VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING JEŘÁBOVÁ KLADNICE NOSNOST 20T CRANE HOOK BLOCK LIFTING CAPACITY 20 TONS BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR TOMÁŠ ŠTEFANEC doc. Ing. MIROSLAV ŠKOPÁN, CSc.
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE
ABSTRAKT ABSTRAKT Úkolem této bakalářské práce je navrhnout jeřábovou kladnici s nosností 20 tun. Kladnice je součástí zdvihacího mechanismu zařazeného do třídy M4 dle normy ČSN ISO 4301-1. Práce stručně popisuje, k čemu kladnice slouţí a shrnuje konstrukční řešení jednotlivých konstrukčních celků. V další části práce je proveden návrh a výpočet nejdůleţitějších součástí vzhledem k funkci kladnice. Obsahem je také volba nakupovaných součástek. Přílohy práce se skládají z výkresu celé sestavy, seznamu poloţek a výkresu příčníku. KLÍČOVÁ SLOVA jeřábová kladnice, jeřábový hák, příčník, lanová kladka, nosnost 20t, pevnostní výpočet ABSTRACT Task of this bachelor s thesis is to propose a crane hook block with lifting capacity of 20 tons. Hook block is part of the mechanism of class M4 according to technical standard ISO 4301-1. It briefly describes what hook block is and summarizes the design solutions of individual structural units. In next part of the thesis there is a design and calculation of the most important parts of the hook block due to function. The content is also a choice of purchased components. Thesis appendices consist of drawing of the whole assembly, lists of items and drawing of crossmember. KEYWORDS crane hook block, crane hook, crossmember of the hook block, rope pulley, lifting capacity 20 tons, strength calculation
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ŠTEFANEC, T. Jeřábová kladnice nosnost 20t. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inţenýrství, 2012. 41 s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Miroslav Škopán, CSc.
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením doc. Ing. Miroslava Škopána, CSc. a s pouţitím literatury uvedené v seznamu. V Brně dne 23. května 2012..... Tomáš Štefanec
PODĚKOVÁNÍ PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat mému vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Miroslavu Škopánovi, CSc. za rady, informace a připomínky, kterými mně pomáhal při zpracování této práce.
OBSAH OBSAH Úvod... 10 1 Jeřábová kladnice... 11 2 Konstrukční řešení... 13 2.1 Uloţení kladek... 13 2.2 Čep kladek... 14 2.3 Příčník... 14 2.4 Uloţení háku... 15 2.5 Hák... 16 3 Návrh a výpočet... 17 3.1 Návrh lana... 17 3.1.1 Výpočet statických sil... 17 3.1.2 Výpočet setrvačných sil... 17 3.1.3 Osová síla v laně... 17 3.1.4 Únosnost lana... 18 3.1.5 Volba lana... 18 3.1.6 Skutečná bezpečnost lana... 18 3.2 Výpočet rozměrů vodících kladek... 19 3.2.1 Teoretický průměr vodící kladky... 19 3.2.2 Jmenovitý průměr vodící kladky... 19 3.3 Výpočet sil... 20 3.3.1 Síla na kladky... 20 3.3.2 Síla na bočnice... 20 3.4 Výpočet příčníku... 21 3.4.1 Střední část příčníku... 21 3.4.2 Výška příčníku... 23 3.4.3 Skutečné napětí v příčníku... 24 3.4.4 Čep příčníku... 24 3.5 Bočnice... 27 3.5.1 Tloušťka bočnice... 27 3.5.2 Šířka bočnice... 28 3.5.3 Pevnostní kontrola bočnice... 29 3.6 Čep kladek... 29 3.6.1 Ohybové momenty... 29 3.6.2 Minimální průměr čepu pod loţisky... 31 3.7 Návrh závitu háku a matice... 31 8
OBSAH 3.7.1 Výška matice... 32 3.8 Volba loţisek... 32 3.8.1 Axiální loţisko... 32 3.8.2 Radiální loţiska... 33 3.8.3 Zatíţení jednoho loţiska v radiálním směru... 33 3.8.4 Ekvivalentní dynamické zatíţení loţiska... 33 Závěr... 35 Seznam pouţitých zkratek a symbolů... 38 Seznam obrázků... 40 Seznam příloh... 41 9
ÚVOD ÚVOD Cílem této bakalářské práce je navrhnout jeřábovou kladnici ve dvoukladkovém provedení, s nosností 20 tun dle zadání. Jeřábová kladnice je část zdvihacího ústrojí jeřábu, která se skládá z několika poměrně jednoduchých součástí. Nejdůleţitější z hlediska funkce a bezpečnosti jsou: lanové kladky, čep kladek, bočnice, příčník, matice háku, loţisko háku a loţiska kladek. Proto se tato práce zaměřuje především na tyto části. Kladnice bude součástí jeřábu, který pracuje ve středně těţkém provozu. Tomuto faktu je potřeba přizpůsobit návrh a výpočet některých částí. Při konstrukci se celkově snaţíme o to, aby byly jednotlivé díly kladnice pokud moţno co nejjednodušší na výrobu. Zároveň je zde poţadavek na bezpečné plnění funkce, coţ je zohledněno při volbě návrhových bezpečností. Při provozu se můţe stát, ţe budou porušeny předpisy a bezpečnost práce a dojde k mírnému přetíţení jeřábu. Ani toto přetíţení by však nemělo vést k havárii zařízení. lanová kladka čep kladek bočnice matice háku příčník jeřábový hák Obr. 1.1 Hlavní části kladnice 10
JEŘÁBOVÁ KLADNICE 1 JEŘÁBOVÁ KLADNICE Jeřábová kladnice je, jak jiţ bylo uvedeno, část zvedacího ústrojí jeřábu. Slouţí k přepravě, přemístění nebo zdvihání břemene, které se zavěsí na hák. Tvoří část lanového převodu mezi hákem a navíjecím bubnem. Obr. 1.2 Zdvojené provedení lanového převodu [7] Kladnice se vyrábějí v různých variantách a provedeních. Můţeme je rozdělit podle různých hledisek: počet vodících a vyrovnávacích kladek, nosnost, tvar, velikost, uloţení kladek, typ háku. Nejčastěji používané kladnice se dvěma nebo více kladkami bývají v zásadě v provedení normálním (obr. 1.3) nebo zkráceném. [7] Pro dvoukladkové a čtyřkladkové kladnice se spíše pouţívá provedení zkrácené. Pokud máme více kladek, pouţije se provedení normální. [7] Dále se můţeme setkat s tzv. typizovaným provedením pro nosnosti 5t, 8t, 12,5t, 20t, 32t a 50t. Obr. 1.3 Normální provedení kladnice [7] 11
Obr. 1.4 Vícekladková kladnice, typ SRB [16] Obr. 1.5 Typizované kladnice a) dvoukladková s jednoduchým hákem b) čtyřkladková s dvojitým hákem [7] V současné době jsou na trhu kladnice, které mají oproti standardním kladnicím různá vylepšení. Můţe se jednat například o zabudovanou váhu, takţe okamţitě vidíme, kolik zvedaný předmět váţí. Předejdeme tak nechtěnému přetíţení. U některých kladnic dnes najdeme elektrický pohon pro přesné otáčení háku. 12
KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ 2 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ Celkové provedení volím podobné jako v případě typizované dvoukladkové kladnice pro nosnosti 5t a 12,5t s jednoduchým kovaným hákem. Řešení jednotlivých částí bude popsáno v následující části. 2.1 ULOŽENÍ KLADEK Uloţení kladek je v podstatě moţné dvěma způsoby - uloţení buď na kluzných pouzdrech (obr. 2.1), nebo na valivých loţiscích (obr. 2.2) jak je uvedeno v [7]. Volím uloţení na valivých loţiscích, konkrétně na kuličkových loţiscích s jednostranným krytováním. Obr. 2.1 Uložení na kluzném pouzdře [7] Obr. 2.2 Uložení na valivých ložiscích a) válečkových, b) kuličkových [7] 13
