Расчет устойчивости башенного крана

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра транспортно-технологических машин

Расчетно-пояснительная записка

Выполнила

студентка гр. 3ПГСу-2

Суворова А.В.

Работу проверил

преп. Пенкин А.Л.

Санкт-Петербург

2011

1. Задание на проектирование

Рассчитать основные характеристики башенного крана на рельсовом ходу с учетом обеспечения грузовой и собственной устойчивости, требуемой грузоподъемности и скорости подъема груза. По рассчитанным характеристикам подобрать составляющие элементы крана. Исходные данные для расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные (для варианта №7)

Расчетные массы конструкции крана, т
Стрелы	mс	3
Башни	mб	6
Поворотной платформы	mпл	7
Противовеса	mпр	28
Неповоротной части крана	mнч	25,5
Расстояние от плоскости, проходящей через ось вращения крана параллельно ребру опрокидывания, до центра тяжести элементов конструкции крана, м
Башни	Lб	1,8
Поворотной платформы	Lпл	1,5
Противовеса	Lпр	5
Неповоротной части крана	Lнч	0
Расстояние от центров тяжести отдельных элементов крана до плоскости опорного контура, м
Башни	hб	10
Поворотной платформы	hпл	1
Противовеса	hпр	2,5
Неповоротной части крана	hнч	0,5
Площадь наветренной поверхности элементов конструкции крана, м2
Стрелы	Fc	4
Башни	Fб	14
Поворотной платформы	Fпл	5
Противовеса	Fп	4
Неповоротной части крана	Fнч	3
Груза	Fг	3
Расстояние от оси вращения крана до ребра опрокидывания, м
Вперед	b	2
Назад	b1	1,5
Расстояние от оси вращения до корневого шарнира стрелы, м	r	2,4
Расстояние от плоскости опорного контура до корневого шарнира стрелы, м	hr	19
Длина стрелы, м	Lстр	23
Высота подъема груза, м	Нгр	37
Максимальная скорость подъема груза, м/с	v	0,3
Кратность грузового полиспаста, шт.	m	2
Количество обводных блоков, шт.	nбл	1

2. Описание устройства, принципа действия заданного крана и технологии производства работ

Башенный кран – поворотный кран со стрелой, закрепленной в верхней части вертикально расположенной башни (рисунок 1). Основные параметры башенного крана: грузоподъемность, вылет, высота подъема груза, глубина опускания груза, скорость подъема (опускания) груза, скорость поворота башни, скорость перемещения крана.

Башенный кран состоит из следующих основных узлов: башня, ходовая рама с колесами, опорно-поворотное устройство, поворотная платформа с грузовой и стреловой лебедкой, с противовесом; механизм поворота и электрооборудования, механизм подъема груза, механизм для изменения вылета, механизм передвижения крана и т.д.

Рисунок 1. Башенные краны (а - быстромонтируемый кран на винтовых опорах РБК-2-20; б - кран на рельсовом ходу КБ-504А: 1 - ходовая рама; 2 - опорно-поворотное устройство; 3 - поворотная платформа; 4 - механизм поворота; 5 - грузовая лебедка; 6 - стреловая лебедка; 7- противовес; 8 - башня; 9 - кабина; 10 - стреловой расчал; 11 - тележечная лебедка; 12 - стрела; 13 - грузовая тележка; 14 - крюковая подвеска)

Башня крана — его остов, который служит для поддержания стрелы на определенной высоте, а также для передачи нагрузок со стрелы на ходовую раму и крановые пути. Башню изготовляют из металлических уголков или труб, иногда бывают башни, выполненные в виде сплошной трубы. В вертикальном положении башни крепятся на портал или шарнирно с помощью подкосов.

Стрела крана – консольная конструкция, крепящаяся к верхней части башни. В данном проекте рассматривается башенный кран с подъемной стрелой. Преимущество подъемных стрел заключается в сравнительно малом их весе и размерах, меньшей трудоемкости монтажа и перевозки. Краны с подъемными стрелами наиболее распространены в строительстве. Недостатком подъемных стрел является то, что для изменения вылета крюка нельзя горизонтально переместить груз, поэтому необходимо производить поворот и передвижение крана. Так же, как и башни, стрелы изготовляют из уголков или труб большого диаметра. Решетчатые конструкции из труб легки, прочны, способны выдерживать большие ветровые нагрузки.

