VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF SLOUPOVÝ JEŘÁB TITLE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR JIŘÍ AULEHLA DOC. ING. JIŘÍ MALÁŠEK, PH.D. BRNO 013
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav automobilního a dopravního inženýrství Akademický rok: 01/013 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Jiří Aulehla který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Stavba strojů a zařízení (30R016) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Jeřáb sloupový v anglickém jazyce: Derrick crane Stručná charakteristika problematiky úkolu: Navrhněte konstrukci sloupového jeřábu včetně důležitých pevnostních výpočtů dle zadaných parametrů: Délka vyložení ramene 5000mm Výška zdvihu 6800mm Nosnost 100kg Proveďte rozbor výběru vhodného kladkostroje - výrobci, parametry, ceny. Cíle bakalářské práce: Vypracovat technickou zprávu s rozborem konstrukce, s výběrem vhodného kladkostroje a s důležitými pevnostními výpočty. Nakreslit konstrukční výkres sestavy sloupového jeřábu dle zadaných parametru, detailní výkres sloupu.
Seznam odborné literatury: 1. Gajdušek, J., Škopán, M.: Teorie dopravních a manipulačních zařízení.. Remta, F., Kupka, L., Dražan. F.: Jeřáby. 3. Cvekl, Z., Dražan. F.: Teoretické základy transportních zařízení. 4. Jančík, L.: Části a mechanismy strojů, ČVUT Praha, 004. 5. Klimeš, P.: Části a mechanismy strojů I, II, VUT Brno 003. Vedoucí bakalářské práce: doc. Ing. Jiří Malášek, Ph.D. Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 01/013. V Brně, dne 19.11.01 L.S. prof. Ing. Václav Píštek, DrSc. Ředitel ústavu prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c. Děkan fakulty
ABSTRAKT, KLÍČOVÁ SLOVA ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá návrhem konstrukce sloupového jeřábu s délkou vyložení ramene 5000 mm, výškou zdvihu 6800 mm a nosností 100 kg. Práce obsahuje návrh hlavních nosných prvků jeřábu, důležité pevnostní výpočty a výběr vhodného kladkostroje. Součástí práce je také výkresová dokumentace obsahující celkovou sestavu a detailní výkres sloupu. KLÍČOVÁ SLOVA Sloupový jeřáb, řetězový kladkostroj, výložník, sloup, konstrukce, pevnostní výpočet ABSTRACT This bachelor thesis deal with construction design of derrick crane. Lining length is 5000 mm, lift height 6800 mm and crane capacity 100kg. The thesis contains proposals for major structural elements, strength calculations and selection of suitable hoist. Involves also drawings in the form of a crane assembly and detailed drawing of arm. KEYWORDS Derrick crane, chain hoist, boom arm, pillar, construction, strength calculation BRNO 013
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE BIBLIOGRAFICKÁ CITACE AULEHLA, J. Sloupový jeřáb. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 013. 64 s. Vedoucí diplomové práce Doc. Ing. Jiří Malášek, PH.D.. BRNO 013
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením Doc. Ing. Jiřího Maláška, PH.D. a s použitím literatury uvedené v seznamu. V Brně dne 4. května 013..... Jiří Aulehla BRNO 013
PODĚKOVÁNÍ PODĚKOVÁNÍ Rád bych zde poděkoval vedoucímu mé bakalářské práce panu Doc. Ing. Jiřího Maláška, PH.D. za jeho odborné rady a cenné připomínky při psaní práce. BRNO 013
OBSAH OBSAH Úvod... 10 1 Rozdělení sloupových jeřábů... 11 1.1 Sloupový jeřáb s horní podpěrou... 11 1. Sloupový jeřáb s konzolovým výložníkem ve dvou protilehlých ložiscích... 11 1.3 Sloupový s konzolovým výložníkem a opěrnými kroužky na spodní části podpěry. 1 Zadání... 13.1 Cíl práce... 13. Zadání páce... 13 3 Volba jeřábu... 14 3.1 Charakteristika provozu... 14 3. Výběr vhodného kladkostroje... 14 4 Návrh hlavních částí ocelové konstrukce... 18 4.1 Metodika použitého výpočtu... 18 4. Volba základních součástí ocelové konstrukce... 18 4..1 Výložník... 18 4.. Sloup... 18 4..3 Podpěra... 19 4.3 Stanovení součinitelů zatížení... 19 4.3.1 Stálá zatížení... 19 4.3. Nahodilá zatížení... 19 4.4 Výpočet kombinací zatížení... 0 4.4.1 Vyhodnocení základních kombinací zatížení... 8 4.4. Vyhodnocení mimořádných kombinací zatížení... 9 4.4.3 Vyhodnocení zatížení pro posouzení ocelové konstrukce při únavě... 9 4.5 Výpočet silových působení... 30 4.5.1 Výpočet zatěžující síly F... 30 4.5. Klasifikace vazeb... 31 4.5.3 Kinematický rozbor... 31 4.5.4 Uvolnění... 3 4.5.5 Statický rozbor... 3 4.5.6 Statické podmínky pro silovou rovnováhu obou členů... 33 4.6 Výsledné vnitřní účinky... 34 4.6.1 VVÚ ramene... 34 4.6. VVÚ sloupu... 36 5 Volba komponent jeřábu... 38 BRNO 013 8
OBSAH 5.1 Návrh sloupu z hlediska mezního stavu pružnosti... 38 5. Návrh ramene z hlediska mezního stavu pružnosti... 39 5.3 Návrh podpěry z hlediska mezního stavu pružnosti... 40 5.4 Volba ložiska v bodě B... 41 5.5 Volba ložiska v bodě A... 43 5.6 Ukotvení sloupu jeřábu... 44 6 Kontrolní výpočet... 47 6.1 Kontrola přetvoření konstrukce... 47 6.1.1 Výložník... 47 6.1. Sloup... 48 6.1.3 Celkové přetvoření... 49 6. Výpočet doby útlumu při rozkmitání konstrukce... 50 6.3 Svary... 53 6.3.1 Svar spojující podpěru a výložník... 53 6.3. Stanovení výpočtových pevností a dovolených napětí na svar... 55 6.3.3 Svar spojující čep a výložník... 57 Závěr... 58 Seznam použitých zkratek a symbolů... 60 Seznam příloh... 64 BRNO 013 9
