Глава 17. металлические конструкции машин

Методические особенности расчетов конструкций раз­личных машин в основном связаны со спецификой режи­ма работы и характером нагружения. В остальном расче­ты производятся по общим методикам, представленным в предыдущих разделах. В данной главе в качестве приме­ров рассмотрены особенности расчета и конструирования трех типичных видов конструкций: кранов мостового типа, гидравлического одноковшового экскаватора и ножнично­го подъемника.

Металлические конструкции кранов мостового типа

Устройство конструкций

Наиболее распространенными представителями кранов мостового типа являются мостовые и козловые краны об­щего назначения.

Несущая конструкция мостового крана представляет собой систему, состоящую из главных и концевых балок, образующих мост, который опирается на колеса (рис. 17.1). По главным балкам движется одна или несколько грузо­вых тележек. Размер базыВ выбирают из соображений ограничения перекосов при движении крана. Обычно , причем меньшие значения принимаются для кран-балок и большепролетных кранов с частотными сис­темами управления приводами передвижения.

Кран-балки с подвесной грузовой тележкой грузоподъем­ностью до 10 т имеют однобалочное пролетное строение с ез­довым двутавром, по которому движется таль (рис. 17.1, а,17.2 а) (п. 13.5.1). Обычно для этого используют прокатные двутавры типа М (ГОСТ 19425) или широ­кополочные двутавры, которые имеют более толстые пояса и стенки, чем обычные. В тех случаях, когда сечения двутавра оказывается недостаточно по условию прочности или общей устойчивости, его усиливают горизонталь­ной фермой или дополни­тельным тонкостеннымсечением, швеллером, трубой, балкой треуголь­ного сечения и пр.

(рис. 17.2, б—д). При гру­зоподъемностях более 10 т целесообразно ис­пользовать коробчатое про­летное строение, по ниж­ним ПОЯСНЫМ свесам КОторого передвигается таль(рис. 17.2, е).

Пролетные строения опорных кранов большей грузо­подъемности обычно изготавливают с двумя главными бал­ками коробчатого сечения. Такой мост может представ­лять собой жесткую раму или шарнирную систему, кото­рая более технологична (рис. 17.1, б, в). Применяют два

типа главных балок: с рельсом посередине пояса и с рель­сом над стенкой (рис. 17.3) (п. 13.5.2, 13.5.3). Высоту балки hобычно принимают из условия . Минимальное значение отношения допустимо для кра­нов с системой управления, обеспечивающей плавный раз­гон и торможение механизма подъема. В балках с рельсом посередине пояса используют профильный рельс, ширину балки задают с учетом рекомендаций п. 13.1.1 (рис. 17.3, а). В балках с рельсом над стенкой (рис. 17.3, б, в) в качестве рельса используют или прямо­угольный профиль из низколегированной стали, который приваривают к поясу, или профильный рельс (п. 13.5.3). При расположении рельса над стенкой соотношение раз­меров сечения может составлять . Широкая балка имеет значительно большую горизонтальную жест­кость пролетного строения, что важно для специальных кранов с большими скоростями передвижения. Верхний пояс таких балок можно использовать в качестве галереи, которую при необходимости расширяют за счет дополни­тельной площадки на кронштейнах (рис. 17.3, в).

В отдельных случаях применяют однобалочные мосты с угловой тележкой (рис. 17.4, а, б). Такой мост имеет массу примерно на 20 % меньше, чем двухбалочный. Отношение размеров коробчатого сечения в этих мостах . Размещение рельсов зависит от конструк­ции тележки. Каждый узел балки, воспринимающий местное давление от колес тележки, должен быть проверен на

прочность и сопротивление усталости по рекомендациям п. 13.5. Концевая балка 1 однобалочного крана смещена относительно центра главной балки 2 таким образом, что­бы суммарная нагрузка от весов груза ,тележки и пролетного строения примерно одинаково распределя­лась на оба колеса: (рис- 17.4, а).

Соединение главных балок 1 с концевыми2 целесообразно осуществлять с помощью горизонтального или вер­тикального фланцевого соединения (рис. 17.5). При этом концевая балка с колесами и механизмом передвижения доставляется на место монтажа в состоянии полной завод­ской готовности, что обеспечивает необходимую точность установки ходовых колес. Узел соединения главных балок с концевыми загружается в основном нагрузками от пе­рекоса конструкции и горизонтальными силами инерции, поэтому его долговечность существенно зависит от системы управления механизмов передвижения. Подшипники ходо­вых колес в концевых балках закрепляют с помощью угловых букс (рис. 17.6, а), или непосредственно в утолщен­ной стенке со съемной крышкой (рис. 17.6, б), или в эксцентричной втулке, позволяющей регулировать положе­ние колеса (рис. 17.6, в).

