Практическая работа № 2 Расчет и выбор стального каната
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
СамарскИЙ государственнЫЙ УНИВЕРСИТЕТ путей сообщения
Кафедра строительных, дорожных машин и технологии машиностроения
Грузоподъемные машины
Методические указания
к выполнению практических и самостоятельных работ по дисциплине
«Подъемно-транспортные машины»
для студентов специальности 190301 – Локомотивы; 190302 – Вагоны;
190303 – Электрический транспорт железных дорог; 190205 – Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование
очной и заочной форм обучения
Составители: Кожевников В.А.,
Малышев В.П.,
Астраханский А.Ю.
Самара 2009
УДК 621.873
Грузоподъемные машины : методические указания к выполнению практических работ по дисциплине «Подъемно-транспортные машины» для студентов специальностей: 190301 – Локомотивы; 190302 – Вагоны; 190303 – Электрический транспорт железных дорог; 190205 – Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование очной и заочной форм обучения / составители : В.А. Кожевников, В.П. Малышев, А.Ю. Астраханский – Самара: СамГУПС, 2009. – 40 с.
Утверждены на заседании кафедры «СДМ и ТМ», протокол № 6 от 15 мая 2009 г.
Печатается по решению редакционно-издательского совета академии.
Приведены методические указания к выполнению практических работ для студентов рассматриваемых специальностей.
В указаниях изложены методы расчета основных механизмов грузоподъемных кранов: грузоподъемного, передвижения, подъема стрелы. Представлены правила выбора таких элементов, как канаты, электродвигатели, муфты и редукторы. Указания содержат справочные данные.
Составители: Вадим Александрович Кожевников,
Малышев Валерий Петрович,
Алексей Юрьевич Астраханский
Рецензенты: д.т.н., проф. А. Н. Балалаев;
д.т.н, профессор СамГТУ В.А. Прилуцкий
….…………………………..
Редактор: И.М. Егорова
Компьютерная верстка:…
Подписано в печать 00.00.00. Формат 60×90 1/16.
Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. п.л. 0,0.
Тираж 100 экз. Заказ №…
© Самарский Государственный Университет Путей Сообщения, 2009
Практическая работа № 1 Определение режима работы механизма подъема
Цель работы: научиться определять режим работы механизма крана в зависимости от условий эксплуатации.
Задачи:
1. По заданной циклограмме работы механизма (рисунок 1.1) вычислить общее время цикла и время чистой работы механизма в цикле.
2. Определить относительную продолжительность включения механизма.
3. Вычислить время работы механизма за весь срок эксплуатации.
4. Вычислить коэффициент нагружения механизма.
5. Определить класс использования и класс нагружения механизма, установить группу режима работы механизма.
Номер задания (таблица 1.1) выдается преподавателем и содержит в себе два числа: первое число – номер циклограммы (рисунок 1.1), второе – номер варианта исходных данных (таблица 1.2).
Таблица 1.1 – Номера заданий
| Последний номер шифра (зачетной книжки) студента | |||||||||||
| Предпоследний номер шифра студента | 1,1 | 1,11 | 2,1 | 2,11 | 3,1 | 3,11 | 4,1 | 4,11 | 1,1 | 4,11 | |
| 1,2 | 1,12 | 2,2 | 2,12 | 3,2 | 3,12 | 4,2 | 4,12 | 1,2 | 4,12 | ||
| 1,3 | 1,13 | 2,3 | 2,13 | 3,3 | 3,13 | 4,3 | 4,13 | 1,3 | 4,13 | ||
| 1,4 | 1,14 | 2,4 | 2,14 | 3,4 | 3,14 | 4,4 | 4,14 | 1,4 | 4,14 | ||
| 1,5 | 1,15 | 2,5 | 2,15 | 3,5 | 3,15 | 4,5 | 4,15 | 1,5 | 4,15 | ||
| 1,6 | 1,16 | 2,6 | 2,16 | 3,6 | 3,16 | 4,6 | 4,16 | 1,6 | 4,16 | ||
| 1,7 | 1,17 | 2,7 | 2,17 | 3,7 | 3,17 | 4,7 | 4,17 | 1,7 | 4,17 | ||
| 1,8 | 1,18 | 2,8 | 2,18 | 3,8 | 3,18 | 4,8 | 4,18 | 1,8 | 4,18 | ||
| 1,9 | 1,19 | 2,9 | 2,19 | 3,9 | 3,19 | 4,9 | 4,19 | 1,9 | 4,19 | ||
