VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍ A DOBRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING KLADKOSTROJ BLOCK AND TACKLE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR THESIS AUTOR PRÁCE MARTIN HLAVÁČ AUTOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BRNO 009 Ing. PŘEMYSL POKORNÝ, Ph.D.
Abstrakt: Tato bakalářská práce se zabývá řešením a výpočtem zdvihového ústrojí speciálního mobilního jeřábu (manipulátoru lodí). Je provedeno konstrukční řešení, které obsahuje funkční a dílčí pevnostní výpočty. Je zhotoven 3D model celého kladkostroje a výkresová dokumentace. Klíčová slova: Manipulátor lodí, speciální mobilní jeřáb, kladkostroj, lano, kladka Abstract: This bachelor work concerned with solving and calculating lifting mechanism of special mobile crane (travel lift). It s make construction analysis. Work has functional and partial solidity calculation. Work includes complete 3D model of block and tackle and design documentation. Keywords: Travel lift, special mobile crane, block and tackle, rope, pulley
Čestné prohlášení: Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně, pod vedením vedoucího bakalářské práce pana Ing. Přemysla Pokorného, Ph.D. a s použitím uvedené literatury. V Brně, dne: Podpis: Martin Hlaváč
Bibliografická citace: HLAVÁČ, M. Kladkostroj. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 009. 47 s. Vedoucí bakalářské práce Ing.Přemysl Pokorný, Ph.D. Poděkování: Chtěl bych poděkovat všem, kteří mi byli nápomocni při tvoření této práce, zejména pak vedoucímu mé bakalářské práce panu Ing. Přemyslu Pokornému, Ph.D. za cenné rady a dostatečné poskytnutí informací ke splnění této bakalářské práce. Dále bych rád poděkoval svým rodičům za všestrannou podporu v celém období studia.
Obsah 1 Úvod...9 Cíle práce...9 3 Volba lanování...10 3.1 3. Typy lanování... 10 Výběr lanování... 11 4 Kontrola zatížení...11 4.1 Kontrola zatížení... 11 4.1.1 Horní poloha... 11 4.1. Dolní poloha... 1 4. Návrh zatížení kladkostroje... 14 5 Lano...14 5.1 Výpočet celkového zatížení... 14 5.1.1 Zatížení od břemene... 14 5.1. Zatížení od kladek, kladnice, traverzy a ostatních prvků... 14 5.1.3 Zatížení od lana... 15 5.1.4 Celkové zatížení... 15 5. Účinnost lanového převodu... 15 5.3 Síla v laně... 16 5.4 Únosnost lana... 16 5.5 Kontrola zatížení lana... 17 6 Kladky...17 6.1 6. Vodící kladka... 17 Vyrovnávací kladka... 18 7 Lanový buben...19 7.1 Převodový poměr kladkostroje... 19 7. Délka lana... 19 7..1 Skutečná délka zdvihu... 19 7.. Výpočet délky lana... 0 7.3 Průměr lanového bubnu (minimální)... 0 8 Čepy...1 8.1 Čep kladnice... 1 8.1.1 Výpočet průměru čepu kladnice... 8.1. Kontrola čepu na střih... 3 8.1.3 Kontrola podmínky HMH... 4 8.1.4 Kontrola čepu kladnice na otlačení... 5 8. Uchycení vyrovnávací kladky... 5 8..1 Výpočet průměru čepu uchycení... 6 8.. Kontrola čepu na střih... 7 8..3 Kontrola podmínky HMH... 8 8..4 Kontrola čepu uchycení na otlačení... 8 8.3 Čep vyrovnávací kladky... 9 8.3.1 Výpočet průměru čepu vyrovnávací kladky... 9 8.3. Kontrola čepu na střih... 31 Kontrola podmínky HMH... 3 8.3.3 Kontrola čepu vyrovnávací kladky na otlačení... 3 9 Kladnice...33 7
9.1 Bočnice... 33 9.1.1 Kontrola na otlačení... 33 9.1. Kontrola na tah... 34 10 Vyrovnávací kladka...36 10.1 Bočnice... 36 10.1.1 Kontrola na otlačení... 36 10.1. Kontrola na tah... 37 10. Uchycení... 38 10..1 Kontrola na otlačení... 38 10.. Kontrola na tah... 39 11 Volba ložiska...40 11.1 11. 1 13 14 15 16 Volba radiálních ložisek... 40 Statická kontrola... 41 Závěr...4 Seznam použitých zdrojů...43 Seznam použitých zkratek a symbolů...44 Seznam příloh...47 Seznam výkresové dokumentace...47 8
1 Úvod Řešením této práce je kladkostroj, který slouží jako zdvihací zařízení u speciálního mobilního jeřábu, dále jen manipulátoru lodí. Tento typ manipulátoru se v české republice nevyskytuje. Lze ho nalézt např. v přímořských oblastech středozemního moře, kde je známější pod názvem travel lift. Hlavní účel tohoto zařízení je přeprava lodních plavidel z vody na zem a dále na jiná předem daná místa. Pro tuto práci byla, jako přepravovaná loď, zvolena plachetnice BENETEUA 57 viz příloha č.1. Jako manipulátor na přepravu plachetnice byl zvolen typ konstrukce manipulátoru do U viz. Obr. 1.1, který je z jedné strany otevřený. Tato konstrukce je vyhovující pro typ přepravované lodi. Jako pohonná jednotka je hydrogenerátor, který zajišťuje pohon kol manipulátoru a zároveň i kladkostroje. Manipulátor je osazen 4 kladkostroji, které jsou na sobě nezávislé a konstrukčně stejné. Řešením práce je konstrukce jednoho z kladkostrojů. Obr. 1.1 Ilustrační obrázek travel lift [1] Cíle práce Cílem práce je navrhnout kladkostroj pro zadanou plachetnici. Navrhnout systém lanování, zkontrolovat silové zatížení v jednotlivých větvích manipulátoru, zvolit vhodný typ lana, kladek a navijáku. Dále pevnostně navrhnout a následně zkontrolovat čep kladnice, vyrovnávací kladky a uchycení vyrovnávací kladky. Zkontrolovat bočnice kladnice a navrhnout řešení uchycení s následnou pevnostní kontrolou. Vyřešit vhodné upevnění volného konce lana. Cílem práce není řešení uchycení lodi pomocí textilních popruhů, ani návrh traverzy, která slouží jako spojovací člen mezi popruhy a kladnicí kladkostroje. Dále řešením práce není uchycení traverzy do kladnice. Zdvih kladnice je dán 8 m nad terén a 3 m pod terén viz. Příloha. 9
3 Volba lanování Volím 3 způsoby lanování, z čehož provedu výběr jednoho z nich. 3.1 Typy lanování Lanování A Obr.3.1 Prolanování A 1 Lanový buben Vyrovnávací kladka 3 Lano 4 Kladnice 5 Traverza Lanování B Obr. 3. Prolanování B 1 Lanový buben Vyrovnávací kladka 3 Lano 4 Kladnice 5 Traverza 10
Lanování C Obr. 3.3 Prolanování C 1 Lanový buben Vyrovnávací kladka 3 Lano 4 Kladnice 5 Traverza 3. Výběr lanování Volím lanování C, z důvodu nízké zdvihové rychlosti a malých prostorových nároků v oblasti kladnice. 4 Kontrola zatížení Jako břemeno pro zdvih byla zadána plachetnice BENETEUA 57 viz. Příloha 1. Tato plachetnice hmotnost m p = 055 kg. Pro určení zatížení jednotlivých kladkostrojů je dáno, že každý z páru kladkostrojů bude zatížen hmotností m p 4.1 Kontrola zatížení Díky nepříznivému silovému rozkladu břemene do jednotlivých kladkostrojů, je nutno provést silovou kontrolu jednotlivých kladkostrojů. Kontrola bude provedena v krajních polohách kladkostroje viz. Příloha. 4.1.1 Horní poloha Horní poloha je daná konstrukcí rámu manipulátoru. Pro určení úhlu naklopení kladkostroje byl použit program Autocad viz. Obr 4.1 11
Výpočet zatížení Pro výpočet zatížení kladkostroje břemenem volím mp z důvodu symetrie kladkostrojů v páru. Obr. 4.1 Zatížení v horní poloze Volím, dáno: m p = 055 kg α h = 9 mp m bh cos α h = mbh mp m bh = cos α h m bh = 055 = 1 608,3 cos 9 (4.1) m bh = 1 608,3 kg m p [kg] - hmotnost plachetnice m bh [kg] - hmotnost zvedaná kladkostrojem horní poloze αh - úhel vyklonění v horní větvi [ ] 4.1. Dolní poloha Dolní poloha je určena s ohledem na molo přístavu. Pro určení úhlu naklopení kladkostroje byl použit program Autocad viz. Obr 4. 1
Výpočet zatížení Pro výpočet zatížení kladkostroje břemenem volím mp z důvodu symetrie kladkostrojů v páru. Obr. 4. Zatížení v dolní poloze Volím, dáno: m p = 055 kg α d = 9 mp cos α d = m bd mbd mp m bd = cos α d m bd = 055 = 11165 cos 9 (4.) m bd = 11 165 kg m p [kg] - hmotnost plachetnice mbd [kg] - hmotnost zvedaná kladkostrojem v dolní poloze αd - úhel vyklonění v dolní větvi [ ] 13
4. Návrh zatížení kladkostroje Bylo zjištěno, že maximální zatížení kladkostroje nastává v horní poloze zdvihu kladkostroje. S ohledem na bezpečnost celého zařízení volím hmotnost břemene pro zdvih kladkostroje mb = 0 000 kg. 5 Lano - výpočet dle normy ČSN 7 0100 5.1 Výpočet celkového zatížení 5.1.1 Zatížení od břemene Dáno: mb = 0000 kg QB = m B g QB = 0000 9,81 = 19600 QB = 19600 N (5.1) QB [N] - zatížení od břemene (lodi) mb [kg] - hmotnost břemene (lodi) - g [m.s ] - gravitační zrychlení 5.1. Zatížení od kladek, kladnice, traverzy a ostatních prvků Volím: mkl = 500 kg Qkl = m kl g Qkl = 500 9,81 = 4905 Qkl = 4905 N (5.) Qkl [N] m kl [kg] - zatížení od kladek, traverzy a ostatních prvků - hmotnost od kladek, traverzy a ostatních částí 14
5.1.3 Zatížení od lana Volím: ml =75 kg QL = ml g QL = 75 9,81 = 735,75 QL = 735,75 N QL [N] ml [kg] (5.3) - zatížení od lana - hmotnost od lana 5.1.4 Celkové zatížení Qc = QB + Qkl + QL Qc = 19600 + 4905 + 735,75 = 01839,75 01840 (5.4) Qc = 01 840 N Qc [N] - zatížení kladkostroje 5. Účinnost lanového převodu Účinnost jedné kladky volím dle normy η1 = 0,98. Kladka bude osazena kuličkovými ložisky. m b 4 n= =4 1 n=4 n= (5.5) 1 η 1n η c = η1 n (1 η 1 ) 1 0,98 4 = 0,9703 4 (1 0,98 ) η c = 0,9703 η c = 0,98 (5.6) b m - počet navíjených konců lana - počet nosných průřezů lana 15
