Проектирование и эксплуатация технологического оборудования: метод. указания к практическим занятиям.

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

Ю.В. ШТЕФАН

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

Кафедра «Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин» Утверждаю Зав. кафедрой профессор _____________ В.А. Зорин «____» __________ 2018 г.

Ю.В. ШТЕФАН

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

МОСКВА МАДИ 2018

УДК 531.8:624.042 ББК 30.121 Ш908 Штефан, Ю.В. Ш908 Проектирование и эксплуатация технологического оборудования: метод. указания к практическим занятиям / Ю.В. Штефан. – М.: МАДИ, 2018. – 28 с. Методические указания к практическим занятиям в рамках дисциплин «Проектирование средств технологического оснащения» и «Проектирование оборудования для восстановления деталей автомобилей» предназначены для обучающихся по направлениям подготовки: 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства», специализаций «Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные средства и оборудование» и «Автомобильная техника в транспортных технологиях».

УДК 531.8:624.042 ББК 30.121 ___________________________________________________________ Учебное издание ШТЕФАН Юрий Витальевич

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

Редактор Г.Н. Середина

Редакционно-издательский отдел МАДИ. E-mail: [email protected] Подписано в печать 10.10.2018 г. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 150 экз. Заказ . Цена 65 руб. МАДИ, Москва, 125319, Ленинградский пр-т, 64.

© МАДИ, 2018

3

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................. 4 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕСТАНДАРТИЗОВАННОГО ГРУЗОПОДЪЕМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С УЧЕТОМ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ПРИМЕРЕ ЖЕСТКОЙ ПОДВЕСКИ МЕХАНИЗИРОВАННОГО ИНСТРУМЕНТА ........................................ 4 1.1. Краны ................................................................................................ 4 1.2. Противовесы .................................................................................... 5 1.3. Расчет колонны ............................................................................... 6 1.4. Фундаментные плиты...................................................................... 8 1.5. Последовательность расчета ...................................................... 12 2. РАСЧЕТЫ ФУНДАМЕНТОВ ............................................................... 12 2.1. Фундаменты ................................................................................... 12 2.2. Последовательность расчета ...................................................... 14 3. ИЗМЕНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ ТИПОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ................................................................................ 16 3.1. Виды съемников. Преимущества и недостатки .......................... 16 3.2. Последовательность и пример расчета винтового съемника ...................................................................... 19 3.3. Расчеты моечного оборудования ................................................ 25 3.4. Расчеты щеточного оборудования мойки ................................... 25 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ .................................................................. 27 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................... 28

4

ВВЕДЕНИЕ Методические указания разработаны для закрепления у обучающихся теоретического материала по дисциплине «Проектирование средств технологического оснащения» и оказания помощи в расчетах типового и нестандартизованного оборудования на практических занятиях и в самостоятельной работе, а также в курсовом и дипломном проектировании. Технологическое оборудование (совокупность приспособлений, инструментов, оснастки и приборов), используемое в процессе технических воздействий в значительной мере определяет совершенство технологических процессов технического обслуживания (ТО) и ремонта автомобилей. Например, повышение уровня механизации зон, цехов и участков автотранспортного предприятия лишь на 1% позволяет увеличить продолжительность работы автомобиля в среднем на 3...5 дней в году за счет сокращения времени простоя в ТО и ремонте. 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕСТАНДАРТИЗОВАННОГО ГРУЗОПОДЪЕМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С УЧЕТОМ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ПРИМЕРЕ ЖЕСТКОЙ ПОДВЕСКИ МЕХАНИЗИРОВАННОГО ИНСТРУМЕНТА 1.1. Краны Жесткая подвеска механизированного инструмента может устанавливаться между постами и предназначаться для работы как со сменным инструментом, так и для подъема и перемещения агрегатов и узлов в процессе разборки-дефектовки-мойки-сборки. Подвеску целесообразно выполнить в виде грузоподъемного стационарного крана на неподвижной колонне. При этом поворотная часть крана (рис. 1.1) опирается на пяту, расположенную в верхней части колонны, а опрокидывающий момент от веса груза Gгp и элементов поворотной части G крана уравновешивается горизонтальными реакциями Н, воспринимаемыми верхней и нижней опорами крана. Для выполнения расчета зададимся исходя из технологических условий работы грузоподъемного оборудования габаритными размерами крана: h = 2,5 м, L = 3 м, a, определенное в соответствии с примером № 1 п. 7, а = 0,8 м; принимаем условно вес поднимаемого груза Gгр = 2 т,

