Остов и устойчивость грузоподъемника
Остовом грузоподъемника служит
металлическая конструкция, на которой монтируют рабочие механизмы подъема,
передвижения и поворота, электрооборудования и приборы управления.
Конструкция остова, определяемая
схемой и условиями работы, должна удовлетворять требованиям достаточной
прочности и долговечности, надежности и устойчивости в пределах норм для элементов
и всей конструкции, рационального использования металлов, наименьшей массы и
меньшей трудоемкости изготовления.
Основы расчета остова грузоподъемника
Элементы остова грузоподъемника
изготовляют из углеродистых и низколегированных сталей и соединяют между собой
сваркой, заклепками или шарнирами. Роль звеньев переменной длины выполняют
гидроцилиндры.
Допускаемые напряжения для основной
конструкции, изготовляемой из сталей Ст. 2...Ст. 5, можно принимать при
деформациях: растяжения, сжатия и изгиба в пределах 145...210 МПа, для заклепок
на срез — 110...145 МПа и сварных соединений при электродах Э-34 и Э-42 на
срез —72...110 МПа.
Расчетные нагрузки на остов
Постоянная
нагрузка возникает
от силы тяжести собственной массы Gк:
Рп = k1gGк,
где k1 = 1,l — коэффициент, учитывающий влияние толчков, при х>60 м/мин.
Временная
нагрузка
появляется от силы тяжести масс: поднимаемого груза, тележки и грузозахватных
устройств:
Рв = k2g(G + Gт),
где
G и Gт — соответственно массы груза и
тележки;
k2 =
1,0...1,5 —коэффициент динамичности, зависит от рода привода и режима работы.
Инерционная
нагрузка
возникает при неустановившемся поступательном (мост, тележка) или вращательном
(поворотный кран, погрузчик) движении. Ее определяют как наибольшую» для
периода торможения изложенными ранее методами или упрощенно: при прямолинейном
Ри = 0,14Рт, при повороте
Р'и = 0,1g(G + Gк),
где Рт — суммарная
нагрузка на тормозные колеса;
Gк — масса крана.
Ветровую нагрузку определяют
изложенными ранее методами.
Балки и фермы кранов
Остов крана выполняют в виде одной, двух балок или решетчатых ферм.
Балки просты, меньшей высоты, но более металлоемки.
Кран-балка (рис. 36,
а) подвергается изгибу от сил тяжести масс: груза — gG, тележки - gGт, балки
— gqL. Тогда с допущением суммарный момент будет
Массой балки qL на этой стадии расчета задаются на основе существующих конструкций. Выбрав металл балки и допускаемое напряжение, находят момент сопротивления сечения: W = Миз : [у]из.
Рис. 36. Схемы кран-балок:
а — к расчету кран-балки;
б и в — шпренгельные кран-балки;
г — сечения балок.
Зная W, выбирают по ГОСТ профиль проката или проектируют составную сварную балку (рис. 36,г). Высоту h балок рекомендуется принимать для одностоечных балок (0,06...0,07) L и для коробчатых— (0,05...0,066) L. Жесткость балки проверяют по удельной стреле прогиба:
где [f0] = f : L = 1 : 400 — для ручных мостовых кранов, 1 : 500 для кран-балок и 1 :700 для электрических кранов. При больших пролетах по заданному [f] определяют I и проверяют прочность. Продольные сварные швы в балках, крепящие пояса и накладки к стойке, проверяют по нагрузке на погонный метр по формуле
где S и I — соответственно статический момент сечения, лежащего за плоскостью сварных швов, и момент инерции всего сечения; RA — наибольшая поперечная сила в расчетном сечении; hш — высота сварного шва. При опоре колес тележки и электротельфера на нижние полки двутавра момент изгиба и момент сопротивления сечения на погонный метр длины соответственно принимают М = 0,125 (G+Gт)g; W = t2/6. (132) Тогда напряжение при толщине полки t будет уиз = 0,78g(G + Gт)/t2 ≤ [у]из, (133) Жесткость балки в горизонтальной плоскости при пролете до 7 м достигается постановкой подкосов с одной или обеих сторон. При больших пролетах ставят решетчатые фермы или сплошной из листа пастил со стороны механизма передвижения. Боковую жесткость от изгиба силами инерции при пуске и торможении проверяют по формуле Уиз = 0,25РнL/Wу. (134) Шпренгельную