Важный элемент башенного крана — ходовая рама для передачи действующих нагрузок на крановые пути.

В кранах с поворотными башнями действующие на кран нагрузки передаются на ходовую раму через опорно-поворотное устройство, размещенное в верхней части рамы, и с нее — на крановые пути. Через опорно-поворотное устройство у мобильных кранов башня соединена с ходовой рамой. Само по себе опорно-поворотное устройство необходимо для обеспечения вращения поворотной части башенного крана относительно неповоротной части и для передачи нагрузок с поворотной части на неповоротную. Это устройство расположено на поворотной платформе крана.

В верхней части башни находится оголовок, который жестко соединен с башней или связан с нею с помощью опорно-поворотного устройства. На стороне, противоположной стреле, устанавливают распорки, предназначенные для отвода от башни ветвей стреловых канатов. На распорках крепят только блоки стрелового расчала и грузового каната. Железобетонные блоки балласта и блоки противовеса нужны для повышения устойчивости крана как в рабочем, так и в нерабочем состоянии. В кранах с поворотной башней противовес располагают на поворотной платформе.

Для захвата груза кран снабжен крюком.

Стальные канаты служат для оснастки в качестве тяговых органов при подъеме груза и самой стрелы. Их применяют в устройствах для монтажа и демонтажа кранов, для поворота крана. Они способны обеспечить высокую грузоподъемность при незначительном собственном весе, большую надежность в работе, гибкость и подвижность во всех направлениях при перемещении груза.

Применяемые для оснастки башенных кранов стальные канаты должны обладать прочностью, долговечностью, не сплющиваться и не раскручиваться во время работы.

Канат соединяет подъемный механизм с грузом через специальные приспособления - блоки, полиспасты, барабаны. Блоки служат для подъема и опускания груза, для изменения направления движения канатов. Это простейшее устройство - обычное колесо, обод которого имеет желоб для размещения каната. Применение блока не дает особого выигрыша в силе, так как подвешенный к канату груз для уравновешивания требует приложения усилий, равных весу груза, к другому концу каната, перекинутому через блок. Блоки делятся на подвижные и неподвижные. Последние нужны для изменения направления движения канатов. Что же касается подвижных блоков, то они, вращаясь вокруг собственной оси, перемещаются одновременно с грузом.

Полиспаст состоит из системы нескольких подвижных и неподвижных блоков, соединенных канатом. Полиспаст позволяет получить большой выигрыш в тяговом усилии благодаря уменьшению скорости подъема груза. Барабан грузоподъемного механизма имеет форму полого цилиндра, его поверхность для лучшей укладки и меньшего износа каната имеет винтовые канавки.

На башенных кранах серии КБ установлена выносная унифицированная кабина. Передняя стенка ее полностью застеклена, три другие, имеющие окна, выполнены из двойной обшивки (наружной — металлической и внутренней — фанерной) с утеплительной прокладкой между ними. Лобовое и боковые окна кабины — открывающиеся. Внутри кабины расположена аппаратура управления механизмами крана — командоконтроллеры, ограничитель вылета и грузоподъемности, измерительный пульт анемометра, аварийный выключатель, щиток освещения, вентиляторы, огнетушитель и сигнальные лампы. Имеются специальные места для хранения аптечки, одежды, и инструмента, для электропечки и хранения кранового журнала.

Все рабочие движения крана производят с помощью четырех механизмов: механизма передвижения, механизма поворота, грузовой лебедки, тележечной (при балочных стрелах) или стреловой (при подъемных стрелах) лебедки. Основными узлами каждого механизма являются электропривод, редуктор, муфты, тормоз, открытые зубчатые передачи, а также исполнительные органы — барабаны, ходовые колеса, ведущие шестерни. Редуктор нужен для передачи крутящего момента от двигателя к исполнительным органам — колесам, барабану, шестерням.