2.2 ČEP KLADEK Na čepu jsou nasunuty bočnice, uloţeny kladky a ty musí být pojištěny proti axiálnímu posunu. Toto pojištění je provedeno KM maticí a MB podloţkou, a proto musí být na koncích čepu vyroben závit a v něm vyfrézovaná dráţka. Důleţité je pro správnou funkci kladek mazání loţisek. Z tohoto důvodu jsou v čepu vyvrtány na obou koncích otvory v ose a další otvory na obvodu čepu, které slouţí k rozvodu maziva k loţiskům. Plochy pod loţisky jsou broušeny. Obr. 2.3 Čep kladek 2.3 PŘÍČNÍK Příčník je součást, na které je uloţen jeřábový hák. Je vyroben kováním a následným třískovým obráběním. Proti axiálnímu posunutí mezi bočnicemi je příčník zajištěn pomocí příloţek, dle [6]. Tomu je uzpůsoben čep příčníku, ve kterém je vyrobena dráţka. Z horní strany příčníku je vybrání a otvory pro usazení a pojištění středícího krouţku. Obr. 2.4 Příčník 14
KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ 2.4 ULOŽENÍ HÁKU Uloţení háku tvoří matice háku, ve které je hák zašroubovaný, axiální loţisko, příčník, případně vymezovací krouţek. Hák s maticí jsou uloţeny na horním krouţku axiálního loţiska. Spodní krouţek loţiska je usazen buď přímo na příčníku, nebo ve středícím krouţku. Volím provedení se středícím krouţkem. Ten je uloţen na příčníku a proti vzájemnému pootočení je zajištěn šesti válcovými kolíky. I u tohoto uloţení je důleţité mazání loţiska. K tomu slouţí otvor v matici. Aby nedocházelo k vyšroubovávání háku z matice, je v háku dráţka a pomocí příloţky a dvou šroubů se matice s hákem vzájemně zajistí. zajištění háku matice háku závit háku axiální loţisko středící krouţek příčník Obr. 2.5 Uložení háku 15
2.5 HÁK Podle způsobu výroby se háky dělí na kované, odlévané, lamelové a svařované. U jeřábů se nesmí odlévané a svařované háky pouţívat. Podle tvaru jsou háky jednoduché nebo dvojité. Normalizované jednoduché háky se pouţívají do nosnosti 32t, dvojité se pouţívají do 200t. [7] Dle zadání má být provedení s dvojitým hákem. Avšak po dohodě s vedoucím bakalářské práce volím pro kladnici s nosností 20t jednoduchý hák s pojistkou velikosti 20 dle [19]. Obr. 2.6 Jednoduchý hák s pojistkou[19] Obr. 2.7 Dvojitý hák [21] 16
NÁVRH A VÝPOČET 3 NÁVRH A VÝPOČET V následující části bude proveden návrh a výpočet lana a lanových kladek, příčníku, bočnic, návrh průměrů čepu kladek, návrh závitu háku a volba loţisek jak radiálních kuličkových, tak axiálního kuličkového. 3.1 NÁVRH LANA Výpočet silových účinků na lano proveden dle [4]. 3.1.1 VÝPOČET STATICKÝCH SIL FS ( mg mk ) g (20000 1,3 350) 9,81 258 494 N (1) m G [kg] maximální hmotnost břemene m K [kg] předpokládaná hmotnost kladnice, odhadnuto dle [7] γ [-] součinitel náhodného zvětšení břemene g [m.s -2 ] tíhové zrychlení 3.1.2 VÝPOČET SETRVAČNÝCH SIL Volím zdvihovou rychlost zvedacího zařízení v z = 10 m.min -1 = 0,1667 m.s -1. FD FS ( 1,3 0,39 vz ) 258494 (1,3 0,39 0,1667) 352 847 N (2) F S [N] statická síla v z [m.s-1] zdvihová rychlost 3.1.3 OSOVÁ SÍLA V LANĚ FD 352847 FL 90 940 N n 4 0,97 (3) F D [N] setrvačná síla n [-] počet nosných průřezů lana η [-] účinnost kladkostroje, dle [4] 17
3.1.4 ÚNOSNOST LANA F P k L F L 4,1 90940 372 854 N (4) k L [-] součinitel bezpečnosti lana F L [N] osová síla v laně 3.1.5 VOLBA LANA Na základě výpočtu volím lano Casar Turbolift [17] s parametry: - průměr lana d =24 mm - pevnost drátů lana 1770 MPa - únosnost 490,2 kn Jde o 8-i pramenné lano, paralelně zapletené, vyrobeno z umrtvených pramenů, monolitní průřez, neobyčejně vysoká pevnost. Jádro je speciálně upraveno proti zkříţení jednotlivých pramenů a pro sníţení nebezpečí zničení lana. [17] Obr. 3.1 Průřez lana Casar Turbolift[17] 3.1.6 SKUTEČNÁ BEZPEČNOST LANA F 490200 Pskut k Lskut 5,39 (5) F 90940 L F Pskut [N] jmenovitá únosnost lana F L [N] osová síla v laně 18
