Кран стреловой на базе автомобиля КамАЗ

Грузоподъёмные машины являются существенной составной частью большинства производств и играют важную роль в механизации и автоматизации производственных процессов. Современное краностроение характеризуется совершенствованием конструкций, применением новых материалов, методов и средств изготовления и контроля, внедрением более совершенных методов расчёта и основанных на них снижении массы кранов, повышении их надёжности.

Автомобильные стреловые самоходные краны общего назначения служат для подъема и опускания грузов и перемещения их на небольшие расстояния в горизонтальном направлении при производстве строительно-монтажных и перегрузочных работ на рассредоточенных объектах.

Полный цикл работы крана состоит из ряда последовательных операций: захват груза, его подъем и перемещение к месту назначения, опускание и отцепка груза, подъем и перемещение грузозахватного устройства или приспособления в исходное положение для захвата следующего груза и его последующего подъема и перемещения.

Так как работа крана состоит из повторяющихся циклов, то автомобильные стреловые самоходные краны относятся к подъемно-транспортным машинам цикличного (периодического) действия в отличие от машин непрерывного действия (например, транспортеров), в которых перемещение грузов происходит непрерывным потоком.

Подъемно-транспортные машины периодического действия подразделяются на несколько групп машин, из которых наиболее многочисленной является группа стреловых самоходных кранов. Отличительной особенностью этой группы кранов является собственный привод для свободного перемещения по местности. К этой группе и относятся автомобильные стреловые самоходные краны, ходовое устройство которых включает в себя шасси автомобиля, его силовую установку, трансмиссию и систему управления.

Стреловые самоходные краны, по сравнению с другими группами машин периодического действия (например, башенными строительными кранами), отличают следующие эксплуатационные преимущества: тАУ большая подвижность и независимость передвижения в пределах строительной площадки; тАУ монтаж и демонтаж кранов, подготовка площадок для их эксплуатации и передвижения, а также перебазирование крана с объекта на объект осуществляются проще, быстрее и дешевле; тАУ наличие комплекта сменного стрелового оборудования, позволяющего использовать кран на различных видах работ и сравнительно быстро менять его основные параметры.

Автомобильные краны уступают по ряду технических показателей (грузоподъемности, скорости передвижения, преодолеваемому уклону пути и т. п.) кранам на специальном шасси. Объясняется это тем, что значения технических параметров стреловых самоходных кранов во многом зависят от конструкции ходового устройства. Для автомобильных кранов эти значения ограничиваются возможностями шасси автомобиля, использованного в качестве ходового устройства. Вместе с тем автомобильные краны более экономичны в производстве и эксплуатации, чем краны на специальном шасси.

Большинство кранов может работать на выносных опорах и без них. Некоторые могут передвигаться с поднятым грузом, что значительно расширяет область их применения

1. Расчёт механизма подъёма

1.1 Выбор полиспаста

Первым вопросом при выполнении расчёта является выбор полиспаста и его кратности.

Кратность полиспаста m выбирается исходя из условий подвешивания груза весом Q=20 т = 196,2 кН на n ветвях каната.

Выбираем n = 4 тАУ при натяжении каната 5-10 т при грузе до 25 т.

В одинарных (простых) полиспастах, m=n:

m=n=4; (1)

Определим натяжение S_б, кН:

S_б=Q/(nВ·η_пол), (2)

где η_пол=0,84935 тАУ коэффициент полезного действия полиспаста.

S_б=196,2/(4*0,84935)=57,75 кН.

Рис. 1. Схема выбранного полиспаста

1.2 Расчёт и выбор каната

Канат для механизма рассчитывается по формуле:

P_к/S_б>k_к. (3)

Формула (3) может быть преобразована:

P_к>S_бВ·k_к, (4)

где P_к тАУ разрывное усилие каната, кН;

k_к=5 тАУ коэффициент запаса прочности каната. [1]

P_к>57,75В·5=288,75 кН.