ÚVOD ÚVOD Můžeme se jen domnívat, kdy se datují počátky vzniku prvních zařízení připomínajících jeřáb. S vývojem člověka stále více stoupají požadavky na techniku a usnadnění práce, například právě při přemisťování těžkých a velkým břemen, která by mnohdy bez použití techniky bylo přesunout nemožné. I tato zařízení prošla svým vývojem od ručních či zvířecích pohonů až k celkové elektrifikaci, kdy je jejich ovládání zcela nenáročné. V dnešní době máme na výběr velké množství druhů jeřábu pro použití ve stavebnictví, strojírenské praxi nebo jiných oborech kde jsou zapotřebí. Jedna z možných definic jeřábu je: Zařízení, které slouží pro přesun materiálu ve vodorovném nebo svislém směru v podmínkách, kde je hmotnost nebo pracovní vytížení pro člověka náročné či nemožné. V této práci se budu zabývat návrhem sloupového jeřábu dle vstupních zadaných parametrů. Sloupové jeřáby se používají nejčastěji ve strojírenské praxi pro manipulaci s těžkými břemeny na jednotlivých pracovištích. Jejich velkou výhodou je minimální plocha pro upevnění, které se nejčastěji provádí na podlahu pomocí roznášecí desky nebo na samostatný betonový základ. Hlavní části tvoří nosná konstrukce, ke které je připojeno otočné rameno s pojížděcím zařízením. Na Českém trhu dnes působí několik firem zabývajících se dodávkou sloupových jeřábů a doplňkového vybavení. Jsou to například firma Iteco nebo Giga. BRNO 013 10
ROZDĚLENÍ SLOUPOVÝCH JEŘÁBŮ 1 ROZDĚLENÍ SLOUPOVÝCH JEŘÁBŮ Každý výrobce značí jednotlivé tipy sloupových jeřábů jinak, ale z hlediska uložení výložníku jsou stejné. Dále se mohou lišit ukotvením sloupu, materiály nebo tipů podpěr, to už záleží na jednotlivých výrobcích a na požadavcích zákazníka. 1.1 SLOUPOVÝ JEŘÁB S HORNÍ PODPĚROU Mají relativně nízkou vlastní hmotnost, rozsah otáčení bývá do 70, standardně se dělá vyložení ramene do 5m a nosnost do 1000 kg. Výložník bývá vyroben z dutých profilů [6]. Obr. 1 Sloupový jeřáb s horní podpěrou [7] 1. SLOUPOVÝ JEŘÁB S KONZOLOVÝM VÝLOŽNÍKEM ULOŽENÝM VE DVOU PROTILEHLÝCH LOŽISCÍCH Má větší výšku zdvihu oproti tipu s horní podpěrou. Rozsah otáčení do 70, vyložení ramene do 5m a nosnost do 000 kg. Výložník je vyroben z plnostěnného profilu [6]. Obr. Sloupový jeřáb s konzolovým výložníkem uloženým ve dvou protilehlých ložiscích [7] BRNO 013 11
ROZDĚLENÍ SLOUPOVÝCH JEŘÁBŮ 1.3 SLOUPOVÝ S KONZOLOVÝM VÝLOŽNÍKEM A OPĚRNÝMI KROUŽKY NA SPODNÍ ČÁSTI PODPĚRY Rozsah otáčení 360 zajištěn pomocí ložiskové kapsy se dvěma odvalovacími koly. Výložník vyroben s plnostěnného profilu. Má největší nosnost, až do 4000 kg [6]. Obr. 3 Sloupový jeřáb s konzolovým výložníkem a opěrnými kroužky na spodní části podpěry [7] BRNO 013 1
6800 ZADÁNÍ ZADÁNÍ.1 CÍL PRÁCE Vypracovat technickou zprávu s rozborem konstrukce, s výběrem vhodného kladkostroje a s důležitými pevnostními výpočty. Nakreslit konstrukční výkres sestavy sloupového jeřábu dle zadaných parametrů, detailní výkres sloupu.. ZADÁNÍ PÁCE Navrhněte konstrukci sloupového jeřábu včetně důležitých pevnostních výpočtů dle zadaných parametrů: Délka vyložení ramene: 5000mm Výška zdvihu: 6800mm Nosnost: 100kg Proveďte rozbor výběru vhodného kladkostroje - výrobci, parametry, ceny. 5000 m max = 100 kg Obr. 4 Zakreslení zadaných parametrů [7] BRNO 013 13
VOLBA JEŘÁBU 3 VOLBA JEŘÁBU Z důvodů velkého vyložení a výšky, bude jeřáb použit spíše ve větších prostorách, kde by byla škoda, aby nepokrýval celých 360 a proto volím variantu jeřábu s konzolovým výložníkem a opěrnými kroužky na spodní části podpěry. Úhel otočení 360 bude zajištěn pomocí kroužkového sběrače, výložník typu IPE. Kladkostroj bude s elektrickým pojezdem a otáčení ramene bude zajištěno tlačením břemene zavěšeného na jeřábové kočce. Sloup bude ukotven pomocí kotevních šroubů do betonového základu. 3.1 CHARAKTERISTIKA PROVOZU Stanovení dle [4] Druh provozu jeřábu..d Zdvihová třída jeřábu..h Provozní skupina jeřábu..j4 Spektrum napětí..s1 3. VÝBĚR VHODNÉHO KLADKOSTROJE Na trhu je dnes k dostání nepřeberná škála kladkostrojů s ručním nebo elektrickým pojezdem. Zaměřil jsem se na výběr řetězového kladkostroje, jako hlavní kritéria jsem uvažoval: Nosnost kladkostroje Rychlost zdvihu a pojezdu Hmotnost kladkostroje a pojezdu Cena Nabídka příslušenství Po zpracování nabídek od firem jsem zpracoval tabulku srovnání jednotlivých kladkostrojů [Tab. 1] a vybral řetězový kladkostroj od firmy ABUS s označením GM 8 150.8-1 / EF kde jednotlivé údaje značí [8]: GM konstrukční třída 8 velikost modelu 150. nosnost v kg 8 rychlost hlavního zdvihu m/min 1 počet zátěžových pramenů EF pojezdové ústrojí kde EF je druh konstrukce a značí konstrukční velikost BRNO 013 14
VOLBA JEŘÁBU PARAMETRY KLADKOSTROJE A POJEZDOVÉHO ÚSTROJÍ [8] Provozní napětí 400V, 50Hz, 3Ph) Provozní skupina - 3m/M6 Odhadovaná životnost ve středním provozu D h = 1500 hod. Rychlost zdvihu 1,3/8 m/min Výkon motoru zdvihu 0,33/ kw Výkon motoru pojezdu 0,06/0,5 kw Rychlost pojezdu 5/0 m/min Obr. 7 Kladkostroj ABUS bez pojezdového ústrojí [9] BRNO 013 15
VOLBA JEŘÁBU Rozměry ústrojí (Obr. 8) o BPR = 170 mm o LW = 377 mm o LE = 39 mm o LC = 338 mm o C1 = 63 mm o LR = 335 mm Obr. 8 Rozměry kladkostroje GM.8 s pojezdovým ústrojím EF [8] DALŠÍ DOPLŇKOVÉ VYBAVENÍ [8] Počítadlo provozních hodin Rádiové ovládání Mini RC Napájení pro kladkostroj Upínací nárazníky ABUS BRNO 013 16
Tabulka 1 Srovnání vybraných kladkostrojů VOLBA JEŘÁBU BRNO 013 17