5

вес металлоконструкций крана, приведенный к центру тяжести (включая вес стрелы, растяжек и пр.) GМ = 4,46 т и вес противовеса Gпр = 7 т. а)

б)

Рис. 1.1. Поворотный кран на неподвижной колонне: а – схема крана; б – схема опорно-поворотного устройства

Тогда вертикальная сила V, действующая на верхнюю опору, равна сумме весов поворачивающихся частей крана: V = GМ + Gгр + + Gпр; горизонтальная сила H, действующая в верхней и нижних опорах крана из условия уравнения моментов: H = (GгрL + Ga − Gпрb)/h. 1.2. Противовесы Противовесы в подъемно-транспортном оборудовании применяют для уменьшения момента, изгибающего колонну крана, и уменьшения горизонтальной силы, определяющей нагрузку на опорные поворотные элементы. Их устанавливают на поворачивающейся части металлоконструкции. Противовесы уравновешивают вес металлоконструкции и часть момента от веса груза. Для стационарных кранов противовес выбирают так, чтобы момент, изгибающий колонну при работе крана с грузом и направленный в сторону груза, равнялся изгибающему моменту при отсутствии груза, направленному в сторону противовеса [1]. Изгибающий момент для крана с неизменяемым вылетом стрелы (рис. 1.2): – при наличии груза: (1.1) Mи = GгрL + GMa − Gпрb,

6

– при отсутствии груза: (1.2) M'и = Gпрb − GMa, где Gгp – вес номинального груза; GM – вес металлоконструкции поворачивающейся части крана (без противовеса); Gпp – вес противовеса. Противовес выбирают из условия Ми = М'и.

Рис. 1.2. Схема определения веса противовеса

При этом момент, создаваемый противовесом: (1.3) Gпpb = LGгр/2 + GMa. Задавая плечо b из конструктивных соображений, определяют необходимый вес противовеса Gпp. Так как кран может работать с различными грузами, то во избежание постоянного изгиба колонны большим моментом от противовеса можно при расчете принять M'и = ϕMи, где ϕ = 0,7...0,85 – коэффициент, учитывающий использование крана по грузоподъемности. Тогда момент, создаваемый противовесом, будет равен: (1.4) Gпрb = GгрL(ϕ/(1 + ϕ) + GМa. Из данной формулы можно найти неизвестное значение b. 1.3. Расчет колонны Колонну, на которой расположена поворачивающаяся часть металлоконструкции кранов, обычно изготовляют из сталей СтЗ, Ст4 и Ст5. Размер поперечного сечения колонн определяют из расчета на изгиб от силы H (см. рис. 1). Максимальный момент, изгибающий колонну без учета ветровой нагрузки и возможного уклона, равен МИmax = Hh = GгрL + Ga − Gпрb. Диаметр колонны в расчетном сечении

d≥

3

М ⋅ MИmax , 0,1[σи ]

(1.5)

7

где [σи] = σт/2,5. Для Ст3 толщиной 20…40 мм по ГОСТ 535 предел текучести 235 МПа. Колонну, имеющую большую высоту, необходимо проверять на устойчивость от сжатия силой V. Обычно высоту колонны h принимают не более половины высоты крана и не более 3 м. Прогиб верхнего конца колонны приводит к появлению уклона фермы крана, поэтому его необходимо учитывать при назначении размеров колонны. Допускаемое отношение максимального прогиба колонны к вылету крана принимается в пределах 1/400 – 1/300. Нижний конец колонны имеет форму цилиндра или усеченного конуса. Конический конец колонны устанавливают в коническом же гнезде фундаментной плиты (рис. 1.3). Хвостовик колонны работает на смятие от силы V и от момента M = Hh (см. рис. 1.1).

