Металлическая конструкция крана-манипулятора

КМ 12.02.00.000 СБ.dwg

КМ 12.02.05.000 СБ.dwg

Обозначение стандарта
Условное обозначение
Технические требования
*Размеры для справок
В сварных швах не допускается трещины
несимметричность расположения шва
Швы зачистить от брызг
Неуказанные предельные отклонения размеров

КМ 12.02.06.000 СБ.dwg

Обозначение стандарта
Условное обозначение
Технические требования
*Размеры для справок
В сварных швах не допускается трещины
несимметричность расположения шва
Швы зачистить от брызг
Неуказанные предельные отклонения размеров

КМ 12.00.00.000 СБ.dwg

Техническа характеристика:
Мощность силовой установки 176 кВт
Ширина колеи 1520 мм
Вписываемость в габарит I-T ГОСТ 9238-83
Обслуживающий персонал 2 человека
Максимальная скорость движения 40 кмчас
На болты М24 нанести гель-герменик
Permabond MM115 Threadlocker (синий)
Минимальный радиус проходимых криволинейных
в транспортном положении 60 м
в рабочем положении 90 м
Рама машины условно не показана
Ось крана-манипулятора

КМ 12.02.07.000 СБ.dwg

Технические требования
*Размеры для справок
В сварных швах не допускается трещины
несимметричность расположенияшва
Швы зачистить от брызг
Неуказанные предельные отклонения размеров

