Выборнов А.П., Коновалов А.В., Куркин А.С. - Проектирование и расчёт главной фермы мостового крана

Министерство образования Российской федерации

Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

____________________________________________________________

Выборнов А.П., Коновалов А.В., Куркин А.С.

Проектирование и расчёт

главной фермы мостового крана

Методические указания

по выполнению курсового проекта по дисциплинам

«Проектирование сварных соединений»

и

«Проектирование сварных соединений и нормы качества»

Москва 2003

Введение

В своей трудовой деятельности инженер – механик должен уметь самостоятельно и творчески решать различные производственные задачи. Хотя это умение вырабатывается у студента в течение всего периода обучения в ВУЗе, работа над курсовыми проектами развивает его в наибольшей степени.

Курсовой проект «Проектирование сварных соединений» – завершающий этап изучения курса. Студенты выполняют его после изучения теоретической части и выполнения общетехнических курсовых проектов «ТММ», «Детали машин» и «Подъёмно – транспортные машины». Курсовой проект «Проектирование сварных соединений» является первым из трёх курсовых проектов, предусмотренных учебным планом для специальной подготовки инженеров всех специализаций специальности 12.05 «Оборудование и технологии сварочного производства».

Выполнение проекта требует знания таких дисциплин, как машиностроительное черчение, сопротивление материалов, подъёмно – транспортное оборудование, технология машиностроения, проектирование сварных соединений, технология изготовления сварных конструкций.

Цель и задачи курсового проекта.

Целью настоящего курсового проекта является развитие навыков конструкторской работы в области проектирования сварных металлоконструкций на примере подъёмно – транспортного оборудования, а также закрепление и углубление знаний по курсу «Проектирование сварных соединений».

Поставленная цель может быть достигнута при решении следующих задач:

1. практическое применение полученных ранее знаний при решении конкретной конструкторской задачи на примере проектирования главной фермы мостового крана;

2. приобретение опыта конструирования пространственных сварных узлов ответственных решётчатых металлоконструкций;

3. формирование у студента творческого подхода к решению конструкторских задач с учетом технологичности и экономичности сварной конструкции;

4. привитие навыков и накопление опыта работы с нормативными документами по расчёту и изготовлению ответственных сварных металлоконструкций, научно – технической и справочной литературой.

Задание на курсовой проект.

Задание на курсовой проект является типовым. Перед каждым студентом ставится задача спроектировать главную ферму мостового крана в двух вариантах, условно называемых «технологичным» и «экономичным». Первый вариант предполагает проектирование с минимальным применением механообработки – стержни фермы изготавливают из прокатных элементов (уголков, швеллеров, двутавров), соединяемых в нахлёстку угловыми швами. Второй вариант предполагает применение таких методов проектирования, которые позволяют снизить металлоёмкость конструкции в основном за счет использования элементов, позволяющих использовать стыковые швы. В задании указаны грузоподъёмность крана, пролёт фермы, размеры и количество стержней в главной и горизонтальной фермах.

В процессе выполнения проекта необходимо рассчитать усилия в отдельных стержнях фермы, определить необходимые размеры поперечных сечений стержней, удовлетворяющим условиям выносливости, устойчивости и статической прочности, детально разработать 2-3 пространственных сварных узла конструкции, определить размеры поперечного сечения концевой балки мостового крана. Кроме этого по согласованию с консультантом необходимо разработать технологию сборки и сварки какой-либо части крана с выбором или проектированием соответствующего оборудования или оснастки.

В бланке задания указан график работы над проектом с конкретными сроками выполнения отдельных этапов.

Задания выдаёт ответственный за проект по кафедре в первую неделю семестра. Выдача проекта сопровождается установочной лекцией, в которой сообщается о порядке работы над проектом, о консультантах, требованиях к выполнению графической части и расчетно-пояснительной записки, о методиках расчёта и проектирования элементов фермы, о порядке и сроках защиты проекта.

Объём и содержание курсового проекта

Графическая часть проекта должна быть представлена не меньше, чем на 4 листах формата А1. Она должна быть выполнена либо карандашом, либо с помощью компьютера. Выполнение графической части с помощью компьютера разрешается только тем студентам, которые в срок выполнили первый этап задания.

1 лист – общий вид главных ферм мостового крана в трёх проекциях по первому и второму вариантам.

2 лист – конструкции 2 – 3 основных узлов фермы «технологичного» варианта с достаточным количеством проекций, разрезов, сечений и подробным обозначением сварных швов.

3 лист – конструкции 2 – 3 основных узлов фермы «экономичного» варианта (тех же, что и на листе 2) с достаточным количеством проекций, разрезов, сечений и подробным обозначением сварных швов.

4 лист - эскизный проект сборочно-сварочного стенда и одного или нескольких приспособлений сборочной оснастки, маршрутная технологическая карта сборочно-сварочных операций изготовления одной из частей крана, планировка сборочно-сварочного участка.

Компоновка графической части устанавливается на консультациях с учётом рекомендаций и требований к оформлению чертежей.