По полученному разрывному усилию выбираем канат стальной типа ЛК-О конструкции 6×19(1+9+9)+1о.с. диаметром d_к = 23 мм. Расчётная площадь сечения проволок: 198,67 мм². Расчётная масса 1000 м каната = 1950,0 кг. Маркировочная группа по временному сопротивлению разрыва тАУ 1800 МПа. Разрывное усилие каната в целом не менее 295 кН.

1.3 Расчёт барабана

Зная диаметр каната d_к и режим работы механизма, определяют диаметр барабана D₁, мм.

Диаметр барабана или блока D₁, мм, огибаемого канатом, определяют по формуле:

D₁=d_кВ·(ℓ-1), (5)

где ℓ = 16 тАУ коэффициент, зависящий от типа грузоподъёмной машины и режима её эксплуатации. Выбран для стрелового крана с машинным приводом и легким режимом работы. [1]

D₁ = 23В·(16-1) = 345 мм.

Получив диаметр барабана, принимаем по ГОСТу 8338-75 ближайший больший стандартный D = 350 мм.

Определим длину барабана L, мм:

, (6)

где H = 17 м тАУ высота подъёма груза;

m = 4 тАУ кратность полиспаста;

D = 0,373 м тАУ диаметр барабана по центру каната;

t = 25 мм тАУ шаг нарезки поверхности барабана;

м.

Толщина стенки чугунного барабана δ, см приближённо определяется по эмпирической формуле:

δ = 0,02В·D+1, (7)

где D = 373 мм = 37,3 см тАУ диаметр барабана;

δ = 0,02В·37,3+1 = 1,75 см.

Сложное напряжение от изгиба и кручения определяют по формуле:

, (8)

где W_б тАУ экваториальный момент сопротивления;

, (9)

где D₁ = 0,35 м тАУ наружный диаметр барабана по дну канавки под канатом;

D₂ = D₁-2В·δ = 0,35 - 2В·0,0175 = 0,315 м тАУ внутренний диаметр барабана.

м³

Напряжение сжатия определяется по формуле:

, (10)

Определим допускаемое напряжение сжатия , кг/см²:

, (11)

где σ⁰ = 60 кг/см² - предельное напряжение материала при данном напряжённом состоянии; [2]

К = 4,25 тАУ коэффициент запаса прочности для чугунных барабанов;

кг/см²;

.

Выбираем способ крепления конца каната на барабане с помощью наружных прижимных планок. Так как диаметр каната меньше 31 мм, устанавливаем одну планку с двумя болтами.

Нормами техники безопасности предусматривается не менее 1,5 дополнительных витка, уменьшающих натяжение каната в месте крепления к барабану.

Натяжение каната перед прижимной планкой S_кр, кН будет равно:

, (12)

где f = 0,11 - коэффициент трения между канатом и барабаном; [2]

α = 3В·π = 9,4245 - угол обхвата барабана дополнительными витками каната;

кН

1.4 Выбор крюка и грузовой подвески

Грузозахватные приспособления предназначены для захвата штучных и навалочных грузов при их перегрузке кранами. Они должны обеспечивать надёжность, удержания груза на весу и безопасную работу людей, сохранность груза и упаковки, быстрый захват и освобождение груза.

Выбираем однорогий крюк, изготовленный ковкой из материала Сталь 20Г. Выбираем заготовку крюка тАУ Заготовка крюка 17А ГОСТ 6627-74. Наибольшая грузоподъёмность крюка (для 6М) тАУ 20 т. Размеры:

D = 120 мм;

S = 90 мм;

L = 415 мм;

b = 75 мм;

d = 80 мм;

d₁ = М64;

h = 115 мм;

l = 60 мм;

l₁ = не менее 165 мм;

l₂ = не менее 90 мм;

r = 20 мм;

r₁ = 125 мм;

r₂ = r₄ = 14 мм;

r₃ = 62 мм;

r₅ = 155 мм;

r₆ = 84 мм;

Масса тАУ не более 37 кг.

Крюки монтируют в обоймах. Выбираем крюковую подвеску с верхним расположением блоков.