Муфты служат для соединения вращающихся валов; тормоза — для удержания механизмов в заданном положении и полной их остановки. Механизм передвижения в башенных кранах на рельсовом ходу обеспечивает перемещение крана по крановым путям. Для равномерного распределения нагрузки на колеса крана их объединяют в балансирные ходовые тележки.

На раме ведущей ходовой тележки размещен двигатель, зубчатый редуктор, передающий вращение на ходовые колеса. На торцах рамы размещены противоугонные устройства, которые при их опускании могут прочно закрепить кран на рельсах. Когда кран находится в нерабочем состоянии, захваты препятствуют угону крана ветром. На одной из тележек закреплен конечный выключатель ограничителя пути перемещения крана. В конце кранового пути ставится выключающая линейка, при наезде на которую срабатывает конечный выключатель, останавливая движение крана.

3. Построение грузовой характеристики стрелового крана

3.1 Построение схемы заданного стрелового крана

Схема крана, с указанием векторов и координат точек приложения действующих на кран сил, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Расчетная схема для определения грузовой устойчивости

Величины расчетных нагрузок и расчетных координат будут приведены в соответствующих разделах работы.

Для расчетов принимается, что кран установлен на горизонтальной поверхности (γ = 0).

Стрела располагается в направлении перпендикулярном к передвижению крана.

Удельная ветровая нагрузка принимается W = 250Н/м2.

Ветровая нагрузка, действующая на груз, прикладывается к головке стрелы.

Силы инерции не учитываются.

3.2 Статический расчет на рабочую устойчивость и определение грузоподъемности крана

Вылет стрелы для различных углов наклона определяется как

, где (1)

r - расстояние от оси вращения до корневого шарнира стрелы;

Lстр - длина стрелы;

α - угол подъема стрелы (от 10є до 60°).

α=10є	(м)
α=30є	(м)
α=45є	(м)
α=60є	(м)

Плечо веса груза, расположенного справа от вертикальной оси опрокидывания, определяется как

(2)

α=10є	(м)
α=30є	(м)
α=45є	(м)
α=60є	(м)

Горизонтальная проекция расстояния от вертикальной оси опрокидывания крана до центра тяжести стрелы lc при этом определяется как

(3)

α=10є	(м)
α=30є	(м)
α=45є	(м)
α=60є	(м)

Вертикальная проекция расстояния от оголовка рельсового пути крана до центра тяжести стрелы lc при этом определяется как

(4)

α=10є	(м)
α=30є	(м)
α=45є	(м)
α=60є	(м)

Вертикальная проекция расстояния от оголовка рельсового пути крана до головки стрелы hгр при этом определяется как

(5)

α=10є	(м)
α=30є	(м)
α=45є	(м)
α=60є	(м)

Ветровая нагрузка на стрелу крана также зависит от угла подъема стрелы и определяется как

(6)

α=10є	(кН)
α=30є	(кН)
α=45є	(кН)
α=60є	(кН)

Ветровая нагрузка на остальные элементы крана от угла подъема стрелы не зависит и определяется как

(7)

Неповоротная часть	(кН)
Поворотная платформа	(кН)
Противовес	(кН)
Башня	(кН)
Груз	(кН)

Вес элементов крана определяется как

, где (8)

g - 9,81м/с2

Неповоротная часть	(кН)
Поворотная платформа	(кН)
Противовес	(кН)
Башня	(кН)
Стрела	(кН)

Плечо удерживающих сил (весов элементов, расположенных слева от вертикальной оси опрокидывания) определяется как

, где (9)

башенный кран грузоподъемность механизм

liид - расстояние от центра тяжести элемента до оси вращения крана;

b - расстояние от оси вращения крана до вертикальной оси опрокидывания вперед

Неповоротная часть	(м)
Поворотная платформа	(м)
Противовес	(м)
Башня	(м)

Момент, создаваемый ветровой нагрузкой определяется как

(10)