n η1 ηc - počet nosných průřezů lana v jedné větvi - účinnost jedné kladky dle [1] str.5, tab. II - celková účinnost lanového převodu 5.3 Síla v laně Podle vybraného způsobu lanování je počet větví lanového převodu z = 1. FL = Qc z n η c 01840,6 = 51999,5 1 4 0,9703 FL = 51999,5 N FL = (5.7) FL z n [N] - síla v laně - počet větví lanového převodu - počet nosných průřezů v jedné větvi 5.4 Únosnost lana Bezpečnost lana je k = 6,3. Určeno dle normy. U = FL kl U = 51999,5 6,3 = 37596,7 (5.8) U = 37596,7 N U kl [N] - únosnost lana (předběžná) - bezpečnost lana dle [1] str.3, tab. I a čl. 15 Po určení předběžné únosnosti lana volím lano s nejbližší vyšší únosnosti - volím lano [3] str. 11, viz. Příloha 3 typ DIEPA P 85 jmenovitý průměr lana dl = 0 mm pevnost drátků v tahu Rm =1770 MPa únosnost lana UL = 341000 N 16
Obr.5.1 Lano typu Seal křížové [3], str.11 5.5 Kontrola zatížení lana UL FL kl 341000 = 5453,07 6,3 = 5417 N 51999,5 N Vyhovuje Fdov = Fdov Fdov (5.9) Fdov [N] - dovolená síla v laně (max. zatížení lana) 6 Kladky - výpočty průměrů kladek dle normy ČSN 7 180 6.1 Vodící kladka Volím dle normy součinitel vodicí kladky α vd = 4 Výpočet základního průměru: Dvd = d L α vd Dvd = 0 4 = 480 (6.1) Dvd = 480 mm Výpočet jmenovitého průměru: DKvd = Dvd d L DKvd = 480 0 = 460 (6.) DKvd = 460 mm 17
Dvd - nejmenší dovolený průměr lanové kladky (vodící) DKvd - jmenovitý průměr kladky (vodící) dl - jmenovitý průměr lana - součinitel závislý na druhu kladky dle [] str., tab. I. a čl. 9 α vd Volím: - materiál kladky 4 65.1 další rozměry kladky dle [], str. 8, tab. IV. 6. Vyrovnávací kladka Volím dle normy součinitel vyrovnávací kladky α vv = 17 Výpočet základního průměru: Dvv = d L α vv Dvv = 0 17 = 340 (6.3) Dvv = 340 mm Výpočet jmenovitého průměru: DKvv = Dvv d L DKvv = 340 0 = 30 (6.4) DKvv = 30 mm Dvv DKvv α vv - nejmenší dovolený průměr lanové kladky (vyrovnávací) - jmenovitý průměr kladky (vyrovnávací) - součinitel závislý na druhu kladky dle [] str., tab. I. a čl. 9 Volím: - průměr kladky stejný jak u vodící kladky DKvv = 460 mm materiál kladky volím 4 65.1 další rozměry kladky dle [], str. 8, tab. IV. 18
7 Lanový buben 7.1 Převodový poměr kladkostroje m 1 4 ik = = 4 1 ik = 4 ik = (7.1) ik - převodový poměr kladkostroje 7. Délka lana 7..1 Skutečná délka zdvihu Vychází se ze skutečnosti, že zdvih kladkostroje je delší při šikmém zdvihu než při zdvihu svislém. Celá problematika je ukázána na obr. 7.1. Uvažuje se, že spodní poloha zdvihu kladnice je nejdelší. Obr. 7.1 Zdvih kladkostroje 19
Celková délka zdvihu H ' = Ld + L h H ' = 3 + 10 = 13 H ' = 13 m (7.1) Skutečná délka zdvihu H= H' cos α d H= 13 = 13,16 cos 9 (7.) H = 13,16 m Ld Lh H H [m] - výška zdvihu v dolní poloze od mola [m] [m] [m] - výška zdvihu kladnice v horní poloze od mola - délka zdvihu ve směru ve svislé poloze - délka zdvihu ve vykloněném směru 7.. Výpočet délky lana L L = i k H + Lo LL = 4 13,16 + 5 = 57,64 57 (7.3) LL = 58 m LL Lo [m] [m] - délka lana kladkostroje - technická délka lana 7.3 Průměr lanového bubnu (minimální) - výpočet průměru bubnu dle normy ČSN 7 180 Volím dle normy α b = 0 Db = d L α b Db = 0 0 = 400 (7.4) Db = 400 mm 0
Db - Jmenovitý průměr bubnu αb - závislý na druhu kladky dle [] str., tab. I. Volím lanový buben : hydraulický lanový naviják Dinamic oil [4] viz. Příloha 4 parametry navijáku: průměr bubnu Db = 404 mm max. tažná síla FT = 100000 N Obr. 7. Hydraulický lanový naviják [4] 8 Čepy - pro výpočet a kontrolu všech čepů volím materiál čepu 11 600 dle [9] str. 34 8.1 Čep kladnice V kladnici jsou umístěny čepy pro kladky. Jelikož je umístění čepů symetrické na osu celkového zatížení Qc působí na oba čepy stejné zatížení Qckl, které je rovno Qc. 1
8.1.1 Výpočet průměru čepu kladnice Obr.8.1 Průběh napětí na čepu kladky Ohybový moment Předběžně volím výpočtovou délku čepu l čkl = 80 mm Qckl l čkl 4 100 90 80 = = 018 400 4 = 018 400 Nmm k M oč = k M oč Mkoč (8.1) Qckl [N] - zatížení čepu kladnice l čkl - výpočtová délka čepu kladnice k M oč [Nmm] - maximální ohybový moment působící na čep kladnice Dovolené napětí v čepu Z materiálové charakteristiky oceli 11 600 je dáno napětí v ohybu σ O = 00 MPa. Pro čep volím bezpečnost k č =. σ DO = kč 00 = 100 = 100 MPa σ DO = σ DO σo (8.)