Для обеспечения требуемого натяжения каната крюковая подвеска должна обладать достаточной массой. Масса подвески m_п для стреловых кранов должна составлять 3тАж8 % грузоподъёмности крана.

m_п = Q*0,05 = 20*0,05 = 1 т.

1.5 Выбор двигателя, редуктора и тормоза механизма подъёма

Мощность двигателя при установившемся движении N_дв, кВт определяется по формуле:

, (13)

где Q = 20 т =196,2 кН тАУ вес поднимаемого груза;

= 4,2 м/мин - установившаяся скорость подъёма груза;

η - коэффициент полезного действия механизма подъёма.

η = η_полис В· η_муфты В· η_редук, (14)

где η_редук = 0,96;

η_муфты = 0,99;

η = 0,84935 * 0,99 * 0,96 = 0,807;

кВт.

По каталогу выбираем двигатель MTК В311-6. Его параметры:

Мощность на валу N_дв = 14 кВт (при ПВ =15 %);

Число оборотов двигателя в минуту n = 850 об/мин;

Максимальный крутящий момент M_max = 340 НВ·м;

Момент инерции M_max = 0,210 кгВ·м²;

Масса m_дв = 115 кг.

Определим скорость навивки каната на барабан _бар, м/с:

_бар = В·m, (15)

где m = 4 тАУ передаточное отношение полиспаста;

м/с

Определим число оборотов барабана n_бар, об/мин:

(16)

где D = 350 мм = 0,35 м тАУ диаметр барабана;

об/мин.

Определим передаточное число между двигателем и барабаном i:

i = n/n_бар; (17)

i = 850/15 = 57.

Рис. 2. Выбранный редуктор Ц2-200

Выбираем цилиндрический горизонтальный двухступенчатый редуктор Ц2-200. Первые ступени редуктора тАУ раздвоенные шевроны, вторые - косозубые. Твёрдость рабочих поверхностей зубьев шестерён 40-45 HRC, колёс 260-290 HB. КПД редуктора η_редук = 0,96.

Таблица 1

Размеры редуктора Ц2-200

Соединительные муфты используют для постоянного соединения соосных валов с одновременной компенсацией их незначительных угловых и радиальных смещений и иногда тАУ с улучшением динамических характеристик привода.

Выбираем зубчатую муфту с разъёмной обоймой (тип I) по ГОСТ 5006тАФ83. Номинальный вращающий момент M_к = 1000 Н*м. Момент инерции = 0,05 кг*м³. Масса не более 6,7 кг.

Определим тормозной момент M_т, Н*м:

, (18)

где K_т = 1,5 тАУ коэффициент запаса торможения, принимаемый в зависимости от режима работы;

M_ст.т. тАУ статический крутящий момент на тормозном валу при торможении, с учётом потерь в механизме, способствующих удержанию груза;

i_р = 32,42 - действительное передаточное число редуктора;

НВ·м.

Выбираем колодочный тормоз серии ТКТГ с электрогидравлическим толкателем типа ТГМ.

Обозначение тормоза ТКТГ-600.

Тормозной момент = 500 н*м (кгс*м).

Отход колодки = 1,75мм.

Масса тормоза = 434 кг.

Тип толкателя тАУ Т-160 Б.

Усилие = 160 н (кгс).

Ход = 60 мм.

2. Расчёт механизма передвижения

2.1 Общий расчёт

Расчет механизмов передвижения заключается в определении сопротивлений передвижению крана, выборе электродвигателей, редукторов, муфт и тормозов. Общее сопротивление передвижению крана представляет собой сумму сопротивлений

, (19)

где ;

Сопротивление передвижению от сил трения:

, (20)

где - вес крана, кН;

Q- вес груза, кН;

- удельное сопротивление движению, .

кН.

Сопротивление от ветровой нагрузки:

, (21)

где

.

кН.

:

(22)

где

кН.

2.2 Выбор двигателя, редуктора и тормоза механизма передвижения

(23)

кН

По каталогу на двигатели выбираем двигатель ЯМЗ-236. Его параметры:

Мощность номинальная 180/132 л.с./кВт

Частота вращения коленчатого вала 2100 об/мин

Масса m_дв = 820 кг.

