VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING
JEŘÁBOVÁ KLADNICE NOSNOST 20T CRANE HOOK BLOCK – LIFTING CAPACITY 20 TONS
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS
AUTOR PRÁCE
TOMÁŠ ŠTEFANEC
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2012
doc. Ing. MIROSLAV ŠKOPÁN, CSc.
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE
BRNO 2012
ABSTRAKT
ABSTRAKT Úkolem této bakalářské práce je navrhnout jeřábovou kladnici s nosností 20 tun. Kladnice je součástí zdvihacího mechanismu zařazeného do třídy M4 dle normy ČSN ISO 4301-1. Práce stručně popisuje, k čemu kladnice slouţí a shrnuje konstrukční řešení jednotlivých konstrukčních celků. V další části práce je proveden návrh a výpočet nejdůleţitějších součástí vzhledem k funkci kladnice. Obsahem je také volba nakupovaných součástek. Přílohy práce se skládají z výkresu celé sestavy, seznamu poloţek a výkresu příčníku.
KLÍČOVÁ SLOVA jeřábová kladnice, jeřábový hák, příčník, lanová kladka, nosnost 20t, pevnostní výpočet
ABSTRACT Task of this bachelor’s thesis is to propose a crane hook block with lifting capacity of 20 tons. Hook block is part of the mechanism of class M4 according to technical standard ISO 4301-1. It briefly describes what hook block is and summarizes the design solutions of individual structural units. In next part of the thesis there is a design and calculation of the most important parts of the hook block due to function. The content is also a choice of purchased components. Thesis appendices consist of drawing of the whole assembly, lists of items and drawing of crossmember.
KEYWORDS crane hook block, crane hook, crossmember of the hook block, rope pulley, lifting capacity 20 tons, strength calculation
BRNO 2012
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ŠTEFANEC, T. Jeřábová kladnice nosnost 20t. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inţenýrství, 2012. 41 s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Miroslav Škopán, CSc.
BRNO 2012
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením doc. Ing. Miroslava Škopána, CSc. a s pouţitím literatury uvedené v seznamu.
V Brně dne 23. května 2012
…….……..………………………………………….. Tomáš Štefanec
BRNO 2012
PODĚKOVÁNÍ
PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat mému vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Miroslavu Škopánovi, CSc. za rady, informace a připomínky, kterými mně pomáhal při zpracování této práce.
BRNO 2012
OBSAH
OBSAH Úvod ......................................................................................................................................... 10 1
Jeřábová kladnice ............................................................................................................. 11
2
Konstrukční řešení ............................................................................................................ 13
3
2.1
Uloţení kladek ........................................................................................................... 13
2.2
Čep kladek ................................................................................................................. 14
2.3
Příčník ........................................................................................................................ 14
2.4
Uloţení háku .............................................................................................................. 15
2.5
Hák ............................................................................................................................. 16
Návrh a výpočet ................................................................................................................ 17 3.1
Návrh lana .................................................................................................................. 17
3.1.1
Výpočet statických sil ......................................................................................... 17
3.1.2
Výpočet setrvačných sil ...................................................................................... 17
3.1.3
Osová síla v laně ................................................................................................. 17
3.1.4
Únosnost lana ..................................................................................................... 18
3.1.5
Volba lana ........................................................................................................... 18
3.1.6
Skutečná bezpečnost lana ................................................................................... 18
3.2
Výpočet rozměrů vodících kladek ............................................................................. 19
3.2.1
Teoretický průměr vodící kladky ....................................................................... 19
3.2.2
Jmenovitý průměr vodící kladky ........................................................................ 19
3.3
Výpočet sil ................................................................................................................. 20
3.3.1
Síla na kladky ..................................................................................................... 20
3.3.2
Síla na bočnice .................................................................................................... 20
3.4
Výpočet příčníku ........................................................................................................ 21
3.4.1
Střední část příčníku ........................................................................................... 21
3.4.2
Výška příčníku .................................................................................................... 23
3.4.3
Skutečné napětí v příčníku ................................................................................. 24
3.4.4
Čep příčníku ....................................................................................................... 24
3.5
Bočnice ...................................................................................................................... 27
3.5.1
Tloušťka bočnice ................................................................................................ 27
3.5.2
Šířka bočnice ...................................................................................................... 28
3.5.3
Pevnostní kontrola bočnice................................................................................. 29
3.6
Čep kladek ................................................................................................................. 29
3.6.1
Ohybové momenty ............................................................................................. 29
3.6.2
Minimální průměr čepu pod loţisky................................................................... 31
3.7
Návrh závitu háku a matice ....................................................................................... 31
BRNO 2012
8
OBSAH
3.7.1 3.8
Výška matice ...................................................................................................... 32
Volba loţisek ............................................................................................................. 32
3.8.1
Axiální loţisko.................................................................................................... 32
3.8.2
Radiální loţiska .................................................................................................. 33
3.8.3
Zatíţení jednoho loţiska v radiálním směru ....................................................... 33
3.8.4
Ekvivalentní dynamické zatíţení loţiska ........................................................... 33
Závěr ......................................................................................................................................... 35 Seznam pouţitých zkratek a symbolů ...................................................................................... 38 Seznam obrázků........................................................................................................................ 40 Seznam příloh ........................................................................................................................... 41
9
BRNO 2012
ÚVOD
ÚVOD Cílem této bakalářské práce je navrhnout jeřábovou kladnici ve dvoukladkovém provedení, s nosností 20 tun dle zadání. Jeřábová kladnice je část zdvihacího ústrojí jeřábu, která se skládá z několika poměrně jednoduchých součástí. Nejdůleţitější z hlediska funkce a bezpečnosti jsou: lanové kladky, čep kladek, bočnice, příčník, matice háku, loţisko háku a loţiska kladek. Proto se tato práce zaměřuje především na tyto části. Kladnice bude součástí jeřábu, který pracuje ve středně těţkém provozu. Tomuto faktu je potřeba přizpůsobit návrh a výpočet některých částí. Při konstrukci se celkově snaţíme o to, aby byly jednotlivé díly kladnice pokud moţno co nejjednodušší na výrobu. Zároveň je zde poţadavek na bezpečné plnění funkce, coţ je zohledněno při volbě návrhových bezpečností. Při provozu se můţe stát, ţe budou porušeny předpisy a bezpečnost práce a dojde k mírnému přetíţení jeřábu. Ani toto přetíţení by však nemělo vést k havárii zařízení.
