3.2.2. Исходные данные для расчета механизма поворота

Для расчета механизма поворота крана необходимы следующие данные:

- геометрическая схема крана с необходимыми для расчета размерами;

- кинематическая схема механизма поворота;

- грузоподъемность крана согласно грузовой характеристики на максимальном и минимальном вылетах Q, (Q_мах), т;

- вылет груза максимальный и минимальный в соответствии с грузовой характеристикой L_мах, L_мин, м;

- частота вращения крана n_кр , об/мин;

- сила тяжести поворотной части крана без стрелы G_кр^пов, кН;

- расстояние от оси вращения крана до центра тяжести поворотной части крана без стрелы r_цт^пов, м;

- сила тяжести стрелы G_с, кН;

- сила тяжести крюковой обоймы G_ко, кН

- расстояние шарнира крепления стрелы до оси вращения крана r_шс, м;

- расстояние центра тяжести стрелы до оси вращения крана r_с, м;

- диаметр опорно-поворотного устройства по осям тел качения D_опу, м;

- боковая и фронтальная наветренные площади поворотной части крана соответственно S_б^пов и S_ф^пов , м² ;

- предельно допустимый уклон опорной площадки для работы крана βº; - группа режима работы механизма поворота.

Все перечисленные данные принимаются по результатам общего расчета крана. Расчет механизма поворота крана, как и расчет всякого механизма, предполагает в первую очередь определение нагрузок, которые необходимо преодолевать рабочему органу механизма. В общем случае нагрузкой рабочего органа механизма поворота является момент сил сопротивления повороту.

3.2.3. Определение моментов сил сопротивления повороту

Активными силами сопротивления повороту являются силы трения в опорно-поворотном устройстве, давление ветра на боковую площадь крана, составляющая силы тяжести поворотной части крана при расположении его на опорной поверхности с уклоном βº.

Момент от сил трения М^с_опу в стандартном опорно-поворотном устройстве (ОПУ) принимают по данным завода-изготовителя или определяют по формуле

М^с_опу = 0,5 w D_опу∙ F^н_опу / cos γ , (3.57)

где w – приведенный коэффициент сопротивления вращению в ОПУ.

Для шариковых кругов принимают w = 0, 01; для роликовых – w = 0,012;

F^н_опу – суммарная вертикальная нагрузка на ОПУ.

F^н_опу= G_кр^пов + G_с + G_ко + g·Q; (3.58)

γ – угол наклона к вертикали сил, действующих на тела качения ОПУ. Для стандартных ОПУ можно принимать γ = 45º;

М^н_опу – момент от нормативных составляющих нагрузок, действующих на ОПУ относительно оси, проходящей через центр ОПУ нормально к плоскости подвеса стрелы. Схема действия сил, нагружающих ОПУ, показана на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Схема действия сил на кран при повороте

Моменты, нагружающие ОПУ, вычисляют по (3.59).

М^н_опу= G_гр ·L_гр+G_с·r_с+M_вк+ M_вс + M_вг ± G_кр^пов·r_цт, (3.59)

где L_гр – минимальный вылет номинального груза согласно грузовой характеристике;

r_с – расстояние от оси вращения крана до центра тяжести стрелы;

M_вк , M_вс , M_вг – фронтальные моменты сил ветра рабочего состояния, действующего на поворотную часть крана, стрелу и груз относительно оси, проходящей через центр ОПУ нормально к плоскости подвеса стрелы.

M_вк= F_вк· h_вк ; M_вс = F_вс· h_вс ; M_вг = F_вг· h_вг; Значения ветровых сил F_в принимаются по данным общего расчета крана для поворотных частей крана, стрелы и груза.

h_в – расстояния от геометрических центров фронтальных площадей соответствующих поворотных частей крана до плоскости, проходящей через центры тел качения ОПУ;

r_цт – расстояние от оси вращения крана до центра тяжести поворотной платформы с механизмами. Знак «+» принимают при расположении центров тяжести поворотной платформы и стрелы по одну сторону от оси вращения крана; знак «-» – по разные стороны. По величине этого момента проверяют правильность выбора ОПУ по графику на рис. 2.4.

Сопротивление вращению от давления ветра М_в^с определяют в соответствии с расчетной схемой (рис. 3.18). Статическую составляющую ветровой нагрузки, действующую на каждый расчетный элемент крана, определяют по формуле

F_вi = q_рi · S_брi · k_с, Н, (3.60)

где q_рi – распределенное давление ветра на элемент крана в зоне высоты до 10 м;

k_с – коэффициент сплошности конструкции; k_с ≈ 0,4 для ферм стреловых конструкций из прямоугольных профилей; k_с ≈ 0,3 для ферм из трубчатых профилей; k _с≈ 1,3 для механизмов; k_с ≈ 1 для кабин, противовесов и телескопических стрел;

S_брi, м² – площадь брутто (теневая площадь), площадь расчетного элемента, ограниченная контуром его конструкции. Ее принимают по результатам общего расчета крана при определении размеров его эскизного чертежа.

Распределенное давление ветра на каждый элемент крана вычисляют по формуле

Рис. 3.18. Схема действия сил

ветра при вращении крана

q_рi = q₀ ·k_i · c_i, кПа, (3.61)

где q₀ = 0,125 кПа – скоростной нормативный напор ветра рабочего состояния независимо от места установки для строительных и самоходных кранов общего назначения;

k_i - коэффициент, учитывающий изменение динамического давления ветра по высоте конструкции, принимаемый по табл. 3.9.