| 1,10 | 1,20 | 2,10 | 2,20 | 3,10 | 3,20 | 4,10 | 4,20 | 1,10 | 4,20 |
Порядок выполнения работы
1. Класс использования механизма (таблица 1.3) отражает интенсивность использования механизма за время его эксплуатации. Существует десять классов: Т0, Т1,…, Т10, которые определяются временем чистой работы механизма за весь срок службы крана, ч:
, (1)
 | |||
 |
 Число рабочих дней в году, nгод
| |||||||||||||||||||||
| Коли-чество смен, ncм | |||||||||||||||||||||
       Время технологических пауз, с
| = | ||||||||||||||||||||
        Время строповки, с
| |||||||||||||||||||||
    Время опускания, с
| |||||||||||||||||||||
   Время подъема, с
| |||||||||||||||||||||
| № вари-анта |
где nдн – число рабочих дней крана в году; h – срок службы крана в годах (h =15…20 лет); tс – среднесуточное время работы механизма, ч.
Среднесуточное время работы крана определяется
, (2)
где nсм – число рабочих смен в сутки; tсм – продолжительность смены (tсм=8 часов); ПВ′ – относительная продолжительность включения механизма, %.
Относительная фактическая продолжительность включения механизма находится
, (3)
где tв – время чистой работы механизма в цикле, с; tц – общее время цикла, с.
Цикл работы механизма подъема груза состоит из отрезков времени затрачиваемых на операции подъема 
и опускания 
грузов разной массы или порожнего грузозахватного устройства и пауз, связанных либо с процессом строповки груза 
, либо с технологическими перерывами в работе 
.
Таким образом,
,
.
С учетом зависимостей (2) и (3) формула (1) записывается в виде:
.
Таблица 1.3 – Классы использования механизмов
| Класс использования | Т0 | Т1 | Т2 | Т3 | Т4 | Т5 | Т6 | Т7 | Т8 | Т9 |
| Время работы механизма Т, ч |
2. Класс нагружения механизма (таблица 1.4) отражает относительную нагрузку на механизм в соответствии с циклограммой нагружения. Существует четыре класса нагружения: L1, L2, L3 и L4. Они характеризуются коэффициентом нагружения:
,
где Qi – нагрузка, действующая на механизм в течении времени ti, т; Qmax – максимальная нагрузка, действующая на механизм в течении цикла (или номинальная грузоподъемность крана), т; ∑ti = tв – суммарное время действия нагрузки на механизм в течении цикла, с.
Таблица 1.4 – Классы нагружения механизмов
| Класс нагружения | Коэффициент нагружения, K | Качественная характеристика класса нагружения |
| L1 | 0,125 | Работа при нагрузках, значительно меньших номинальных, и в редких случаях с номинальной нагрузкой |
| L2 | 0,250 | Работа при средних и номинальных нагрузках |
| L3 | 0,500 | Работа преимущественно при номинальных и близких к номинальным нагрузках |
| L4 | 1,000 | Постоянная работа при номинальных и близких к номинальным нагрузках |
3. Режим работы механизмов крана в зависимости от условий их эксплуатации в соответствии с ГОСТ 25835-83 подразделяют на 8 групп: 1М, 2М, …, 8М. Группа режима работы механизма определяется классом использования и классом нагружения механизма по таблице 1.5.
Таблица 1.5 – Группы режима работы механизмов
| Класс использования | Класс нагружения | |||
| L1 | L2 | L3 | L4 | |
| Т0 | ––– | ––– | М1 | М2 |
| Т1 | ––– | М1 | М2 | М3 |
| Т2 | М1 | М2 | М3 | М4 |
| Т3 | М2 | М3 | М4 | М5 |
| Т4 | М3 | М4 | М5 | М6 |
| Т5 | М4 | М5 | М6 | М7 |
| Т6 | М5 | М6 | М7 | М8 |
| Т7 | М6 | М7 | М8 | ––– |
| Т8 | М7 | М8 | ––– | ––– |
| Т9 | М8 | ––– | ––– | ––– |
Практическая работа № 2 Расчет и выбор стального каната
Цель работы: ознакомится с классификационными признаками стальных канатов, научиться выбирать их тип и выполнять расчет каната на прочность.