lanová kladka
čep kladek
bočnice
matice háku
příčník
jeřábový hák
Obr. 1.1 Hlavní části kladnice
BRNO 2012
10
JEŘÁBOVÁ KLADNICE
1 JEŘÁBOVÁ KLADNICE Jeřábová kladnice je, jak jiţ bylo uvedeno, část zvedacího ústrojí jeřábu. Slouţí k přepravě, přemístění nebo zdvihání břemene, které se zavěsí na hák. Tvoří část lanového převodu mezi hákem a navíjecím bubnem.
Obr. 1.2 Zdvojené provedení lanového převodu [7]
Kladnice se vyrábějí v různých variantách a provedeních. Můţeme je rozdělit podle různých hledisek: počet vodících a vyrovnávacích kladek, nosnost, tvar, velikost, uloţení kladek, typ háku. „Nejčastěji používané kladnice se dvěma nebo více kladkami bývají v zásadě v provedení normálním (obr. 1.3) nebo zkráceném.“ [7] Pro dvoukladkové a čtyřkladkové kladnice se spíše pouţívá provedení zkrácené. Pokud máme více kladek, pouţije se provedení normální. [7] Dále se můţeme setkat s tzv. typizovaným provedením pro nosnosti 5t, 8t, 12,5t, 20t, 32t a 50t.
Obr. 1.3 Normální provedení kladnice [7]
11
BRNO 2012
Obr. 1.4 Vícekladková kladnice, typ SRB [16]
Obr. 1.5 Typizované kladnice a) dvoukladková s jednoduchým hákem b) čtyřkladková s dvojitým hákem [7]
V současné době jsou na trhu kladnice, které mají oproti standardním kladnicím různá vylepšení. Můţe se jednat například o zabudovanou váhu, takţe okamţitě vidíme, kolik zvedaný předmět váţí. Předejdeme tak nechtěnému přetíţení. U některých kladnic dnes najdeme elektrický pohon pro přesné otáčení háku.
BRNO 2012
12
KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ
2 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ Celkové provedení volím podobné jako v případě typizované dvoukladkové kladnice pro nosnosti 5t a 12,5t s jednoduchým kovaným hákem. Řešení jednotlivých částí bude popsáno v následující části.
2.1 ULOŽENÍ KLADEK Uloţení kladek je v podstatě moţné dvěma způsoby - uloţení buď na kluzných pouzdrech (obr. 2.1), nebo na valivých loţiscích (obr. 2.2) jak je uvedeno v [7]. Volím uloţení na valivých loţiscích, konkrétně na kuličkových loţiscích s jednostranným krytováním.
Obr. 2.1 Uložení na kluzném pouzdře [7]
Obr. 2.2 Uložení na valivých ložiscích a) válečkových, b) kuličkových [7]
13
BRNO 2012
2.2 ČEP KLADEK Na čepu jsou nasunuty bočnice, uloţeny kladky a ty musí být pojištěny proti axiálnímu posunu. Toto pojištění je provedeno KM maticí a MB podloţkou, a proto musí být na koncích čepu vyroben závit a v něm vyfrézovaná dráţka. Důleţité je pro správnou funkci kladek mazání loţisek. Z tohoto důvodu jsou v čepu vyvrtány na obou koncích otvory v ose a další otvory na obvodu čepu, které slouţí k rozvodu maziva k loţiskům. Plochy pod loţisky jsou broušeny.