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE 4 NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE 4.1 METODIKA POUŽITÉHO VÝPOČTU Jedná se o předběžný návrh hlavních dílu jeřábu, dle kterých jsou spočítány potřebné síly a momenty v kapitole 5. Dále jsou navrženy komponenty podle mezního stavu pružnosti za použití již vypočtených silových působení. 4. VOLBA ZÁKLADNÍCH SOUČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE 4..1 VÝLOŽNÍK Zvolena tyč o průřezu IPE 360 dle DIN 105-5. Z konstrukčního materiálu 1.0553, který odpovídá materiálu 11 53.0 výrobce Ferona [10]. Výška průřezu Šířka příruby Poloměr zaoblení Tloušťka stojiny Tloušťka příruby Hmotnost Plocha průřezu Průřezový modul k ose X Průřezový modul k ose Y h v = 360 mm b v = 170 mm R v = 18 mm t1 = 8 mm t = 1,7 mm m v = 57,1 kg/m A v = 7 70 mm W x = 904 cm 3 W y = 13 cm 3 4.. SLOUP Obr. 9 Výložník Zvolený sloup z bezešvé trubky vyráběné válcováním dle ČSN 4 5715. Materiál zvolen 11. 53. Výrobce Zacha Brno [11]. Vnější průměr Tloušťka stěny Hmotnost Průřezový modul Plocha průřezu Moment setrvačnosti Ds = 355,6 mm Ts = 0 mm ms = 166 kg/m Ws = 91,45cm 3 As = 10 857 mm Is = 16 34 900 mm 4 Obr. 10 Sloup BRNO 013 18
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE 4..3 PODPĚRA Je navržena ze stejného průřezu i materiálu jako výložník. IPE 360, výrobce Ferona [10]. 4.3 STANOVENÍ SOUČINITELŮ ZATÍŽENÍ Při výpočtu ocelových konstrukcí jeřábů se podle doby trvání a podle změn velikosti, polohy nebo smyslu a směru působení, rozeznávají zatížení a účinky zatížení stálých, nahodilých a mimořádných, na jejichž kombinace se ocelové konstrukce posuzují [4, str. 7]. Stanoveno dle [4, str. 7-3] 4.3.1 STÁLÁ ZATÍŽENÍ Zahrnují zatížení od vlastní hmotnosti, elektrická výbava a jiné součásti, které nemění svoje působení na konstrukci [4]. SOUČINITEL ZATÍŽENÍ OD VLASTNÍ HMOTNOST 1,1 g 4.3. NAHODILÁ ZATÍŽENÍ Zahrnují zatížení od jmenovitého břemena, stálého břemena, vlastní hmotností pohybujících se součástí a zatížení od setrvačných sil [4]. SOUČINITEL ZATÍŽEN OD JMENOVITÉHO BŘEMENA 10 1,3 ZDVIHOVÝ DYNAMICKÝ SOUČINITEL 1,15 0,15 v h 1,15 0,150,06 h 1,16 h h (1) Kde: v h [ m s 1 ] zdvihová rychlost kladkostroje DYNAMICKÝ SOUČINITEL OTÁČENÍ 1,1 t SOUČINITEL SETRVAČNÝCH SIL 1,1 i SOUČINITEL ZATÍŽENÍ OD NÁRAZU NA ZARÁŽKY 1,0 n BRNO 013 19
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE 4.4 VÝPOČET KOMBINACÍ ZATÍŽENÍ DLE [4, TAB 9, 10, 11 ] Výpočet ocelových konstrukcí jeřábů se provádí s uvážením všech nepříznivých kombinací účinků zatížení stálých, nahodilých a mimořádných. Kombinace se stanoví s ohledem na skutečnou možnost současného působení jednotlivých zatížení. Podle druhů v kombinaci uvažovaných zatížení se kombinace rozdělují na základní, mimořádné a pro posuzování ocelové konstrukce při únavě. [4], str. 0 ZATÍŽENÍ ZPŮSOBENÉ VLASTNÍ HMOTNOSTÍ m m m m kg g v kl P mg 316 74,8 103 m 493,8 kg g () Kde: m m m v kl p kg kg kg hmotnost výložníku hmotnost kladkostroje hmotnost podpěry Označení zatížení K m g N K K vm vm vm g 493,8 9,8 4844, N (3) Základní kombinace zatížení: 1. KZ m g N KZ KZ vm1 g g t vm1 vm1 vm g g vm vm 493,8 9,81,1 1,1 5861,5 N. KZ m g N KZ KZ 493,8 9,81,1 538,6 N (4) BRNO 013 0
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE Mimořádná kombinace zatížení: 1. KM m g N KM KM vm1 g g vm1 vm1 vm vm vm vm3 g g t vm3 vm3 493,8 9,81,1 538,6 N. KM m g N KM KM g 493,8 9,8 4844, N 3. KM m g N KM KM 493,8 9,81,1 1,1 5861,5 N (5) (6) (7) Kombinace zatížení pro posuzování ocelové konstrukce při únavě KU m g N KU KU vm1 g t vm1 vm1 493,8 9,81,1 538,6 N (8) ZATÍŽENÍ ZPŮSOBENÉ JMENOVITÝM BŘEMENEM Označení zatížení jb jb jb K m g N K K Kde: 100 9,8 11760 N (9) m kg hmotnost jmenovitého břemena Základní kombinace zatížení 1. KZ m g N KZ KZ jb1 10 jb1 jb1 jb 10 jb jb 100 9,81,3 1,16 17734,1 N. KZ m g N KZ KZ 100 9,81,3 1588 N h N N (10) (11) BRNO 013 1
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE Mimořádná kombinace zatížení 1. KM m g N KM KM jb1 10 jb1 jb1 jb jb jb 100 9,81,3 1588 N. KM 0,8 m g N KM KM 0,8 100 9,8 9408 N N N (1) (13) Kombinace zatížení pro posuzování ocelové konstrukce při únavě KU m g N KU KU ub1 ub1 ub1 100 9,81,16 h 13655,5 N N (14) ZATÍŽENÍ ZPŮSOBENÉ ODPADNUTÍM BŘEMENA Označení zatížení K 0,5 m g K K ob ob ob 0,5 100 1,16 9,8 3413,9 h (15) Základní kombinace zatížení KZ 0,5 m g N KZ KZ ob1 h 10 ob1 ob1 0,5 100 1,16 9,81,3 4438,0 N (16) ZATÍŽENÍ ZPŮSOBENÉ STÁLÝM BŘEMENEM Označení zatížení F m g [N] s s s s F 74,89,81 F 733,8 N (17) Kde: m s [kg] hmotnost stálého břemene BRNO 013
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE Základní kombinace zatížení 1. KZ F [N] KZ KZ sb1 s g h sb1 sb1 sb s g sb1 sb1 733,8 1,1 1,1 887,9 N. KZ F [N] KZ KZ 733,8 1,1 807, N (18) (19) Mimořádná kombinace zatížení 1. KM F [N] KM KM sb1 s g sb1 sb1 sb sb1 733,8 1,1 807,18 N. KM F [N] KM s 733,8 N (0) Kombinace zatížení pro posuzování ocelové konstrukce při únavě KU F N KU KU sb1 s h sb1 sb1 733,8 1,16 851, N (1) ZATÍŽENÍ ZPŮSOBENÉ SETRVAČNÝMI SILAMI OD JÍZDY KOČKY Označení zatížení k F 0,5 m m g N F F ik ik ik 0,5 100 74,8 9,80,14 874,5 N () Kde: Fik N maximální setrvačná síla od kočky součinitel tření Základní kombinace zatížení KZ F N KZ KZ jk1 ik i jk1 jk1 874,51,1 961,96 N (3) BRNO 013 3
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE Mimořádná kombinace zatížení KM F N KM KM jk1 ik i jk1 jk1 874,51,1 961,96 N (4) Kombinace zatížení pro posuzování ocelové konstrukce při únavě jk1 jk ik KU F N KU 1 874, 5N (5) ZATÍŽENÍ ZPŮSOBENÉ SETRVAČNÝMI SILAMI OD OTÁČENÍ VÝLOŽNÍKU Z požadavku na rychlost otáčení výložníku, který stanovuje rychlost za dobu 1 s. n rad s 60 1 60 0,1047 rad s 1 1 n -1 1 ot min a uvedení na tuto (6) Kde: rad s 1 úhlová rychlost t 0,1047 1 0,1047 rad s rad s (7) Kde: Setrvačná síla rad s úhlové zrychlení F m m a N F F io io io ( ) kl (100 74,8) 0,1047 5 667,5N (8) BRNO 013 4
