ℓ₂ от цапф под ступицами барабана до подшипниковых опор (концевых цапф, иначе шипов) вдоль оси вращения показаны на (рис. 12.1).

Рисунок 12.1 - Принципиальная и расчетные схемы барабана
а) - для определения реакции R₁ на подшипник; б) - для определения диаметра цапфы оси вращения барабана лебедки в опасном сечении где приложена сила Р_л;

На основании данных имеющихся аналогов барабанов, предварительно принимаем: (рис.12.1) расстояние со стороны подвода вращающего момента к обечайке барабана ℓ₁ = 120 мм; с противоположной стороны ℓ₂ = 200 мм (длина ступицы предварительно принимается равной 1…1.5 диаметра цапфы, d_c) [1]. Диаметры цапф оси вращения барабана определяем из условия работы оси на изгиб при переменном симметричном цикле нагружения.

12.3 Коэффициент К₀, учитывающий конструкцию валов, осей и цапф принимаем из интервала К₀ = 2.0…2.8 [1].

К₀ = 2

12.4 Принимаем допускаемый коэффициент запаса прочности [n]_ц, соответствующий режиму работы лебедки из таблицы 12.1 [1].

[n]_ц = 1.6

Таблица 12.1 - Коэффициент запаса прочности

12.5 Численное значение предела выносливости выбираем из таблицы 12.2 в зависимости от материала оси вращения барабана лебедки для наименьшего диаметра заготовки, т.к. ее диаметр пока не известен [1], МПа.

σ_-1 = 345

12.6 Определяем допускаемое напряжение изгиба цапфы оси барабана в опасном сечении при переменном симметричном цикле нагружения, МПа

[σ_-1] = σ_-1 / {K₀ × [n]_ц} (12.1)

[σ_-1] = 345 / { 2 × 1.6} = 107.81

Таблица 12.2 - Предел выносливости σ_-1 на изгиб сталей при симметричном цикле нагружения

12.7 Определяем максимальный изгибающий момент воспринимаемый цапфой оси в опасном сечении под силой Р_л со стороны, противоположной подводу вращающего момента. Максимальный изгибающий момент в сечении этой цапфы возникает тогда, когда канат сбегает с обечайки барабана в сечении проходящем через средину этой цапфы (рис.12.1), Н×мм

М_с = [Р_л × (ℓ^р_б.л + ℓ₁) × ℓ₂] / (ℓ₁ + ℓ₂ + ℓ^р_б.л),

где Р_л, Н;

ℓ^р_б.л, ℓ₁, ℓ₂ - длины, мм.

М_с = [8117.21× (729.38+ 120) × 200] / (120 + 200 +729.38) =1314032.25

12.8 Расчетный диаметр цапфы оси под правой ступицей барабана (мм), (рис. 8.1, 12.1) определяется из условия обеспечения изгибной выносливости оси в опасном сечении при переменном симметричном цикле нагружения.

d_c = [32 × M_c × K₀ × [n]_ц / (π × σ_-1)]^1/3, (12.2)

где М_с - изгибающий момент, Н×мм;

σ_-1 - предел выносливости, МПа.

d_c = [32 × 1314032.25 × 2 × 1.6 / (π ×345)]^1/3 = 48

Окончательно величину диаметра цапфы d_c оси в сечении под этой ступицей принимают после расчета и выбора опорных подшипников качения, сравнивая диаметр d_c с установочным диаметром внутреннего кольца выбранного в п.19.14 подшипника.

13 РАСЧЕТНАЯ ЛИНЕЙНАЯ СКОРОСТЬ ТЯНУЩЕЙ ВЕТВИ КАНАТА
И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ ЕЙ ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ БАРАБАНА

13.1 Определяем расчетную линейную скорость тянущей ветви каната, навиваемой на условный средний диаметр навивки каната на барабане лебедки (рис. 4.1), м/с.

V_ср. = V_Q × m, (13.1)

где V_Q - скорость, м/с.