NÁVRH A VÝPOČET Skutečná bezpečnost lana je větší neţ doporučená pro daný typ jeřábu a mohlo by se zdát, ţe je lano předimenzováno. Nesmíme však zapomenout na to, ţe ve výpočtu nebyla uvaţovaná hmotnost lana. Navíc při zvedání a manipulaci s břemeny je důleţitá bezpečnost práce. Proto si myslím, ţe hodnota bezpečnosti lana je přiměřená. Při volbě lana jsem vybíral mezi lanem Casar Turbolift [17] a lanem 6x19 FC Warrington [18]. U lana Warrington vychází hodnota bezpečnosti k Lskut = 5,59, coţ není o tolik více neţ u lana Turbolift. Navíc lano Warrington by muselo být průměru 28 mm a to by se projevilo zvětšením průměrů kladky o jeden stupeň v normalizované řadě průměrů. 3.2 VÝPOČET ROZMĚRŮ VODÍCÍCH KLADEK Kladnice obsahuje 2 vodící kladky. Je volena varianta bez vyrovnávacích kladek. Kladky se vyrábí jako lité nebo svařované. Volím kladky odlévané z materiálu 42 2650.2. [7] Návrh a výpočet kladek vychází z [8]. 3.2.1 TEORETICKÝ PRŮMĚR VODÍCÍ KLADKY - druh provozu: střední součinitel α kl = 22 [8] D d kl 24 22 528 mm (6) min α kl [-] součinitel závislý na typu kladky a druhu provozu d [mm] průměr lana 3.2.2 JMENOVITÝ PRŮMĚR VODÍCÍ KLADKY D K D d 528 24 504 mm (7) min D min [mm] teoretický průměr kladky d [mm] průměr lana U kladek je normalizován průměr D K. Řada normalizovaných průměrů kladek je následující: 100, 125, 160, 200, 250, 315, 355, 400, 450, 500, 630, 710, 800, 900, 1000, 1 120, 1 250, 1 400, 1 600, 1 800, 2 000 mm. [8] Volím nejbliţší vyšší normalizovaný průměr kladky D K = 630 mm. 19
Obr. 3.2 Drážka kladky [8] Volba ostatních rozměrů kladek proveden dle [5]. 3.3 VÝPOČET SIL 3.3.1 SÍLA NA KLADKY Na kaţdou z kladek působí setrvačná síla dělená počtem kladek. FS 258493,5 FR 129247 N (8) i 2 F S [N] statická síla i [-] počet kladek 3.3.2 SÍLA NA BOČNICE FB FR 129247 N (9) F R [N] síla na kladky 20
NÁVRH A VÝPOČET 3.4 VÝPOČET PŘÍČNÍKU Na příčník působí zatíţení od břemene, které se nahrazuje jedinou silou působící ve svislé ose uprostřed příčníku. Dále zde působí reakce od zatíţení břemenem v místě styku čepu příčníku a bočnic. [11] Průběhy zatíţení můţeme vidět níţe (Obr. 3.4). Jak jiţ bylo uvedeno, příčník je vyroben jako výkovek s následným třískovým obráběním. Materiál příčníku volím ocel 11 700. 3.4.1 STŘEDNÍ ČÁST PŘÍČNÍKU Obr. 3.3 Schéma příčníku Volím rozměry: B = 200 mm, b = 120 mm, předběţná tloušťka bočnice b B = 30 mm. MAXIMÁLNÍ OHYBOVÝ MOMENT M bb B 6 FB 5 129247 (15 100 5) 15,51 Nmm (10) 2 2 O max 10 F B [N] síla v místě bočnic b B [mm] tloušťka bočnice B [mm] rozměr dle obrázku 3.3 21
Obr. 3.4 Zatížení příčníku KVADRATICKÝ MOMENT PRŮŘEZU Pouţité vzorce najdeme v [9] a [12]. J J 1 2 3 B h (11) 12 3 b h (12) 12 J 3 h J1 J 2 ( B b) (13) 12 22
NÁVRH A VÝPOČET B, b, h [mm] rozměry příčníku dle obrázku 3.3 J [mm 4 ] celkový kvadratický moment průřezu DOVOLENÉ OHYBOVÉ NAPĚTÍ Dovolené napětí dle [9]. Re 355 OD 119 MPa (14) k 3 p R e [MPa] mez kluzu materiálu, hodnota dle [12] k p [-] součinitel bezpečnosti příčníku MODUL PRŮŘEZU V OHYBU Výpočet modulu průřezu v ohybu podle [9]. M O max O OD WO (15) W O M O max OD 15509640 130333,11 mm 119 3 (16) σ od [MPa] dovolená hodnota ohybového napětí M omax [MPa] maximální ohybový moment W o [mm 3 ] model průřezu v ohybu 3.4.2 VÝŠKA PŘÍČNÍKU Vztahy pro výpočet [9]. W O 3 h ( B b) J 12 (17) h h 2 2 23