Obr. 2.3 Čep kladek
2.3 PŘÍČNÍK Příčník je součást, na které je uloţen jeřábový hák. Je vyroben kováním a následným třískovým obráběním. Proti axiálnímu posunutí mezi bočnicemi je příčník zajištěn pomocí příloţek, dle [6]. Tomu je uzpůsoben čep příčníku, ve kterém je vyrobena dráţka. Z horní strany příčníku je vybrání a otvory pro usazení a pojištění středícího krouţku.
Obr. 2.4 Příčník
BRNO 2012
14
KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ
2.4 ULOŽENÍ HÁKU Uloţení háku tvoří matice háku, ve které je hák zašroubovaný, axiální loţisko, příčník, případně vymezovací krouţek. Hák s maticí jsou uloţeny na horním krouţku axiálního loţiska. Spodní krouţek loţiska je usazen buď přímo na příčníku, nebo ve středícím krouţku. Volím provedení se středícím krouţkem. Ten je uloţen na příčníku a proti vzájemnému pootočení je zajištěn šesti válcovými kolíky. I u tohoto uloţení je důleţité mazání loţiska. K tomu slouţí otvor v matici. Aby nedocházelo k vyšroubovávání háku z matice, je v háku dráţka a pomocí příloţky a dvou šroubů se matice s hákem vzájemně zajistí.
zajištění háku matice háku závit háku
axiální loţisko
středící krouţek
příčník
Obr. 2.5 Uložení háku
15
BRNO 2012
2.5 HÁK Podle způsobu výroby se háky dělí na kované, odlévané, lamelové a svařované. U jeřábů se nesmí odlévané a svařované háky pouţívat. Podle tvaru jsou háky jednoduché nebo dvojité. Normalizované jednoduché háky se pouţívají do nosnosti 32t, dvojité se pouţívají do 200t. [7] Dle zadání má být provedení s dvojitým hákem. Avšak po dohodě s vedoucím bakalářské práce volím pro kladnici s nosností 20t jednoduchý hák s pojistkou velikosti 20 dle [19].
Obr. 2.6 Jednoduchý hák s pojistkou[19]
Obr. 2.7 Dvojitý hák [21]
BRNO 2012
16
NÁVRH A VÝPOČET
3 NÁVRH A VÝPOČET V následující části bude proveden návrh a výpočet lana a lanových kladek, příčníku, bočnic, návrh průměrů čepu kladek, návrh závitu háku a volba loţisek jak radiálních kuličkových, tak axiálního kuličkového.
3.1 NÁVRH LANA Výpočet silových účinků na lano proveden dle [4]. 3.1.1 VÝPOČET STATICKÝCH SIL
FS (mG mK ) g (20000 1,3 350) 9,81 258 494 N
(1)
Kde: mG mK γ g
[kg] [kg] [-] [m.s-2]
maximální hmotnost břemene předpokládaná hmotnost kladnice, odhadnuto dle [7] součinitel náhodného zvětšení břemene tíhové zrychlení
3.1.2 VÝPOČET SETRVAČNÝCH SIL Volím zdvihovou rychlost zvedacího zařízení vz = 10 m.min-1 = 0,1667 m.s-1.
FD FS (1,3 0,39 v z ) 258494 (1,3 0,39 0,1667) 352 847 N
(2)
Kde: FS vz
[N] [m.s-1]
statická síla zdvihová rychlost
3.1.3 OSOVÁ SÍLA V LANĚ FL
FD 352847 90 940 N n 4 0,97
(3)
Kde: FD n η
17
[N] [-] [-]
setrvačná síla počet nosných průřezů lana účinnost kladkostroje, dle [4]
BRNO 2012
3.1.4 ÚNOSNOST LANA
FP k L FL 4,1 90940 372 854 N
(4)
Kde: kL FL
[-] [N]
součinitel bezpečnosti lana osová síla v laně
3.1.5 VOLBA LANA Na základě výpočtu volím lano Casar Turbolift [17] s parametry: -
průměr lana pevnost drátů lana únosnost
d =24 mm 1770 MPa 490,2 kN
Jde o 8-i pramenné lano, paralelně zapletené, vyrobeno z umrtvených pramenů, monolitní průřez, neobyčejně vysoká pevnost. Jádro je speciálně upraveno proti zkříţení jednotlivých pramenů a pro sníţení nebezpečí zničení lana. [17]
Obr. 3.1 Průřez lana Casar Turbolift[17]
3.1.6 SKUTEČNÁ BEZPEČNOST LANA
k Lskut
FPskut 490200 5,39 FL 90940
(5)
Kde: FPskut FL
BRNO 2012
[N] [N]
jmenovitá únosnost lana osová síla v laně
18
NÁVRH A VÝPOČET
Skutečná bezpečnost lana je větší neţ doporučená pro daný typ jeřábu a mohlo by se zdát, ţe je lano předimenzováno. Nesmíme však zapomenout na to, ţe ve výpočtu nebyla uvaţovaná hmotnost lana. Navíc při zvedání a manipulaci s břemeny je důleţitá bezpečnost práce. Proto si myslím, ţe hodnota bezpečnosti lana je přiměřená. Při volbě lana jsem vybíral mezi lanem Casar Turbolift [17] a lanem 6x19 FC Warrington [18]. U lana Warrington vychází hodnota bezpečnosti kLskut = 5,59, coţ není o tolik více neţ u lana Turbolift. Navíc lano Warrington by muselo být průměru 28 mm a to by se projevilo zvětšením průměrů kladky o jeden stupeň v normalizované řadě průměrů.
