24878-1 (Расчет поворотного крана на неподвижной колонне), страница 4

d  (5...6) * TТ , (2.4.4.1.)

dП  d + 2 * t , (2.4.4.2.)

dБП  dП + 3 * r , (2.4.4.3.)

dк = dБП + 7 мм , (2.4.4.4.)

где ТТ - крутящий момент на тихоходном валу, Н*м;

t - высота заплечика, мм;

r - координата фаски подшипника.

d  5,5 * 3238,83 = 81,3 мм

dП  81,3 + 2 * 3,5 = 88,3 мм

dБП  88,3 + 3 * 3,5 = 98,8 мм

dк = 98,8 + 7 = 105,8 мм

Вычисленные значения округляем в ближайшую сторону до стандартных, ГОСТ 6636-69.

d = 80 мм; dП = 90 мм; dБП = 100 мм; dк = 105 мм

Составляем расчетную схему вала, рис. 2.4.4.2.

Положение опор и точки приложения сил определяем приближенно с учетом конструкции промежуточного вала.

Определяем основные нагрузки, приводим силы Ft и Fr к точке на оси вала.

Ft4 = 18596,5 Н; Fr4 = 6769 Н.

Крутящий момент на валу:

Т4 = Ft4 * d4 / 2 = 18596,5 * 0,0369 / 2 = 3431 Н*м

Определяем реакции опор, используя уравнения статики в плоскости ZY:

по условию  МZ2 = 0 или RZ1 * (l1 + l2) - Fr4 * l2 = 0

RZ1 = (Fr4 * l2) / (l1 + l2)

RZ1 = (6769 * 0,177) / (0,177 + 0,084) = 2178,5 Н

по условию  МZ1 = 0 или - RZ2 * (l1 + l2) + Fr4 * l1 = 0

Расчетная схема тихоходного вала.

Рис. 2.4.4.2.RZ2 = (Fr4 * l1) / (l1 + l2)

RZ2 = (6769 * 0,1777) / (0,177 + 0,084) = 4590,5 Н

Проверка  FZ = 0, т.е. RZ1 - Fr4 + RZ2 = 0 .

2178,5 - 6769 + 4590,5 = 0 - реакции определены правильно.

Определяем реакции опор, используя уравнения статики в плоскости ХY:

по условию  МХ2 = 0 или - RХ1 * (l1 + l2) + Ft4 * l2 = 0

RХ1 = (Ft4 * l2) / (l1 + l2)

RХ1 = (18596,5 * 0,084) / (0,177 + 0,084) = 5985,1 Н

по условию  МХ1 = 0 или RХ2 * (l1 + l2) - Ft4 * l1 = 0

RХ1 = (Ft4 * l1) / (l1 + l2)

RХ1 = (18596,5 * 0,177) / (0,177 + 0,084) = 12611,4 Н

Проверка  FХ = 0, т.е. RХ1 - Fr4 + RХ2 = 0 .

5985,1 - 18596,5 + 12611,4 = 0 - реакции определены правильно.

Определяем изгибающие моменты:

в плоскости ZY, сечении 1-1

МZ1 = RZ1 * l1 = 2178,5 * 0,177 = 385,6 Н*м

в плоскости ХY, сечении 1-1

МХ1 = RХ1 * l1 = 5985,1 * 0,177 = 1059,4 Н*м

Определяем суммарный изгибающий момент в сечении 1-1.

Наиболее опасное сечение 1-1, где расположена шестерня вала.

Для изготовления вала выбираем сталь 45, термообработка - нормализация, предел прочности в = 600 МПа.

Пределы выносливости при кручении и изгибе:

 -1 = (0,4...0,5) * в = 0,45 * 600 = 270 МПа

 - 1 = 0,58 *  -1 = 0,58 * 270 = 156,6 МПа

Амплитуды переменных составляющих циклов напряжений определяем по формулам 2.4.2.7. и 2.4.2.8.