Z rovnice (17) si vyjádříme neznámou hodnotu h: 6 WO 6 130333,11 h 98,9 mm (18) ( B b) (200 120) W o [mm 3 ] model průřezu v ohybu B, b, h [mm] rozměry příčníku dle obrázku 3.3 J [mm 4 ] celkový kvadratický moment průřezu Volím výšku příčníku h = 140 mm. 3.4.3 SKUTEČNÉ NAPĚTÍ V PŘÍČNÍKU W O 3 h ( B b) J 12 h h 2 2 140 12 3 (200 120) 3 261 333,3 mm (19) 140 2 M O max Oskut OD WO (20) M O max 15509640 Oskut 59, 35 MPa (21) W 261333,3 O 53,35 MPa < 119 MPa VYHOVUJE 3.4.4 ČEP PŘÍČNÍKU Návrh čepu proveden z ohybového napětí dle [9]. Re 355 O max O 119 MPa (22) k 3 čp bb M O max FB 5 129247 (15 5) 2 584 940 Nmm (23) 2 F B [N] síla reakce v místě bočnice b B [mm] předběţná tloušťka bočnice 24
NÁVRH A VÝPOČET M O O max 119 MPa 3 d 32 p (24) Z rovnice (24) si vyjádříme hledaný průměr čepu d p : M O 32 2,3 2584940 32 d 3 max 3 p 79, 84 mm 119 119 (25) Momax [MPa] maximální ohybový moment k čp [-] součinitel bezpečnosti čepu příčníku α [-] součinitel koncentrace napětí, voleno dle [12] Průměr čepu příčníku volím d p = 110 mm. b B Obr. 3.5 Čep příčníku 25
KONTROLA NA KOMBINOVANÉ NAMÁHÁNÍ Redukované napětí pro kombinované napětí dle teorie HMH [10]: O (26) 2 2 red 3 S σ O [MPa] ohybové napětí τ S [MPa] smykové napětí Smykové napětí: V [10] je uvedeno, ţe smykové napětí vyvolané posouvají silou je rozloţeno po průřezu nerovnoměrně a vzniká sloţitá napjatost. Určení této napjatosti je velice sloţité, dokonce téměř nemoţné. Napjatost závisí na výrobních nepřesnostech a na montáţi. Při kontrole nebo návrhu pouţíváme smluvní výpočet, přepsaný v (27). T S F 129247 B S 13, 6 2 2 d p 110 4 4 MPa (27) F B [N] síla reakce v místě bočnice d p [mm] průměr čepu b B [mm] předběţná tloušťka bočnice α [-] součinitel koncentrace napětí Ohybové napětí [9]: M W M 2584940 O O O 2,3 45, 5 3 3 O d p 110 32 32 MPa (28) M O [N.mm] ohybový moment d p [mm] průměr čepu α [-] součinitel koncentrace napětí Dosazením do (26) spočítáme redukované napětí: red 2 2 2 2 O 3 S 45,5 313,6 51, 3 MPa 51,3 MPa < 119 MPa VYHOVUJE 26
NÁVRH A VÝPOČET 3.5 BOČNICE Bočnice je zatíţena silou F B, vypočítanou v rovnici (9). Bočnice je vyrobena z konstrukční oceli 11 523. bb h B Obr. 3.6 Schéma bočnice 3.5.1 TLOUŠŤKA BOČNICE Návrh tloušťky bočnice provedeme z otlačení dle [12]: p B F S B P FB b d B p p D (29) Z rovnice (29) vyjádříme b B. Hodnotu dovoleného tlaku volím p D = 60 MPa. b FB 129247 19, mm (30) p d 60 110 B 6 D p 27
b B [mm] tloušťka bočnice F B [N] síla působící na bočnici p D [MPa] dovolený tlak d p [mm] průměr otvoru v bočnici (průměr čepu příčníku) Volím tloušťku bočnice b B = 30 mm. SKUTEČNÝ TLAK NA BOČNICI p F S FB b d 129247 B B 39, 2 P B p 30 110 MPa (31) 39,2 MPa < 60 MPa VYHOVUJE 3.5.2 ŠÍŘKA BOČNICE Šířku počítáme z namáhání na tah [9]: F F R B B e tb S ( hb d p ) bb k (32) B F B [N] síla působící na bočnici b B [mm] tloušťka bočnice d p [mm] průměr otvoru v bočnici (průměr čepu příčníku) h B [mm] šířka bočnice Re [MPa] mez kluzu materiálu k B [-] součinitel bezpečnosti bočnice Z rovnice (32) vyjádříme h B : h FB kb 129247 3 d p 110 146, mm (33) R b 35530 B 4 e B Volím šířku bočnice h B = 200 mm. 28