Рис. 1.3. Схема расчета хвостовика колонны с конической поверхностью

Поскольку силы, действующие на верхнюю и нижнюю части хвостовика, равны между собой: b

b

∫ σ′dвdx = ∫ σ′′dнdx, a

(1.6)

a

откуда σвdв = σнdн, т.е. максимальное напряжение смятия σн от момента Hh возникает на нижнем конце хвостовика, имеющем меньший диаметр. Тогда получаем: 3Hhb (1.7) σн = . 2dн (b 3 − a3 )

8

При а = 0 (гнездо плиты не имеет центральной проточки) 3Hh σн = . 2dнb 2

(1.8)

Вертикальная сила V распределена равномерно по горизонтальной проекции площади гнезда плиты: d + dн b − a V = σv π в Δ , (1.9) b 2 где Δ – уклон образующей конуса: Δ = (dв − dн)/2, принимают Δ = 1/15…1/20; b – длина хвостовика колонны, принимают в пределах 2b = (0,9...1,5)dcp, где dcp = (dв + dн)/2 – средний диаметр хвостовика колонны. Отсюда напряжение: 4Vb (1.10) σv = , π(dв2 − dн2 )(b − a ) при а = 0 σv =

4V . π(d − dн2 ) 2 в

(1.11)

Суммарное напряжение в нижней точке хвостовика σн + σv ≤ [σсм]. Допускаемые напряжения принимаются равными: для чугунной плиты [σсм] = 25…30 МПа; для стальной плиты [σсм] = 50…60 МПа. Исходя из этих данных определяют необходимые размеры хвостовика колонны. Последовательность выполнения расчета хвостовика колонны: 1) определить минимальный диаметр хвостовика колонны d (из условия допустимого σт для колонны из Ст3 по ГОСТ 535 σт = 235 МПа) и назначить это значение для dв; 2) из соотношения уклона и диаметров конуса вычислить dн и длину хвостовика колонны b; 3) по вычисленным значениям V и H определить σv и σн; 4) проверить суммарное напряжение в нижней точке хвостовика σv + σн ≤ [σсм]. 1.4. Фундаментные плиты

Плиты фундаментов подъемно-транспортного и иного стационарного технологического оборудования необходимы для укрепления колонн на фундаменте (рис. 1.4) или на опорных роликах передвижного оборудования.

9

Рис. 1.4. Схема фундаментной плиты крана с неподвижной колонной

Их обычно прикрепляют к фундаменту болтами, а у передвижного оборудования плиты устанавливаются на опорные ролики. Плиту изготовляют литьем из стали или чугуна или сваркой из стали. Она состоит из нескольких радиальных лап, по концам которых располагаются фундаментные болты, а в центре находится гнездо, в которое входит хвостовик колонны. Расчет опорной площади фундаментной плиты производят из условий сохранения прочности фундамента в стыке с плитой и обеспечения нераскрытия стыка под влиянием действия на плиту опрокидывающего момента M = Hh и вертикальной силы V1 = V + Gкол. + Gплиты, состоящей из максимальной вертикальной нагрузки V на колонну от веса крана, веса колонны и веса плиты. При работе крана на открытом воздухе к опрокидывающему моменту M = Hh от веса груза и конструкции крана необходимо добавить момент от ветровой нагрузки. Если принять, что основание плиты остается плоским во все периоды нагружения крана, можно считать, что нагрузки в болтах от опрокидывающего момента M пропорциональны расстоянию (рис. 1.4) от оси болта до оси у – у поворота фундаментной плиты, т.е.: F1 l1 F1 l1 (1.12) = ; = . F2 l 2 Fk l k