3.2 VÝPOČET ROZMĚRŮ VODÍCÍCH KLADEK Kladnice obsahuje 2 vodící kladky. Je volena varianta bez vyrovnávacích kladek. Kladky se vyrábí jako lité nebo svařované. Volím kladky odlévané z materiálu 42 2650.2. [7] Návrh a výpočet kladek vychází z [8].
3.2.1 TEORETICKÝ PRŮMĚR VODÍCÍ KLADKY - druh provozu: střední
→ součinitel αkl = 22 [8]
Dmin d kl 24 22 528 mm
(6)
Kde: αkl d
[-] [mm]
součinitel závislý na typu kladky a druhu provozu průměr lana
3.2.2 JMENOVITÝ PRŮMĚR VODÍCÍ KLADKY
DK Dmin d 528 24 504 mm
(7)
Kde: Dmin d
[mm] [mm]
teoretický průměr kladky průměr lana
U kladek je normalizován průměr DK. Řada normalizovaných průměrů kladek je následující: 100, 125, 160, 200, 250, 315, 355, 400, 450, 500, 630, 710, 800, 900, 1000, 1 120, 1 250, 1 400, 1 600, 1 800, 2 000 mm. [8] Volím nejbliţší vyšší normalizovaný průměr kladky DK = 630 mm.
19
BRNO 2012
Obr. 3.2 Drážka kladky [8]
Volba ostatních rozměrů kladek proveden dle [5].
3.3 VÝPOČET SIL 3.3.1 SÍLA NA KLADKY Na kaţdou z kladek působí setrvačná síla dělená počtem kladek.
FR
FS 258493,5 129247 N i 2
(8)
Kde: FS i
[N] [-]
statická síla počet kladek
3.3.2 SÍLA NA BOČNICE
FB FR 129247 N
(9)
Kde: FR
BRNO 2012
[N]
síla na kladky
20
NÁVRH A VÝPOČET
3.4 VÝPOČET PŘÍČNÍKU Na příčník působí zatíţení od břemene, které se nahrazuje jedinou silou působící ve svislé ose uprostřed příčníku. Dále zde působí reakce od zatíţení břemenem v místě styku čepu příčníku a bočnic. [11] Průběhy zatíţení můţeme vidět níţe (Obr. 3.4). Jak jiţ bylo uvedeno, příčník je vyroben jako výkovek s následným třískovým obráběním. Materiál příčníku volím ocel 11 700. 3.4.1 STŘEDNÍ ČÁST PŘÍČNÍKU
Obr. 3.3 Schéma příčníku
Volím rozměry:
B = 200 mm, b = 120 mm, předběţná tloušťka bočnice bB = 30 mm.
MAXIMÁLNÍ OHYBOVÝ MOMENT
B b M O max FB B 5 129247 (15 100 5) 15,51 10 6 Nmm 2 2
(10)
Kde: FB bB B
21
[N] [mm] [mm]
síla v místě bočnic tloušťka bočnice rozměr dle obrázku 3.3
BRNO 2012
Obr. 3.4 Zatížení příčníku
KVADRATICKÝ MOMENT PRŮŘEZU Pouţité vzorce najdeme v [9] a [12]. J1
B h3 12
(11)
J2
b h3 12
(12)
J J1 J 2
BRNO 2012
h3 ( B b) 12
(13)
22
NÁVRH A VÝPOČET
Kde: B, b, h J
[mm] [mm4]
rozměry příčníku dle obrázku 3.3 celkový kvadratický moment průřezu
DOVOLENÉ OHYBOVÉ NAPĚTÍ Dovolené napětí dle [9].
OD
Re 355 119 MPa kp 3
(14)
Kde: Re kp
[MPa] [-]
mez kluzu materiálu, hodnota dle [12] součinitel bezpečnosti příčníku
MODUL PRŮŘEZU V OHYBU Výpočet modulu průřezu v ohybu podle [9].
O
M O max OD WO
WO
M O max
OD
(15)
15509640 130333,11 mm3 119
(16)
Kde: σoD Momax Wo
[MPa] [MPa] [mm3]
dovolená hodnota ohybového napětí maximální ohybový moment model průřezu v ohybu
3.4.2 VÝŠKA PŘÍČNÍKU Vztahy pro výpočet [9].
h3 ( B b) J 12 WO h h 2 2
23
(17)
BRNO 2012
Z rovnice (17) si vyjádříme neznámou hodnotu h: h
6 WO 6 130333,11 98,9 mm ( B b) (200 120)
(18)
Kde: [mm3] [mm] [mm4]
Wo B, b, h J
model průřezu v ohybu rozměry příčníku dle obrázku 3.3 celkový kvadratický moment průřezu
Volím výšku příčníku h = 140 mm.