Задачи:
1. Учитывая исходные данные, выбрать тип каната.
2. В соответствии с заданной схемой запасовки каната (рисунок 2.1) определить тип и кратность полиспаста.
3. Вычислить КПД полиспаста.
4. Вычислить наибольшее натяжение каната.
5. Определить необходимое разрывное усилие каната.
6. По стандарту на принятый тип каната определить допустимый диаметр и дать полное обозначение каната.
7. Определить минимально допустимые диаметры блоков и барабана для выбранного каната.
Номер задания (таблица 2.1) выдается преподавателем и содержит в себе два числа: первое число – номер схемы запасовки каната, второе – номер варианта исходных данных (таблица 2.2).
Таблица 2.1 – Номера заданий
| Последний номер шифра (зачетной книжки) студента | |||||||||||
| Предпоследний номер шифра студента | 1,2 | 2,8 | 4,2 | 5,11 | 7,3 | 8,9 | 10,2 | 11,13 | 1,2 | 2,9 | |
| 1,1 | 2,9 | 4,4 | 5,13 | 7,5 | 8,10 | 10,4 | 12,1 | 1,4 | 2,10 | ||
| 1,4 | 2,10 | 4,6 | 6,1 | 7,7 | 8,12 | 10,6 | 12,2 | 1,8 | 2,12 | ||
| 1,8 | 2,12 | 4,8 | 6,2 | 7,11 | 9,1 | 10,8 | 12,4 | 1,9 | 3,3 | ||
| 1,9 | 3,3 | 4,9 | 6,4 | 7,13 | 9,2 | 10,9 | 12,6 | 1,10 | 3,5 | ||
| 1,10 | 3,5 | 4,10 | 6,6 | 8,1 | 9,4 | 10,10 | 12,8 | 2,1 | 3,7 | ||
| 2,1 | 3,7 | 4,12 | 6,8 | 8,2 | 9,8 | 10,12 | 12,9 | 2,2 | 3,11 | ||
| 2,2 | 3,11 | 5,3 | 6,9 | 8,4 | 9,9 | 11,5 | 12,10 | 2,4 | 3,13 | ||
| 2,4 | 3,13 | 5,5 | 6,10 | 8,6 | 9,10 | 11,7 | 12,12 | 2,6 | 4,1 | ||
| 2,6 | 4,1 | 5,7 | 6,12 | 8,8 | 10,1 | 11,11 | 1,1 | 4,2 | 2,8 |
 |
Таблица 2.2 – Варианты исходных данных
| Номер варианта | Грузоподъемность Q, т | Тип крана[1] | Тип барабана[2] | Число слоев навивки | Условия работы[3] |
| 6,3 | А | ГЛ | Н | ||
| 16,0 | Г | ГЛ | Н | ||
| 50,0 | К | Ж | В | ||
| 20,0 | П | ГЛ | Н | ||
| 25,0 | М | Ж | Н | ||
| 40,0 | П | ГЛ | В | ||
| 10,0 | К | Ж | Н | ||
| 18,0 | Г | ГЛ | Н | ||
| 4,0 | А | Ж | В | ||
| 16,0 | А | ГЛ | Н | ||
| 7,5 | К | Ж | Н | ||
| 75,0 | Г | ГЛ | В | ||
| 8,0 | М | Ж | Н |
Порядок выполнения работы
При выборе типа каната следует знать следующие конструктивные признаки:
1) характер контакта проволочек в прядях;
2) число прядей;
3) число проволочек в прядях;
4) тип сердечника;
5) марку проволочек;
6) покрытие проволочек;
7) направление свивки;
8) сочетание направлений свивки элементов каната;
9) способ свивки;
10) маркировочную группу проволочек.