V_ср. = 0.18 × 3 = 0.54

13.2 Необходимая расчетная частота вращения n_ср. (мин ^-1) барабана лебедки, определяемая из условия обеспечения расчетной линейной скорости навивки V_ср. (м/с) каната на условный средний диаметр барабана D_ср.

n_ср. = (2 × 30 × V_ср.) / (π × D_ср/10³), (13.2)

где V_ср. - скорость, м/с;

D_ср - диаметр, мм.

n_ср = (2 × 30 ×0.54) / (π × 268.2/10³) = 38.47

14 МОЩНОСТЬ СТАТИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ВАЛУ
БАРАБАНА ЛЕБЕДКИ

14.1 Мощность статического сопротивления на валу барабана лебедки (без учета КПД барабана), обусловленная действием тягового усилию Р_л и линейной скоростью V_ср. ветви каната навиваемой на условный средний диаметр D_ср. при соответствующей частоте вращения барабана n_ср., Вт.

N_б.л. = Р_л × V_ср., (14.1)

где Р_л - тяговое усилие, Н;

V_ср. - скорость V_ср., м/с.

N_б.л. = 8117.21 ×0.54= 4383.29

15 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД МЕХАНИЗМА ЛЕБЕДКИ

15.1 Если численное значение КПД редуктора η_ред. в исходных данных не задано, то выбираем его значение в справочнике или каталоге из интервала 0.94…0.97;

η_ред. = 0.97

15.2 Если численное значение КПД муфты с встроенным тормозом η_т в исходных данных не задано, то выбираем его значение в справочнике или каталоге из интервала 0.97…0.99;

η_т = 0.97

15.3. Если численное значение КПД барабана лебедки η_б.л в исходных данных не задано, то выбираем его значение в справочнике или каталоге из интервала 0.93…0.97;

η_б.л = 0.96

15.4 КПД механизма лебедки (без учета КПД механизма полиспаста и отклоняющих блоков, КПД которых были учтены при определении величины тягового усилия Р_л) определяется по формуле

η_л. = η_б.л. × η_ред.× η_т. (15.1)

η_л =0.96 × 0.97× 0.97 = 0.9

16 РАСЧЕТ МОЩНОСТИ И ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

16.1 Необходимая расчетная мощность электродвигателя для подъема номинального (максимального) груза на установившемся режиме, Вт.

N^р_эл.дв. = N_б.л. / η_л.

где N_б.л. - мощность статического сопротивления на валу барабана лебедки, Вт.

N^р_эл.дв. = 4383.29/ 0.9 = 4870.32

16.2 Из каталога или таблиц ДСТУ (либо других литературных источников) выбираем электродвигатель с мощностью ближайшей большей по сравнению с расчетной, (Вт) с продолжительностью включения (ПВ%), соответствующей режиму работы лебедки. С достаточной степенью точности ПВ% электродвигателя можно принять для лебедок работающих по легкому и среднему режимам ПВ=25%; по тяжелому ПВ = 40%.

Понятие и методика определения ПВ % дано в приложении E [10].

16.3 Выбираем типоразмер электродвигателя по табл. Б.1 [10].

Типоразмер - АИРМ112М4

16.4. Для электродвигателя выбранного типоразмера выписываем из табл.Б.1 [10] численное значение мощности N_{эл. дв.}, Вт.

N_{эл. дв.} = 5500

16.5 Выписываем из табл. Б.1 [10] следующие технические характеристики выбранного электродвигателя.

16.5.1 Синхронная частота вращения n^С_эл.дв. электродвигателя, мин ^-1;

n^С_эл.дв. = 1500

16.5.2 Асинхронная частота вращения электродвигателя на номинальном режиме работы n^А_эл.дв., мин^-1;

n^А_эл.дв. = 1450

16.5.3 Обозначения габаритных и присоединительных размеров электродвигателя (мм), показаны на рис.16.1.

Рисунок 16.1 - Габаритные и присоединительные размеры электродвигателя

Для выбранного электродвигателя численные значения габаритных и присоединительных размеров выписываем из таблицы Б.1 [10] в следующем порядке, мм:

- габаритная длина.............................................................................. ℓ₃₀ =435;

- габаритная высота............................................................................ h₃₁ = 310;

- диаметр корпуса............................................................................... d₃₀ =246;

- длина консольного вылета вала ротора.......................................... ℓ₁ =80;

- расстояние между крепежными болтами......................................... b₁₀ =190;

17 РАСЧЕТ И ВЫБОР РЕДУКТОРА

17.1 Определяем необходимое расчетное передаточное число редуктора

U^р_ред. = n^с_эл.дв. / n_ср., (17.1)

где n^с_эл.дв., n_ср. - частоты вращения, мин^-1.