10

Опрокидывающий момент M уравновешивается суммой моментов сил в болтах относительно оси опрокидывания у – у: M = F1l1i1 + F2l 2i 2 + … + Fn l n i n , (1.13) где i1, i2, ... in – число болтов, нагруженных соответственно силами F1, F2 … Fn и расположенных на расстоянии l1, l2 … In от оси у – у. В болтах возникают наибольшие напряжения, когда стрела находится в плоскости х – х, проходящей через центр фундаментной плиты. Это положение является расчетным. Все другие положения дают более благоприятное распределение нагрузки между болтами. Решая совместно приведенную систему уравнений, определяют максимальную внешнюю нагрузку на болт от опрокидывающего момента: Ml1 Ml (1.14) F1 = 2 = n 21 . 2 2 l1 i1 + l 2 i 2 + … + l n i n ∑1 l k i k Так как плита имеет достаточно высокую жесткость, можно считать, что сила V1 распределяется равномерно по всей поверхности стыка между плитой и фундаментом. При общем числе болтов n нагрузка на каждый болт от силы V1 равна Fv = V1/n. Внешняя нагрузка на наиболее нагруженный болт Fbh = F1 − Fv. Внешняя нагрузка от опрокидывающего момента вызывает увеличение растягивающей нагрузки болтов, расположенных с одной стороны от оси опрокидывания, и уменьшение – с другой. При действии отрывающей внешней нагрузки Fbh на затянутое болтовое соединение только часть этой нагрузки, равная ψFвн, где ψ < 1, идет на увеличение силы, растягивающей болты, а остальная часть, равная (1 − ψ) Fвн разгружает стык. По условию совместимости перемещений под действием внешней нагрузки болт удлинится настолько, насколько уменьшится сжатие деталей, т.е.: δ = ψFвнλб = (1 − ψ )Fвнλп, (1.15) где λб = l/(EбАб) – податливость болта, численно равная деформации болта под действием силы 1 Н; λп – податливость соединения плиты и фундамента; l – расчетная длина болта, сложенная из расстояния между опорными поверхностями болта и половины высоты гайки; Eб и Аб – модуль упругости материала и площадь сечения болта. Тогда коэффициент ψ = λп/(λп + λб). При большой податливости болта λб и малой податливости плиты и фундамента коэффициент λп мал и почти вся внешняя сила идет на разгрузку стыка, и наоборот, при большой податливости плиты и

11

фундамента λn и малой податливости болта большая часть внешней нагрузки передается на болты. Чаще принимают ψ ≤ 0,2...0,3. Это значение обычно и принимается в приближенных расчетах при отсутствии в стыке мягких прокладок. Болты, крепящие плиту к фундаменту, должны быть предварительно затянуты так, чтобы при работе крана с номинальной нагрузкой не произошло раскрытие стыка. Силы предварительной затяжки (1.16) Fзат = k(1 − ψ)Fвн, где k = 1,8...2 – коэффициент запаса затяжки с учетом переменности внешней нагрузки. Расчет болта производится на растяжение по максимальной осевой силе, действующей на затянутый болт после приложения внешней нагрузки Fвн. С учетом влияния крутящего момента от затяжки болтов: Fрасч = 1,3Fзат + ψF. При наличии горизонтальной силы H соединение должно препятствовать сдвигу плиты по фундаменту. Это условие выполняется при соблюдении следующего неравенства: ⎛ πd 2 ⎞ H ≤ f ⎜ n 1 [σр ] + V1 ⎟ , (1.17) 4 ⎝ ⎠ где f = 0,35…0,5 – коэффициент трения между фундаментом и плитой; [σр] – допускаемое напряжение растяжения для болтов; d1 – внутренний диаметр резьбы болта. Обычно для крепления фундаментных плит берут болты диаметром не меньше 24 мм. Головки болтов следует закладывать по возможности ближе к подошве фундамента, чтобы при затяжке болта и приложении внешней нагрузки использовать большую массу фундамента. Каждая из лап фундаментной плиты нагружена вертикальной силой V1 и нагрузкой от опрокидывающего момента М. Максимальная нагрузка на лапу: (1.18) Fmax = F1 + F. Лапу рассчитывают на изгиб в расчетном сечении примыкания ее к центральной части плиты: σи = Fmaxb/W, (1.19) где W – момент сопротивления расчетного сечения лапы; b – плечо действия силы Fmax относительно расчетного сечения. Давление между лапой плиты и фундаментом проверяется по той же максимальной внешней нагрузке Fmax с учетом силы предварительной затяжки болта, т.е.:

12

p=

πd12 [σp ] 4 ≤ [ p], Аоп

Fmax +

(1.20)

где Aoп – опорная поверхность лапы; [р] – допускаемое напряжение смятия фундамента: для кирпичной кладки на известковом растворе [р] = = 0,7...1,0 МПа; для кладки на цементном растворе [р] = 1,5...2,0 МПа; для бетонного фундамента [р] = 2,0...2,5 МПа. 1.5. Последовательность расчета