Таблица 3.9

Значения коэффициента изменения динамического давления ветра

по высоте сооружения

Высота над поверхностью земли, м	10	20	40	60	100	200	350
Коэффициент k	1	1,25	1,55	1,75	2,10	2,60	3,10

c_i – коэффициент, учитывающий аэродинамические свойства элементов конструкции крана. Величину аэродинамического коэффициента в зависимости от вида, конфигурации сечения элементов конструкции и направлении действия ветра можно принять по рис. 3.19.

Значения наветренной площади груза можно принять по табл. 3.10.

Рис. 3.19. Схемы сечений решетчатых крановых конструкций

и значения аэродинамических коэффициентов при действии ветра

Таблица 3.10

Значения расчетной наветренной площади грузов

Qмах, т	2,0	3,2	5,0	10,0	16,0	20,0	25,0	32,0	63,0
Sбр, м²	4,0	5,6	7,1	10,0	14,0	16,0	18,0	20,0	28,0

Максимальный расчетный ветровой момент сопротивления повороту определяют по формуле

М_в^с = Σ(± F_вi ) r_i, кН·м. (3.62)

Знак «+» или «-» силы ветрового давления принимают в зависимости от расположения ветровой площади относительно оси вращения (см. рис. 3.18). Если суммарная величина М_в^с получается отрицательной, то ее в дальнейших расчетах используют как положительную.

Момент сопротивления вращению М_у^с, возникающий при допустимом угле наклон β поворотной платформы, определяют в соответствии с расчетной схемой рис. 3.20 по формуле

М_у^с = Σ(±G_i · r_i ) · sin β · sin φ. (3.63)

В этой формуле β° – угол наклона поворотной платформы крана к горизонту. Угол уклона опорной поверхности, на которой допускается устанавливать автомобильный кран, не должен превышать 3°, а наклон поворотной платформы не должен превышать 0,5 %.

φ° – угол поворота продольной плоскости крана к плоскости ската поворотной платформы. На расчетной схеме обозначены: G_i – сила тяжести элемента крана; F_у – составляющая силы тяжести элемента от уклона опорной поверхности; F_ур и F_ут – радиальная и касательная составляющие силы F_у при угле поворота крана φ°. Максимальная величина момента сопротивления повороту от уклона опорной поверхности будет при φ = 90° и φ = 270° .

С учетом принятых сил по рис. 3.20 максимальный момент сопротивления повороту при работе на уклоне будет

М_у^с = (Q_макс· g+G_ко) sin β ·L_мин+

+G_с sin β·r_{с ‑} G_кр^пов·sin β·r_цт^пов, кН. (3.64)

Если величина М_у^с получается со знаком « - », то в дальнейших расчетах ее

и

Рис. 3.20. Схема действия сил

при расположении крана на уклоне

спользуют как положительную.

Для кранов большой грузоподъемности необходимо учитывать момент от силы инерции при пуске и торможении механизма поворота:

, Н∙м, (3.65)

где J_гр = QL_гр² – момент инерции груза как точечной массы относительно оси вращения, кг∙м²;

J_пк= m_кр∙r_цт² – момент инерции поворотной платформы крана как точечной массы относительно оси вращения крана;

J_с = (m_cl_c² sin²α)/12 + m_cr_c² – момент инерции стрелы как однородной тонкой балки относительно оси вращения крана;

J_гц – момент инерции гидроцилиндра подъема стрелы при полностью выдвинутом штоке;

t – время разгона механизма поворота крана до номинальной скорости.

Суммарный максимальный момент сопротивления вращению поворотной части, используемый при расчете на прочность элементов механизма поворота:

М^с_макс= М^с_опу+ М^с_в + М^с_укл+ М^с_ин. (3.66)

Реальная (среднеквадратичная) мощность, необходимая для поворота крана с номинальным грузом при действии сил ветра и уклона поворотной платформы, может быть определена по формуле

, кВт. (3.67)

Для механизма поворота можно использовать нерегулируемые гидродвигатели при наличии в гидросистеме регулируемых гидронасосов. Выбор гидродвигателя для механизма поворота при принятом рабочем давлении в гидросистеме производится аналогично выбору гидродвигателя механизма подъема груза. Выбрав тип гидродвигателя, можно использовать номинальную частоту вращения вала двигателя по каталогу n_дв для определения крутящего момент на его валу.

М_дв^ном = 9,55 N_дв / n_дв , кН·м. (3.68)

Расчетным параметром для выбора типоразмера гидродвигателя служит номинальный рабочий объем q. Его определяют по формуле

q = 2π∙M_дв / Δp∙η_м , (3.69)

где М_дв – эквивалентный момент на валу двигателя;

Δр ≈ 0,85р_ном – вероятная величина перепада давления в гидросистеме;

η_м – механический КПД гидромотора. По найденному рабочему объему выбирают типоразмер и марку гидродвигателя [о.7].

Общее передаточное число механизма поворота

u_мп = n_дв / n_кр . (3.70)

Передаточное число открытой зубчатой передачи, состоящей из зубчатого колеса опорно-поворотного устройства и ведущей шестерни на выходном валу механизма поворота при известном передаточном числе редуктора, получают по формуле

u_оп = u_мп / u_р. (3.71)

Для известных модуля m_опу и количества зубьев z_к колеса ОПУ можно определить размеры ведущей шестерни. Количество зубьев шестерни

z_ш = z_к / u_оп . (3.72)

Диаметр начальной окружности ведущей шестерни

d_ш = z_ш · m_опу, мм. (3.73)

Ширина шестерни должна быть на 10-12 мм ширины зубьев колеса ОПУ:

b_ш = b_{к опу} + 10 мм. (3.74)

В дальнейшем необходимо выбрать марку стали шестерни и провести проверку зубьев шестерни на контактную и изгибную прочность с учетом действия максимального крутящего момента.