Момент сопротивления изгибу для сечения со шпоночным пазом (выбираем шпонку при d = 80 мм с b = 22 мм и t1 = 9 мм):

Момент сопротивления кручению для сечения со шпоночным пазом (шпонка та же):

а = М / W = 1127400 / 44961,8 = 25,1 МПа

а = 0,5 * Т / Wp = 0,5 * 3431000 / 96161,8 = 17,8 МПа

Постоянные составляющие циклов напряжений:

m = 0; m = а = 17,8 МПа

Масштабный коэффициент и фактор качества (табл.10.2. и табл.10.3. /7/):

Кd = 0,74; КF = 1,02

Коэффициенты концентрации напряжений (табл.10.7. и табл.10.8. /7/):

К = 1,6; К = 1,4

Коэффициенты:

 = 0,02 + 2 * 10-4 * в = 0,02 + 2 * 10-4 * 600 = 0,14

 = 0,5 *  = 0,5 * 0,14 = 0,07

Коэффициент запаса прочности по напряжениям изгиба определяется по формуле 2.4.2.5.:

Коэффициент запаса прочности по напряжениям кручения определяется по формуле 2.4.2.6.:

Коэффициент запаса прочности определяется по формуле 2.4.2.4.:

Условие прочности выполняется.

2.5. Расчет шпоночных соединений.

Для передачи крутящего момента от вала к ступице и наоборот, в редукторах используют призматические шпонки.

Расчет производится в следующей последовательности: по диаметру вала d подбирается ширина шпонки b и высота h, длину ступицы детали принимают по соотношению lст = (0,8...1,5) * d. Длину шпонки lшп определяют по соотношению lшп = lст - (5...10) мм. Окончательно размеры шпонки уточняются по ГОСТ 23360-78.

После выбора шпонки выполняется проверочный расчет шпоночного соединения на смятие:

см = (4,4 * Т * 103) / (d * h * lp)  [см], (2.5.1.)

где Т - крутящий момент на валу, Н*м;

d - диаметр вала, мм;

h - высота шпонки, мм;

lp - рабочая длина шпонки (lp = lшп - b);

[см] - допускаемое напряжение смятия ([см] = 120...140 МПа).

1) Расчет шпоночного соединения между двигателем и редуктором (d = 38 мм).

Длину ступицы колеса принимаем:

lст = 1,2 * d = 1,2 * 38 = 46 мм

По ГОСТ 23360-78 (табл.24.32 /7/) выбираем шпонку:

ширина шпонки b = 10 мм;

высота шпонки h = 8 мм;

длина шпонки lшп = lст - (5...10) мм = 46 - 6 = 40 мм;

в соответствии с ГОСТ 23360-78 назначаем lшп = 40 мм.

Рабочая длина шпонки определяется:

lр = lшп - b = 40 - 10 = 30 мм

Выполняем проверочный расчет шпоночного соединения на смятие по формуле 2.5.1.:

см = (4,4 * 128 * 103) / (38 * 8 * 30) = 62 МПа  [см] = (120...140 МПа)

Все детали шпоночного соединения изготовлены из стали, условие прочности выполняется.

2) Расчет шпоночного соединения на промежуточном валу (d = 56 мм).

Длину ступицы колеса принимаем:

lст = 1,2 * d = 1,2 * 56 = 67 мм

По ГОСТ 23360-78 (табл.24.32 /7/) выбираем шпонку:

ширина шпонки b = 16 мм;

высота шпонки h = 10 мм;

длина шпонки lшп = lст - (5...10) мм = 67 - 5 = 62 мм;

в соответствии с ГОСТ 23360-78 назначаем lшп = 63 мм.

Рабочая длина шпонки определяется:

lр = lшп - b = 63 - 16 = 47 мм

Выполняем проверочный расчет шпоночного соединения на смятие по формуле 2.5.1.:

см = (4,4 * 803 * 103) / (56 * 10 * 47) = 134 МПа  [см] = (120...140 МПа)

Все детали шпоночного соединения изготовлены из стали, условие прочности выполняется.

3) Расчет шпоночного соединения на тихоходном валу (d = 80 мм).