Для уменьшения уг­лов уклона под тележечного рельса, возника

Рис. 17.6. Схемы установки колес в мостовых кранах

ющих в результате прогиба пролетной балки под действи­ем собственного веса и нагрузок от веса тележки и груза (см. пример 3.3), балкам придается строительный подъем, т. е. выгиб вверх, частично компенсирующий указанные прогибы. Строительный подъем пролетных строений мос­товых кранов выполняют при пролете м и осуще­ствляют его путем соответствующего раскроя стенок бал­ки, по профилю кромки которых выгибают пояс. Стрела выгиба строительного подъема .

Несущая конструкция козлового крана состоит из глав­ных балок 1 и опор 2, 3 (рис. 17.7). Главные балки могут быть соединены концевыми балками 4. При необходимос­ти обслуживания грузов на территориях, лежащих за пре­делами колеи крана, пролетное строение изготавливают с консолями, которым для уменьшения массы придается переменное по высоте сечение. База козлового крана обычно , и проверяют достаточность этого размера из ус­ловия общей устойчивости крана при резком торможении (или ударе в буфер) при движении по ветру.

В кранах малого пролета обычно делают обе опоры одинаковые, жесткие. Конструкции козловых кра-

нов большего пролета проектируют с одной жесткой 2, а со второй шарнирной или гибкой 3 опорой (рис. 17.7). Это снижает степень статической неопределимости конструк­ции и уменьшает боковые нагрузки на реборды колес от температурных деформаций и распора (см. пример 4.1, рис. 4.3, д). В конструкции с гибкой опорой параметры ее сечения выбирают таким образом, чтобы гибкая опора удов­летворяла условиям прочности и устойчивости, но имела бы существенно меньшую жесткость при изгибе в направ­лении поперек кранового рельса, чем жесткая опора.

Для обеспечения пространственной жесткости конструк­ции с двухбалочным пролетным строением в кранах с кон­солями применяют верхние связи в виде П-образной рамы, образованные из балок коробчатого сечения (рис. 17.7, а). Размеры рамы должны быть достаточны для прохода те­лежки. В других случаях жесткость обеспечивают с помо­щью U-образной конструкции опор, имеющих снизу ко­робчатый ригель, соединяющий две стойки, и концевых балок 4 (рис. 17.7, б).

Пролетное строение, как и в мостовых кранах, может быть двухбалочным или однобалочным и имеет примерно такое же сечение (см. рис. 17.3). Для кранов легких режи­мов работы, до А4, малых грузоподъемностей и пролетов используют ездовые двутавры с усилением (см. рис. 17.2, г, д), а для кранов с большими пролетами применяют

ферменные конструкции с опорной или подвесной тележкой. Высота ферменного пролетного строения . Высота консольной фермы .

Для того чтобы уменьшить уклон рельсового пути те­лежки и предотвратить заклинивание реборд в результате распора от собственного веса, несущие конструкции козлового крана изготавливают со «строительным подъемом». В кранах с обеими жесткими ногами пролетным балкам придают небольшой выгиб вверх , консоли делают при­поднятыми на а пролет уменьшают по сравнению с номинальным значением на х₀ (рис. 17.8, поз. 3). Если одна опора шарнирная или гибкая, то «строительный подъем» выполняют только на главных балках. Значения величин вычисляют взависимости от соотноше­ния длин консолей и пролета [2].

Особенности расчета

Общая схема и методика проектирования листовых кон­струкций представлены в п. 1.4 и 13.4.1. Здесь изложены особенности реализации этих методик применительно к кон­струкциям кранов мостового типа.

1. Выбирают тип конструктивного решения (п. 17.1.1) и производят предварительную общую компоновку конст­рукции с учетом требований технического задания и кон­структивных ограничений (пролет, колея тележки, высо­та опор и консолей и пр.).

Определяют марки стали. Для конструкций мостовых и козловых кранов, как правило, используют обычные мало­углеродистые (ВСтЗсп) и низколегированные (09Г2, 09Г2С) стали (п. 12.2, 12.3). Применение высокопрочных сталей не рационально в связи с тем, что строгих ограничений по массе для этих машин нет и определяющим критерием во многих случаях оказывается условие жесткости.

2. Формируют таблицу нагрузок (п. 6.1, табл. 17.1, 17.2). Определяют коэффициенты надежности, динамические ко­эффициенты (п. 5.4.2), коэффициенты толчков (п. 5.4.1), весовые, инерционные (п. 5.4), технологические и ветровые

(п. 6.5) нагрузки. Значения коэффициентов надежности по весу груза даны в табл. 17.3. Рекомендации для других на­грузок приведены в гл. 6. В комбинации Па ветровая нагруз­ка действует вдоль оси у (рис. 17.9, а). В комбинациях IIb и IIс направление ветровой нагрузки совпадает с направлением действия инерционной силы от масс тележки и груза.