σ O - napětí v ohybu dle [9] str. 54 kč - bezpečnost čepu σ DO - dovolené napětí v ohybu Průměr čepu vycházím z rovnice : σ O = - k k M oč M oč = W očk π d čk 3 ( ) 3 σ DO z toho plyne k 3 M oč d = π σ DO k č 3 d čk = 3 3 018 400 = 59,004 π 100 (8.3) d čk = 59,004 mm d čk - - nejmenší dovolený průměr čepu kladky kladnice volím průměr čepu na nejbližší vyšší s ohledem na průměr ložiska d čk = 65 mm 8.1. Kontrola čepu na střih Dovolené napětí na střih Z materiálové charakteristiky oceli 11 600 je dáno napětí ve střihu τ S = 80 MPa. Pro čep volím bezpečnost k č =. τ DS = kč 80 = 40 = 40 MPa τ DS = τ DS τs (8.4) 3
τ S τ SD - napětí ve střihu dle [9], str. 55 kč - bezpečnost čepu - dovolené napětí ve střihu Kontrola na střih Qckl Qckl Qckl = = Sskl π d čk π d čk 100 90 τs = = 15, π 65 τ S = 15, MPa τs = ( ) ( ) (8.5) Podmínka: τ S τ DO 17,99 MPa 40MPa VYHOVUJE Sskl - střižná plocha čepu kladnice 8.1.3 Kontrola podmínky HMH Z materiálových charakteristik pro ocel 11 600 je mez kluzu R e = 300 MPa σ DO + 3 τ DS σ RED HMH: Re kč 300 100 + 3 40 11,65 MPa 150 MPa VYHOVUJE σ DO + 3 τ DS (8.6) Re σ RED - mez kluzu pro materiál 11600 dle [9], str. 34 - redukované napětí podle podmínky HMH 4
8.1.4 Kontrola čepu kladnice na otlačení Obr. 8. Otlačení čepu v kladnici Z materiálové charakteristiky materiálu 11600 je dán dovolený tlak na otlačení pdov = 45 MPa. Volím předběžnou šířku styku mezi kladnici a čepem Tkl = 5 mm Qckl Qckl pkl = = pdov S pkl d čk Tkl (8.7) 100 90 = 31,05 65 5 pkl = 31,05 MPa 45 MPa VYHOVUJE pkl = 8. pdov - dovolený tlak na otlačení dle [9], str.54 pkl Tkl s pkl - tlak ve styku čepu a kladnice - šířka kladnice pod čepem - styčná plocha čepu na kladnici Uchycení vyrovnávací kladky V uchycení vyrovnávací kladky je umístěn čep pro natáčení celé vyrovnávací kladky. Na čep působí síla QcU, která je rovna polovině celkového zatížení Qc. 5
8..1 Výpočet průměru čepu uchycení Obr. 8.3 Průběh napětí na čepu uchycení Ohybový moment Předběžně volím výpočtovou délku čepu l ču = 170 mm QcU l ču 4 100 90 170 = = 4 89 100 4 = 4 89 100 Nmm U M oč = U M oč MUoč (8.8) QcU [N] - zatížení čepu uchycení l ču - výpočtová délka čepu uchycení M U oč [Nmm] - maximální ohybový moment působící na čep uchycení Dovolené napětí v čepu Z materiálové charakteristiky oceli 11 600 je dáno napětí v ohybu σ O = 00 MPa. Pro čep volím bezpečnost k č =. σ DO = σo kč 00 = 100 = 100 MPa σ DO = σ DO (8.9) σ O - napětí v ohybu dle [9] str. 54 6
kč σ DO - bezpečnost čepu - dovolené napětí v ohybu Průměr čepu U U M oč M oč vycházím z rovnice : σ O = U = W oč π d ču 3 - ( ) 3 σ DO z toho plyne d ču = 3 U 3 M oč π σ DO d ču = 3 3 4 89 100 = 75,879 π 100 (8.10) d ču = 75,879mm d ču - - nejmenší dovolený průměr čepu uchycení volím průměr čepu na nejbližší vyšší s ohledem na návaznost konstrukce d ču = 80 mm 8.. Kontrola čepu na střih Dovolené napětí na střih Z materiálové charakteristiky oceli 11 600 je dáno napětí ve střihu τ S = 80 MPa. Pro čep volím bezpečnost k č =. τ DS = kč 80 = 40 = 40 MPa τ DS = τ DS τs (8.11) 7
τ S τ SD - dovolené napětí ve střihu kč - bezpečnost čepu - napětí ve střihu dle [9], str. 55 Kontrola na střih QcU QcU QcU = = U SsU π d č π d ču 100 90 = 10,03 τs = π 80 τ S = 10,03 MPa τs = ( ) ( ) (8.1) Podmínka: τ S τ DO 10,03MPa 40MPa VYHOVUJE SsU - střižná plocha čepu uchycení 8..3 Kontrola podmínky HMH Z materiálových charakteristik pro ocel 11 600 je mez kluzu R e = 300 MPa σ DO + 3 τ DS σ RED HMH: Re kč 300 100 + 3 40 11,65 MPa 150 MPa VYHOVUJE σ DO + 3 τ DS (8.13) Re σ RED - mez kluzu pro materiál 11600 dle [9], str. 34 - redukované napětí podle podmínky HMH 8..4 Kontrola čepu uchycení na otlačení Z materiálové charakteristiky materiálu 11600 je dán dovolený tlak na otlačení pdov = 45 MPa. Volím předběžnou šířku styku mezi bočním uchycením a čepem TU = 0 mm 8