РПЗ.docx

РПЗ 34с. 16 рис. 3 табл. 9 источников 1 прил.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КОНСТРУКЦИИ ВЫПРАВОЧНО-ПОДБИВОЧНО-РИХТОВОЧНОЙ МАШИНЫ
Цель курсового проектирования по предмету «Строительная механика и металлические конструкции» – формирование навыков правильного применения теоретических знаний полученные в процессе обучения использование опыта для решения профессиональных технологических и конструкторских задач.
В данном курсовом проекте разработана металлическая конструкция выправочно-подбивочно-рихтовочной машины а именно крана-манипулятора для замены шпал. Пояснительная записка проекта состоит из нескольких глав которые включают в себя расчет металлоконструкции крана-манипулятора а так же прочие сопутствующие расчеты подтверждающие работоспособность машины. Так же проект включает в себя четыре чертежей формата А1 и два чертежа формата А2: общий вид ВПРС общий вид КМ чертежи металлоконструкции: чертеж хобота гуська балки гуська.
Область применения крана-манипулятора6
Расчет на прочность элементов металлоконструкции крана-манипулятора9
Расчет сварных швов15
Расчет болтовых соединений17
Расчет устойчивости крана-манипулятора22
Заключение по результатам расчета устойчивости крана-манипулятора26
Расчет на сопротивление усталости27
Список использованной литературы34
Выправочно - подбивочно - рихтовочная машина—путевая машинанажелезнодорожном транспорте для выправки железнодорожного путив продольном и поперечном профиле и в плане (рихтовки) а также для уплотнения (подбивки)балласта (рис. 1). Применяется при строительстве ремонте и текущем содержании пути. [1]
Среди современных представителей машин можно выделить такие как:
Таблица 1 - Сравнительная характеристика параметров машин.
Наименование параметра
Скорость в транспортном режиме кмч
Уклон максимально преодолеваемый град
шпалч (стрелочных переводов)
Максимальная подъемка пути мм
Максимальная рихтовка пути мм
Разрабатываемая машина ВПРС предназначена для следующих работ:
выправка железнодорожного пути в продольном и поперечном направлении и в плане с уплотнением балласта под шпалами с использованием стационарных подбивочных блоков и подъемно-рихтовочных устройств без опоры на балласт;
выправка стрелочных переводов железнодорожного пути в продольном и поперечном направлении и в плане с уплотнение балласта под шпалами и брусьями и крестовин с использованием стационарных подбивочных блоков и подъемно-рихтовочных устройств без опоры на балласт;
выправка стрелочных переводов железнодорожного пути в продольном и поперечном направлении и в плане с уплотнение балласта под шпалами и брусьями и крестовин с использованиемстационарных подбивочныхблоковнавесных ручных виброподбоеки подъемно-рихтовочных устройств с опорой на балласт;
замена шпал в рельсошпальной решетке.
Именно для реализации последнего пункта разрабатывается кран-манипулятор для ВПРС. [1]
Область применения крана-манипулятора
Кран-манипулятор – это машина для подъема груза состоящая изкрано-манипуляторной установки(КМУ) установленной на ходовом устройстве или стационарно.
В свою очередькрано-манипуляторной установкойназывается подъемное устройство которое включает стреловое рабочее оборудование грузозахватные органы (обычно крюковая подвеска) систему управления и опорную раму. Чаще всего к рабочему органу гидравлического привода не имеют.
Основные характеристики определяющие возможности применения и цену кранов-манипуляторов:
максимальный и минимальный вылет стрелы;
грузоподъемность при максимальном и минимальном вылете;
грузовой момент стрелы также определяемый при максимальном и минимальном значении вылета стрелы крана;
высота подъема и опускания груза;
минимальный радиус поворота крановой установки;
исполнение подвески.
По типу подвески стреловое оборудование может быть в шарнирном исполнении (жесткая подвеска) или канатном (гибкая). При гибкой подвеске захват происходит при помощи грузового крюка размещенного на конце канатной лебедки. У жесткой подвески грузозахватный орган шарнирно закреплен на оголовке стрелы.
По типу складывания рабочее оборудование манипуляторов может быть разделено на две категории: Z-образное и L-образное. Названия обусловлены внешним сходством манипуляторов сложенных в транспортном положении с соответствующими латинскими буквами.