Канаты с линейным контактом проволочек (ЛК-О, ЛК-Р, ЛК-РО, ЛК-3) имеют лучшее заполнение сечения, они более гибки и износостойки (их срок службы на 30…100% выше, чем канатов с точечным контактом). При той же разрывной нагрузке они имеют меньший диаметр по сравнению с канатами с точечным контактом проволок (ТК). Однако канаты с точечным контактом проще в изготовлении и дешевле. В механизмах подъема лучше принять канаты с линейным контактом проволок. Канаты типа ТК применяются в тех случаях, когда нет перегибов (растяжка стрел вантовых кранов; несущие канаты кабельных кранов).
Оптимальное число прядей в канате — 6. Однако есть канаты с числом прядей 1; 3; 8; 18.
Количество проволок в прядях может быть различным. Чем больше число проволок, тем более гибкий канат. Но увеличение числа проволок вынуждает уменьшать их диаметр, что делает канат менее износостойким. Чаще всего принимают 19; 25; 36 или 37 проволок в пряди. При большом числе перегибов каната (кратность более 4) лучше брать канаты с большим числом проволок в пряди – 36 или 37, а при малом числе перегибов (кратность до 4) берут канаты с меньшим числом проволок в пряди – 19 или 25.
Канаты бывают с органическим и металлическим сердечником. Металлический сердечник используется в канатах ЛК при многослойной навивке на барабан и канатах, работающих при высоких температурах.
В грузолюдских канатах применяется проволока высшей марки (В), в грузовых канатах – первой марки (I).
В канатах, работающих во влажных и агрессивных условиях, проволоки покрывают цинком.
Направление свивки (правое, левое) имеет значение только для гладких барабанов и одинарных полиспастов (рисунок 2.2). В зависимости от заданного направления укладки каната на барабан направление свивки надо выбирать так, чтобы канат при наматывании на барабан дополнительно подкручивался. Определить направление подкручивания можно по схеме на рисунке 2.3.
При движении витков по стенке барабана с права на лево канат в сечении, располагаемом на верхней части барабана, будет подкручиваться в направлении по часовой стрелки (рисунок 2.3, а). Мысленно расположив сечение каната в горизонтальной плоскости (рисунок 2.3, б) определяют направление навивки, которое должно совпадать по направлению с направлением вращения. В данном случае это правая свивка.
В зависимости от заданного направления укладки каната на барабан направление свивки надо выбирать так, чтобы канат при наматывании на барабан дополнительно подкручивался. Определить направление подкручивания можно по схеме на рисунок 2.3.
При движении витков по стенке барабана с права на лево канат в сечении, располагаемом на верхней части барабана, будет подкручиваться в направлении по часовой стрелки (рисунок 2.3, а). Мысленно расположив сечение каната в горизонтальной плоскости (рисунок 2.3, б) определяют направление навивки, которое должно совпадать по направлению с направлением вращения. В данном случае это правая свивка.
По сочетанию направлений свивки элементов каната различают канаты с односторонней, крестовой и комбинированной свивкой (рисунок 2.2).Канаты односторонней свивки имеют более ровную поверхность, площадь сечения в них заполнена лучше, они более гибки и долговечны, однако склонны к раскручиванию и поэтому не пригодны к подвешиванию груза на одной ветви.
Канаты крестовой и комбинированной свивки благодаря большой структурной плотности (недеформируемости) лучше применять при многослойной навивке на барабан.
Механические свойства проволки характеризуется пределом прочности их материала. Наибольшее распространение имеют канаты с σв=1600…2000 МПа. Применение проволок с более низким пределом прочности приводит к увеличению диаметра каната.
Полное обозначение каната складывается из отдельных условных обозначений, соединенных дефисом:
канат – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 –9 ,
где 1 – цифровое значение диаметра каната, мм; 2 – обозначения назначения каната (ГЛ – грузолюдской или Г – грузовой); 3 – обозначение механических свойств проволок (В – высшая, I – первая или II – вторая); 4 – обозначение вида покрытия поверхности проволок (Л – оцинкованная проволка для легких условий работы; ОС – для средних условий, ЖС – для жестких условий и если проволка светлая, то обозначение не ставится); 5 – обозначение направления свивки (Л – левая свивка и если свивка правая, то обозначение не ставится); 6 – обозначение сочетания направлений свивки проволок в прядях (О – односторонняя свивка и если свивка крестовая, то обозначение не ставится); 7 – обозначение способа свивки (Р – раскручивающиеся, Н – нераскручивающиеся); 8 – цифровое значение расчетного предела прочности проволок на разрыв, МПа; 9 – номер ГОСТа на выбранный тип каната.