NÁVRH A VÝPOČET 3.5.3 PEVNOSTNÍ KONTROLA BOČNICE Bočnici zkontrolujeme na namáhání tahem s uvaţováním vrubu [9]. Vrubem je v tomto případě otvor pro čep příčníku. F F B B max t td (34) S h B d p bb max F h d b 200 110 B B p B 2,15 129247 102,9 MPa 30 Re 355 td 119 MPa (35) k 3 B F B [N] síla působící na bočnici b B [mm] tloušťka bočnice d p [mm] průměr otvoru v bočnici (průměr čepu příčníku) h B [mm] šířka bočnice σ td [MPa] dovolené tahové napětí Re [MPa] mez kluzu materiálu k B [-] součinitel bezpečnosti bočnice α [-] součinitel koncentrace napětí, voleno dle [12] 102,9 MPa < 119 MPa VYHOVUJE 3.6 ČEP KLADEK Čep je namáhán silami od kladek a od bočnic. Návrh provedeme z rovnice pro namáhání ohybem [9]. Materiál čepu volím konstrukční ocel 11600. 3.6.1 OHYBOVÉ MOMENTY Volím: rozměr c = 65 mm l = 240 mm MOI FR c 12924765 8 401055 Nmm (36) M F ( a l) F l 129247(65 240) 129247240 8 401 Nmm (37) OII R B 055 M O 055 Nmm 8 401 max (38) 29
Obr. 3.7 Čep kladek a jeho zatížení 30
NÁVRH A VÝPOČET 3.6.2 MINIMÁLNÍ PRŮMĚR ČEPU POD LOŽISKY O M W O max O M O max 3 d č 32 R k e č (39) Z (39) vyjádříme průměr čepu d č : kč M O max 32 3 8401055 32 d 3 3 č 92, 44mm R 325 e (40) M omax [Nmm] maximální ohybový moment na čepu R e [MPa] mez kluzu materiálu, dle [12] k č [-] součinitel bezpečnosti čepu Volím průměr čepu pod loţisky d č = 100 mm. 3.7 NÁVRH ZÁVITU HÁKU A MATICE U háku je závit a jeho přechod do dříku velmi důleţitý. Do nosnosti 12,5t se pouţívá závit metrický, pro větší nosnosti závit lichoběţníkový rovnoramenný. [7] Obr. 3.8 Lichoběžníkový závit [http://www.pab.cz/images/tsimg1.jpg] 31
Dle [7] volím lichoběţníkový závit Tr 90x12 s těmito parametry: - velký průměr D 90 mm - střední průměr D 2 84 mm - malý průměr D 3 77 mm - stoupání závitu s 12 mm - nosná hloubka závitu H 1 6 mm. 3.7.1 VÝŠKA MATICE Výpočet délky závitu, resp. výšky matice proveden dle [7]. FD s l H D p 352847 12 6 84 25 1 1 2 DOV 107 mm (41) F D [N] setrvačná síla p DOV [MPa] dovolený tlak v závitu, hodnota volena dle [7] s [mm] stoupání závitu H 1 [mm] nosná hloubka závitu D 2 [mm] střední průměr závitu Volím délku závitu l 1 = 120 mm. 3.8 VOLBA LOŽISEK Axiální i radiální loţiska nedosahují při pohybu kladnice vysokých otáček, proto je budeme navrhovat pouze na statickou únosnost. Jako takovou kompenzaci za zjednodušení zahrneme do zatíţení loţisek dynamické účinky a budeme počítat se setrvačnou silou vypočítanou v (2). 3.8.1 AXIÁLNÍ LOŽISKO Zatíţení loţiska axiální silou F AX = F D = 352 847 N. Z katalogu firmy SKF [20] volím axiální kuličkové loţisko 51126 s těmito parametry: - statická únosnost C o 425 kn - výška loţiska 30 mm - vnější průměr 170 mm - vnitřní průměr horního krouţku 130 mm - vnitřní průměr spodního krouţku 132 mm. 32
NÁVRH A VÝPOČET Obr. 3.9 Axiální ložisko SKF 51126 [20] 3.8.2 RADIÁLNÍ LOŽISKA V kladnici jsou pouţita 4 radiální kuličková loţiska, pro kaţdou kladku 2. 3.8.3 ZATÍŽENÍ JEDNOHO LOŽISKA V RADIÁLNÍM SMĚRU F FD 352847 88 N (42) 4 4 RAD 212 3.8.4 EKVIVALENTNÍ DYNAMICKÉ ZATÍŽENÍ LOŽISKA Přepočet dle [12]. P X F Y (43) RAD F AX Na loţisko nepůsobí ţádné axiální zatíţení, proto F AX = 0 N a poměr F AX / F RAD = 0. X = 1; Y = 0 Zpětným dosazením do (43) dostaneme ekvivalentní zatíţení P: P X F Y F 188212 0 88 N (44) RAD AX 212 PODMÍNKA PRO VOLBU LOŽISKA: C P 0 (45) Volím radiální kuličkové loţisko s krytováním na jedné straně SKF 6220-Z [20]. 33
- statická únosnost C o 93 kn - dynamická únosnot C 127 Kn - šířka loţiska 34 mm - vnitřní průměr vnitřního krouţku 100 mm - vnější průměr vnějšího krouţku 180 mm. Obr. 3.10 Radiální kuličkové ložisko SKF 6220-Z [20] 34
