Введение
Курсовая работа по проектированию металлоконструкций строительных и дорожных машин выполняется студентами дневного и вечернего обучения на четвертом курсе. Она включает разработку конструкции одного из элементов строительной машины или строительного подъемного крана. Наиболее рационально данную работу выполнять в комплексе и одновременно с проектом по подъемно-транспортным машинам. Это обеспечивает максимальную эффективность, так как комплексный проект дает более полное представление о проектировании машины в целом и требует меньших затрат времени по сравнению с выполнением не связанных между собой курсовых роботы и проекта. Опыт комплексного проектирования машины дает навык всестороннего рассмотрения проектируемого объекта, что позволяет в дальнейшем быстрей и грамотней проектировать любую строительную машину. Однако по согласованию с руководителем курсового проектирования в качества темы может быть выбрана любая другая металлоконструкция подъемно-транспортных или строительных и дорожных машин.
Настоящие методические указания включают разработку конструкции стрелы башенного крана как элемента металлоконструкции, проектирование которого позволяет наиболее полно использовать расчетные приемы строительной механики и знания, полученные в курсах теоретической механики и сопротивления материалов.
Навык проектирования, приобретенный в ходе выполнения данной работы, в дальнейшем используется в курсовых проектах по курсам "Машины для земляных работ" и "Строительные машины" атакже в дипломном проекте.
Методические указания предусматривают возможность творческой работы студентов по линии НИРС. Расчет стрел минимальной массы на ЭВМ включает элементы исследования как в направлении дальнейшего углубления оптимизации подъемных стрел (включая оптимизацию формы стрелы и вида поперечного сечения) и оптимизации балочных стрел, так и внаправлении создания САПР.
Приведенный, в данных методических, указаниях алгоритм, а также программа оптимизации высоты оголовка башенного крана разработаны студентом Кириченко Д.А.
I. Состав курсовой работы и требования к оформление
В состав курсовой работы входят расчетно-пояснительная
записка общим объемом 15…20 с. и графическая часть, состоящая из
одного листа чертежей формата 24.
Расчетно-пояснительная записка должна содержать:
1) задание на проектирование;
2) выбор и описание конструктивной схемы проектируемой стрелы;
3) определение нагрузок;
4) составление расчетной схемы;
5) определение усилий в элементах металлоконструкции;
6) подбор сечений элементов металлоконструкции из условий прочности, устойчивости и долговечности;
7) проектирование узлов и конструкции в целом;
8) перечень использованной литературы.
Чертеж должен включать:
I) общий вид сборочной единицы спроектированной металлоконструкции, например секции стрелы;
2) необходимые проекции и разрезы двух различных узлов сварных соединений отдельных элементов металлоконструкции, например узлов соединения раскосов и поясов стрелы.
Чертеж сопровождается спецификацией в соответствии с ГОСТ 2.108-68. Она оформляется на листах формата 11 и прикладывается к расчетно-пояснительной записке. При выполнении чертежа необходимо обратить внимание на правильность условных изображений и обозначений швов сварных соединений по ГОСТ 2.312-72.
Требования к оформлению расчетно-пояснительной записки и графической части такие же, как и к другим курсовым проектам, и должны соответствовать ЕСКД [7, 13].
Организация выполнения курсовой работы может быть спланирована по аналогии с организацией работы над курсовыми проектами по ПТМ [I3] или по строительным машинам [7].
Определение параметров стрелы на основе прочностного расчета выполняется на ЭВМ по подпрограмме, входящей в программу оптимизации стрелы. Алгоритм подпрограммы может быть реализован на программируемом микрокалькуляторе по частям.
Указания к выполнению отдельных разделов проекта
Расчет металлоконструкций строительных и подъемно-транспортных машин выполняется на прочность, устойчивость и долговечность. В данной курсовой работе расчет выполняется на прочность и устойчивость при однократном воздействии наибольших нагрузок по предельным состояниям [8, 13]. Для расчета на усталостную прочность необходимо знать, например, для подъемных кранов, количество циклов за определенный период времени, использование грузоподъемности, продолжительность включения и т.п. Такие данные в учебной курсовой работе могут быть или при выполнении реального задания, или при выполнении комплексного проекта, охватывающего кафедры архитектурного проектирования, железобетонных конструкций, технологии строительного производства, ОПУС и др.