балку при движении по нижней полке (рис. 36, б) и по верхней (рис. 36, в) применяют при пролетах свыше 12 м и повышенной грузоподъемности. Основные нагрузки: в ее элементах определяют по уравнениям H = з1g(G+Gт); (135) где з1 —коэффициент, равный 1,62...2,57 при h : L = 0,1...0,067; з2 — коэффициент, равный 0,08...0,1 при h : L = 0,2...0,33. Решетчатые фермы для кранов сельскохозяйственного производства почти не применяют. Поворотные краны в качестве остова оснащены стрелой или фермой. Различают стрелы в виде консольных (рис. 37, а, б, в и г) и двухопорных (рис. 37,д) балок. Наибольшая жесткость достигается при коробчатых и решетчатых сечениях. При большой окружной скорости до 5 м/с и выше необходимо обеспечивать жесткость стрелы в горизонтальной плоскости, а при наличии у стрелы хобота следует учитывать скручивающий момент. Двухопорную стрелу, применяемую в вантовых, башенных и автомобильных кранах, рассчитывают на сжатие и изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При переменном вылете крана L грузоподъемность G = f(L), но в любом рабочем положении gGxLx должно оставаться почти постоянным. Поэтому практически рекомендуется принимать (gG)xLx = (0,4...0,3) (gG)maxLmax (136) Полное усилие, приложенное к оголовку стрелы, определяют по формуле Qп = g(kG + 0,5Gc + Gог + Gг.п + Gс.п), (137) где G, Gс, Gог, Gг.п , Gс.п — соответственно массы груза, стрелы, оголовка, грузового и стрелового полиспастов; k = 1,0...1,5 — коэффициент режима работы. Сжимающая стрелу сила Nп определится как геометрическая сумма сил Gmax = gGmax или Qmin = gGmin и сила Sп натяжения грузового полиспаста Nп' = gGmax + Sп' или N''п = gGmin + Sп''.
Рис. 37. Схемы стрел кранов:
а, б, в и г — консольные балки; д — двухопорная балка.
где Ма — момент для крайних положений стрелы: Ma' = Qmaxa' и Ma'' = Qmaxa''. Наибольший изгибающий момент Миз = RAx приx = RA:gq. Прочность и жесткость стрелы проверяют для всех опасных сечений соответственно по формулам
где Миз.в , Mиз.г, Wв и Wг — соответственно изгибающие моменты и моменты сопротивлений сечений стрелы в вертикальной и горизонтальной плоскостях; ц = 0,52...0,19 —коэффициент уменьшения допускаемого напряжения в зависимости от коэффициента гибкости л = 120...200. Размеры сечения фермы принимают: h = (0,05...0,04)L (см. рис. 36,б), b = (0,1...0,066)L (см. рис. 36,а). Фермы поворотных кранов рассчитывают по наибольшим усилиям и моментам, действующим на их стержни. Предпочтительнее графический способ, дающий возможность контролировать, проектировать и вносить коррективы в конструкцию. Из условия равновесия (рис. 38) получим суммарную вертикальную реакцию: T = g(G + Gк) = Q1 - Q2 + g(GI + GII + GIII + GIV), горизонтальную: H = g(GL + Gкlк)/h Тогда усилия будут Q1 = gGL (L-а); Q2 = gGa (L-a), где a = 0,2L. Условие равенства моментов МизI-III = МизI может быть выполнено при положении тележки на консоли и посредине между узлами I и III. Приближение узла II к узлу III увеличивает нагрузки на стержни 2, 5 и 4, однако при этом кран получает возможность обслуживать большее пространство. Порядок определения усилий в стержнях (рис. 38, б и в) следующий: а) вычертить в масштабе схему фермы (рис. 38, а) с нагрузками;
Рис. 38. К расчету фермы поворотного крана:
a —эпюры моментов; б —диаграмма усилий в стержнях от полезной нагрузки;
в - диаграмма
усилий от собственной массы и от натяжения каната; 1, 2, 3,
4 и
5 — стержни.
Рис. 39. К расчету колонны и фундамента.
б) построить диаграммы усилий в стержнях: от полезной нагрузки (рис. 38,б), от сил тяжести масс и от внутренних сил (рис. 38, в). При построении диаграмм усилий направление их должно соответствовать направлению оси стержня. По полученным усилиям рассчитывают поперечные сечения. Растянутые стержни проверяют на гибкость:
где lс — длина стержня;
ri — радиус инерции; Imin — момент инерции сечения;
F — площадь сечения стержня.