3.4.3 SKUTEČNÉ NAPĚTÍ V PŘÍČNÍKU h3 140 3 ( B b) (200 120) J WO 12 12 261 333,3 mm 3 h h 140 2 2 2
(19)
Oskut
M O max OD WO
(20)
Oskut
M O max 15509640 59,35 MPa WO 261333,3
(21)
→ VYHOVUJE
53,35 MPa < 119 MPa
3.4.4 ČEP PŘÍČNÍKU Návrh čepu proveden z ohybového napětí dle [9].
O max O
Re 355 119 MPa k čp 3
b M O max FB B 5 129247 (15 5) 2 584 940 Nmm 2
(22)
(23)
Kde: FB bB
BRNO 2012
[N] [mm]
síla reakce v místě bočnice předběţná tloušťka bočnice
24
NÁVRH A VÝPOČET
O
M O max
d 3p
119 MPa
(24)
32
Z rovnice (24) si vyjádříme hledaný průměr čepu dp:
dp 3
M O max 32 3 2,3 2584940 32 79,84 mm 119 119
(25)
Kde: Momax kčp α
[MPa] [-] [-]
maximální ohybový moment součinitel bezpečnosti čepu příčníku součinitel koncentrace napětí, voleno dle [12]
Průměr čepu příčníku volím dp = 110 mm.
bB
Obr. 3.5 Čep příčníku
25
BRNO 2012
KONTROLA NA KOMBINOVANÉ NAMÁHÁNÍ Redukované napětí pro kombinované napětí dle teorie HMH [10]:
red O2 3 S2
(26)
Kde: σO τS
[MPa] [MPa]
ohybové napětí smykové napětí
Smykové napětí: V [10] je uvedeno, ţe smykové napětí vyvolané posouvají silou je rozloţeno po průřezu nerovnoměrně a vzniká sloţitá napjatost. Určení této napjatosti je velice sloţité, dokonce téměř nemoţné. Napjatost závisí na výrobních nepřesnostech a na montáţi. Při kontrole nebo návrhu pouţíváme smluvní výpočet, přepsaný v (27).
S
FB T 129247 13,6 MPa 2 S d p 110 2 4 4
(27)
Kde: FB dp bB α
[N] [mm] [mm] [-]
síla reakce v místě bočnice průměr čepu předběţná tloušťka bočnice součinitel koncentrace napětí
Ohybové napětí [9]:
O
MO MO 2584940 2,3 45,5 MPa 3 WO dp 110 3 32 32
Kde: MO dp α
[N.mm] [mm] [-]
(28)
ohybový moment průměr čepu součinitel koncentrace napětí
Dosazením do (26) spočítáme redukované napětí:
red O2 3 S2 45,5 2 3 13,6 2 51,3 MPa
51,3 MPa < 119 MPa
BRNO 2012
→ VYHOVUJE
26
NÁVRH A VÝPOČET
3.5 BOČNICE
bB
Bočnice je zatíţena silou FB, vypočítanou v rovnici (9). Bočnice je vyrobena z konstrukční oceli 11 523.
hB Obr. 3.6 Schéma bočnice
3.5.1 TLOUŠŤKA BOČNICE Návrh tloušťky bočnice provedeme z otlačení dle [12]:
pB
FB FB pD S P bB d p
(29)
Z rovnice (29) vyjádříme bB . Hodnotu dovoleného tlaku volím pD = 60 MPa.
bB
27
FB 129247 19,6 mm p D d p 60 110
(30)
BRNO 2012
Kde: bB FB pD dp
[mm] [N] [MPa] [mm]
tloušťka bočnice síla působící na bočnici dovolený tlak průměr otvoru v bočnici (průměr čepu příčníku)
Volím tloušťku bočnice bB = 30 mm. SKUTEČNÝ TLAK NA BOČNICI
pB
FB FB 129247 39,2 MPa S P bB d p 30 110
(31)
→ VYHOVUJE
39,2 MPa < 60 MPa
3.5.2 ŠÍŘKA BOČNICE Šířku počítáme z namáhání na tah [9]:
tB
R FB FB e S ( hB d p ) bB k B
(32)
Kde: FB bB dp hB Re kB
[N] [mm] [mm] [mm] [MPa] [-]
síla působící na bočnici tloušťka bočnice průměr otvoru v bočnici (průměr čepu příčníku) šířka bočnice mez kluzu materiálu součinitel bezpečnosti bočnice
Z rovnice (32) vyjádříme hB:
hB
FB k B 129247 3 dp 110 146,4 mm Re bB 355 30
(33)
Volím šířku bočnice hB = 200 mm.