Z-образная конструкция (рис. 2) свойственна моделям европейских производителей. Иногда ее называют шарнирно-сочлененной или «коленчатой». Позволяет манипулятору складывается в несколько колен.
Рисунок 2 – КМУ SQ16ZK4Q с Z-образной стрелой
L-образный тип (рис. 3) КМУ имеет прямую телескопическую стрелу подвеска крюка тросовая. В случае монтажа на грузовик основная часть крановой установки в сложенном состоянии располагается над водительской кабиной или кузовом (вдоль рамы). Для L-образного манипулятора важное значение имеют характеристики установленной на нем лебедки (троса).
Рисунок 3 – КМУ-125 СФ с L-образной стрелой
К преимуществам L-образной конструкции можно отнести следующие особенности: масса КМУ частично перераспределяется; производительность работ по перемещению грузов при больших вылетах стрелы (до 6-8 м) выше чем у Z-образных конструкций; тросовая подвеска крюка позволяет плавно опускатьподнимать груз строго по прямой что повышает точность работ.
Недостатки L-образной конструкции: ограничения по размещению в кузове автомобиля высоких грузов или погрузке сыпучих материалов «с горкой» (когда крановое оборудование размещается над кузовом); невозможность работы через препятствие.
Расчет на прочность элементов металлоконструкции крана-манипулятора
Для унификации конструкции крана-манипулятора в качестве профиля телескопических секций выберем профильную трубу согласно ГОСТ Р 54157-2010. Материал трубы - Сталь 09Г2С. [2]
Рисунок 4 – Расчётная схема крана-манипулятора
В ходе анализа расчетной схемы крана-манипулятора (рис. 4) получаем 4 элемента для расчета металлоконструкции: телескопируемая секция гуська L1 телескопируемая секция хобота L2 опорная секция гуська L3 опорная секция хобота L4. Конструкция данных секция приведена на чертеже КМ 12.02.00.000 СБ (см. листы 1 и 2).
Расчет телескопируемой секции гуська
Рисунок 5.1 – Расчётная схема телескопируемой секции гуська
Для секции гуська L1=2500мм (рис 5.1). Изгибающий момент М Нм относительно точки «А» равен:
где – вес груза; L1-плечо от веса груза до опоры А. Получим:
Момент сопротивления коробчатого сечения согласно ГОСТ Р 54157-2010 равен .
Коэффициент запаса прочности для стали 09Г2С принимаем Кзап =1.6 = 295 МПа. [3]
Допустимое напряжение [] равно:
Напряжение МПа равно:
Конструктивный вес телескопируемой секции гуська G1 равен:
где k=12 – конструктивный коэффициент [3]
- погонный вес профильной трубы (1801 кг).
Расчет телескопируемой секции хобота
Рисунок 5.2 – Расчётная схема телескопируемой секции хобота
Для секции хобота L2=1500 мм (рис 5.2). Изгибающий момент М Нм относительно точки «Б» равен:
где F1 – усилие отрыва шпалы; L1 – плечо от веса груза до опоры Б.
Конструктивный вес телескопируемой секции хобота G2 равен:
- погонный вес профильной трубы (1425 кг).
Расчет опорной секции гуська
Конструкция опорной секции гуська показана на чертеже КМ 12.02.06.000 СБ расчетная схема приведена на рис. 5.3: после анализа представляем полную расчетную схему (рис. 5.3 а) в виде двух более простых схем аналогичных друг другу (рис. 5.3 б).
Рисунок 5.3 – Расчётная схема опорной секции гуська
Для наружной секции гуська: L3=550 мм. Тогда изгибающий момент Миmax Нм относительно точки «В» возникнет от силы F3 и момента определенного при расчете телескопируемой секции гуська:
Конструктивный вес опорной секции гуська G3 равен:
- погонный вес профильной трубы (26.97 кг).
Расчет опорной секции хобота
Рисунок 5.4 – Расчётная схема опорной секции хобота
Для наружной секции хобота: L4=1420 мм (рис 5.4). Тогда изгибающий момент Миmax Нм относительно точки «Г» возникнет от силы F4 и момента определенного при расчете телескопируемой секции хобота:
Момент сопротивления коробчатого сечения согласно ГОСТ Р 54157-2010 равен .[4]
Конструктивный вес опорной секции хобота G4 равен:
- погонный вес профильной трубы (1927 кг).
Таким образом полученные телескопические секции имеют преимущество по сравнению с другими сортаментами стрел в качестве облегченного веса конструкции.
Для расчета выбираем шов соединяющий лист с профильной трубой на чертеже КМ 12.02.06.000 СБ. Расчет проводим по методике приведенной в [6]. Расчетная схема сварного шва ГОСТ 14771-76 У2-ИП приведена рис. 7.
Рисунок 6 – Нахлесточный сварной шов
Расчет нахлесточных швов производится по тем же формулам что и целых элементов. Особенность состоит в назначении допускаемых напряжений. [6 с. 326] Напряжения возникающие от растягивающей (сжимающей) силы F и момента М определяется из формулы:
где L – длина шва; F M – нагрузка; - допускаемое усилие среза для сварного шва Нм2; К – катет сварного шва W – момент сопротивления площади среза.
Подставим значения в формулу [6 с. 335]:
Допускаемое напряжение равно:
2 МПа≤ 120 МПа верно.
Остальные сварные швы рассчитываются аналогично причем согласно СНиП Н-23-81* при использовании высококачественных материалов и проведении после сварки визуального контроля на предмет соответствия ГОСТ сварные швы допускается не рассчитывать.
Описание технологии сварки
При сварке сталей 09Г2С 14Г2 и 10Г2С1 используются электроды имеющие в своем составе около 18% углерода. Этими электродами являютсяЭ42и Э50А. Проведение сварочных работ со сталями с пределом текучести более 390 МПа требует большего внимания. Сталь с такими свойствами склонна к образованию кристаллизационных трещин однако она менее подвергается перегреву околошовной зоны потому что являетсялегированной. Сварку такой стали выполняют электродами Э60 Э50А и Э55. Сварочные электроды Э60 используются для сваривания низколегированной стали во всех пространственныхположенияхсварочного шва а также для работы с ними нужно использоватьпостоянный токобратнойполярности.
Также марка широко используется для сварных конструкций. Сварка может производиться как без подогрева так и с предварительным подогревом до 100-120 С. Так как углерода в стали мало то сварка ее довольно проста причем сталь не закаливается и не перегревается в процессе сварки благодаря чему не происходит снижение пластических свойств или увеличение ее зернистости. К плюсам применения этой стали можно отнести также что она не склонна к отпускной хрупкости и ее вязкость не снижается после отпуска.
Примем для сварки высококачественный электрод Э50А (Э50А- для сварки углеродистых и низколегированных сталей с пределом прочности при разрыве до 50 кгсмм2) для сварки стали 09Г2С и проведем после данной операции технический контроль согласно ГОСТ.
Расчет болтовых соединений
При соединении элементовна каждый болт передаются две равные и противоположно направленные силы от первого и второго элементов. Болтперерезаетсяв плоскости соединения двух элементов силы от которых образуютпарууравновешиваемуюдругой парой сил – реакциейсо стороны головки и гайки болта. [6 стр. 338-345]
Два элемента могут также соединяться с использованием одной или двухнакладок. В этом случае болтперерезается в двух плоскостях.
Приотносительно тонких элементахвозможноразрушение болтового соединения за счет смятия листов или болтов в зоне их контакта.Поэтому необходимо проверитьпрочность болтового соединения на смятие. Фактическое распределение напряжений на поверхности контакта болта и листа весьма сложное. Приближенноопасность смятия оценивается не по фактическим значениям контактных напряжений а по средним отнесенным к площади проекции поверхности контакта на диаметральную плоскость называемую условной площадью смятия.[5 с. 339-340].
Расчет болтового соединения накладок к профильной трубе
Подберем необходимый диаметр болтов крепления накладок к профильной трубе (рис. 7). Для этого проведем расчет на срез и смятие и определим минимальный диаметр болта а далее округлим до ближайшего большего значения.
Рисунок 7 – Конструкция и расчетная схема болтового соединения профильной трубы с накладками
Условие прочности насрез (сдвиг) имеет вид:
Допускаемое напряжение на срез по третьей теории прочности:
Из условия прочности на срез:
Площадь сечения болта:
Откуда выражаем диаметр болта:
Поверхность болта – цилиндрическая. Закон распределения давления по поверхности болта точно не известен [6 с. 340] принимается криволинейный закон и максимальное напряжение смятия на цилиндрических поверхностях вычисляется по формуле:
Выразим из формулы :
Минимальный диаметр болта:
Принимаем для накладки болты М8. [6 с. 340-345]
Расчет болтового соединения крана-манипулятора к раме ВПР
Рисунок 8 – Расчетная схема болтового соединения крана-манипулятора к раме ВПР
Условие прочности насрез (сдвиг) имеет вид (рис. 8):
Принимаем болты М24 в количестве 10. [6 с. 340-345]
Расчет устойчивости крана-манипулятора
Первый расчётный случай. (КМ 12.00.00.000 СБ) Кран – манипулятор в рабочем состоянии не передвигается с грузом (рис. 9). [8]
Рисунок 9 – Расчётная схема грузовой устойчивости (первый случай)
Коэффициент грузовой устойчивости определяется по формуле:
где G=270 Н – вес груза; Q=300 кг – грузоподъёмность крана; L=1.63м – наибольший вылет при указанной грузоподъёмности; H=05м; H1=0.75м; H2=1м – плечи сил; N=12 обмин – частота вращения крана на максимальном вылете и предельной грузоподъёмности; V1=1мс – скорость подъёма (опускания) груза; t1=2.5 c – время пуска (торможения) механизма подъёма; t3=2 с – время пуска (торможения) механизма изменения вылета; V’1=1мс и V’’3=1мс – скорости горизонтального и вертикального перемещения груза; Pb1 – ветровая нагрузка на кран в рабочем состоянии; Sk – наветренная площадь крана; р=250 Па – динамическое давление ветра; Pb2– ветровая нагрузка на груз с захватным приспособлением; S2 – наветренная площадь контейнера и захвата; и – масса стрелового устройства с оборудованием приведённая к точке подвеса груза. Учитывая что вылет стрелы является установленным движением а изменение угла наклона хобота не совмещается с вылетом значения и приняты как для прямой стрелы где – масса передней части стрелы с хоботом. Тогда
Второй расчётный случай. (КМ 12.00.00.000 СБ) При условиях рассмотренного первого случая грузовой устойчивости крана но при стреле расположенной под углом 45° (рис. 10) к ребру опрокидывания проверяется запас устойчивости крана с учётом касательной силы инерции и центробежной силы при торможении или пуске механизма вращения крана.
Рисунок 10 – Расчётная схема грузовой устойчивости крана (второй случай)
Коэффициент запаса устойчивости определяется по формуле:
где t4=5 с – время пуска (торможения) механизма вращения поворотной платформы. Остальные обозначения приведены выше при рассмотрении первого расчётного случая грузовой устойчивости. Тогда
Третий расчётный случай. (КМ 12.00.00.000 СБ) Расчётная схема соответствует рис. 10. Коэффициент грузовой устойчивости определяется при отсутствии воздействия сил инерции и ветра:
Заключение по результатам расчета устойчивости крана-манипулятора
Методическое выполнение расчётов устойчивости крана проверено по рекомендациям полученным в ходе проектировании подобных машин.[9]
В соответствии с требованиями Правил устройства и безопасной эксплуатации грузоподъёмных кранов (ПБ 10–382–00) выполнен расчёт устойчивости крана – манипулятора.
Грузовая устойчивость крана рассматривается нескольких основных случаев.
Выполненные расчёты подтвердили что грузовая устойчивость крана обеспечивается со следующими значениями коэффициентов запаса устойчивости:
Коэффициент грузовой устойчивости при учёте всех действующих нагрузок рабочего состояния (без передвижения крана) =198 при нормативном минимальном значении этого коэффициента равном 115.
Коэффициент грузовой устойчивости рассчитанный с учётом воздействия составляющей касательной силы инерции и центробежной силы при торможении или пуске механизма вращения =245 при нормативном значении равным 15.
Коэффициент грузовой устойчивости без учёта воздействия сил инерции и ветра =568 при нормативном значении равном 14.
Четвёртый расчётный случай грузовой устойчивости крана рассчитан при его передвижении с грузом при отсутствии совмещения других рабочих движений крана. Коэффициент грузовой устойчивости для этого случая =168 при нормативном значении равном 115.
Расчет на сопротивление усталости
Проектируемый кран-манипулятор предполагается эксплуатировать в летнее время года т.е. примем календарное время эксплуатации 100 дней. При этом рабочая смена составит 8 часов (примем двухсменный режим эксплуатации) каждый час нормативно запланировано выполнять 12 циклов подъема и опускания шпал. При этом для освобождения шпалы от щебня необходимо выполнить порядка 10 колебаний. Тогда количество циклов нагружений составит:
Расчет стреловой системы крана-манипулятора на сопротивление усталости
Рисунок 11 – Диаграмма зависимости грузоподъемности от числа циклов работы крана
Согласно действующим российским и международным нормам ISO 43011 группу режима определяет сочетание класса использования (U0-U9) в нашем случае принимаем U7 что соответствует интенсивному использованию и режим нагружения (Q1-Q4) характеристикой которого является коэффициент распределения нагрузок [6 стр. 44].
где - количество циклов работы крана с грузом; -массы груза; - общее число циклов работы крана за срок службы [6 стр. 44]; Q=300 кг – номинальная грузоподъемность; m=3 –показатель степени усталостной кривой.
Количество циклов работы крана за срок службы при режиме нагружения Q4:
Условие долговечности в СРДН имеет вид:
где - предел выносливости [6 стр. 167]; - коэффициент циклического нагружения [6 стр. 184]; - конструктивный коэффициент [1. стр. 149]; - предел выносливости сварного узла [6 стр. 167]; - коэффициент запаса; [6 стр. 163]
Условие долговечности в СРПС имеет вид:
где - коэффициент надежности по назначению [6 стр. 33]; - коэффициент условий работы [6 стр. 165]; - коэффициент надежности по усталостной характеристике [6 стр. 165].
Расчет опорной балки гуська крана-манипулятора на сопротивление усталости.
Нагрузки и расчетные коэффициенты[6 стр. 185-188]: вес груза G=300 кг динамический коэффициент коэффициент надежности по назначению коэффициент условий работы коэффициент надежности по усталостной характеристике конструкционный коэффициент .
Рисунок 12 – Расчетная схема для расчета на сопротивление усталости
Выбор расчетной зоны РЗ-1 и определение расчетных параметров: расположение РЗ-1 на стыке труб a=200 мм базовый предел выносливости РЗ МПа. Предел выносливости МПа.
Рисунок 13 – Усталостные кривые
Определение параметров глобального цикла нагружения: максимальная нагрузка на опору Н минимальная нагрузка Н изгибающий момент в сечениях от собственного веса и оборудования кНм изгибающий момент в центральном сечении (координата x=415 мм) кНм суммарный изгибающий момент кНм.
Максимальные напряжения в РЗ: МПа минимальные напряжения МПа. Коэффициент асимметрии цикла . Оценка эквивалентного напряжения МПа.
Условие неограниченной долговечности: действующее напряжение МПа. Расчетное сопротивление по условию неограниченной долговечности (через коэффициенты надежности) МПа.
Проверка на ограниченную долговечность. Действующее напряжение: МПа. Расчетное сопротивление по условию неограниченной долговечности (с уточняющими параметрами) МПа. Условие ограниченной долговечности выполнено действующие напряжения меньше расчетного сопротивления.
Рабочие элементы захватного устройства подвергаются постоянным сложным ударным нагрузкам. В связи с этим для увеличения их срока службы возникает необходимость применения специальных износостойких материалов таких как например сталь Magstrong H400.
Magstrong H400— износостойкая высокопрочная сталь. Листовая сталь H400 обладает высокими показателями твердости и ударной вязкостьюлисты поставляются термообработанные.
Износостойкая сталь MAGSTRONG H400 используется для ремонта навесного оборудования различной карьерной дорожно-строительной и строительной техники при использовании данной стали значительно повышается время работы деталей в частности ковшей и других частей которые испытывают постоянные нагрузки при работе со сложным грунтом и других сферах применения.
Таблица 2. Химический состав стали MAGSTRONG H400
Массовая доля элементов не более %
Таблица 3. Механические свойства стали MAGSTRONG H400
Предел прочности МПа
Предел текучести МПа
Относительное удлинение А5 %
Ударная вязкость KCU Джсм2
Ударная вязкость KCV Джсм2
В ходе выполнения данного курсового проекта была спроектирована металлическая конструкция крана манипулятора и рассчитаны ее основные элементы. Для унификации были использованы профильные трубы в качестве телескопических элементов а так же произведен их проверочный расчет расчет сварных швов и самих балок.
Все эти узлы и устройства крана-манипулятора были внедрены на существующую путевую машину.
Данное конструкторское нововведение значительно расширило функциональную область применения ВПРС.
При выполнении курсового проекта были достигнуты поставленные цели и задачи.
Полученные знания будут использоваться при выполнении конструкторской части дипломного проекта.
Список использованной литературы
Попович М.В. Путевые машины. Полный курс. М.В. Попович В.М. Бугаенко. М. : УМЦ ЖДТ 2009. — 820 с.
Елманов В.Д. Конструкции элементов гидро- и пневмооборудования путевых машин.В.Д. Елманов Н.Е. Мельничук. М. : УМЦ ЖДТ 2006. — 50 с.
Абашин В.М. Путевые машины на железнодорожном транспорте. М. : УМЦ ЖДТ 2002. — 29 с.
Буланов Э.А. Решение задач по сопротивлению материалов. М. : Издательство "Лаборатория знаний" 2015. — 215 с.
Чернилевский Д.В. Детали машин и основы конструирования. Учебник для вузов. М. : Машиностроение 2012. — 672 с.
Соколов С.А. Металлические конструкции подъёмно-транспортных машин: Учебное пособие. [Текст] – СПб.: Политехника 2005. – 423с.
Радкевич Я.М. Метрология стандартизация и сертификация. М. : Горная книга 2003. — 788 с.