QcU QcU pu = = pdov S pu d ču TU (8.14) 10090 = 31,5 80 0 pu = 31,5 MPa 45 MPa VYHOVUJE pu = pdov - dovolený tlak na otlačení [9], str. 54 pu - tlak ve styku čepu a uchycení TU - šířka uchycení pod čepem s pu [mm ] 8.3 - styčná plocha čepu na bočním uchycení Čep vyrovnávací kladky V uchycení vyrovnávací kladky je umístěn čep pro otáčení vyrovnávací kladky. Na čep působí síla QcV, která je rovna polovině celkového zatížení Qc. 8.3.1 Výpočet průměru čepu vyrovnávací kladky Obr. 8.4 Průběh napětí na čepu vyrovnávací kladky 9
Ohybový moment Předběžně volím výpočtovou délku čepu l čv = 90 mm QcV l čv 4 100 90 90 = = 70 700 4 = 70 700 Nmm V M oč = V M oč V Moč (8.15) QcV [N] - zatížení čepu vyrovnávací kladky l čv - výpočtová délka čepu vyrovnávací kladky V M oč [Nmm] - maximální ohybový moment působící na čep vyrov. kladky Dovolené napětí v čepu Z materiálové charakteristiky oceli 11 600 je dáno napětí v ohybu σ O = 00 MPa. Pro čep volím bezpečnost k č =. σ DO = σo kč 00 = 100 = 100 MPa σ DO = σ DO (8.16) σ O - napětí v ohybu dle [9] str. 54 kč - bezpečnost čepu σ DO - dovolené napětí v ohybu Průměr čepu - vycházím z rovnice : σ O = V V M oč M oč = W očv π d čv 3 ( ) 3 σ DO z toho plyne 30
d čv = 3 V 3 M oč π σ DO d čv = 3 3 70 700 = 61,3837 π 100 (8.17) d čv = 61,3837mm d čv - - nejmenší dovolený průměr čepu kladky vyrov. kladky volím průměr čepu na nejbližší vyšší s ohledem na průměr ložiska d čv = 65 mm 8.3. Kontrola čepu na střih Dovolené napětí na střih Z materiálové charakteristiky oceli 11 600 je dáno napětí ve střihu τ S = 80 MPa. Pro čep volím bezpečnost k č =. τ DS = τs kč 80 = 40 = 40 MPa τ DS = τ DS (8.18) τ S τ SD - dovolené napětí ve střihu kč - bezpečnost čepu - napětí ve střihu dle [9], str. 55 Kontrola čepu vyrovnávací kladky na střih QcV QcV QcV = = V SsV π dč π dčv 10090 = = 15,1 π 65 = 15,1MPa τ ts = τ ts τ ts ( ) ( ) (8.19) Podmínka: τ ts τ DO 15,1MPa 40MPa VYHOVUJE 31
SsV - střižná plocha čepu vyrov. kladky τ td - vypočtené napětí ve střihu Kontrola podmínky HMH Z materiálových charakteristik pro ocel 11 600 je mez kluzu R e = 300 MPa σ DO + 3 τ DS σ RED HMH: Re kč 300 100 + 3 40 11,65 MPa 150 MPa VYHOVUJE σ DO + 3 τ DS (8.0) Re σ RED - mez kluzu pro materiál 11600 dle [9], str. 34 - redukované napětí podle podmínky HMH 8.3.3 Kontrola čepu vyrovnávací kladky na otlačení Z materiálové charakteristiky materiálu 11600 je dám dovolený tlak na otlačení pdov = 45 MPa. Volím předběžnou šířku styku mezi bočním uchycením kladky a čepem TV = 0 mm QcV QcV pv = = pdov S pv d čv TV (8.1) 10090 = 38,81 65 0 pv = 38,81MPa 45 MPa VYHOVUJE pv = pdov - dovolený tlak na otlačení [9], str. 54 pv TV s pv - tlak ve styku čepu a uchycení kladky - šířka uchycení kladky pod čepem - styčná plocha čepu na vyrov. kladce 3
9 Kladnice Obr. 9.1 Kladnice 9.1 Bočnice Obr. 9. bočnice kladnice - volím materiál bočnic kladnice 11 373 dle [9] str. 33 9.1.1 Kontrola na otlačení Obr.9.1 Kontrola kladnice na otlačení 33
Styčná plocha pro otlačení Sbo = Tkl dčk Sbo = 5 65 = 1 65 (9.1) Sbo = 1 65 mm Tkl S bo - šířka bočnice pod čepem - styčná plocha v kladnici pro otlačení Kontrola na otlačení Z materiálové charakteristiky materiálu 11 373 je dán dovolený tlak na otlačení pdov = 40 MPa. Podmínka: pb pdov Qckl = Qckl p pb = DOV S bo S bo (9.) 100 90 = 31,05 1 65 pb = 31,05 MPa 40 MPa VYHOVUJE pb = pdov - dovolený tlak na otlačení [9], str. 54 pb - tlak na otlačeni mezi čepem a bočnicí kladnice 9.1. Kontrola na tah Obr. 9. Kontrola kladnice na tah 34
Dovolené napětí v tahu Z materiálových charakteristik oceli 11 373 je napětí v tahu σ t = 15 MPa. Bezpečnost bočnic kladnice volím k b =,5 σ td = σt kb 15 = 50,5 = 50 MPa σ td = σ td (9.3) σ t σ td - dovolené napětí v tahu kb - bezpečnost bočnice - napětí v tahu dle [9], str. 54 Kontrola bočnice na tah Plocha bočnice kontrolovanou na tah S b je vypočtená, z předběžného modelu, pomocí programu Solidworks. σ b σ td Podmínka: Qckl = Qckl σ td Sb Sb σb = (9.4) 100 90 = 4,7 1 360 σ b = 4,7 MPa 50 MPa VYHOVUJE σb = Sb - plocha bočnice kladnice na tah σb - napětí v tahu bočnice kladnice 35