Расчетно-пояснительная записка составляется на листах формата А4 и содержит: титульный лист, оглавление, бланк задания на проект, характеристику главной фермы мостового крана как сварной конструкции, построение линий влияния стержней, указанных в бланке задания, и расчёт усилий в этих стержнях, таблицу нагрузок в стержнях главной фермы, форму и размеры сечений стержней главной фермы, полученные на основании расчётов на статическую прочность, выносливость и устойчивость, расчёты определения необходимой величины нахлестки соединений, подсчёт фактической массы главной фермы по двум вариантам (массу основного и наплавленного металла), обоснование и описание технологии изготовления одной из частей крана и работы используемых сборочно-сварочных приспособлений и устройств. В конце записки приводится список литературы, на которую имеются ссылки в тексте.

Требования к оформлению проекта.

1. Графическую часть студент обязан выполнять в соответствии с требованиям ЕСКД.

На первом листе вычерчивают общий вид главных ферм, выполненных по 2 вариантам. Рекомендуемый масштаб от 1:50 до 1:20 в зависимости от пролёта крана. Рекомендуется главную проекцию фермы (боковой вид) выполнять целиком. По согласованию с консультантом возможно изображение половины фермы. Кроме главной проекции на листе должны присутствовать вид сверху и вид сбоку. Должны быть проставлены размеры – габаритные и основные геометрические. На этом же листе должна присутствовать таблица состава сечений элементов ферм, массы элементов ферм и масса фермы в целом. В правом нижнем углу над основной надписью располагают примечания – развернутая характеристика стали, способы сварки и контроля качества швов и т.п.

Чертежи сварных узлов выполняют в масштабе от 1:5 до 1:1 в трёх проекциях без нарушения проекционной связи. При необходимости количество проекций может быть увеличено, чтобы можно было представить конструкцию узла полностью. Должны быть нанесены все размеры, достаточные для изготовления узла, обозначены все сварные швы. Допускается однотипные швы обозначать цифрами, а полное обозначение приводить в примечаниях в правом нижнем углу над основной надписью.

На технологическом листе вычерчивается схема или чертёж сборочно-сварочного устройства с указанием основных размеров, исполнительных механизмов и технологической характеристики. Также на листе должны быть рабочие чертежи одного – двух сборочных приспособлений (прижим, фиксатор, и т.п.). Технологическая карта сборочно-сварочных операций должна быть помещена в правом нижнем углу над основной надписью.

2. Расчётно-пояснительная записка выполняется на одной стороне листа белой бумаги формата А4.

Весь текст записки разбивают на разделы и параграфы, которые нумеруются арабскими цифрами. Разделы и параграфы имеют краткие названия, например, «2. Расчет главной фермы мостового крана по 1-му варианту» и «2.6. Определение размера нахлёстки раскосов». Первой страницей является титульный лист. Все страницы записки, включая задание, сшивают и нумеруют арабскими цифрами либо в правом верхнем углу, либо по середине страницы. Номер страницы на титульном листе не ставят.

Весь иллюстративный материал нумеруется арабскими цифрами с указанием названия рисунка, если это необходимо. Пример обозначения: «Рис. 4. Расчетная схема для проверки стержня верхнего пояса главной фермы на статическую прочность». Номер и название рисунка помещают под рисунком. Рисунки, расчётные схемы и другие материалы иллюстрационного характера помещаются непосредственно в тех параграфах, на которые есть ссылки на рисунки с указанием его номера.

Результаты расчётов рекомендуется сводить в таблицы. Таблицы нумеруют так же, как и рисунки. Над правым верхним углом таблицы должно быть написано «Таблица 1». На строке ниже этого дают название таблицы.

Все расчётные формулы сначала пишут в буквенном выражении. Расшифровку формулы начинают словом «где», после чего перечисляют символы, входящие в формулу. При первом употреблении символа, входящего в формулу, дают его значение и размерность. После этого формулу переписывают с подстановкой числовых значений символов, сохраняя их места, и приводят результат расчёта с размерностью. Размерности одного и того же параметра в пределах записки должна быть одинаковой. Если в тексте есть ссылка на формулу, то в этом случае формулы нумеруются арабскими цифрами, заключёнными в круглые скобки. Номер формулы проставляют с правой стороны листа ближе к краю. В тексте при ссылке на формулу указывают её номер в круглых скобках.

Список использованной литературы содержит все использованные при работе над проектом источники. Источники располагают в порядке появления ссылок в тексте записки и нумеруют арабскими цифрами. Ссылка на источник представляет собой арабские числа (перечисленные через запятую, если ссылка на несколько источников), заключённые в квадратные скобки. Сведения об источниках включают фамилию и инициалы автора (ов), заглавие, место издания, издательство, год издания и количество страниц. Сведения о стандартах и других нормативных документах включают буквенно-цифровое обозначение, название документа и количество страниц.

Порядок работы над проектом

Работая над проектом, студент должен знать и помнить, что конструкторская и технологическая проработка и расчёты являются единым процессом и не могут быть оторваны друг от друга. Принятие обоснованных конструкторских решений – обязанность студента. Консультант высказывает своё мнение об этих решениях, указывает на их ошибочность и рекомендует изменить или пересмотреть их. Однако окончательное решение принимает только автор проекта.