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE Základní kombinace zatížení KZ F N KZ KZ so1 io i so1 so1 667,51,1 734,N (9) Mimořádná kombinace zatížení KM F N KM KM so1 io i so1 so1 667,51,1 734,N (30) Kombinace zatížení pro posuzování ocelové konstrukce při únavě so1 so io KU F N KU 1 667,5 N (31) ZATÍŽENÍ ZPŮSOBENÉ ODSTŘEDIVÝMI SILAMI Maximální provozní rychlost pohybu vmax a m s v 0,1047 5 v max max 1 0,536 m s 1 (3) Dostředivé zrychlení a a a dos dos dos vmax a 0,536 5 m s 0,0548 m s (33) Odstředivá síla F m m a N o kl dos F 100 74,8 0,0548 o F 69,86N o (34) BRNO 013 5
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE Základní kombinace zatížení KZ F N KZ KZ os1 o i os1 os1 69,861,1 76,84N (35) Mimořádná kombinace zatížení KM F N KM KM os1 o i os1 os1 69,86 1,1 76,84N (36) Kombinace zatížení pro posuzování ocelové konstrukce při únavě os1 o KU F N KUos 1 69,85N (37) ZATÍŽENÍ VODOROVNOU TECHNOLOGICKOU SILOU NA KOČKU S VEDENÝM BŘEMENEM Maximální povolená výchylka při tahání za břemeno je 5 do všech stran. Označení zatížení F tan 5 m g N F F k k k tan 5 100 9,81 109,9N (38) Mimořádná kombinace zatížení KM F N KM KM ts1 k 1 ts1 ts1 109,9 1,1 113,9N (39) ZATÍŽENÍ ZPŮSOBENÉ SILAMI NA NARÁŽKY Nárazová hmotnost m m m kg m m nar nar nar kl 0,8 74,8 100 0,8 1034,8kg (40) BRNO 013 6
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE Uvažovaná rychlost nárazu vnar 0,5 v kl m s 0 vnar 0,5 60 1 (41) v nar 0,166 m s 1 Kde: vkl 1 m s maximální rychlost pojezdu kladkostroje Energie nárazu absorbovaná energie 1 Eknar mnar vnar J (4) E E knar knar 1 1034,8 0,166 14,6J Nárazník musí pohltit energii 14,6 J. Volím nárazník od firmy ABUS, s označením velikosti alpha, dimenzované až do nosnosti jeřábu t. ZATÍŽENÍ ZPŮSOBENÉ ZKUŠEBNÍM BŘEMENEM PŘI DYNAMICKÉ ZKOUŠCE m m kg m m zd zd zd 1,1 1,1 100 130kg (43) Kde: mzd kg hmotnost břemena při dynamické zkoušce určena dle (1) Označení zatížení zs1 zs1 zs1 zd K m g N K K 1309,81 1949, N (44) Mimořádná kombinace zatížení 1 h KM zd1 mzd g N 11,16 KM zd1 1309,81 KM 13985N zd1 (45) BRNO 013 7
stálá a nahodilá NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE ZATÍŽENÍ ZPŮSOBENÉ ZKUŠEBNÍM BŘEMENEM PŘI STATICKÉ ZKOUŠCE m m kg m m zs zs zs 1,5 1,5100 1500kg (46) Kde: m kg zs Označení zatížení hmotnost břemena při statické zkoušce dle (1) K m g N K K zs1 zs1 zs1 zs 1500 9,81 14715N (47) Mimořádná kombinace zatížení KM m g N KM KM zs1 zs1 zs1 zs 15009,81 14715N (48) 4.4.1 VYHODNOCENÍ ZÁKLADNÍCH KOMBINACÍ ZATÍŽENÍ Tabulka Vypočítané hodnoty základních kombinací zatížení Zatížení způsobené vlastní hmotností jmenovitým břemenem odpadnutím břemena Označení zatížení součinitel zatížení Základní kombinace zatížení m g g 5861,5N 5861,5N 538,6N 5861,5N m g 17734,1N - - 1588N -0,5 m δ h g - -4438N - - stálým břemenem m s.g 887,9N -4438N 807,N 807,N setrvačný jízdy kočky F ik 961,96N 961,96N - - mi silami od otáčení F io 734,N 734,N odstředivými silami F o 76,84N - - - BRNO 013 8
stálá a nahodilá Mimořádná stálá a nahodilá NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE 4.4. VYHODNOCENÍ MIMOŘÁDNÝCH KOMBINACÍ ZATÍŽENÍ Tabulka 3 Vypočítané hodnoty mimořádných kombinací zatížení Zatížení způsobené vlastní hmotností Označení zatížení součinitel zatížení Mimořádná kombinace zatížení m g g 538,6N 4844,N 5861,5N 538,6N jmenovitým břemenem m g 1588N 9408N - 1588N stálým břemenem m s.g 807,18N 733,8N - - setrvačný jízdy kočky mi silami F ik - - 961,96N - od otáčení F io - - 734,N - odstředivými silami F o - - 76,84N - Vodorovnou tech. silou F na kočku s ved. Břemen. k 113,9N - - - zkušebním dynamické m zd g - - - 13985N - břemenem při zk. statické m zs g - - - - 14715N 4.4.3 VYHODNOCENÍ ZATÍŽENÍ PRO POSOUZENÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE PŘI ÚNAVĚ Tabulka 4 Vypočítané hodnoty zatížení pro posouzení ocelové konstrukce při únavě Zatížení způsobené vlastní hmotností jmenovitým břemenem stálým břemenem setrvačný mi silami od jízdy kočky otáčení odstředivými silami Označení zatížení m g g m g m s.g F ik Kombinace zatížení pro posouzení OK při únavě 538,6N 13655,5N 851,N 874,5N F io F o 667,5N 69,85N BRNO 013 9
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE 4.5 VÝPOČET SILOVÝCH PŮSOBENÍ Délkové rozměry jeřábu na [Obr. 11] a = 5000 mm a1 = 500 mm a = 300 mm a3 = 00 mm b = 7350 mm b1 = 1800 mm Obr. 11 Náčrt jeřábu a volba označení 4.5.1 VÝPOČET ZATĚŽUJÍCÍ SÍLY F F F kl q KZ KZ kl sb1 jb1 F F F q F ( m g ) ( q g ) kl g t k F (74,89,811,1 1,1) (1009,811,3 1,16) F 18640,1 N (49) BRNO 013 30
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE 4.5. KLASIFIKACE VAZEB A rotační vazba B podpora C - vetknutí ξ i = ξ i = 1 ξ i = 3 4.5.3 KINEMATICKÝ ROZBOR [5], str. 106 Předpokládaný počet odebraných deformačních parametrů η = 0 i i ( n 1) ( ) v i (31) 3 ( 1 3 0) i 0 těleso je ve statické rovnováze (50) BRNO 013 31
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE 4.5.4 UVOLNĚNÍ Nahradíme mechanické účinky vazeb, silovými dvojicemi působícími na principu akce a reakce. Obr. 1 Uvolnění těles 4.5.5 STATICKÝ ROZBOR [5], str. 4 Počet neznámých parametrů NP [F Ax, F Ay, F Bx, F By, F Cx, M oc ] μ R = 0 ; μ F = 5 ; μ M = 1 μ = μ R + μ F + μ M BRNO 013 3
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE μ = 0 + 5 + 1 = 6 Počet neznámých silových účinků υ = υ F + υ M υ = 4 + = 6 Podmínka statické určitosti υ = μ μ R + μ M υ M 6 = 6 0 + 1 Z podmínek statické určitosti vyplívá, že úloha je staticky určitá [5, str. 90]. 4.5.6 STATICKÉ PODMÍNKY PRO SILOVOU ROVNOVÁHU OBOU ČLENŮ Člen x 0 F F 0 F F 51778,1N Bx Ax Bx Ax y 0 F F 0 F F 18640,1N Ay o 0 F a FBx b1 F a 0 FBx b F F Bx Bx F F M Ay 18640,15000 1800 51778,1N 1 (51) (5) (53) Člen 3 F 0 x F F F 0 F F F F F Ax Bx Cx Cx Bx Ax Cx Cx 51778,1 51778,1 0N y 0 F F 0 F F 18640,1N Cy Ay Cy Ay o 0 M F b F ( b b ) 0 M F b F ( b b ) M M c Ax Bx 1 c Ax Bx 1 c c F M 51778,17350 51778,1 (7350 1800) 9300,6Nm (54) (55) (56) BRNO 013 33