U^р_ред. = 1500 / 38.47 = 38.99

17.2 Необходимый расчетный момент статического сопротивления (Н×м) на тихоходном вале редуктора определяем по мощности его статического сопротивления и частоте вращения n_ср.

М^н_т.в. = [(30 / π) × N_б.л. / n_cр] / η_б.л., (17.2)

где N_б.л.- мощность, Вт; n_ср.- частота вращения, мин ^-1.

М^н_т.в. = [(30 / π) × 4383.29 / 38.47] /0.96 =1133.96

17.3 Типоразмер и технические характеристики двухступенчатого цилиндрического редуктора выбираем из таблицы Б.2 [10], ДСТУ, либо справочника или технического паспорта с допустимым вращающим моментом на тихоходном вале и передаточным числом редуктора ближайшим большим к расчетным, соответственно. При этом необходимо учитывать частоту вращения быстроходного вала электродвигателя и режим работы лебедки (редуктора).

Типоразмер - 1Ц2У-160

17.4 Для выбранного типоразмера редуктора из табл. Б.2 [10] выписываем величину номинального (допускаемого) вращающего момента М^д_т.в. на тихоходном вале редуктора, соответствующего режиму работы лебедки (редуктора), Н×м

М^д_т.в. = 1875

17.5 Для выбранного типоразмера редуктора из приложения табл. Б.2 [10] выписываем величину допускаемой радиальной консольной нагрузки К_н на тихоходном вале редуктора, Н

К_н =9000

17.6. Для выбранного типоразмера редуктора из табл. Б.2 [10] выписываем действительное передаточное число редуктора U_ред., ближайшее большее к расчетному, Н

U_ред. = 40

17.7 Действительная мощность на тихоходном вале редуктора, развиваемая электродвигателем на номинальном установившемся режиме, Вт

N_т.в. = N_{эл. дв.} × η_ред. × η_т, (17.3)

где N_{эл. дв.}, Вт.

N_т.в.. = 5500 × 0.97 × 0.97 = 5174.95

17.8 Действительная частота вращения тихоходного вала редуктора, развиваемая электродвигателем на номинальном установившемся режиме, мин ^-1

n^д_т.в. = n^А_эл.дв. / U_ред., (17.4)

где n^А_эл.дв., мин^-1.

n^д_т.в. = 1450/ 40 = 36.25

17.9 Действительный вращающий момент (Н×м), на тихоходном вале редуктора, развиваемый электродвигателем на номинальном установившемся режиме, определяемый для заданного режима работы лебедки с номинальным грузом.

М^эл.дв_т.в. = (N_т.в. × 30) / (π × n^д_т.в.),

где N_т.в. - мощность, Вт;

n^Д_т.в. - частота вращения, мин^-1.

М^эл.дв_т.в. = (5174.95× 30) / (π ×36.25) =1363.92

Следует учитывать, что этот момент меньше пускового, включающего как момент статического сопротивления, так и моменты инерции вращающихся и движущихся поступательно масс грузоподъемного механизма и поднимаемого груза.

17.10 Отклонение действительного номинального вращающего момента М^эл.дв._т.в, развиваемого электродвигателем на тихоходном вале редуктора, от необходимого момента статического сопротивления М^н_т.в на этом вале, %.

О_д.н. = (М^эл.дв._т.в. - М^н_т.в.) / М^н_т.в. × 100,

где М^эл.дв._т.в., М^н_т.в. - моменты, Н×м.

О_д.н. =(1363.92– 1133.96) /1133.96× 100 = 20.28

17.11 Отклонение номинального (допускаемого) вращающего момента М^д_т.в на тихоходном вале редуктора по паспорту от необходимого момента статического сопротивления М^н_т.в на этом вале %.