Передаточное число механизма:

, (24)

где D- наружный диаметр пневмошин, м;

n- частота вращения вала электродвигателя, об/мин;

- скорость движения крана, м/с.

Выбираем цилиндрический горизонтальный двухступенчатый редуктор Ц2-200. Первые ступени редуктора тАУ раздвоенные шевроны, вторые тАУ косозубые. Твёрдость рабочих поверхностей зубьев шестерён 40-45 HRC, колёс 260-290 HB. КПД редуктора η_редук = 0,96.

Рис. 3. Выбранный редуктор Ц2-200

Таблица 2

Размеры редуктора Ц2-200

Соединительные муфты используют для постоянного соединения соосных валов с одновременной компенсацией их незначительных угловых и радиальных смещений и иногда тАУ с улучшением динамических характеристик привода.

Выбираем зубчатую муфту с разъёмной обоймой (тип I) по ГОСТ 5006тАФ83. Номинальный вращающий момент M_к = 1000 Н*м. Момент инерции = 0,05 кг*м³. Масса не более 6,7 кг.

Момент сопротивления при торможении механизма передвижения на валу двигателя M_ст, Н*м:

M_ст = ; (25)

M_ст = Н*м,

Необходимый момент, создаваемый тормозом замедления и остановки:

, (26)

кгс*м.

Выбираем колодочный тормоз серии ТКТГ с электрогидравлическим толкателем типа ТГМ-80.

Обозначение тормоза ТКТГ-400М.

Тормозной момент = 150 дан*м (кгс*м).

Отход колодки = 1,4 мм.

Масса тормоза = 145 кг.

Тип толкателя тАУ ТГМ-80.

Усилие = 80 дан (кгс).

Ход = 50 мм.

3. Расчёт механизма вращения

3.1 Общий расчёт

Расчёт механизма вращения включает: выбор типового опорно-поворотного устройства (ОПУ); определение полного сопротивления вращению; выбор электродвигателя, редуктора, тормоза.

Расчёт производится в положении минимального вылета при максимальном грузе (Рисунок 4).

Выбор ОПУ производится по трём расчётным нагрузкам: вертикальной нагрузке G, горизонтальной нагрузке Р, опрокидывающему моменту М.

Рис. 4. Схема нагрузок, действующих на ОПУ

Вертикальная нагрузка G, кН определяется как сумма всех действующих на ОПУ вертикальных нагрузок:

G = Q + G_пк, (27)

где G_пк - вес поворотной части крана;

G_пк = (0,55*G_к) =(0,55*204) = 112 кН

G = 196 + 112 = 308 кН.

Определим горизонтальную нагрузку Р, кН:

Р = W_пк + W_с + W_гр + Р_с*sin(φ_min) + G*sin(α), (28)

где W_с = 4,6 кН - ветровая нагрузка на стрелу;

W_гр = 0,4 кН - ветровая нагрузка на груз;

Р_с = 8 кН - горизонтальная составляющая реакции опоры стрелы;

W_пк тАУ ветровая нагрузка на торцевую часть крана;

W_пк = p*F_с*K_спл, (29)

где p тАУ распределённая ветровая нагрузка на единицу расчётной площади, Н/м²;

p = q_o*k*c*γ*β, (30)

где q_o = 25 Н/м² тАУ скоростной напор ветра на высоте 10 м от поверхности земли для умеренного характера ветра;

k = 1,5 тАУ поправочный коэффициент возрастания скоростного напора, для h = 20тАж30 м;

с = 1,2 тАУ аэродинамический коэффициент для кабин кранов;

γ = 1,1 тАУ коэффициент перегрузки;

β = 1 тАУ коэффициент, учитывающий динамический характер приложения ветровой нагрузки;

p = 25*1,5*1,2*1,1*1 = 49,5 Н/м²; (31)

F_с тАУ наветренная площадь, 6,5;

K_спл = 0,9 тАУ коэффициент сплошности для кабины и механизмов крана;

W_пк = 49,5*6,5*0,9 = 28,9 кН.