Перекосная нагрузка при расчете мостовых кранов с релейно-контакторной системой управления приводами передвижения по комбинации IIЬ может быть задана как (рис. 17.9, б, в)

Здесь тормозное усилие на колесе от одногопривода передвижения; Мт — тормозной момент одного

тормоза; и — передаточное отношение привода; — диа­метр колеса; — КПД механизма; р — общее количество приводов передвижения крана. Для I расчетного случая . Если приводы передвижения оснаще­ны системой частотного управления, то . По комбинации с можно принимать и . Усилие направлено в сторону, противопо­ложную действию инерционных сил.

В козловых кранах перекос по II расчетному случаю можно задавать нагрузкой или как смещение од

Рис. 17.9. Схемы нагрузок, действующих от тележки на пролетное строение мостового крана

ной опоры относительно другой вдоль кранового рельса на . По I расчетному случаю надо учиты­вать, что перекос может быть знакопеременный и считать

.

В козловых кранах при подъеме груза (комбинация Па) точка подвеса груза перемещается не только в вертикаль­ном, но и в горизонтальном направлении, поэтому возникает продольная инерционная нагрузка (рис. 17.10). Она вычисляется как

(17.1)

Здесь — динамический коэффициент, равный или ; Q — номинальная грузоподъемность крана. Значения ко­эффициента приведены в табл. 17.4 (рис. 17.10). Коэф­фициент надежности по горизонтальной инерционной на­грузке Fqx принимают равным коэффициенту надежности по весу груза (табл. 17.3).

Таблица 17.4 Значения коэффициента горизонтальных инерционных нагрузок (17.1) Тип конструкции Положение тележки Коэффициент Одна опора гибкая или На консоли жесткой опоры - 0,6* шарнирная, другая —- В пролете + 0,45* жесткая На консоли гибкой опоры - 0,3* Две жесткие опоры В пролете На консоли ± 0,15**

* Направление усилия показано на рис. 17.10; ** Направление усилия совпа­дает с направлением от ноги к концу загруженной консоли.

3. Выполняют расчеты на прочность. Напряжения в конструкции мостового крана можно вычислять анали­тически или МКЭ. Многократно статически неопредели­мую конструкцию козлового крана следует считать с по­мощью МКЭ.

Расчетная схема конструкции мостового крана для аналитического расчета или расчета МКЭ с применением стер­жневых элементов представляет собой четырехопорную пространственную раму (рис. 17.11, а, б). Для приближен­ных аналитических расчетов модель можно упростить (рис. 17.11, в). Схема опорных связей для расчета по ком­бинациям Па, ПЬ и Пс показана на рис. 17.9. Горизон­тальные связи отражают взаимодействие реборд с голов­кой рельса, которое может происходить по одному рельсу или на диагонально расположенных колесах (см. рис. 2.6).

Поскольку пролетное строение в значительной степени обуславливает массу конструкции, то параметры главных балок следует выбирать с учетом рекомендаций п. 13.4.2. Расчет основного сечения главных балок производят по комбинации нагрузок Па и ИЪ при расположении тележки в положение с координатой с (2.8) (рис. 17.9, а, б). Опор­ные участки главных балок рассчитывают по тем же ком­бинациям при расположении тележки вблизи концевой бал­ки (рис. 17.9, в). Расчет концевой балки выполняют по комбинациям IIа, IIb и IIс при нахождении тележки в край­нем положении при контакте буферов с тупиковым упо­ром (рис. 17.9, в, г). При аналитических расчетах глав­ных и концевых балок от действия вертикальных нагрузок их приближенно можно рассматривать как двухопор­ные статически определимые балки. Но изгиб конструкции в горизонтальной плоскости при крайнем положении те­лежки следует анализировать с учетом ее статической не­определимости. Для этого можно использовать упрощен­ную схему, т. е. считать, что силы и инерционные силы от тележки с грузом приложены к концевой балке. То­гда опорные реакции от сосредоточенной силы (рис. 17.12.)