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE 4.6 VÝSLEDNÉ VNITŘNÍ ÚČINKY 4.6.1 VVÚ RAMENE Obr. 13 Rozdělení ramene na intervaly ŘEZ Ω 1 x 0;( a a )) 0;4500) (57) 1 1 Obr.14 Interval I u ramene F : N 0 x 1 1 F : T F 0 y 1 T F 18640N M : M F x 0 z M M o1 1 o1 1 o1 F x 186400;4500) 0; 83880) Nm (58) ŘEZ Ω x 0; b) 0;1800) (59) 1 F : T F 0 x y T F 51778N M : M F x 0 z o Bx o Bx o Bx F : N 0 Bx M F x M 517780;1800) 0;9300) Nm (60) Obr.15 Interval II u ramene BRNO 013 34
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE ŘEZ Ω 3 x 0; a ) 0;500) (61) 1 Obr.16 Interval III u ramene F : N F 0 x 3 3 3 N F 51778N 3 F : T F 0 y T F 18640N M : M F x 0 z o3 Ay 3 o3 Ay 3 o3 Ax Ay Ax Ay M F x M 186400;500) 0;930) Nm (6) GRAFICKÉ VYJÁDŘENÍ VVÚ RAMENE Obr. 17 Grafické vyjádření VVU ramene BRNO 013 35
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE 4.6. VVÚ SLOUPU Obr.18 Rozdělení sloupu na intervaly ŘEZ Ω 1 x 0; b) 0;1800) (63) 1 1 Obr.19 Interval I u sloupu F : F T 0 x 1 Ax 1 1 1 T F 51778N F : N F 0 y N F 18640N M : M F x 0 z o1 Ax 1 o1 Ay 1 o1 Ax Ay Ay M F x M 517780;1800) 0; 9300) Nm (64) BRNO 013 36
NÁVRH HLAVNÍCH ČÁSTÍ OCELOVÉ KONSTRUKCE ŘEZ Ω x b ; b 1800;7350 (65) 1 F : F T F 0 x Ax Bx T F F 51778 51778 0N F : N F 0 y N F 18640N M : M F ( b x ) F x 0 z o Ax 1 Bx M F ( b x ) F x M o Ax 1 Bx o Ax Ay Ay Bx 51778 [1800 1800;7350 ] 517781800;7350 9300Nm (66) Obr.0 Interval II sloupu GRAFICKÉ VYJÁDŘENÍ VVÚ SLOUPU Obr.1 Grafické vyjádření N, T, M o sloupu BRNO 013 37
VOLBA KOMPONENT JEŘÁBU 5 VOLBA KOMPONENT JEŘÁBU Po vypočtení potřebných silových působení jsou navrženy parametry jednotlivých dílů jeřábu za pomocí výpočtů dle mezního stavu pružnosti. Pro výpočty volím návrhový součinitel bezpečnosti k: k= 3 5.1 NÁVRH SLOUPU Z HLEDISKA MEZNÍHO STAVU PRUŽNOSTI Sloup z bezešvé trubky vyráběné válcováním, materiál 11 53.0 R esl. = 355 MPa [1, str.118] Maximální ohybové napětí: R R k esl. esl. ODsl. ODsl. k (67) ODsl. ODsl. 355 118,3 MPa 3 118,3MPa Minimální modul průřezu v ohybu: W W osl osl. ODsl. ODsl. WODsl. ODsl. ODsl. ODsl. M M W 9300 118,3 787,8cm 3 (68) Modul průřezu v ohybu sloupu: W W W Osl. Osl. Osl. D 3 d D 4 4 s s 35,56 33,56 3 35,56 91, 46cm s 4 4 3 (69) Skutečné ohybové napětí: osl. osl. osl. M W osl. osl. 9300 91, 46 10,14MPa (70) BRNO 013 38
VOLBA KOMPONENT JEŘÁBU Porovnání napětí osl. ODsl. 10,14MPa 118,3MPa Vyhovuje 5. NÁVRH RAMENE Z HLEDISKA MEZNÍHO STAVU PRUŽNOSTI Nosník o průřezu IPE 360, materiál: 11 53.0 R ei =355MPa [1, str.118] Maximální ohybové napětí: k R ei ODI ODI R k ei (71) ODI ODI 355 118,3 MPa 3 118,3MPa Minimální modul průřezu v ohybu: W W oi ODI WODI WODI ODsl. ODsl. M 83880 118,3 709,1cm 3 M oi ODI (7) Zvolen nosník IPE 360 ČSN 4 5553 11 53.0 ČSN 4 0135.00 [, str.94] Modul zvoleného průžezu W x = 904cm 3 Skutečné ohybové napětí: oi oi oi M W oi XI 83880 904 9,8MPa (73) Porovnání napětí oi ODI 9,8MPa 118,3MPa Vyhovuje BRNO 013 39
VOLBA KOMPONENT JEŘÁBU 5.3 NÁVRH PODPĚRY Z HLEDISKA MEZNÍHO STAVU PRUŽNOSTI Podpěra o průřezu IPE 360, materiál: 11 53.0 R ep =355MPa [1, str.118] Maximální ohybové napětí: k R ep ODP ODP R k ep (74) ODP ODP 355 118,3 MPa 3 118,3MPa Minimální modul průřezu v ohybu: W W op ODP WODP WODI ODP ODP M 9300 118,3 787,8cm 3 M op ODI (75) Zvolen nosník IPE 360 ČSN 4 5553 11 53.0 ČSN 4 0135.00 [, str.94] Modul zvoleného průžezu W x = 904cm 3 Skutečné ohybové napětí: oi oi oi M W op XI 9300 904 103,1MPa (76) Porovnání napětí op ODP 103,1MPa 118,3MPa Vyhovuje BRNO 013 40
VOLBA KOMPONENT JEŘÁBU 5.4 VOLBA LOŽISKA V BODĚ B Bod B je místo, kde se rameno opírá o spodní část podpěry, na které je přichycena ložisková konstrukce s dvěma ložisky, které se mohou odvalovat po odvalovacím prstenci na sloupu a tím umožňují pohyb v rozmezí 360. Zatížení ložisek je uvažováno pouze radiální silou F Bx. Kde: Obr. Schéma působení sil na ložiska v bodu B Průměr sloupu Průměr odvalovacího pásu Průměr pojezdového kola Vnitřní průměr poj. kola Osová vzdálenost ložisek Úhel sklonu D L s D d d R B B sb 355,6mm 40mm 150mm 70mm 170mm 17,35 Výpočet úhlu sklonu RL R L sin( ) sin arc DB d B DB d B 85 arcsin 10 75 17,35 (77) BRNO 013 41
VOLBA KOMPONENT JEŘÁBU Určení velikosti radiální síly na jedno ložisko F F F Br Br Br FBx cos( ) 51778,1 cos(1,3) 713,5N N (78) Volím dvě dvouřadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem od firmy ZKL Dvouřade kuličkové ložisko s kosoúhlým stykem s označením ZKL 3307 [14] Vnitřní průměr Vnější průměr Šířka ložiska Hmotnost Statická únosnost 35mm 80mm 34,9mm 0,78kg 47300N Statická bezpečnost S 1,5 16, tab. 5.1 d B D B m C A A A ozkl Ao Obr. 3 Ložisko ZKL 3307 [14] Ekvivalentní statické zatížení jednoho ložiska P F 713,5N (79) Bo Br Statická bezpečnost:[zdroj, strana, tabulka] S 1,5 Bo Výpočet statické únosnosti při tomto zatížení C S P N Bo o Bo C C Bo Bo 1,5 713,5 40685, N (80) BRNO 013 4
VOLBA KOMPONENT JEŘÁBU Podmínka statické únosnosti C Bo C ozkl 40685N 47300N LOŽISKO VYHOVUJE 5.5 VOLBA LOŽISKA V BODĚ A Výložník je ukotven ve sloupu v bodě A. V tomto místě působí radiální i axiální síly a proto je nutné zvolit ložisko, které může bez problému přenášet obě tyto zatížení. Proto jsem zvolil soudečkové ložisko od firmy ZKL. Otáčení výložníku je zanedbatelné proto dynamické působení ve výpočtech neuvažuji. Soudečkové ložisko s označením ZKL 18EW50MH [13] Vnitřní průměr Vnější průměr Šířka ložiska Hmotnost Statická únosnost Výpočtový součinitel 90mm 160mm 40mm 3,4kg 406000N,8 Statická bezpečnost S 3 16, tab. 5.1 d D B m C Y A A A A ozkl Ao Ao Obr. 4 Soudečkové ložisko [13] Zatížení v bodě A F F 51778,1N Ar Ax F F 18640,1N Aa Ay Výpočet statického ekvivalentního napětí P Ao P F Y F N P P Ao Ar o Aa Ao Ao 51778,1,818640,1 103970N (81) Výpočet statické únosnosti při tomto zatížení BRNO 013 43