10 Vyrovnávací kladka Obr. 10.1 Řešení uchycení vyrovnávací kladky 10.1 Bočnice Obr. 10. Bočnice uchycení - volím materiál bočnic kladky 11 373 dle [9] str. 33 10.1.1 Kontrola na otlačení Styčná plocha pro otlačení Sbv = TV dčv Sbv = 0 65 = 1 300 (10.1) Sbv = 1 300 mm TV - šířka uchycení pod čepem 36
S bv - styčná plocha pro otlačení bočnice vyrov. kladky Kontrola na otlačení Z materiálové charakteristiky materiálu 11 373 je dán dovolený tlak na otlačení pdov = 40 MPa. Podmínka: pv pdov QcV QcV pv = = pdov Sbv Sbv (10.) 100 90 = 38,81 1300 pv = 38,81MPa 40 MPa VYHOVUJE pv = pdov - dovolený tlak bočnice vyrov. kladky [9], str. 54 pv - tlak ve styku uchycení a čepu kladky 10.1. Kontrola na tah Dovolené napětí v tahu Z materiálových charakteristik oceli 11 373 je napětí v tahu σ t = 15 MPa. Bezpečnost bočnic kladnice volím k b =,5 σ td = σt kv 15 = 50,5 = 50 MPa σ td = σ td (10.3) σt - napětí v tahu dle [9], str.54 kv - bezpečnost bočnice vyrov.kladky - dovolené napětí v tahu σ td 37
Kontrola na tah Plocha bočnice vyrovnávací kladky kontrolovanou na tah SV je vypočtená, z předběžného modelu, pomocí programu Solidworks. σ V σ td Podmínka: QcV Q σ V = = cv σ td SV SV (10.4) 100 90 = 4,05 100 σ V = 4,4MPa 50 MPa VYHOVUJE σv = SV σv - plocha bočnice vyrov. kladky na tah - napětí v tahu bočnice vyrov. kladky 10. Uchycení Obr. 10.3 Uchycení vyrovnávací kladky do rámu manipulátoru - volím materiál bočnic uchycení 11 373 dle [9] str. 33 10..1 Kontrola na otlačení Styčná plocha pro otlačení SbU = Tu d ču SbU = 0 80 = 1600 (10.5) SbU = 1600 mm TU - šířka uchycení pod čepem 38
S bu - styčná plocha pro otlačení v uchycení Kontrola na otlačení pu pdov Podmínka: QcU QcU pu = = pdov Sbu Sbu (10.6) 100 90 = 31,5 1600 pu = 31,5 MPa 40 MPa VYHOVUJE pu = pdov - dovolený tlak na stykové plochy bočnice uchycení [9], str.54 pu - tlak na otlačení v uchycení 10.. Kontrola na tah Dovolené napětí v tahu Z materiálové charakteristiky materiálu 11 373 je napětí v tahu bočnice σ t = 15 MPa. Bezpečnost bočnice volím k U =,5 σ td = σt ku 15 = 50,5 = 50 MPa σ td = σ td (10.7) σt - napětí v tahu dle [3], str.54 ku - Bezpečnost uchyceni σ td - dovolené napětí v tahu Kontrola na tah Plocha uchycení kontrolovanou na tah SU je vypočtená, z předběžného modelu, pomocí programu Solidworks. Podmínka: σ U σ td 39
QcU Q σ U = = cu σ td SU SU (10.8) 10190 = 4,4 100 σ U = 4,4MPa 50 MPa VYHOVUJE σu = SU σ U - plocha uchycení namáhaná na tah - napětí v tahu uchycení 11 Volba ložiska Pro daný typ kladkostroje volím do kladek kuličková ložiska, s těsněním z obou stran, vyplněné plastickým mazivem, pro bez údržbový provoz. V každé kladce (vodící i vyrovnávací) budou dvoje ložiska umístěna symetricky, aby docházelo Q k rovnoměrnému zatížení obou ložisek. Na každou z kladek působí sila c. Jelikož mají kladky jednotné průměry čepů a zároveň zatížení, proto provedu výběr a kontrolu jednoho typu ložiska. 11.1 Volba radiálních ložisek Zatížení ložisek od kladek je pouze radiální. Každá z kladek bude obsahovat dvě radiální ložiska. Na každé ložisko působí poloviční síla, která působí na kladku. Pro otáčky ložiska n < 10 m s 1 je ložisko počítáno pouze na statickou únosnost C 0 Vypočet proveden dle katalogu SKF [6]. Radiální zatížení ložiska Qc Q Fr = = c 4 01 840 Fr = = 50 460 4 Fr = 50 460 N (11.1) Fr [N] - radiální síla působící na ložisko Ekvivalentní statické zatížení P0 = Fr P0 = 50 460 N = 50,46 kn 40
P0 [N] - ekvivalentní statické zatížení ložiska Volím kuličková ložiska od Firmy SKF [5], str. 340 se základní statickou únosností C 0 = 60 kn Označení ložiska: 6313 RS1/LHT3 Hlavní rozměry: d D B = 65 mm =140 mm = 33 mm Obr. 11.1 Ložisko 6313 RS1 [5], str. 340 11. Statická kontrola s0 = C0 = P0 60 = 1,19 50,46 s 0 = 1,19 s0 = (11.) Dle [6] str. 77, tab. 10 volím s 0t = 1, pak s 0 s 0 t VYHOVUJE C0 [kn] - základní statická únosnost ložiska s0 - statická bezpečnost ložiska s 0t - statická bezpečnost ložiska dle SKF [6], str. 77, tab. 10 41