а изгибающие моменты в углах рамы

Рис. 17.12. Расчетная схема и эпюра изгибающих мо­ментов для мостового крана в горизонтальной плоскости

Рис. 17.13. Модель конструкции козлового крана: а — схе­ма нагрузок от тележки при комбинации Ь; б — схема определения перекосной жесткости конструкции

Для расчетов общего напряженного состояния конст­рукций козловых кранов также используется стержневая .модель (рис. 17.13). Расчет основного сечения главных балок производят по комбинации нагрузок Па и ПЬ при нахождении тележки в середине пролета в положении с ко­ординатой с (2.8) и на большей из консолей (рис. 17.13, а).Если консолей нет, то проверяют опорные участки глав­ных балок по тем же комбинациям при расположении те­лежки вблизи опор. Расчет опор выполняют по комбина­циям IIа, IIb и IIс и при расположении тележки на максимальном вылете консоли или, при отсутствии консолей, в крайнем положении.

Таким образом определяют размеры сечений всех эле­ментов, обеспечивающие выполнение условий прочности при всех комбинациях нагрузок и положениях тележки.

4. Жесткость конструкции проверяют по условию (8.1). Для этих конструкций расчетный прогиб вычисляют от суммарной нагрузки, равной весу тележки и груза без уче­та динамических коэффициентов и коэффициентов пере­грузки. Если условие жесткости не выполнено, то увели­чивают момент инерции сечения. Наиболее эффективно это достигается увеличением высоты балки.

Нормативные ограничения на прогибы пролетных стро­ений кранов мостового типа приведены в табл. 17.5 [10]. Согласно международным нормам ISO22986 : 2007, для кранов мостового типа рекомендуется иметь:

Таблица 17.5 Допустимые относительные прогибы пролетных строений кранов мостового типа Тип и особенности Группы режима работы крана   конструкции А1 А2, АЗ А4, А5 А6, А7 А8   Мостовые краны       Кабина отсутствует 1/400 1/500 1/500 1/700 - Кабина у края моста 1/400 1/500 1/600 1/800 1/900 Кабина в центре мо 1/400 1/600 1/800 1/1000 1/1000 ста или на тележке             Козловые краны       Обе опоры жесткие:           центр пролета 1/400 1/500 1/600 1/800 — консоль 1/150 1/150 1/200 1/300 — Одна опора гибкая:           центр пролета 1/500 1/600 1/800 1/1000 - консоль 1/150 1/200 1/250 1/350 —                 При необходимости точного позиционированиягруза При нормальных условиях эксплуатации и кон­такторной системе управления приводами При отсутствии требований точного позициони­рования груза, при малых скоростях подъема и использовании бесступенчатой системы управ­ления приводами.............

Жесткость пролетного строения при действии горизон­тальных нагрузок, при перекосах, а также жесткость от­дельных элементов конструкций не нормируются. Однако повышенная податливость в этих случаях приводит к воз­никновению вибраций и снижению долговечности конст­рукции и ходовой части машины. Поэтому, если система управления приводами передвижения не гарантирует син­хронизации перемещения обеих опор, то значение коэф­фициента жесткости конструкции козлового крана (рис. 17.13, б) рекомендуется обеспечивать не менее 0,1 - 0,2 кН/мм. Меньшее значение для кранов со скоростью передвижения и < 0,5 м/с, большее — для .

В международных нормах ISO22986 : 2007 для обеспе­чения нормальных условий работы операторов мостовых кранов пролетом до 30 м рекомендуется обеспечивать час­тоту:

• вертикальных колебаний: при контакторной системе управления Гц; при бесступенчатой системе управления Гц;

• горизонтальных колебаний Гц.

Частоту горизонтальных колебаний козловых кранов рекомендуется иметь не менее Гц. Время затуха­ния колебаний по формуле (8.3) для мостовых кранов ре­комендуется иметь не более 10-15 с, а для козловых —не более 20-25 с (большие значения для кранов легкого режима работы).

5. Расчет на общую устойчивость для коробчатых про­летных балок не требуется (п. 9.3). На общую устойчи­вость надо проверять гибкие опоры козловых кранов, ко­торые являются сжато-изогнутыми стержнями (п. 9.2.2). Проверку выполняют по комбинации Па и 1ГЬ при распо­ложении тележки в крайнем положении или на консоли со стороны гибкой опоры.

6. Методика обеспечения местной устойчивости элемен­тов конструкции рассмотрена в п. 13.4.1 (п. 6). Если бал­ка имеет переменное сечение, то учитывают рекомендации п. 13.2.

7. Проверочный расчет на сопротивление усталости вы­полняют для РЗ в основных сечениях главной и концевой балок мостового крана, а также в главных балках и в узле соединения главной балки с жесткой ногой козлового кра­на по методике п. 10.3. Для козловых кранов с консолями следует проверять на сопротивление усталости сечение, в котором имеет место наибольший размах напряжений от подвижной нагрузки (п. 2.2.3, пп. 4).

8. Расчет узлов местного нагружения производят по ре­комендациям п. 13.5.