2.1. Выбор конструкции
При выборе конструкции стрелы крана можно руководствоваться известными техническими решениями [2]. Сначала производится и обосновывается выбор конструкции в самом общем виде для того, чтобы правильно составить расчетную схему. Поэтому необходимо обратить внимание на те характерные конструктивные особенности стрел, которые определяют расчетную, схему. К ним можно отнести:
· способ изменения вылета груза;
· форму поперечного сечения стрелы;
· изменение высоты и ширины сечения стрелы по длине;
· вид профилей, для изготовления поясов и раскосов;
· тип решеток;
· положение стрелового и грузового канатов относительно металлоконструкции стрелы.
Следует также обратить внимание на способ стыковки секций стрелы друг с другом и конструктивное решение стыковочного узла
Задавшись конструкцией стрелы идиапазоном вылета груза в соответствии с требованиями задания на проектирование и обосновав их, необходимо определить предварительные размере. Для решетчатых стрел это могут быть:
· расчетная длина стрелы;
· высота и ширина поперечного сечения стрелы;
· высота оголовка башни от центра пяты стрелы до центра
верхних блоков;
· расстояние от оси башни до оси пяты стрелы;
· расстояние от оси башни до оси вращения крана;
· расстояние от оси пяты стрелы до оси устройства крепления
стрелового каната.
Эмпирические формулы [3] позволяют оценочно задаться предварительными размерами, которые могут быть также найдены с помощью интерполяции по атласу конструкций [2].
2.2. Определение нагрузок
Определение нагрузок, действующих на металлоконструкции башенного крана, необходимо производить в соответствии с ГОСТ 13994-81. При расчете на прочность и устойчивость элементов металлоконструкций стрелы учитываются I, 2, 3 и 6-й номера сочетаний нагрузок, перечень которых приведен в табл. 1 [8]. Рекомендации по методике определения нагрузок – в [13].
2.3. Составление расчетной схемы
Выбор расчетной схемы является одним из основных этапов проектирования металлоконструкций, от которого будет зависеть метод расчета и точность получаемых результатов. При составлении расчетной схемы стремятся, с одной стороны, чтобы она была достаточно полной и позволяла бы получать результаты с заданной точностью, а с другой стороны – достаточно простой, чтобы время, затраченное на получение результатов, было возможно минимальным. Поэтому при составлении расчетной схемы можно рекомендовать такую последовательность действий. Сначала составляется расчетная схема, по возможности учитывающая все многообразие конструкционных факторов металлоконструкции и характер ее нагружения. Затем анализируется степень сложности решения поставленной задачи и предпринимается попытка упрощения расчетной схемы путем отбрасывания второстепенных факторов и схематизации нагрузки. Как правило, схему приводят к такому виду, чтобы можно было воспользоваться известными расчетными приемами. После решения поставленной задачи производится оценка точности полученных значений.
Рассмотрим на примерах, как составляются расчетные схемы металлоконструкция стрел башенных кранов. Традиционно используются стрелы двух видов: подъемные и балочные. Последние снабжены грузовой кареткой. Стрелы обоих видов крепятся пятой посредством опорных шарниров к кронштейнам башни. Стреловой канат шарнирно крепится к голове подъемной стрелы и к поясам (чаще верхним) стрелы балочного вида. Стрелы представляют собой пространственные фермы, расчленяемые при расчете на плоские, к которым прикладываются нагрузки, действующие в плоскости фермы. В качестве расчетных плоских ферм принимаются идеальные фермы. У идеальной фермы стержни соединены в узлах шарнирами, причем шарниры расположены на пересечении центральных осей и лишены трения. Узлы реальных конструкций, выполняемые с помощью сварки, имеют конечную жесткость, которой в большинстве случаев пренебрегают. Кроме того, центральные оси поясов и раскосов могут не пересекаться в узлах в одной точке, а иметь эксцентриситет, который приводит к возникновению изгибавших моментов в элементах фермы (рис.1). Этот фактор конструкции при составлении расчетной схемы становится второстепенным, если эксцентриситет
, (1)
где d п – наружный диаметр пояса (для конструкций из труб), и если усилие в раскосах
, (2)
а 
,(3)
где N п – усилие в поясе; Z o – расстояние от центра тяжести уголка до наружной грани полки (для конструкций из уголков) по ГОСТ 13994-81,
Эксцентриситеты в узлах решетки стрелы должны учитываться путем прибавления к напряжениям в элементе от осевого усилия напряжений от местного изгибающего момента. Значение изгибающего момента в узле должно распределяться на все элементы конструкции, сходящиеся в узле, пропорционально их погонным жесткостям при изгибе.
В некоторых конструкциях башенных кранов с балочной стрелой ось стрелового расчала крепится к поясу стрелы не в точке пересечения осей пояса и раскосов, а между двумя соседними узлами. В этом случае усилие в стреловом канате относится к соседним узлам фермы по правилу рычага и учитывается как узловое при определении усилий в стержнях фермы. Пояс же, воспринимающий непосредственно эту нагрузку, дополнительно рассчитывается на изгиб.