Пример условного обозначения каната:
канат-11,5-Г-I-С-Л-0-Н-1568-ГОСТ 2688-80.
ГОСТ характеризует тип контакта проволок, количество прядей, количество проволок в прядях, тип сердечника.
Минимально допустимый диаметр барабана и блока (по центру наматываемого каната),
,
где d – диаметр каната, мм; D1, D2, D3 – диаметры барабана, основных и уравнительного блоков соответственно, мм; h1; h2; h3 – коэффициенты выбора диаметров барабана, основных и уравнительного блоков соответственно (таблица 2.2).
Расчет каната сводится к определению его диаметра. В соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов» расчет канатов ведут по разрывному усилию каната в целом по зависимости:
F ≥ FК ZP,
где F – разрывное усилие каната в целом, Н, выбирается по таблицам; Fk – наибольшее натяжение каната с учетом к.п.д. полиспаста и направляющих блоков, Н; Zp – минимальный коэффициент использования каната, принимается по таблице 2.3 и 2.4.
Наибольшее натяжение каната
,
где N – число ветвей каната, навиваемых на барабан; uп – кратность полиспаста; ηп – КПД полиспаста; ηбл – КПД направляющего блока; п – число направляющих блоков в одинарном полиспасте.
Таблица 2.2 – Коэффициенты выбора диаметров барабана (h1), блока (h2) и уравнительного блока (h3)
| Группа режима работы механизма[4] | Коэффициент выбора диаметров барабана и блоков | |||
| По ИСО 4301/1 | По ГОСТ 25835 | h1 | h2 | h3 |
| М1 | 1М | 11,2 | 12,5 | 11,2 |
| М2 | 2М | 12,5 | 14,0 | 12,5 |
| М3 | 3М | 14,0 | 16,0 | 12,5 |
| М4 | 4М | 16,0 | 18,0 | 14,0 |
| М5 | 5М | 18,0 | 20,0 | 14,0 |
| М6 | 6М | 20,0 | 22,4 | 16,0 |
| М7 | 7М | 22,4 | 25,0 | 16,0 |
| М8 | 8М | 25,0 | 28,0 | 18,0 |
Таблица 2.3 – Коэффициенты использования канатов Zp
| Группа режима рабочего механизма | Zp | ||
| По ИСО 4301/1 | По ГОСТ 25835 | Подвижные канаты | Неподвижные канаты |
| М1 | 1М | 3,15 | 2,5 |
| М2 | 2М | 3,35 | 2,5 |
| М3 | 3М | 3,55 | 3,0 |
| М4 | 4М | 4,00 | 3,5 |
| М5 | 5М | 4,50 | 4,0 |
| М6 | 6М | 5,60 | 4,5 |
| М7 | 7М | 7,10 | 5,0 |
| М8 | 8М | 9,00 | 5,0 |
Таблица 2.4 – Коэффициенты использования канатов Zp для стреловых самоходных кранов
| Подвижные канаты | Неподвижные канаты | |||||||
| Подъём груза | Подъём-опускание стрелы | Телескопирование | Монтаж | Эксплуа- тация | Монтаж | |||
| Группа режима механизма | Zp | Группа режима механизма | Zp | Группа режима механизма | Zp | Zp | ||
| М3 | 3,55 | М3 | 3,35 | М1 | 3,15 | 3,05 | 3,0 | 2,73 |
| М4 | 4,00 | М4 | 3,55 | М2 | 3,35 | 3,05 | – | – |
| М5 | 4,50 | М5 | 3,55 | М1[5] | – | – | – | – |
КПД полиспаста
,
где 
– КПД блока (для блоков на подшипниках качения при хорошей смазке = 0,98).
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3