BRNO 2012
28
NÁVRH A VÝPOČET
3.5.3 PEVNOSTNÍ KONTROLA BOČNICE Bočnici zkontrolujeme na namáhání tahem s uvaţováním vrubu [9]. Vrubem je v tomto případě otvor pro čep příčníku.
max t
max
tD
FB FB hB d p bB tD S
(34)
FB 129247 2,15 102,9 MPa hB d p bB 200 110 30
Re 355 119 MPa kB 3
(35)
Kde: FB bB dp hB σtD Re kB α
síla působící na bočnici tloušťka bočnice průměr otvoru v bočnici (průměr čepu příčníku) šířka bočnice dovolené tahové napětí mez kluzu materiálu součinitel bezpečnosti bočnice součinitel koncentrace napětí, voleno dle [12]
[N] [mm] [mm] [mm] [MPa] [MPa] [-] [-]
102,9 MPa < 119 MPa
→ VYHOVUJE
3.6 ČEP KLADEK Čep je namáhán silami od kladek a od bočnic. Návrh provedeme z rovnice pro namáhání ohybem [9]. Materiál čepu volím konstrukční ocel 11600. 3.6.1 OHYBOVÉ MOMENTY
Volím:
rozměr c = 65 mm l = 240 mm
M OI FR c 129247 65 8 401 055 Nmm
(36)
M OII FR (a l ) FB l 129247 (65 240) 129247 240 8 401 055 Nmm
(37)
M O max 8 401 055 Nmm
(38)
29
BRNO 2012
Obr. 3.7 Čep kladek a jeho zatížení
BRNO 2012
30
NÁVRH A VÝPOČET
3.6.2 MINIMÁLNÍ PRŮMĚR ČEPU POD LOŽISKY
O
M O max M O max Re WO kč d č3 32
(39)
Z (39) vyjádříme průměr čepu dč:
dč 3
k č M O max 32 3 8401055 32 3 92,44mm Re 325
(40)
Kde: Momax Re kč
[Nmm] [MPa] [-]
maximální ohybový moment na čepu mez kluzu materiálu, dle [12] součinitel bezpečnosti čepu
Volím průměr čepu pod loţisky dč = 100 mm.
3.7 NÁVRH ZÁVITU HÁKU A MATICE U háku je závit a jeho přechod do dříku velmi důleţitý. Do nosnosti 12,5t se pouţívá závit metrický, pro větší nosnosti závit lichoběţníkový rovnoramenný. [7]
Obr. 3.8 Lichoběžníkový závit [http://www.pab.cz/images/tsimg1.jpg]
31
BRNO 2012
Dle [7] volím lichoběţníkový závit Tr 90x12 s těmito parametry: -
velký průměr D střední průměr D2 malý průměr D3 stoupání závitu s nosná hloubka závitu H1
90 mm 84 mm 77 mm 12 mm 6 mm.
3.7.1 VÝŠKA MATICE Výpočet délky závitu, resp. výšky matice proveden dle [7].
l1
FD s 352847 12 107 mm H 1 D2 p DOV 6 84 25
(41)
Kde: FD pDOV s H1 D2
[N] [MPa] [mm] [mm] [mm]
setrvačná síla dovolený tlak v závitu, hodnota volena dle [7] stoupání závitu nosná hloubka závitu střední průměr závitu
Volím délku závitu l1 = 120 mm.
3.8 VOLBA LOŽISEK Axiální i radiální loţiska nedosahují při pohybu kladnice vysokých otáček, proto je budeme navrhovat pouze na statickou únosnost. Jako takovou kompenzaci za zjednodušení zahrneme do zatíţení loţisek dynamické účinky a budeme počítat se setrvačnou silou vypočítanou v (2). 3.8.1 AXIÁLNÍ LOŽISKO Zatíţení loţiska axiální silou FAX = FD = 352 847 N. Z katalogu firmy SKF [20] volím axiální kuličkové loţisko 51126 s těmito parametry: -
statická únosnost Co výška loţiska vnější průměr vnitřní průměr horního krouţku vnitřní průměr spodního krouţku
BRNO 2012
425 kN 30 mm 170 mm 130 mm 132 mm.
32
NÁVRH A VÝPOČET
Obr. 3.9 Axiální ložisko SKF 51126 [20]
3.8.2 RADIÁLNÍ LOŽISKA V kladnici jsou pouţita 4 radiální kuličková loţiska, pro kaţdou kladku 2. 3.8.3 ZATÍŽENÍ JEDNOHO LOŽISKA V RADIÁLNÍM SMĚRU
FRAD
FD 352847 88 212 N 4 4
(42)
3.8.4 EKVIVALENTNÍ DYNAMICKÉ ZATÍŽENÍ LOŽISKA Přepočet dle [12].
P X FRAD Y FAX
(43)
Na loţisko nepůsobí ţádné axiální zatíţení, proto FAX = 0 N a poměr FAX / FRAD = 0. → X = 1; Y = 0 Zpětným dosazením do (43) dostaneme ekvivalentní zatíţení P:
P X FRAD Y FAX 1 88212 0 88 212 N
(44)
PODMÍNKA PRO VOLBU LOŽISKA:
C0 P
(45)
Volím radiální kuličkové loţisko s krytováním na jedné straně SKF 6220-Z [20].