Сжатые стержни
(для них [л] = 120) рассчитывают с учетом продольного изгиба
по формуле
F = Px/ц[у]сж(141)
где ц —
коэффициент уменьшения допускаемого напряжения, равный 0,99....0,19
соответственно при л =10....200.
Почти все
стержни подобных ферм делают из одного профиля.
Устойчивость
крана и распределение нагрузки на опоры
Фундамент крана служит его опорой, он воспринимает
усилия и моменты и передает их на грунт. У него квадратное
основание и прямые стенки. Большие фундаменты делают уширяющимися к
основанию с наклонными или ступенчатыми стенками. На фундамент действует
вертикальная сила (рис. 39)
V = g(G + GК + G0 + Gф)
и опрокидывающий момент
Mоп = g(GL + Gкlк
- G0l0) = Hh = Ve Наименьшую массу фундамента
находим по условному расчету на сдвиг под действием силы Н:
где е = 1,5... 1,7 — коэффициент запаса устойчивости;f = 0,5...0,7 — коэффициент трения между фундаментом и грунтом; г — плотность материала фундамента. Устойчивость фундамента проверяют, учитывая давления рmах и pmin, сопротивление боковых стенок не учитывается. Тогда сжимающее давление
где [р] — допускаемое удельное давление, МПа: для гранита — 3,0...4,0, известняка —1,5...2,5; слежавшегося гравия — 0,5...0,8; песка, глины — 0,3...0,5; для мокрого песка и болотистого грунта 0,2...0,3). Выражение
является
коэффициентом перераспределения удельного давления, из которого видно, что при
e = B/6рmах
= 2p и pmin = 0 дальнейшее увеличение нагрузок
приведет к отрыву кромки А основания
фундамента.
Нагрузка на ходовые устройства
Ходовая часть подъемных и
погрузочных машин бывает колесной и гусеничной. Условия работы этих машин в
сельском хозяйстве отличаются неравномерностью плотности грунта, наличием
уклонов, низким давлением в шинах, отсутствием дополнительных опор и
перемещением грузов на значительные расстояния, т. е. всем тем, что уменьшает
устойчивость и увеличивает неравномерность нагрузок на элементы ходовой части
(колеса, гусеницы).
Распределение
нагрузки на ходовые колеса. Рассмотрим распределение нагрузки на колеса в часто встречающейся
схеме, когда ось вращения погрузчика не совпадает с центром опор
прямоугольника ABCD (рис. 40,а).
Подобная схема со смещенной осью вращения крана типична для автокранов, автопогрузчиков
и грейферных погрузчиков на тракторах.
Для повышения устойчивости на
элементы опор ставят уширенные колеса, спаренные шины, выносные опоры.
Опрокидывающий момент может быть
приложен в трех плоскостях. Тогда наибольшая нагрузка на колеса при действии
момента в плоскости OI будет
Рис. 40. К расчету
распределения нагрузки и удельного давления.
и в плоскости O1III при O1III┴ BD
Во всех вариантах нагружения должно быть Rmin > 0. Это условие возможно при соответствующем подборе размеров е,e, а и b. Выражение в скобках — коэффициент концентрации нагрузки. Распределение удельного давления на гусеничном ходе. В процессе работы погрузчика и крана на гусеничном ходу вследствие эксцентричности нагрузки в опорных площадках возникает перераспределение удельного давления, максимальная величина которого зависит от положения плоскости подъема груза и скорости подъема. На погрузчик действует вертикальная равнодействующая V и момент Moп = Ve. Схема опорных площадок и эпюры удельных давлений показаны на рисунке 40, б. Действие опрокидывающего момента в плоскости O1y соответствует машинам с фронтальной навеской рабочих органов. Тогда удельное давление будет равно
При проектировании рекомендуется обеспечивать е<В/6, тогда Pmin > 0. При действии момента в плоскости O1x (боковая навеска рабочих органов) удельное давление будет равно Pmin и в этом случае должно быть больше нуля.