ZÁVĚR ZÁVĚR Cílem této bakalářské práce bylo navrhnout jeřábovou kladnici se dvěma vodícími kladkami s nosností 20 tun. Nejprve bylo zvoleno konstrukční řešení čepu kladek, příčníku, uloţení kladek a uloţení háku. Dále byl proveden výpočet hlavních částí kladnice, konkrétně: kladky, příčník kladnice, bočnice, čep kladek, závit háku. Z katalogu jsem vybral axiální loţisko pro uloţení háku na příčníku, radiální kuličková loţiska pro uloţení kladek na čepu kladek a jeřábový hák pro danou nosnost. Po dohodě s vedoucím bakalářské práce byl místo dvojitého háku zvolen hák jednoduchý. Hodnoty součinitelů bezpečnosti ve výpočtech jsem moţná volil na první pohled oproti [norma] zbytečně velké. Bylo tomu tak z důvodu, ţe jsem na začátku neznal hmotnost lana a zanedbal ji. Další důvod například je, ţe v některých případech nešlo zcela přesně určit hodnotu součinitele koncentrace napětí. Hodnoty součinitele bezpečnosti nám tedy zohledňují tyto moţné nepřesnosti. Zařízení typu kladnice musí pracovat bezpečně po poţadovanou dobu. Proto si myslím, ţe hodnoty bezpečností jsou opodstatněné. Model sestavy kladnice byl vytvořen v programu Autodesk Inventor 2008. Základ výkresové dokumentace vytvořen také v tomto programu. Následné úpravy výkresů jsem provedl v programu AutoCAD Mechanical 2008. Obr. 4.1 Model sestavy 35
POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE [1] ČSN ISO 4301-1. Jeřáby a zdvihací zařízení. Klasifikace. Část 1: Všeobecně. 1992. 8 s. [2] ČSN EN 13001-1. Jeřáby - Návrh všeobecně - Část 1: Základní principy a požadavky. 2011. [3] ČSN EN 13001-2. Jeřáby - Návrh všeobecně - Část 2: Účinky zatížení. 2011 [4] ČSN 27 0100. Zdvihací zařízení. Výpočet ocelových lan pro jeřáby a zdvihadla. 1978. 8s. [5] ČSN 271820. Zdvihací zařízení. Kladky a bubny pro ocelová lana. 1957. 9 s. [6] ČSN 02 2702. Přídržky čepů. 1965. 4 s. [7] DRAŢAN, F., KUPKA, L. a kol. Jeřáby. 1. vyd. Praha: SNTL, 1968, 661 s. [8] KAŠPÁREK, Jaroslav. Dopravní a manipulační zařízení [online]. 2003. 126 s. Dostupné z: <http://www.iae.fme.vutbr.cz/opory/dmz-sylaby.pdf>. [9] JANÍČEK, Přemysl et al. Mechanika těles: Pružnost a pevnost I. 3. přeprac. vyd. Brno: CERM, 2004, 287 s. ISBN 80-214-2592-x. [10] ONDRÁČEK, Emanuel. Mechanika těles: pružnost a pevnost II. 4. přeprac. vyd. Brno: CERM, 2006, 262 s. ISBN 80-214-3260-8. [11] ELSNER, Ondřej. Jeřábová kočka. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inţenýrství, 2009. 31 s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Jiří Malášek, PhD. [12] SHIGLEY, Joseph E., MISCHKE, Charles R., BUDYNAS Richard G. Konstruování strojních součástí. Přeloţili Hartl Martin a kolektiv. 1. vyd. Brno: VUTIUM, 2010, 1159 s. ISBN 978-80-214-2629-0. [13] SVOBODA, Pavel et al. Základy konstruování. Vyd. 3., upr. a dopl. Brno: CERM, 2009, 234 s. ISBN 978-80-7204-633-1. [14] LEINVEBER, Jan, VÁVRA, Pavel. Strojnické tabulky: pomocná učebnice pro školy technického zaměření. 4., dopl. vyd. Úvaly: Albra, 2008, 914 s. ISBN 978-80-7361-051- 7. [15] SVOBODA, Pavel, BRANDEJS, Jan, PROKEŠ, František. Výběry z norem pro konstrukční cvičení. vyd. 3. Brno: CERM, 2009, 223 s. ISBN 978-80-7204-534-1. [16] Crane blocks and swivels [online]. [2007] [cit. 2012-04-30]. Dostupný z: <http://www.gangsisheng.com/catolog/rb-crane.pdf>. [17] Metallan s.r.o.: Speciální lana Casar [online]. [2012] [cit. 2012-05-05]. Dostupný z: <http://www.metallan.cz/vazaci-prostredky/specialni-ocelova-lana-casar/kroutivalana/turbolift.html>. 36
POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE [18] Pavlínek s.r.o.: Ocelová lana [online]. [2012] [cit. 2012-05-18]. Dostupné z: <http://www.pavlinek.cz/oddeleni/ocelova-lana/standardni-lana/vicepramenna/>. [19] Pavlínek s.r.o.: Jeřábové háky [online]. [2012] [cit. 2012-05-18]. Dostupné z: < http://www.vazaky-online.cz/jednoduchy-jerabovy-hak-typ-rs-a-rf-spojistkou_g690012728.html>. [20] SKF Loţiska, a.s.: Valivá ložiska [online]. [2012] [cit. 2012-05-19]. Dostupný z: <http://www.skf.com/portal/skf/home/products?lang=cs&maincatalogue=1&newlink=1>. [21] Pavlínek s.r.o.: Jeřábové háky [online]. [2012] [cit. 2012-05-18]. Dostupné z: < http://www.vazaky-online.cz/dvojity-jerabovy-hak-typ-rs-a-rf-spojistkou_g690012773.html>. 37
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ B [mm] šířka příčníku b [mm] průměr otvoru v příčníku b B [mm] tloušťka bočnice c [mm] rozměr čepu kladek C o [kn] statická únosnost loţisko d [mm] průměr lana D 2 [mm] střední průměr závitu d č [mm] průměr čepu pod loţisky D K [mm] jmenovitý průměr vodící kladky D min [mm] teoretický průměr vodící kladky F AX [N] axiální síla na loţisko F B [N] síla na bočnice F D [N] setrvačná síla F L [N] osová síla v laně F P [N] únosnost lana F Pskut [N] jmenovitá únosnost lana F R [N] síla na kladky F RAD [N] radiální síla na loţiska F S [N] statická síla g [m.s -2 ] tíhové zrychlení h [mm] výška příčníku H 1 [mm] nosná hloubka závitu h B [mm] šířka bočnice i [-] počet kladek J [mm 4 ] kvadratický moment průřezu k B [-] součinitel bezpečnosti bočnice k č [-] součinitel bezpečnosti čepu kladek k čp [-] součinitel bezpečnosti čepu příčníku k L [-] součinitel bezpečnosti lana k Lskut [-] skutečná bezpečnost lana k p [-] součinitel bezpečnosti příčníku l [mm] rozměr čepu kladek 38
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ l 1 [mm] délka závitu háku m G [kg] maximální hmotnost břemene m K [kg] hmotnost kladnice M O [MPa] ohybový moment M Omax [N.mm] maximální ohybový moment n [-] počet nosných průřezů lana P [N] ekvivalentní dynamické zatíţení loţiska p B [MPa] skutečný tlak na bočnici p D [MPa] dovolený tlak při otlačení bočnice p DOV [MPa] dovolený tlak v závitu R e [MPa] mez kluzu materiálu s [mm] stoupání závitu v z [m.s -1 ] zdvihová rychlost W O [mm 3 ] modul průřezu α [-] součinitel koncentrace napětí α kl [-] součinitel kladek γ [-] součinitel náhodného zvětšení břemene η [-] účinnost kladkostroje σ od [MPa] dovolené ohybové napětí σ oskut [MPa] skutečné ohybové napětí σ tb [MPa] tahové napětí v bočnici σ td [MPa] dovolené tahové napětí v bočnici 39
SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1.1 Hlavní části kladnice 10 Obr. 1.2 Zdvojené provedení lanového převodu 11 Obr. 1.3 Normální provedení kladnice 11 Obr. 1.4 Vícekladková kladnice, typ SRB 12 Obr. 1.5 Typizované kladnice 12 Obr. 2.1 Uloţení na kluzném pouzdře 13 Obr. 2.2 Uloţení na valivých loţiscích 13 Obr. 2.3 Čep kladek 14 Obr. 2.4 Příčník 14 Obr. 2.5 Uloţení háku 15 Obr. 2.6. Jednoduchý hák s pojistkou 16 Obr. 2.7 Dvojitý hák 16 Obr. 3.1 Průřez lana Casar Turbolift 18 Obr. 3.2 Dráţka kladky 20 Obr. 3.3 Schéma příčníku 21 Obr. 3.4 Zatíţení příčníku 22 Obr. 3.5 Čep příčníku 25 Obr. 3.6 Schéma bočnice 27 Obr. 3.7 Čep kladek a jeho zatíţení 30 Obr. 3.8 Lichoběţníkový závit 31 Obr. 3.9 Axiální loţisko SKF 51126 33 Obr. 3.10 Radiální kuličkové loţisko SKF 6220-Z 34 Obr. 4.1 Model sestavy 35 40
SEZNAM PŘÍLOH SEZNAM PŘÍLOH Výkresová dokumentace Jeřábová kladnice výkres sestavy 1-A5-2-100 seznam poloţek K-4-A5-2-100 Příčník výkres součásti 3-A5-2-100 41