1 Závěr V této bakalářské práci bylo navrženo konstrukční řešení zvedacího zařízení pro zdvih dané lodi. Nejprve byl vyřešen způsob lanování kladkostroje. Ze 3 typu byl vybrán typ C. Tento typ lanování byl vyhovující pro svůj vyšší lanový převod a menší prostorové nároky kladnice v podélném směru manipulátoru. Dále jsem se zabýval vektorovým rozkladem hmotnosti plachetnice do jednotlivých kladkostrojů. Bylo ověřeno, že největší zatížení od plachetnice je v horní poloze kladkostroje. Jako nosný prvek bylo použito lano typu seal křížově pletené s umělou vložkou lana. Výpočet byl proveden podle čsn. Kladky v kladkostroji byly vypočteny typy a to vodící a vyrovnávací. S ohledem na životnost lana jsem volil rozměr kladek stejný podle vetší kladky. Pro navíjení lana byl zvolen hydraulický lanový naviják od firmy DINAMIC OIL. Toto řešení je příznivé pro svoji schopnost regulace otáček a výkonu navíjení lana na buben. Jako další částí bakalářské práce byl pevnostní výpočet a kontrola použitých čepů na kladnici pro kladky, čepu pro vyrovnávací kladku a čepu pro uchycení vyrovnávací kladky. Čep pro traverzu nebyl cílem řešení této práce. Čepy byly počítány na ohyb, smyk, otlačení a byla provedena kontrola podmínky HMH. Dále byla provedena kontrola bočnic kladnice na tah a otlačení v místě styku s čepem. Obdobná kontrola byla provedena i pro bočnice u vyrovnávací kladky a na uchycení vyrovnávacích kladek. Pro uchycení volného konce lana byl zvolen vázací bod DSS pro nosnost 10 t. Tímto vázacím bodem je provléknuto lano s očnicí a je zajištěno hliníkovou objímkou proti uvolnění lana. Pro styk čepu a kladky byly vybrány kuličková ložiska vyplněná plastickým mazivem a oboustranným krytím od firmy SKF. Tyto ložiska jsou vhodná pro bezúdržbový provoz a venkovní použití. Cílem práce bylo navrhnout řešení konstrukce zdvihacího zařízení pro manipulátor lodi a zhotovení požadované výkresové dokumentace, čehož bylo dosaženo. Řešení práce tedy vyhovuje zadání požadavkům a cílům práce. Obr. 1 Kladkostroj 4
13 Seznam použitých zdrojů [1] ČSN 7 0100. Výpočet ocelových lan pro jeřáby a zdvihadla, Praha 10 Hostivař, ÚNM, 1978, 8.s, N 16 90 [] ČSN 7 180. Kladky a bubny pro ocelová lana, Praha, Vydavatelství úřadu pro vynálezy a normalizaci, 1957, 9 s., ČSST 9681-58 [3] Katalog Pavlínek s.r.o. Speciální lana DIEPA, 7 s., dostupný na WWW: <http://www.pavlinek.cz/assets/download/katalogy/lana_retezy_komponenty/3.pdf> [4] Katalog Dinamic oil - Hydraulic Winches S80, 1 s., dostupný na WWW: <http://www.dinamicoil.it/files/s80(1).pdf> [5] Katalog SKF Kuličková ložiska, 118 s., dostupný na WWW: <http://www.skf.com/files/515051.pdf> [6] Katalog SKF Určení velikosti ložiska, 38 s., dostupný na WWW: <http://www.skf.com/files/515039.pdf> [7] Katalog Pavlínek s.r.o. Vázací bod DSS, 3 s., dostupný na WWW: <http://www.vazaky-online.cz/db/files/g690005937_dss_final.pdf> [8] Katalog Pavlínek s.r.o. - Hliníkové objímky DIN 3093-A, 1 s., dostupný na WWW: <http://www.vazaky-online.cz/hlinikove-objimky-din-3093-a_g690006111.html> [9] LEINVEBER, Jan, VÁVRA, Pavel. Strojnické tabulky.. dopl. vyd. Úvaly: Albra, 005. 907 s. ISBN 80-7361-011-6. [10] SVOBODA, Pavel, BRANDEJS, Jan, PROKEŠ, František. Základy konstruování. 3. přeprac. vyd. Brno : Akademické nakladatelství CERM, 005. 0 s. ISBN 80-704-40-. [11] SOBEK, Evžen, et al. Základy konstruování: Návody pro konstrukční cvičení. 6. přeprac. vyd. Brno : Akademické nakladatelství CERM, 004. 53 s. ISBN 80-704331-5. [1] NAUTICEXPO. TROLLIFT 30 ADVANCE CROSS BEAM [online]. 006 [cit. 009-010]. Dostupný z WWW: <http://www.nauticexpo.com/prod/paolo-de-nicola/travel-lift-3347115977.html> 43