VOLBA KOMPONENT JEŘÁBU C S P N Ao o Ao C C Ao Ao 3103970 311910N (8) Podmínka statické únosnosti C Ao C ozkl 311910 406000 LOŽISKO VYHOVUJE 5.6 UKOTVENÍ SLOUPU JEŘÁBU Ukotvení sloupu bude řešeno kotevními šrouby, které budou kotveny do betonového základu. Obr.5 Grafické vyjádření N, T, M o sloupu Vzdálenosti od kraje z obr.19: s 75mm s s s s 1 3 4 5 148mm 35mm 50mm 575mm Klopící moment : Již vypočten v kapitole 4 M o 9300Nm BRNO 013 44
VOLBA KOMPONENT JEŘÁBU Vyjádření sil Fs S1 s 1 S s S3 s 3 S4 s 4 S5 s 5 F k s N F k s N F k s N F k s N F k s N Určení konstanty k s z momentové rovnováhy. M k s k s k s k s k s o s 1 s s 3 4 s 5 M k ( s s s s s ) k k k s s o o s 1 3 4 5 s s1 s s3 s4 s5 9300 0, 075 0,148 0,35 0,50 0,575 105170 N m 1 Maximální síla, která bude působit na jeden šroub: M N m 1 max š s 5 max š max š F k s N F F 105170 0,575 60473N (83) Pro pevnostní třídu šroubů ISO 8.8 norma udává následující parametry [1, str. 44]: Zkušební napětí S 600MPa p Minimální pevnost v tahu R 830MPa Minimální mez v kluzu R 660MPa el Dovolené napětí ve šroubu m dovš dovš dovš Rmš k 830 3 76,6MPa (84) BRNO 013 45
VOLBA KOMPONENT JEŘÁBU Skutečné napětí ve šroubu skutš skuš skuš F A max š š 60473 45 46,8MPa (85) Porovnání napětí skutš Dovš 46,8MPa 76, 6MPa Napětí šroubu vyhovuje Volím jednoprutý kotevní šrouby od firmy PEIKKO s označením HPM 0[15] Obr.6 Grafické vyjádření N, T, M o sloupu [15] Průměr šroubu D 0mm Výpočtový průřez A 45mm š Dle výrobce je uvedena pevnost v tahu šroubu N 10100N u BRNO 013 46
KONTROLNÍ VÝPOČET 6 KONTROLNÍ VÝPOČET 6.1 KONTROLA PŘETVOŘENÍ KONSTRUKCE Součinitelé zatížení se při výpočtu stability proti převržení uvažují hodnotou 1,0 [4, str. 44] Modul pružnosti oceli v tahu E 10000MPa Zatěžující síla bez součinitelů F ( m m) g N F F q q q kl (74,8 100) 9,81 1505,8N (86) Zatěžující moment bez součinitelů M F a Nmm M M q q q q 1505,8 5000 6 58 940Nmm (87) 6.1.1 VÝLOŽNÍK Pro zjednodušení výpočtu uvažuji vazbu A jako vetknutí Obr. 7 označení průhybu a natočení ramene BRNO 013 47
KONTROLNÍ VÝPOČET Průhyb výložníku:[, str. 44] y y y max v max v 3 4 max v 3 Fq a 3 E J x mm 3 1505,8 5000 3 10 10 1670 10 15,5mm (88) Úhel natočení průřezu:[, str. 44] max v max v 3 4 max v Fq a EJ x 1505,8 5000 10 10 1670 10 0,005 (89) 6.1. SLOUP Obr. 8 Označení průhybu a natočení sloupu Kvadratický moment sloupu: [, str. 40] 4 4 I xs D d 64 I xs 355,6 335,6 64 4 I 1634997,3mm xs 4 4 (90) BRNO 013 48
KONTROLNÍ VÝPOČET Průhyb na konci sloupu:[, str. 44] y y y max( s) max( s) 4 max( s) Mq b E I [ mm] 6589407350 10 10 1634997,3 5mm xs (91) Úhel natočení průřezu:[, str. 44] max s max s 3 max s Mq b E I xs 6589407350 1010 1634997,3 0,01 (9) 6.1.3 CELKOVÉ PŘETVOŘENÍ Obr. 9 Označení celkového průhybu a natočení konstrukce BRNO 013 49
KONTROLNÍ VÝPOČET Celkový průhyb y y a mm y y max c max v max s max c max c 15,5 0,015000 65,5mm (93) Celkové natočení max c max s max v max c max c 0,010,005 0,015 (94) 6. VÝPOČET DOBY ÚTLUMU PŘI ROZKMITÁNÍ KONSTRUKCE Při odložení břemena dochází k rozkmitání konstrukce, tento jev může mít negativní vliv na konstrukci, proto je třeba určit, zda doba útlumu odpovídá doporučeným hodnotám [4, str. 67]. Vypočteno dle [4, str. 67-68] Kvadratický moment průřezu nosníku I y 10430000mm 4 Délková hmotnost nosníku q 0, 0571kg mm Redukovaná hmotnost 1 q ( a a ) 0, 0571 (5000 300) 74,8 6,1kg mred mk kg m m red red (95) Tuhost nosníku c c c o o o 48EIy N m ( a a ) 3 1 48 1010 1,04310 5 0,3 9 5 19836679,5N m 1 (96) BRNO 013 50
KONTROLNÍ VÝPOČET Frekvence vlastních kmitů f f f 1 o 1 s m red 1 19836679, 5 6,1 47,1s 1 c (97) Doba útlumu t t t ti ti ti ln y f max v 1 s ln 15,5 47,10,1 10,5s 1 (98) Norma udává, aby amplituda odložením jmenovitého břemena klesla během 15s na maximálně 0,5mm. t ti t dop 10,5s 15s Rozkmitání výložníku by tedy nemělo mít negativní vliv na konstrukci. 6.3 KONTROLA VZPĚRNÉ STABILITY SLOUPU Redukovaná délka prutu [, str. 36] l l l red red red b mm 7350 14700mm (99) Poloměr setrvačnosti průřezu [17] Is i As 1634900 i 10857 i 1, mm mm (100) BRNO 013 51
KONTROLNÍ VÝPOČET Štíhlost prutu [17] l red i 14700 1, 10,3 (101) Prut je třeba dále počítat v oblasti pružného vzpěru dle Eulera Napětí ve sloupu [17] d d d FAy MPa S 18640 10857 1,7 MPa (10) Kritické napětí z hlediska vzpěru [17] kr kr kr E MPa 5,110 10 144MPa (103) Kritické napětí je mnohonásobně větší než maximální napětí zatěžující sloup. BRNO 013 5
KONTROLNÍ VÝPOČET 6.4 SVARY 6.4.1 SVAR SPOJUJÍCÍ PODPĚRU A VÝLOŽNÍK Pro zjednodušení výpočtu uvažuji pouze tyto svary: Obr. 30 náčrt svarů spojující podpěru a výložník Tloušťka svaru z = 8 mm Délka svaru hs = 300 mm Délka svaru bp = 170 mm Vzdálenost svarů tp = 8 mm Vzdálenost svarů hp = 360 mm Síla vyvolávající smykové napětí Fbx = 51778N Plocha účinného průřezu svaru [1, str. 516, Tab.9-] S 1,414 z ( h b ) S S p s b p p 1,4148 (300 170) 5316, 64mm (104) BRNO 013 53
KONTROLNÍ VÝPOČET Smykové napětí od posouvající síly [1, str. 514] F S Bx p MPa 51778 5316, 64 9,7MPa (105) Moment působící na svar M F b Nm M M op op op Bx 1 517781800 9300Nm (106) Jednotkový polární kvadratický moment účinného průřezu [1, str. 516, Tab.9-] J J J zu zu zu 3 h bp h s p 6 300 170360 6 3 15 516 000mm 3 (107) Celkový kvadratický moment účinného průřezu [1, str. 511] J J J z z z 0,707 z J zu 0,707 815516000 87758496mm 4 (108) Vzdálenost těžiště svaru od hrany c c c 1 1 1 h p 360 180mm (109) Smykové napětí od momentu [1, str. 509] Mop c1 MPa J z 9300400180 87758496 191, MPa (110) BRNO 013 54