О_п.н. = (М^д_т.в. - М^н_т.в.) / М^н_т.в. × 100, (17.5)

где М^д_т.в., М^н_т.в. - моменты, Н×м

О_п.н. = (1875- 1133.96) / 1133.96× 100 = 65.35

17.12 Действительная (расчетная), радиальная консольная нагрузка К_ф на тихоходном вале редуктора (при условии отсутствия второй подшипниковой опоры барабана лебедки) принимается равной тяговому усилию Р_л, Н

К_ф = Р_л = 8117.21

17.13 Отклонение фактической (действительной) радиальной консольной нагрузки К_ф на тихоходном вале редуктора от допускаемой консольной нагрузки К_н, %

О_к = (К_ф – К_н) / К_н × 100, (17.6)

где К_ф, К_н - нагрузки, Н_.

О_к = (8117.21– 9000) / 9000 × 100 = -9.81

17.14 Обозначения габаритных и присоединительных размеров (мм) редуктора показаны на рис. 17.1.

Для выбранного типоразмера редуктора из таблицы Б.2 [10] выписываем численные значения габаритных и присоединительных размеров, мм:

- межосевое расстояние тихоходной ступени.......................................... А_wт = 160;

- межосевое расстояние быстроходной ступени...................................... А_wб = 100;

- габаритная ширина корпуса редуктора................................................ В =196;

- габаритная высота корпуса редуктора................................................. Н =335;

- расстояние от опорной плоскости корпуса до осей вращения валов.. Н₁ =170;

- габаритная длина корпуса редуктора................................................... L =545;

- расст. от левого торца корпуса до оси вращения тихоходного вала.. L₃ =195;

- расст. консольного вылета быстроход. вала от плоскости симметрии L₄ =170;

- расст. консольного вылета тихохоход. вала от плоскости симметрии L₅ =224.

Рисунок 17.1 - Габаритные и присоединительные размеры двухступенчатого
цилиндрического редуктора общемашиностроительного назначения

17.15 Вычерчиваем на листе формата А4 эскиз кинематической схемы лебедки (без полиспаста и отклоняющих блоков). В зависимости от результатов расчета возможны три компоновочные решения механизмов лебедки (рис. 17.2, а, б, с).

а) б) с)

Рисунок 17.2 - Схемы компоновки механизмов лебедки с 2-х ступенчатым редуктором
а-двигатель и барабан лебедки на 2-х опорах установлены по одну сторону от редуктора, б-барабан лебедки установлен консольно без второй опоры по одну сторону от редуктора, с- двигатель и барабан лебедки установлены по разные стороны от редуктора.

17.16 Определяем межосевое расстояние между быстроходным и тихоходным валами редуктора, мм.

А = А_wт + А_wб = 160 + 100 =260

17.17 Определяем сумму радиусов (мм) вершин реборды барабана лебедки и корпуса электродвигателя, плюс воздушный зазор Z_v между ними (рис.17.2, а). Воздушный зазор обычно принимается равным 100 мм.

S_r = (D _р. + d₃₀) / 2 + Z_v, (17.7)

где D_р., d₃₀ - диаметры, мм;

Z_v - воздушный зазор, мм.

S_r = (330+ 246) / 2 + 100 = 388

17.18 Устанавливаем возможность монтажа барабана лебедки и электродвигателя по одну сторону от боковой стенки редуктора.

Установка по одну сторону возможна если А ≥ S_r..

А =260;

S_r. = 388.

На основании полученных расчетных данных пп.17.16, 17.17 и приведенных на рис. 17.2 возможных компоновочных решений выбираем рациональную компоновочную схему.

17.19 Определяем отношение конструктивной габаритной длины ℓ^кб.л барабана лебедки к ее диаметру D_б.л. (рис.4.2).

О_д = ℓ^к_б.л / D_б.л., (17.8)

где ℓ^к_б.л - конструктивная длина барабана, мм;

D _б.л - диаметр, мм.

О_д = 748 / 250 = 3

17.20 Действительная скорость V_Q.д. (м/с) вертикального подъема груза грузовым крюком полиспаста на номинальном режиме работы, рассчитываемая по действительной (фактической) частоте вращения n^д <