33
BRNO 2012
-
statická únosnost Co dynamická únosnot C šířka loţiska vnitřní průměr vnitřního krouţku vnější průměr vnějšího krouţku
93 kN 127 Kn 34 mm 100 mm 180 mm.
Obr. 3.10 Radiální kuličkové ložisko SKF 6220-Z [20]
BRNO 2012
34
ZÁVĚR
ZÁVĚR Cílem této bakalářské práce bylo navrhnout jeřábovou kladnici se dvěma vodícími kladkami s nosností 20 tun. Nejprve bylo zvoleno konstrukční řešení čepu kladek, příčníku, uloţení kladek a uloţení háku. Dále byl proveden výpočet hlavních částí kladnice, konkrétně: kladky, příčník kladnice, bočnice, čep kladek, závit háku. Z katalogu jsem vybral axiální loţisko pro uloţení háku na příčníku, radiální kuličková loţiska pro uloţení kladek na čepu kladek a jeřábový hák pro danou nosnost. Po dohodě s vedoucím bakalářské práce byl místo dvojitého háku zvolen hák jednoduchý. Hodnoty součinitelů bezpečnosti ve výpočtech jsem moţná volil na první pohled oproti [norma] zbytečně velké. Bylo tomu tak z důvodu, ţe jsem na začátku neznal hmotnost lana a zanedbal ji. Další důvod například je, ţe v některých případech nešlo zcela přesně určit hodnotu součinitele koncentrace napětí. Hodnoty součinitele bezpečnosti nám tedy zohledňují tyto moţné nepřesnosti. Zařízení typu kladnice musí pracovat bezpečně po poţadovanou dobu. Proto si myslím, ţe hodnoty bezpečností jsou opodstatněné. Model sestavy kladnice byl vytvořen v programu Autodesk Inventor 2008. Základ výkresové dokumentace vytvořen také v tomto programu. Následné úpravy výkresů jsem provedl v programu AutoCAD Mechanical 2008.
Obr. 4.1 Model sestavy
35
BRNO 2012
POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE
POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE [1] ČSN ISO 4301-1. Jeřáby a zdvihací zařízení. Klasifikace. Část 1: Všeobecně. 1992. 8 s. [2] ČSN EN 13001-1. Jeřáby - Návrh všeobecně - Část 1: Základní principy a požadavky. 2011. [3] ČSN EN 13001-2. Jeřáby - Návrh všeobecně - Část 2: Účinky zatížení. 2011 [4] ČSN 27 0100. Zdvihací zařízení. Výpočet ocelových lan pro jeřáby a zdvihadla. 1978. 8s . [5] ČSN 271820. Zdvihací zařízení. Kladky a bubny pro ocelová lana. 1957. 9 s. [6] ČSN 02 2702. Přídržky čepů. 1965. 4 s. [7] DRAŢAN, F., KUPKA, L. a kol. Jeřáby. 1. vyd. Praha: SNTL, 1968, 661 s. [8] KAŠPÁREK, Jaroslav. Dopravní a manipulační zařízení [online]. 2003. 126 s. Dostupné z:
. [9] JANÍČEK, Přemysl et al. Mechanika těles: Pružnost a pevnost I. 3. přeprac. vyd. Brno: CERM, 2004, 287 s. ISBN 80-214-2592-x. [10] ONDRÁČEK, Emanuel. Mechanika těles: pružnost a pevnost II. 4. přeprac. vyd. Brno: CERM, 2006, 262 s. ISBN 80-214-3260-8. [11] ELSNER, Ondřej. Jeřábová kočka. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inţenýrství, 2009. 31 s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Jiří Malášek, PhD. [12] SHIGLEY, Joseph E., MISCHKE, Charles R., BUDYNAS Richard G. Konstruování strojních součástí. Přeloţili Hartl Martin a kolektiv. 1. vyd. Brno: VUTIUM, 2010, 1159 s. ISBN 978-80-214-2629-0. [13] SVOBODA, Pavel et al. Základy konstruování. Vyd. 3., upr. a dopl. Brno: CERM, 2009, 234 s. ISBN 978-80-7204-633-1. [14] LEINVEBER, Jan, VÁVRA, Pavel. Strojnické tabulky: pomocná učebnice pro školy technického zaměření. 4., dopl. vyd. Úvaly: Albra, 2008, 914 s. ISBN 978-80-7361-0517. [15] SVOBODA, Pavel, BRANDEJS, Jan, PROKEŠ, František. Výběry z norem pro konstrukční cvičení. vyd. 3. Brno: CERM, 2009, 223 s. ISBN 978-80-7204-534-1. [16] Crane blocks and swivels [online]. [2007] [cit. 2012-04-30]. Dostupný z: . [17] Metallan s.r.o.: Speciální lana Casar [online]. [2012] [cit. 2012-05-05]. Dostupný z: .