KONTROLNÍ VÝPOČET Součet smykových napětí 9,7 191, 191, 4MPa MPa (111) 6.4. STANOVENÍ VÝPOČTOVÝCH PEVNOSTÍ A DOVOLENÝCH NAPĚTÍ NA SVAR Provozní skupina J4 Druh provozu D Základní výpočtová pevnost při únavě svaru pro Vrubovou skupinu K0 a provozní skupinu J4 [4, str. 7, Tab. 14]: R fat( 1) 168 MPa Mez pevnosti v tahu oceli třídy 11 53 Rm 490MPa [1, str. 118, Tab. A-1a] Výpočtová pevnost materiálu při únavě vyvolané tahem [4, str. 9, Obr. 4] 5 Rfat, t (0) Rfat ( 1) MPa 3 (11) R R fat, t (0) fat, t (0) 5 168 3 80MPa Rovnice pro stanovení výpočtových pevností při únavě pro opětovné namáhání pro ϰ=0 [4, p. 9, Tab. 17] R R R fat, t ( ) fat, t ( ) fat, t ( ) R fat, t (0) R 0,75 R fat, t (0) 1 (1 ) 80 80 1 (1 ) 0 0,75490 80MPa m (113) BRNO 013 55
KONTROLNÍ VÝPOČET Rovnice pro stanovení výpočtových pevností při únavě pro opětovné namáhání pro ϰ=1 [4, p. 9, Tab. 17] R R R fat, t( ) fat, t( ) fat, t( ) R fat, t(0) R 0,75 R fat, t(0) 1 (1 ) 80 80 1 (1 ) 1 0,75490 367,5MPa m (114) Rovnice pro stanovení výpočtových pevností při únavě pro svary pro ϰ=0 [4, p. 30, Tab. 18] fat(0) fat(0) fat(0) R fat, t (0) 80 MPa 197,9MPa (115) Rovnice pro stanovení výpočtových pevností při únavě pro svary pro ϰ=1 [4, p. 30, Tab. 18] fat(1) fat(1) fat(1) R fat, t(1) 367,5 MPa 59,9MPa (116) Kontrola splnění podmínky: fat (0) fat (1) 191, 4MPa 197,9MPa 59,9MPa Svar o šířce z = 8 mm vyhovuje. BRNO 013 56
KONTROLNÍ VÝPOČET 6.4.3 SVAR SPOJUJÍCÍ ČEP A VÝLOŽNÍK Ve výpočtu uvažuji pouze smykové namáhání silou F Ax Obr. 31 Svar čepu a výložníku Tloušťka svaru z = 8 mm Plocha účinného průřezu svaru[1, str. 516, Tab. 9-] S S S č č č 1,414 z r 1,4148140 4975,3mm (117) Smykové napětí od posouvající síly [1, str. 514] F S Ax č MPa 51778 4975,3 10, 4MPa (118) Dovolená napětí a výpočtové pevnosti jsou již stanoveny v kapitole 6.3., vzhledem k tomu, že jsou použity stejné materiály i tloušťky svarů hodnoty se nemění. Kontrola splnění podmínky pro svar spojující čep a výložník: fat (0) fat (1) 10, 4MPa 197,9MPa 59,9MPa Tento svar vyhovuje BRNO 013 57
ZÁVĚR ZÁVĚR Cílem bakalářské práce bylo navrhnout konstrukci sloupového jeřábu, provést důležité pevnostní výpočty, volbu vhodného kladkostroje a vypracovat konstrukční výkres sestavy a detailní výkres sloupu, pro vstupní požadavky předepisující délku vyložení ramene 5000mm, výšku zdvihu 6800mm a nosnost jeřábu 100kg. Kladkostroj jsem zvolil řetězový od firmy ABUS. Dle normy ČSN 7 0103 jsem určil charakteristiku provozu, zařadil jeřáb do jednotlivých skupin a spočítal kombinace zatížení. Dále, provedl statický rozbor a vyšetření výsledných vnitřních účinků potřebných k návrhu sloupu, ramene a podpěry z hlediska mezního stavu pružnosti, za použití bezpečnostního součinitele k=3. Rameno je konstruováno z průřezu IPE 360, materiálu 11 53, sloup, z hladké bezešvé trubky s vnějším průměrem 355,6mm a tloušťkou stěny 0mm. Podpěra je z ekonomického hlediska a dostupnosti, navržena ze stejného průřezu i materiálu jako rameno. Ložiska jsou vybrána od firmy ZKL a to dvě kuličková ložiska s označením 3307, která zajišťují odvalovaní po opěrném prstenci upevněném na sloupu a jedno soudečkové ložisko ZKL 18EW50MH, které je umístěno na spojnici sloupu a ramene. Ukotvení sloupu je zajištěno kotevními šrouby od firmy PIEKKO do betonového základu. Celá konstrukce je kontrolována na přetvoření dle normy ČSN 7 0103 a nebezpečné svary jsou kontrolovány na únavové namáhání. Součást práce je také konstrukční výkres sestavy, detailní výkres sloupu a další výkresová dokumentace. BRNO 013 58
POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE [1] SHIGLEY, J. E., MISCHKE, CH. R., BUDYNAS, R. G. Konstruování strojních součástí. Brno: Nakladatelství VUTIUM, 010. 1159. ISBN 978-80-14-69-0. [] LEINVEBER, J., VÁVRA, P.: Strojnické tabulky. 4. vyd. Úvaly: ALBRA, 008. 914 s. ISBN 978-80-7361-051-7. [3] REMTA, F., KUPKA, L., DRAŽAN, F. Jeřáby: I. Díl.. vyd. Praha: STNL, 1974. 648 s. L13-B3-III-41/74/V. [4] ČSN 7 0103: 1990. Navrhování ocelových konstrukcí jeřábů: Výpočet podle mezních stavů. Praha: ČESKÝ NORMALIZAČNÍ INSTITUT, 1990, 68 s. [5] FLORIAN, Z., ONDRÁČEK, E., PŘIKRYL, K.: Mechanika těles statika.. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 007. 18 s. ISBN 978-80-14-3440-0. [6] Katalog TEDOX: Jeřáby [online]. [cit. 013-05-14], Dostupné z: <http://www.tedox.cz/editor/filestore/file/katalog%08/14.%0jeraby.pdf> [7] TEDOX: Sloupové jeřáby [online]. [cit. 013-05-14], Dostupné z: <http://www.tedox.cz/sloupove-jeraby> [8] Katalog ABUS: Řetězové kladkostroje [online]. [cit. 013-05-15], Dostupné z: <http://www.iteco.cz/files/ckeditor/soubory/kladkostroje-retezove.pdf> [9] ITECO: Kladkostroje [online]. [cit. 013-05-15], Dostupné z: <http://www.iteco.cz/kladkostroje/> [10] Ferona: Tyč průřezu IPE [online]. [cit. 013-05-15], Dostupné z: <http://www.ferona.cz/cze/katalog/detail.php?id=801> [11] Zacha: Trubky ocelové bezešvé: [online]. [cit. 013-05-15], Dostupné z: <http://www.zacha.cz/bezesve-hladke> [1] ČSN 7 014. Jeřáby a zdvihadla: Zkoušení. Praha: Český normalizační úřad, 1989. 6 s. MDT 61.861.87.001.4 [13] Katalog ZKL: Dvouřadá soudečková ložiska [online]. [cit. 013-05-15], Dostupné z: <http://www.zkl.cz/cs/cat/drsrb/308ew33mh> [14] Katalog ZKL: Dvouřadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem [online]. [cit. 013-05- 15], Dostupné z: < http://www.zkl.cz/cs/cat/drabb/3307 > [15] Katalog PIEKKO: Kotevní šrouby [online]. [cit. 013-05-16], Dostupné z: <http://www.peikko.cz/default.aspx?id=474491> [16] ZKL Určení velikosti ložiska [online]. [cit. 013-05-16], Dostupné z: <http://www.zkl.cz/cs/pro-konstruktery/5-urceni-velikosti-loziska#55> [17] Malášek, J. Ústav automobilního a dopravního inženýrství. 18 Vzpěr BRNO 013 59