В кранах и погрузчиках с поворотным рабочим органом опрокидывающий момент может действовать в произвольно расположенной плоскости O1z. При этом максимальное удельное давление будет равно
где My = Vx; Mx=Vy — составляющие геометрической суммы момента Моп; Wx = 2bB2/6; Wy = B(A3 – a3)6A — момент сопротивления площадок гусеницы. Из рисунка 40,б у = е sinц, x = e cosц;
где [р] — допускаемое удельное давление, приведено при расчете фундамента; kг = 8,8...11,9 — безразмерный коэффициент, зависящий от размеров гусениц и их расстановки. Устойчивость погрузочных машин. Известно, что больше полoвины аварий с грузоподъемными машинами происходит по причине потери устойчивости. Устойчивость свободно стоящих передвижных грузоподъемных машин — главное требование техники безопасности при эксплуатации их, особенно в сельскохозяйственном производстве, где перемещение происходит по неровностям поля, при порывах ветра, перекосах и раскачивании машины и груза. Правилами Госгортехнадзора (Госсельхозтехнадзора) предусматривается норма устойчивости, определяемая коэффициентом устойчивости. Различают коэффициенты грузовой устойчивости и собственной устойчивости, рассчитываемые в наихудших условиях нагружения. Коэффициент грузовой у с т о й ч и в о с т и — отношение суммы моментов всех сил (кроме груза) относительно линии опрокидывания В В (рис. 41,6) к моменту груза:
Чаще при расчетах ∑Ми учитывают только М1 и М2, реже комбинацию из двух-трех других моментов от сил инерции. Если при расчете грузовой устойчивости дополнительные нагрузки не учитываются, то принимается Кг ≥ 1,4. Статическое испытание грузоподъемника проводят под нагрузкой 1,25gG. Коэффициент собственной устойчивости — отношение моментов, восстанавливающих устойчивость грузоподъемника, к сумме моментов, опрокидывающих его относительна опор В при неблагоприятном сочетании действия этих нагрузок:
где М'к = Qк[(b — с)соs а +hksin а] — момент от силы тяжести массы крана (рис. 41, а); М'0 = Q0 [(lп— b)cos a + hпsin a] — момент от противовеса. Изложенный метод определения грузовой и собственной устойчивости применим для автокранов, автопогрузчиков, навесных тракторных погрузчиков
Продольная устойчивость для погрузчиков с фронтальной навеской грузозахватного органа проверяется по формуле (148). Коэффициент продольной устойчивости рекомендуется принимать Кп = 1,4...1,6. С увеличением грузоподъемности Кп имеет тенденцию к уменьшению. При увеличении высоты подъема груза он возрастает. В случаях превышения высоты подъема в 2,8...3,5 м рекомендуется уменьшать допускаемую массу груза. Однако следует иметь в виду, что слишком большой Кп снижает эксплуатационные качества погрузчиков. Продольную устойчивость проверяют при опрокидывании относительно точки А (рис. 41,в) по формуле
где МF /Fhп — момент от силы трения и деформации связных грузов при отходе погрузчика; Mp0 = еgGL0 — момент от суммарной силы отрыва груза при Р0 = еgG, здесь е = 1,54...4,0 для связных грузов — соломы, сена, силоса и навоза. По соглашению Международной федерации ускорение при торможении принято определять из соотношения
тогда a = gtgИ, где tgИ = 0,18, рекомендуется из условий торможения погрузчика на пути S = 3 м при движении со скоростью х = 12 км/ч.
При иных значениях а и tgИ (торможение
при уклоне пути) путь торможения определяется:
S = - х2/2a.
Поперечная устойчивость может быть нарушена при движении
погрузчика и стогометателя на поворотах. При повороте на косогоре (рис. 41,г)
на погрузчик действуют суммарная сила Q∑=g (G + G0 + Gг) и сила инерции Ри, приложенные в
центре тяжести, тогда условие равновесия будет
Варьируя размерами bиhи параметрами х и R, достигают устойчивости погрузчика на поворотах. Погрузчик в условиях сельского хозяйства может работать как транспортная машина с поднятым грузом. При передвижении погрузчика с грузом, т. е. при работе без выносных опор, устойчивость должна быть проверена и обеспечена рекомендациями уменьшения груза, подвешивания груза на минимальном вылете и наивыгоднейшем расположении стрелы. В практике эксплуатации погрузчиков и кранов при внезапном отрыве груза или автоматической его разгрузке возникает опрокидывающий момент, действующий в сторону противовеса, равный моменту от груза.