Рис. 1. Эксцентриситеты в узлах решеток стрел: а) из уголков; б) из труб
Таким образом, при составлении расчетной схемы необходимо обратить внимание на то, насколько реальная ферменная конструкция соответствует расчетной схеме фермы.
Усилия в стержнях пространственной фермы можно определять методом вырезания узлов, однако этот метод весьма громоздкий и требует больших затрат времени. Поэтому он может быть целесообразен либо в случаях, когда в ферме мало стержней, либо в случаях, когда требуется определить усилия лишь в нескольких стержнях.
Практически пространственные фермы рассчитывают приближенным методом путем их разложения на плоские. Так, для рассматриваемых ферм производится составление расчетных схем в плоскости подвеса и из плоскости подвеса (в плане) стрелы. На этом этапе составления расчетной схемы производится схематизация нагрузок и точек их приложения. В плоскости подвеса стрелы к вертикальной ферме или проекции наклонных ферм для стрел треугольного сечения прикладываются часть нагрузки, воспринимаемая одной фермой от веса груза с подвеской и канатом Gг, инерционной силы Рин и распределенной нагрузки от собственного веса qс. В плане к горизонтальным фермам (к ферме – при треугольном сечении) прикладываются сосредоточенные силы от груза, передаваемые грузовыми канатами через оси головных блоков или через горизонтальные ролики грузовой тележки на один из нижних поясов стрелы, а также ветровая Рв и инерционная Рин.г нагрузки от поворота крана или его перемещения с грузом, распределенные нагрузки: ветровая qв и инерционные от массы стрелы qин – равномерно распределенные при перемещении крана или изменяющиеся в виде трапеции при повороте крана. При расчете балочных стрел (рис. 2) необходимо учитывать запасовку грузового каната и каната передвижения грузовой тележки. Усилия встержнях плоских ферм как в плоскости подвеса, так и в плане могут быть определены графически. Для наиболее нагруженных стержней расчет проводится методом сечений, а при необходимости определить усилия во всех стержнях – с помощью диаграммы Максвелла–Кремоны, основанной на методе вырезания узлов и обеспечивающей контроль точности результатов.
Рис. 2. Расчетная схема балочной стрелы: а) в плоскости подвеса; б) из плоскости подвеса
Приведенные расчетные схемы в виде плоских ферм можно еще более упростить, рассматривая вместо них балки. Общепринята такая расчетная схема для подъемной стрелы. Стрела рассматривается в двух плоскостях. В плоскости подвеса стрела представляется как балка на двух опорах, одна из которых гибкая и направлена под углом к оси стрелы, что вызывает значительное по величине усилие, сжимающее стрелу. Из плоскости подвеса стрелы (в плане) расчетная схема представляет консольную балку с инерционными и ветровыми нагрузками; при этом усилия, действующие на груз, приводятся к голове стрелы или к середине линии, проходящей через блоки грузовой тележки.
Сжимающее усилие определяется как результат суммирования проекций на ось стрелы силы веса, инерции поднимаемого груза с крюковой подвеской и усилий в стреловом и грузовом канатах. Сжимающее усилие в стреле можно определять как аналитически, так и графически [11, 9]. Иногда с целью уменьшения изгибающего момента, возникающего от действия веса стрелы в плоскости подвеса, металлоконструкцию проектируют так, чтобы сжимающее усилие прикладывалось с эксцентриситетом относительно оси стрелы. Эксцентриситет всегда выполняется положительным. В этом случае ось стрелы находится выше линии, соединяющей ось пяты стрелы и оси блоков на голове стрелы.
ГОСТ 13994-81 предписывает при составлении расчетной схемы принимать во внимание упругие деформации стрелы и возможные отклонения от номинальных размеров, которые учитываются введением в расчет наклона основания крана и начального прогиба стрелы. Начальный прогиб стрелы в плоскости подвеса (рис. 3) должен определяться по формуле
, (4)
где 
– максимальный начальный прогиб стрелы, м; l c - расстояние от точки крепления расчала к стреле до ее опорного шарнира, м.
Деформацию стрел учитывают в плоскости подвеса, если продольное усилие в стреле, (кН)
, (5)
а из плоскости подвеса, если
, (6)
где I c z и I c x – расчетные моменты инерции поперечного сечения стрелы на участке 1 − 2 (см. рис. 3) при изгибе в соответствующем направлении.