Длину ступицы колеса принимаем:

lст = 1,5 * d = 1,5 * 80 = 130 мм

По ГОСТ 23360-78 (табл.24.32 /7/) выбираем шпонку:

ширина шпонки b = 22 мм;

высота шпонки h = 14 мм;

длина шпонки lшп = lст - (5...10) мм = 130 - 5 = 125 мм;

в соответствии с ГОСТ 23360-78 назначаем lшп = 125 мм.

Рабочая длина шпонки определяется:

lр = lшп - b = 125 - 22 = 103 мм

Выполняем проверочный расчет шпоночного соединения на смятие по формуле 2.5.1.:

см = (4,4 * 3431 * 103)/(80 * 14 * 103) = 134 МПа  [см]= (120...140 МПа)

Все детали шпоночного соединения изготовлены из стали, условие прочности выполняется.

4) Расчет шпоночного соединения на между тихоходным валом и соединительной муфтой валу (d = 70 мм).

Длину ступицы колеса принимаем:

lст = 1,5 * d = 1,5 * 70 = 105 мм

По ГОСТ 23360-78 (табл.24.32 /7/) выбираем шпонку:

ширина шпонки b = 20 мм;

высота шпонки h = 12 мм;

длина шпонки lшп = lст - (5...10) мм = 105 - 5 = 100 мм;

в соответствии с ГОСТ 23360-78 назначаем lшп = 100 мм.

Рабочая длина шпонки определяется:

lр = lшп - b = 100 - 22 = 80 мм

Выполняем проверочный расчет шпоночного соединения на смятие по формуле 2.5.1.:

см = (4,4 * 3431 * 103)/(70 * 12 * 80) = 109 МПа  [см] = (120...140 МПа)

Все детали шпоночного соединения изготовлены из стали, условие прочности выполняется.

2.6. Подбор подшипников качения.

Основным расчетом для подшипников качения при частоте вращения n  10 мин -1 является расчет на долговечность. Расчетная долговечность (ресурс) выражается в часах и определяется по формуле /6/:

Ln = ( Cr / Pэкв)m * (106 / (60 * n))  [Ln], (2.6.1.)

где n - частота вращения вала , мин -1;

[Ln] - рекомендуемое значение долговечности, ч ([Ln] = 10000 ч);

Pэкв - эквивалентная нагрузка для подшипника, определяется по формуле /6/:

Pэкв = (V * X * FR + Y * Fa) * Кб * Кт , (2.6.2.)

где V - коэффициент вращения, V = 1 - внутреннее кольцо вращается, V = 1,2 - наружное кольцо вращается;

FR - радиальная нагрузка, определяется по формуле /6/:

FR = Rz2 + Rх2 , (2.6.3.)

где Rz и Rх - реакции опор.

Fa - осевая сила;

Х и Y - коэффициенты радиальной и осевой нагрузок (/9/);

Кб - коэффициент безопасности (Кб = 1,3...1,5);

Кт - температурный коэффициент, при t  100 Кт = 1;

m - коэффициент тела качения, m = 3 - для шариков; m = 10/3 - для роликов.

Cr - динамическая грузоподъемность подшипника.

1) Подбор подшипников для быстроходного вала.

Реакции опор определяются по формуле 2.6.3.:

Рис. 2.6.1.

FR1 = Rz12 + Rх12 = (856,7)2 + (2561,3)2 = 2700,8 Н

FR2 = Rz22 + Rх22 = (570,3)2 + (1280,7)2 =1402 Н

Назначаем подшипник шариковый радиально-упорный (табл.10. /9/) 36208. Геометрические параметры: d = 40 мм; D = 80 мм; B =18 мм; r = 2 мм; r1 = 1 мм; динамическая грузоподъемность Cr = 38900 Н; статическая грузоподъемность C0r = 23200 Н.

Опора 1.

Fa1 / C0r = 756,9 / 23200 = 0,033 е = 0,34 (по табл. 10.9. /9/)

Fa1 / (V * FR1) = 756,9 / (1 * 2700,8) = 0,28 < е

Выбираем по табл. 10. /9/ при Fa1 / (V * FR1) < е х = 1, y = 0.