φ_min = 15^о тАУ угол наклона стрелы;

α = 1^о30^/ - угол наклона плоскости ОПУ к горизонту;

Р =28,9 + 4,1 +52,32 + 8*sin(15^о) + 318*sin(1^о30^/) = 82,62 кН.

Определим опрокидывающий момент относительно центра тел качения ОПУ М, кН:

, (32)

где R_min = 5 м тАУ минимальный вылет;

h₂ = 2 м;

h₃ = 15 м;

r = 1 м тАУ расстояние от центра тяжести поворотной части крана до оси вращения;

кН.

Момент сопротивления вращению в период пуска относительно оси вращения:

М_вр = М_укл + М_тр + М_в + М_ин, (33)

где М_укл тАУ момент сопротивления вращению от веса поворотной части крана и груза при нахождении крана на уклоне;

М_укл = (-G_пк*r + Q*R_min)*sin(α); (34)

М_укл = (112*1 + 196*5)*sin(1^о30^/) = 18,1 кН*м;

М_тр тАУ момент сопротивления вращению от сил трения;

где μ = 0,005 тАУ приведённый коэффициент трения качения для роликовых ОПУ;

k = 4 тАУ коэффициент, зависящий от типа ОПУ;

D_ср = 1,1 м тАУ средний диаметр дорожки катания;

θ = 55^о тАУ угол между направлением реакции тела качения и плоскостью, перпендикулярной оси вращения;

М_в тАУ момент сопротивления вращению от ветровой нагрузки;

М_в = W_гр*R_min + W_c*r_c + W^/_пк*r₁ + W^//_ПК*r₂, (35)

где W^/_пк = 127 кН тАУ ветровая нагрузка на боковую часть крана, препятствующая вращению;

W^//_пк = 159 кН тАУ ветровая нагрузка на боковую часть крана, способствующая вращению;

r_с = (L/2)*sin(φ_min) + f = 19/2*sin(15^о) + 2,5 = 5 м; (36)

r₁ = f/2 = 2,5/2 = 1,25 м;

r₂ = c/2 = 3/2 = 1,5 м;

М_в = 0,4*12,5 + 4,6*5 + 127*1,25 + 159*1,5 = 425,25 кН*м;

М_ин тАУ момент сопротивления вращению от сил инерции;

, (37)

где n = 2,2 об/мин тАУ частота вращения поворотной части крана;

t_n = β/3*n = 30/3*2,2 = 4,5 с тАУ время пуска механизма вращения;

β = 30^о тАУ наибольший допустимый угол поворота при пуске;

I = 550 кг/м² тАУ момент инерции отдельных элементов поворотной части крана;

кН*м.

М_вр = 18,1 + 10,2 + 425,25 + 28,1 = 481,7 кН*м.

Тогда суммарный момент инерции от вращающихся частей пределяяется по формуле:

, (38)

где S = 4,5 м;

f = 2,5 м;

кН*м.

Рис. 5. Расчётная схема для определения момента сопротивления вращению от ветровой нагрузки

3.2 Выбор двигателя, редуктора и тормоза механизма вращения

Мощность электродвигателя механизма вращения

(39)

кН

По каталогу на двигатели выбираем двигатель MTВ 312-6. Его параметры:

Мощность на валу N_дв = 20 кВт (при ПВ = 15 %);

Число оборотов двигателя в минуту n =955 об/мин;

Максимальный крутящий момент M_max = 620 Н*м;

Момент инерции M_max = 0.5 кг*м²;

Масса m_дв = 280 кг.

Общее передаточное число механизма вращения:

, (40)

Рис. 6. Выбранный редуктор Ц2-200

Выбираем цилиндрический горизонтальный двухступенчатый редуктор Ц2-200. Первые ступени редуктора тАУ раздвоенные шевроны, вторые тАУ косозубые. Твёрдость рабочих поверхностей зубьев шестерён 40-45 HRC, колёс 260-290 HB. КПД редуктора η_редук = 0,96.

Таблица 3

Размеры редуктора Ц2-200