Получив задание на проект, студент должен осмыслить поставленную задачу, проработать соответствующую литературу и повторить лекционный материал. Работу над проектом следует вести в следующем порядке:

• Для стержней, указанных в задании построить линии влияния и определить значения усилий в стержнях от распределённой нагрузки, и максимальное и минимальное усилия от сосредоточенных сил (давления колеса тележки);

• На компьютере ввести в тестовую программу полученные значения. В случае правильного расчета программа рассчитывает все усилия для всех стержней главной, горизонтальной и вспомогательной ферм. По этой распечатке определить действующие в стержнях максимальные и минимальные значения усилий.

• Подобрать сечения стержней главной фермы, предварительно согласовав с консультантом тип сечения и материал, из которого будет изготовлена ферма;

• Вычертить узлы фермы, включая узел присоединения главной фермы к концевой балке, и определить (конструктивно) размеры сечения концевой балки. Далее расчётом на прочность либо определить толщину её листов, либо, задавшись толщиной листов, подтвердить прочность концевой балки;

• Повторить предыдущие 2 пункта для главной фермы второго варианта;

• Выполнить лист 1 – общий вид главных ферм. Рассчитать массу металлоконструкций;

• Разработать технологию изготовления заданного консультантом элемента крана. Выполнить эскизный проект сборочно-сварочного приспособления, вычертить 4 лист.

• Оформить расчётно-пояснительную записку и подготовиться к защите проекта.

Рекомендации по работе над проектом

Приступая к работе над проектом, студент должен чётко представлять назначение конструкции, схему крана, его эксплуатационные характеристики, технологию изготовления, возможности транспортировки и монтажа крана. Только с учётом всех этих критериев можно грамотно решать возникающие конструкторские задачи.

Основанием для создания конструкции главной фермы служит задание на проектирование. На основании предложенной схемы конструкции и эксплуатационных нагрузок определяют действующие на элементы фермы, подбирают их сечения и проектируют сварные соединения.

Металлические конструкции кранов должны соответствовать нормам Госгортехнадзора РФ и техническим условиям на проектирование мостовых кранов ВНИИПТМАШа, являющегося головной организацией по подъёмно – транспортному оборудованию.

Расчётная схема мостового крана. Конструкция мостового крана является симметричной фигурой относительно двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостей – продольной и поперечной. Схема приведена на рис.1. С помощью горизонтальных ферм и диагональных связей (пространственных раскосов) вертикальных ферм достигается пространственная жесткость конст-

рукции. Определение усилий в стержнях главной фермы проводят по упрощённой расчетной схеме крана. Конструкция крана расчленена на плоские элементы – главные фермы, вспомогательные фермы, горизонтальные фермы и концевые балки. При этом считают, что главная ферма воспринимает нагрузки от собственного веса и давления ходовых колёс грузовой тележки, вспомогательная ферма – только от собственного веса, горизонтальная ферма – горизонтальные инерционные нагрузки при разгоне и торможении крана (равномерно распределённые – от массы крана, сосредоточенные – от массы тележки с грузом). Концевые балки воспринимают вертикальные сосредоточенные силы от действия главных и вспомогательных ферм и горизонтальные инерционные силы при разгоне и торможении тележки. Сосредоточенные вертикальные силы от главной фермы определяют по линии влияния реакции опоры. Полная сила – сумма половины веса главной фермы с сосредоточенной вертикальной силой.

При таком упрощении силовой схемы главные фермы при расчете оказываются недогруженными, поскольку в реальности часть нагрузки главной фермы воспринимает вспомогательная ферма, а вспомогательные фермы и концевые балки – перегружены. Кроме того, при расчёте концевой балки не учитывают кручение. Для компенсации принятого упрощения вводят коэффициент неполноты расчёта, составляющий для главной фермы 1,1, а для концевой балки 0,5.

Определение нагрузок в элементах главной фермы производят с помощью линий влияния.

Подбор сечений элементов крана.

Расчёт металлоконструкции главной фермы мостового крана начинают с определения допускаемых напряжений. Элементы (стержни) главной фермы рассчитывают на выносливость, устойчивость (верхний пояс, стойки и раскосы) и на статическую прочность (верхний пояс). Для каждого из этих видов расчёта необходимо назначить свои допускаемые напряжения.

В начале необходимо выбрать марку материала, из которого изготавливают главную ферму. В соответствии с нормами краностроения (РД 22-16-96 Машины грузоподъёмные. Выбор материалов для изготовления, ремонта и реконструкции сварных стальных конструкций Москва.1996, 46 С.) можно использовать низкоуглеродистые и низколегированные стали. Наиболее широко используемые марки сталей приведены в таблице 1. Они те же, что и рекомендованные в СНИПе. Следует учитывать, что в случае работы крана для работы при температурах от +40 до –60^оС (северное исполнение) используют только низколегированные стали, а в случае среднеагрессивной среды – стали с добавкой меди (10ХСНД).

Таблица 1.