Неповоротная часть	(кН*м)
Поворотная платформа	(кН*м)
Противовес	(кН*м)
Башня	(кН*м)
Груз
α=10є	(кН*м)
α=30є	(кН*м)
α=45є	(кН*м)
α=60є	(кН*м)
Стрела
α=10є	(кН*м)
α=30є	(кН*м)
α=45є	(кН*м)
α=60є	(кН*м)

Момент, создаваемый весом элемента определяется как

(11)

Неповоротная часть	(кН*м)
Поворотная платформа	(кН*м)
Противовес	(кН*м)
Башня	(кН*м)
Стрела
α=10є	(кН*м)
α=30є	(кН*м)
α=45є	(кН*м)
α=60є	(кН*м)

Коэффициент грузовой устойчивости определяется как

, где (12)

Му - удерживающий момент;

Мо - опрокидывающий момент.

В качестве опрокидывающего момента в расчетах принимается только момент, создаваемый весом груза. Моменты от всех остальных нагрузок, приложенных к крану, рассматриваются как удерживающие моменты с соответствующими знаками.

При выполнении условий, приведенных в п. 3.1, Кгу принимается равным 1,4.

Таким образом массу поднимаемого груза для различных углов подъема стрелы можно определить как

(13)

α=10є	(т)
α=30є	(т)
α=45є	(т)
α=60є	(т)

3.3 Построение грузовой характеристики и ее анализ

Для построения грузовой характеристики принимается система координат, в которой по оси абсцисс откладывается вылет стрелы крана (горизонтальная проекция расстояния от оси вращения крана до гака), а по оси ординат – грузоподъемность (масса груза). Полученная характеристика приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Грузовая характеристика крана

Грузовая характеристика дает возможность оценить грузоподъемность крана в зависимости от вылета стрелы. С увеличением вылета максимальная грузоподъемность падает (что объясняется увеличением плеча опрокидывающей нагрузки).

3.4 Статический расчет на собственную устойчивость крана

Для определения собственной устойчивости крана рассматривается случай, когда кран стоит без груза, с максимально поднятой стрелой (α = 60°).

Для расчетов принимается, что кран установлен на горизонтальной поверхности (γ = 0).

Стрела располагается в направлении перпендикулярном к передвижению крана.

Удельная ветровая нагрузка принимается W = 250Н/м2.

Кран опрокидывается назад, ребро опрокидывания проходит по заднему рельсовому пути.

Рисунок 4. Расчетная схема для определения грузовой устойчивости

Веса элементов крана определены в п. 3.2, формула 8

Плечи нагрузок от весов элементов крана определяются как

, где (14)

liид - расстояние от центра тяжести элемента до оси вращения крана;

b1 - расстояние от оси вращения крана до вертикальной оси опрокидывания назад

Неповоротная часть	(м)
Поворотная платформа	(м)
Противовес	(м)
Башня	(м)

Плечо нагрузки от веса стрелы определяется как

(15)

α=60є

(м)

Моменты, создаваемые весами элементов крана, определяются по формуле 11

Неповоротная часть	(кН*м)
Противовес	(кН*м)
Башня	(кН*м)
Стрела	(кН*м)

Ветровая нагрузка определяется по формуле 7

Неповоротная часть	(кН)
Поворотная платформа	(кН)
Противовес	(кН)
Башня	(кН)

Ветровая нагрузка на стрелу крана определяется по формуле 6

α=60є

(кН)

Моменты, создаваемые ветровыми нагрузками, определяются по формуле 10

Неповоротная часть	(кН*м)
Поворотная платформа	(кН*м)
Противовес	(кН*м)
Башня	(кН*м)
Стрела	(кН*м)

Коэффициент собственной устойчивости определяется как

, где (16)

Му - удерживающий момент;

Мо - опрокидывающий момент.

В данном случае к опрокидывающим относятся моменты, создаваемые ветровой нагрузкой, а моменты, создаваемые весами элементов крана относятся к удерживающим с соответствующим знаком.

(17)

Так как рассчитанный коэффициент собственной устойчивости Ку =