BRNO 2012
36
POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE
[18] Pavlínek s.r.o.: Ocelová lana [online]. [2012] [cit. 2012-05-18]. Dostupné z: . [19] Pavlínek s.r.o.: Jeřábové háky [online]. [2012] [cit. 2012-05-18]. Dostupné z: < http://www.vazaky-online.cz/Jednoduchy-jerabovy-hak-typ-RS-a-RF-spojistkou_g690012728.html>. [20] SKF Loţiska, a.s.: Valivá ložiska [online]. [2012] [cit. 2012-05-19]. Dostupný z: . [21] Pavlínek s.r.o.: Jeřábové háky [online]. [2012] [cit. 2012-05-18]. Dostupné z: < http://www.vazaky-online.cz/Dvojity-jerabovy-hak-typ-RS-a-RF-spojistkou_g690012773.html>.
37
BRNO 2012
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ B
[mm]
šířka příčníku
b
[mm]
průměr otvoru v příčníku
bB
[mm]
tloušťka bočnice
c
[mm]
rozměr čepu kladek
Co
[kN]
statická únosnost loţisko
d
[mm]
průměr lana
D2
[mm]
střední průměr závitu
dč
[mm]
průměr čepu pod loţisky
DK
[mm]
jmenovitý průměr vodící kladky
Dmin
[mm]
teoretický průměr vodící kladky
FAX
[N]
axiální síla na loţisko
FB
[N]
síla na bočnice
FD
[N]
setrvačná síla
FL
[N]
osová síla v laně
FP
[N]
únosnost lana
FPskut
[N]
jmenovitá únosnost lana
FR
[N]
síla na kladky
FRAD
[N]
radiální síla na loţiska
FS
[N]
statická síla -2
g
[m.s ]
tíhové zrychlení
h
[mm]
výška příčníku
H1
[mm]
nosná hloubka závitu
hB
[mm]
šířka bočnice
i
[-]
počet kladek
J
[mm4]
kvadratický moment průřezu
kB
[-]
součinitel bezpečnosti bočnice
kč
[-]
součinitel bezpečnosti čepu kladek
kčp
[-]
součinitel bezpečnosti čepu příčníku
kL
[-]
součinitel bezpečnosti lana
kLskut
[-]
skutečná bezpečnost lana
kp
[-]
součinitel bezpečnosti příčníku
l
[mm]
rozměr čepu kladek
BRNO 2012
38
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ
l1
[mm]
délka závitu háku
mG
[kg]
maximální hmotnost břemene
mK
[kg]
hmotnost kladnice
MO
[MPa]
ohybový moment
MOmax
[N.mm]
maximální ohybový moment
n
[-]
počet nosných průřezů lana
P
[N]
ekvivalentní dynamické zatíţení loţiska
pB
[MPa]
skutečný tlak na bočnici
pD
[MPa]
dovolený tlak při otlačení bočnice
pDOV
[MPa]
dovolený tlak v závitu
Re
[MPa]
mez kluzu materiálu
s
[mm]
stoupání závitu
vz
[m.s-1]
zdvihová rychlost
WO
[mm3]
modul průřezu
α
[-]
součinitel koncentrace napětí
αkl
[-]
součinitel kladek
γ
[-]
součinitel náhodného zvětšení břemene
η
[-]
účinnost kladkostroje
σoD
[MPa]
dovolené ohybové napětí
σoskut
[MPa]
skutečné ohybové napětí
σtB
[MPa]
tahové napětí v bočnici
σtD
[MPa]
dovolené tahové napětí v bočnici
39
BRNO 2012
SEZNAM OBRÁZKŮ
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1.1
Hlavní části kladnice
10
Obr. 1.2
Zdvojené provedení lanového převodu
11
Obr. 1.3
Normální provedení kladnice
11
Obr. 1.4
Vícekladková kladnice, typ SRB
12
Obr. 1.5
Typizované kladnice
12
Obr. 2.1
Uloţení na kluzném pouzdře
13
Obr. 2.2
Uloţení na valivých loţiscích
13
Obr. 2.3
Čep kladek
14
Obr. 2.4
Příčník
14
Obr. 2.5
Uloţení háku
15
Obr. 2.6.
Jednoduchý hák s pojistkou
16
Obr. 2.7
Dvojitý hák
16
Obr. 3.1
Průřez lana Casar Turbolift
18
Obr. 3.2
Dráţka kladky
20
Obr. 3.3
Schéma příčníku
21
Obr. 3.4
Zatíţení příčníku
22
Obr. 3.5
Čep příčníku
25
Obr. 3.6
Schéma bočnice
27
Obr. 3.7
Čep kladek a jeho zatíţení
30
Obr. 3.8
Lichoběţníkový závit
31
Obr. 3.9
Axiální loţisko SKF 51126
33
Obr. 3.10
Radiální kuličkové loţisko SKF 6220-Z
34
Obr. 4.1
Model sestavy
35
BRNO 2012
40
SEZNAM PŘÍLOH
SEZNAM PŘÍLOH Výkresová dokumentace Jeřábová kladnice
Příčník
41
výkres sestavy
1-A5-2-100
seznam poloţek
K-4-A5-2-100
výkres součásti
3-A5-2-100
BRNO 2012