14 Seznam použitých zkratek a symbolů k M oč maximální ohybový moment působící na čep kladnice [Nmm] U M oč maximální ohybový moment působící na čep uchycení [Nmm] maximální ohybový moment působící na čep vyrovnávací kladky [Nmm] V oč M kv kb kč ku bezpečnost bočnice vyrovnávací kladky bezpečnost bočnice bezpečnost čepu Bezpečnost uchycení ηc celková účinnost lanového převodu LL Fdov délka lana kladkostroje dovolená síla v laně (max. zatížení lana) σ DO σ td τ DS dovolené napětí v ohybu dovolené napětí v tahu dovolené napětí ve střihu pdov dovolený tlak na otlačení P0 g mb m kl ml mp ekvivalentní statické zatížení ložiska gravitační zrychlení hmotnost břemene (lodi) hmotnost od kladek, traverzy a ostatních částí hmotnost od lana hmotnost plachetnice [N] [m.s-] [kg] [kg] [kg] [kg] m bh hmotnost zvedaná kladkostrojem horní poloze [kg] mbd hmotnost zvedaná kladkostrojem v dolní poloze [kg] Db jmenovitý průměr bubnu DKvd jmenovitý průměr kladky(vodící) DKvv dl Re jmenovitý průměr kladky(vyrovnávací) jmenovitý průměr lana mez kluzu σo σt σb σv σu σu τs napětí v ohybu napětí v tahu bočnice napětí v tahu bočnice kladnice napětí v tahu bočnice vyrovnávací kladky napětí v tahu uchycení napětí v tahu uchycení napětí ve střihu [m] [N] d k č nejmenší dovolený průměr čepu kladky na kladnici d V č nejmenší dovolený průměr čepu kladky vyrovnávací d U č nejmenší dovolený průměr čepu uchycení 44
Dvd nejmenší dovolený průměr lanové kladky (vodící) Dvv Sb nejmenší dovolený průměr lanové kladky (vyrovnávací) plocha bočnice na tah SV ik Fr plocha bočnice vyrov. kladky na tah převodový poměr kladkostroje radiální síla působící na ložisko redukované napětí podle podmínky HMH síla v laně součinitel závislý na druhu kladky [N] [N] součinitel závislý na druhu kladky(vodící) s0 součinitel závislý na druhu kladky(vyrovnávací) statická bezpečnost ložiska s 0t statická bezpečnost ložiska dle SKF Sskl střižná plocha čepu kladnice SsU střižná plocha čepu uchycení SsV střižná plocha čepu vyrovnávací Kladky S pu styčná plocha čepu na bočním uchycení S pkl styčná plocha čepu na kladnici S pv styčná plocha čepu na vyrovnávací kladce Sbv styčná plocha pro otlačení bočnice vyrov. Kladky S bv styčná plocha pro otlačení bočnice vyrovnávací Kladky S bu styčná plocha pro otlačení v uchycení Sbo styčná plocha v kladnici pro otlačení Tkl TV TU šířka bočnice kladnice pod čepem šířka bočnice u vyrovnávací kladky pod čepem šířka uchycení pod čepem Lo technická délka lana pb tlak na otlačení mezi čepem a bočnicí kladnice pkl pv pu tlak ve styku čepu a kladnice tlak ve styku čepu a uchycení kladky tlak ve styku čepu a uchycení η1 αd αh τ ts účinnost jedné kladky úhel vyklonění v dolní větvi [ ] úhel vyklonění v horní větvi vypočtené napětí ve střihu [ ] l čkl výpočtová délka čepu kladnice l ču výpočtová délka čepu uchycení l čv výpočtová délka čepu vyrovnávací kladky Ld výška zdvihu kladnice v dolní poloze od mola σ RED FL αb α vd α vv [m] [m] 45
Lh C0 výška zdvihu kladnice v horní poloze od mola základní statická únosnost ložiska [m] [kn] Qckl zatížení čepu kladnice [N] QcU zatížení čepu uchycení [N] QcV zatížení čepu vyrovnávací kladky [N] Qc zatížení kladkostroje [N] QB Qkl QL b H H kl m n U z zatížení od břemene (lodi) zatížení od kladek, traverzy a ostatních prvků zatížení od lana počet navíjených konců lana délka zdvihu ve vykloněném směru délka zdvihu ve směru ve svislé poloze bezpečnost lana počet nosných průřezů lana počet nosných průřezů lana v jedné větvi únosnost lana (předběžná) počet větví lanového převodu [N] [N] [N] [m] [m] [N] 46
15 Seznam příloh Příloha 1 plachetnice Příloha zatížení Příloha 3 lano Příloha 4 hydraulický naviják 16 Seznam výkresové dokumentace KLADKOSTROJ KLADNICE KLADKA UCHYCENÍ BOČNICE BOČNICE - ZÁKLADNA UCHYCENÍ BOČNICE ROZPĚRNÝ KROUŽEK 65x5 ROZPĚRNÝ KROUŽEK 65x9,5 ROZPĚRNÝ KROUŽEK 65x14,5 PŘÍLOŽKA ROZPĚRA - 5x90 ČEP VYROVNÁVACÍ KLADKA ČEP KLADKA BOČNICE PŘÍLOŽKA 10 BOČNICE PŘÍLOŽKA 160 UCHYCENÍ TRUBKA ČEP UCHYCENÍ KUSOVNÍK KUSOVNÍK list 1/ KUSOVNÍK list / 1-3P-00-00-08/09 1-3P-0-00-08/09-3P-0-0-08/09-3P-03-00-08/09-3P-0-01-08/09-3P-01-001-08/09 3-3P-03-01-08/09 4-3P-0-07-08/09 4-3P-0-08-08/09 4-3P-06-01-08/09 4-3P-0-06-08/09 4-3P-0-05-08/09 4-3P-04-01-08/09 4-3P-0-04-08/09 4-3P-0-00-08/09 4-3P-0-003-08/09 4-3P-03-0-08/09 4-3P-05-01-08/09 4-3P-0-00-08/09 4-3P-00-00-08/09 4-3P-00-00-08/09 47