Рис. 3. Деформация стрелы в плоскости подвеса
2.4. Определение усилий в элементах металлоконструкций
Определение усилий в элементах металлоконструкций балочных стрел производится по линиям влияния, построенным от действия единичной нагрузки. При построении линий влияния можно пользоваться любым из известных способов [4, 12]. Здесь необходимо обратить внимание на условность, связанную с принятой расчетной схемой, которая состоит в том, что единичный груз не двигается по ездовому поясу стрелы, а последовательно устанавливается в узлах рассматриваемой фермы. Усилия в стержнях фермы по линиям влияния можно определить по следующей формуле:
, (7)
где Pi – усилие, которое передает i -е колесо (из п) грузовой тележки на металлоконструкцию стрелы; yi – ордината линии влияния под силой Pi; qj – интенсивность j -й (из m участков) распределенной нагрузки, приложенной к стреле; ωj – площадь, ограниченная той частью линии влияния, которая находится под j -й нагрузкой, с учетом знака.
Необходимо учитывать воздействие грузового каната и выполнять расчет в двух плоскостях, суммируя усилия в общих поясах.
Для балочной стрелы треугольного поперечного сечения в вертикальной плоскости рассматривается проекция на нее боковой грани стрелы. Общий для обеих граней пояс рассчитывается на двойную нагрузку от каждого колеса грузовой тележки, в отличие от проекции двух поясов. Усилия в раскосах и стойках необходимо определять с учетом угла наклона плоской боковой фермы к вертикали.
Усилия в поясах подъемных стрел при расчете их как стержней составного сечения определяются на основании эпюр изгибающих моментов в плоскости и из плоскости подвеса стрелы, при построении которых необходимо обратить внимание на соответствие получаемых эпюр принятой расчетной схеме. Так, в большинстве справочной литературы [9,12] эпюра изгибающих моментов в плоскости подвеса для случая эксцентричного приложении сжимающей нагрузки в стреле построена неверно. Правильный вариант эпюры приведен на рис.4.
Рис. 4. Эпюра изгибающих моментов подъемной стрелы в плоскости ее подвеса
Сжимающее усилие в наиболее нагруженном поясе подъемной стрелы определяется путем приведения внутренних силовых факторов к центру тяжести сечения (рис.5).
Рис. 5. Распределение нагрузок в поясах стрелы от NC, MZ , MX:
“+” – растяжение, “–” – сжатие
Для четырехгранной стрелы это усилие
, (8)
где Mz и Mx – изгибающие момента в плоскости и из плоскости подвеса стрелы, соответствено; riz и rix – радиусы инерции сечения стрелы (см. рис.5).
При расчете стрелы по деформируемой схеме изгибающие моменты и поперечные силы должны определяться по формулам:
; (9)
; (10)
где М о – изгибающий момент, вычисленный с учетом возможных отклонений от номинальных размеров без учета деформаций; М д – изгибающий момент, возникающий вследствие деформаций (см. рис. 3); Q ои Q д – соответствующие значения поперечных сил.
2.5. Подбор сечений элементов металлоконструкций
При подборе сечений элементов металлоконструкций необходимо исходить из соображений унификации используемых профилей. Как правило, пояса стрел изготавливают из одного типа профиля, а раскосы и стойки – из другого. Поэтому по эпюрам моментов или линиям влияния определяют наиболее загруженный элемент данного вида (пояс, раскос, стойка) и подбирают его сечение из условий устойчивости. При этом рассчитываемый стержень ферменной конструкции можно рассматривать как статически определимую однопролетную балку, загруженную в общем виде сжимающим усилием и изгибающим моментом. Методика расчета сжатоизогнутых стержней изучалась в курсе "Сопротивление материалов" [1]. Подбирать сечение сжатого стержня можно по коэффициентам продольного изгиба. Гибкость сжатых поясов, раскосов и стоек не должна превышать 120, а прочих сжатых стержней – 150, По ГОСТ 13994-81 общую устойчивость стрелы не проверяют.
2.6. Проектирование узлов и конструкции в целом
При проектировании узлов ферм необходимо стремиться к тому, чтобы линии центров тяжести поперечных сечений всех сходящихся в узле стержней пересекались в одной точке. Отступление от этого положения возможно только во второстепенных слабонагруженных узлах. Если этого не удается сделать, то прибегают к помощи косынок, причем стремятся, чтобы усилия распределялись по ним возможно равномернее.
Конструкции стыковочного узла между секциями можно решить по- разному: с помощью болтов, серег и пальцев, разъемной муфты [10]. Однако желательно, чтобы соединение было быстроразъемным и у балочных стрел не мешало движению грузовой тележки.