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ h s [mm] Délka svaru b p [mm] Délka svaru na spodní části přírubě ramene a [mm] Délka vyložení ramene q [Kg.mm -1 ] Délková hmotnost nosníku t n [s -1 ] Doba útlumu kmitu a dos [m.s - ] Dostředivé zrychlení dovš [MPa] Dovolené napětí ve šroubu t [-] Dynamický součinitel otáčení E knar [J] Energie nárazu na narážky f [s -1 ] Frekvence vlastních kmitů m zd [kg] Hmotnost břemena při dynamické zkoušce m st [kg] Hmotnost břemena při statické zkoušce m kl [kg] Hmotnost kladkostroje m A [kg] Hmotnost kuličkového ložiska m p [kg] Hmotnost podpěry m s [kg] Hmotnost sloupu m s [kg] Hmotnost stálého břemena m v [kg] Hmotnost výložníku x 1 [-] Interval rozsahu vvu, dle indexu J zu [mm 4 ] Jednotkový polární kvadratický moment M o [Nm] Klopící moment I xs [mm 4 ] Kvadratický moment průřezu sloupu ODI [MPa] Maximální dovolené ohybové napětí na rameno ODsl. [MPa] Maximální dovolené ohybové napětí na sloup m [kg] Maximální nosnost jeřábu v max [m.s -1 ] Maximální provozní rychlost pohybu v kl [m.s -1 ] Maximální rychlost pojezdu kladkostroje F ik [N] Maximální setrvačná síla od kočky F maxš [N] Maximální síla působící na jeden šroub R ep [MPa] Mez kluzu materiálu podpěry R ei [MPa] Mez kluzu materiálu ramene R esl. [MPa] Mez kluzu materiálu sloupu BRNO 013 60
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ R el [MPa] Minimální mez kluzu šroubu W ODsl. [cm 3 ] Minimální modul průřezu sloupu R m [MPa] Minimální pevnost v tahu šroubu W ODI. [cm 3 ] Modul průřezu ramene minimální W Osl. [cm 3 ] Modul průřezu sloupu E [MPa] Modul pružnosti oceli v tahu M op [MPa] Moment působící na svár m nar [kg] Nárazová hmotnost N [N] Normálová síla F o [N] Odstředivá síla M osl. [MPa] Ohybový moment působící na sloup R l [mm] Osová vzdálenost ložisek n [ot/min -1 ] Otáčky výložníku Ω [-] Označení řezu u vvu N uš [N] Pevnost v tahu kotvícího šroubu A v [mm ] Plocha průřezu S p [mm ] Plocha účinného průřezu svaru S č [mm ] Plocha účinného průřezu svaru η [-] Počet deformačních parametrů υ M [-] Počet momentových statických podmínek μ M [-] Počet neznámých momentových parametrů μ R [-] Počet neznámých polohových parametrů μ F [-] Počet neznámých silových parametrů [-] Počet odebraných vazeb υ F [-] Počet silových statických podmínek T [N] Posouvající síla i [mm] Poloměr setrvačnosti y max( s) [mm] Průhyb na konci sloupu y max v [mm] Průhyb výložníku D š [mm] Průměr kotvícího šroubu d b [mm] Průměr pojezdového kola Ws [mm 3 ] Průřezový modul W y [mm 3 ] Průřezový modul k ose y BRNO 013 61
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ m red [kg] Redukovaná hmotnost v nar [m.s -1 ] Rychlost nárazu na zarážky F io [N] Setrvačná síla F q [N] Síla od břemene F kl [N] Síla od kladkostroje F s1 [N] Síla působící v jednotlivých bodech ukotvení dle indexu skutš [MPa] Skutečné napětí ve šroubu oi [MPa] Skutečné ohybové napětí působící na rameno k s [N.m -1 ] Směrnice zatížení [MPa] Smykové napětí od momentu [MPa] Smykové napětí od posouvající síly k [-] Součinitel bezpečnosti i [-] Součinitel setrvačných sil 10 [-] Součinitel zatížen od jmenovitého břemena n [-] Součinitel zatížení od nárazu na zarážky g [-] Součinitel zatížení od vlastní hmotnosti [N] Součinitel tření S Bo [-] Statická bezpečnost kuličkového ložiska S Ao [-] Statická bezpečnost válečkového ložiska C ozkl [N] Statická únosnost kuličkového ložiska B A [mm] Šířka kuličkového ložiska b v [mm] Šířka průřezu nosníku Л [-] Štíhlost prutu g [m s - ] Tíhové zrychlení t [mm] Tloušťka příruby výložníku t s [mm] Tloušťka stěny sloupu t 1 [mm] Tloušťka stojiny výložníku z [mm] Tloušťka svaru c o [N.m -1 ] Tuhost nosníku max s [ ] Úhel natočení průřezu sloupu maxv [ ] Úhel natočení průřezu výložníku 1 [ ] Úhel sklonu [ rad s 1 ] Úhlová rychlost BRNO 013 6
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ [rad.s - ] Úhlové zrychlení maxc [ ] Velikost celkového natočení konstrukce y max c [mm] Velikost celkového přetvoření konstrukce D A [mm] Vnější průměr kuličkového ložiska d b [mm] Vnitřní průměr kuličkového ložiska C Bo [N] Vypočtená potřebná statická únosnost kuličkového ložiska C Ao [N] Vypočtená potřebná statická únosnost kuličkového ložiska R fat, t(0) [MPa] Výpočtová pevnost materiálu při únavě vyvolané tahem fat (0) [MPa] Výpočtová pevnost při únavě R fat, t ( ) [MPa] Výpočtová pevnost při únavě pro opětovné namáhání A š [mm] Výpočtový průřez šroubu b 1 [mm] Výška podpěry h v [mm] Výška průřezu nosníku b [mm] Výška sloupu a [mm] Vzdálenost koncového bodu háku a konce výložníku s 1 [mm] Vzdálenost kotvícího šroubu od kraje kotvící desky dle indexu a 3 [mm] Vzdálenost od osy sloupu ke konci výložníku a 1 [mm] Vzdálenost podpěry od sloupu h p [mm] Vzdálenost svarů na přírubách t p [mm] Vzdálenost svarů na stojině c 1 [mm] Vzdálenost těžiště svaru od hrany R fat( 1) [MPa] Základní výpočtová pevnost při únavě pro vrub. Skupinu K0 F [N] Zatěžující maximální síla F s [N] Zatížení způsobené stálým břemenem m g [kg] Zatížení způsobené vlastní hmotností v h [ m s 1 ] Zdvihová rychlost kladkostroje h [-] Zdvihový dynamický součinitel S p [MPa] Zkušební napětí šroubu BRNO 013 63
SEZNAM PŘÍLOH SEZNAM PŘÍLOH VÝKRESOVÁ DOKUMENTACE Sloupový jeřáb Sloup sestava Kusovník K-0001 K3-000 K4-0003 BRNO 013 64