Определяем эквивалентную нагрузку по формуле 2.6.2.:

Pэкв1 = (1 * 1 * 2700,8 + 0 * 756,9) * 1,4 * 1 = 3781 Н

Опора 2.

Fa2 = 0; х = 1; у = 0.

Определяем эквивалентную нагрузку по формуле 2.6.2.:

Pэкв2 = (1 * 1 * 1402 + 0 * 0) * 1,4 * 1 = 1962,8 Н

Pэкв1 > Pэкв2 , наиболее нагружен подшипник опоры 1.

Определяем ресурс подшипника в часах по формуле 2.6.1.:

Ln = (38900 / 3781)3 * (106 / (60 * 670)) = 27089,5 ч > [Ln] = 10000 ч

Условие расчета выполняется.

2) Подбор подшипников для промежуточного вала.

Реакции опор FR1 и FR2 определяются по формуле 2.6.3.:

Рис. 2.6.2.

FR1 = Rz12 + Rх12 = (2609,2)2 + (8546,4)2 = 8935,8 Н

FR2 = Rz22 + Rх22 = (5586,8)2 + (13892,1)2 =14973,4 Н

Назначаем подшипник шариковый радиально-упорный (табл.10. /9/) 66410. Геометрические параметры: d = 50 мм; D = 130 мм; B =31 мм; r = 3,5 мм; r1 = 2 мм; динамическая грузоподъемность Cr = 98900 Н; статическая грузоподъемность C0r = 60100 Н.

Опора 1.

Fa1 / C0r = 756,9 / 60100 = 0,013 е = 0,3 (по табл. 10.9. /9/)

Fa1 / (V * FR1) = 756,9 / (1 * 8935,8) = 0,08 < е

Выбираем по табл. 10. /9/ при Fa1 / (V * FR1) < е х = 1, y = 0.

Определяем эквивалентную нагрузку по формуле 2.6.2.:

Pэкв1 = (1 * 1 * 8935,8 + 0 * 756,9) * 1,4 * 1 = 12510 Н

Опора 2.

Fa2 = 0; х = 1; у = 0.

Определяем эквивалентную нагрузку по формуле 2.6.2.:

Pэкв2 = (1 * 1 * 14973,4 + 0 * 0) * 1,4 * 1 = 20962,8 Н

Pэкв2 > Pэкв1 , наиболее нагружен подшипник опоры 2.

Определяем ресурс подшипника в часах по формуле 2.6.1.:

Ln = (98900 / 20962,8)3 * (106 / (60 * 101,5)) = 17243,4 ч > [Ln] = 10000 ч

Условие расчета выполняется.

3) Подбор подшипников для тихоходного вала.

Реакции опор FR1 и FR2 определяются по формуле 2.6.3.:

Рис. 2.6.3.

FR1 = Rz12 + Rх12 = (2178,5)2 + (5985,1)2 = 6369,2 Н

FR2 = Rz22 + Rх22 = (4590,5)2 + (12611,4)2 =13420,9 Н

Назначаем подшипник шариковый радиальный (табл.10. /9/) 116. Геометрические параметры: d = 80 мм; D = 125 мм; B =22 мм; r = 2 мм; динамическая грузоподъемность Cr = 47700 Н; статическая грузоподъемность C0r = 31500 Н.

Опора 1.

Fa = 0; х = 1; у = 0.

Определяем эквивалентную нагрузку по формуле 2.6.2.:

Pэкв1 = (1 * 1 * 6369,2 + 0 * 0) * 1,4 * 1 = 8916,9 Н

Опора 2.

Определяем эквивалентную нагрузку по формуле 2.6.2.:

Pэкв2 = (1 * 1 * 13420,9 + 0 * 0) * 1,4 * 1 = 18789,3 Н

Pэкв2 > Pэкв1 , наиболее нагружен подшипник опоры 2.

Определяем ресурс подшипника в часах по формуле 2.6.1.:

Ln = (47700 / 18789,3)3 * (106 / (60 * 24,2)) = 11268,2 ч > [Ln] = 10000 ч