1. Задавая конструктивно размеры по рис. 1.4 l1 = 800 мм, l2 = = 400 мм, получают плечо приложения нагрузки b = l1 − dв = 648 мм. 2. Вычисляем V1, приняв нагрузку от веса колонны и опорной плиты примерно по 500 кГс. 3. Сопряжение фундамента со стальной колонной выполняем с помощью анкерных болтов. Принимаем из конструктивных соображений 6 шт. болтов диаметром М30, с отгибом, с расчетным усилием 71,7 кН. Расчетное сопротивление металла болтов растяжению по СП 16.13330 [1] для марок стали Ст3пс4, Ст3пс2, Ст3сп4, Ст3сп2 по ГОСТ 535 составляет 190 Н/мм2. 4. Вычисляют Fвн, Fмах. 5. Вычисляем σи, при условии конструктивных размеров сечения лапы в виде квадрата со стороной 140 мм (момент сопротивления вычисляем по формуле W = 2 ⋅ 0,143 /12), и сравниваем его с допустимым значением [σи] = σт/2,5. 6. Вычисляем p и сравниваем с допустимыми нагрузками на фундамент [p], принимая размеры опорной поверхности лапы. 7. Проверяем условие для Н, чтобы соединение препятствовало сдвигу плиты по фундаменту. 2. РАСЧЕТЫ ФУНДАМЕНТОВ 2.1. Фундаменты

Для восприятия нагрузок, действующих на кран, передачи этих нагрузок на грунт и обеспечения необходимой устойчивости крана применяют фундаменты из бетона, бутобетона или кирпичной кладки (рис. 2.1).

13 а)

б)

в)

г)

Рис. 2.1. Фундамент для крана на колонне: а – прямоугольный; б – расширяющийся книзу; в – уступчатый; г – схема (эпюра) для расчета фундамента

Устойчивость фундамента против действия опрокидывающего момента обеспечивается правильным выбором собственной массы фундамента и его размеров. Влияние грунта, подпирающего фундамент по его боковым поверхностям и увеличивающего устойчивость фундамента и крана, обычно при расчетах не учитывается, что приводит к некоторому повышению фактического запаса устойчивости. Верхнее основание фундамента во избежание выкрашивания его краев на 200–400 мм с каждой стороны превышает размер фундаментной плиты, т.е. а = 200…400 мм (рис. 2.1). Глубина заложения фундамента обычно составляет 1,2–2 м, и она должна быть на 0,2 м больше глубины промерзания грунта. Обычно фундамент выполняют с квадратной или многоугольной формой подошвы. Для повышения устойчивости фундамент иногда делают расширяющимся книзу – наклонным или уступчатым (рис. 2.1 б, в). Подошва фундамента должна иметь такие размеры, чтобы в месте стыка фундамента с грунтом не происходило деформации грунта или раскрытия стыка и, как следствие, перекоса крана. Действие вертикальной силы V1 и веса фундамента Gф вызывает появление между фундаментом и грунтом равномерно распределенные напряжения смятия (рис. 2.1, г): V + Gф (2.1) σv = 1 , AП

14

где AП – площадь подошвы фундамента. Момент М = Hh создает напряжения, изменяющиеся по закону треугольника: M (2.2) σM = , WП где WП – момент сопротивления площади подошвы фундамента относительно оси, перпендикулярной плоскости действия момента М. Максимальные значения σM соответствуют положению стрелы, при котором WП минимален. У квадратной подошвы фундамента момент сопротивления имеет наименьшее значение, когда стрела крана расположена по направлению диагонали подошвы. При этом WП = 2 ⋅ b 3 /12,

где b – длина стороны квадрата. Во избежание раскрытия стыка необходимо, чтобы σv = εσМ, где ε – коэффициент запаса, принимаемый равным 1,25. Чтобы не происходило разрушения грунта под фундаментом, должно быть соблюдено условие: σсум = σv + σM = (1 + ε)σM = 2,25 σM ≤ [σ′см ]. (2.3) Допускаемые напряжения смятия грунта [σсм], имеют в зависимости от вида грунта следующие значения, МПа: болотистый грунт, торф 0,025…0,05; мокрая глина 0,05…0,2; влажный песок 0,1…0,2; песок средней крупности 0,25…0,35; гравелистый песок 0,35…0,45; суглинки, глины, мелкий песок 0,2…0,3; плотнослежавшийся гравий 0,3…0,5; щебенчатый грунт 0,6; известняк, песчаник 1…1,5; гранит, базальт, диабаз 3,0. 2.2. Последовательность расчета

1. Конструктивные решения по проектированию фундаментов. Высоту фундамента назначаем с учетом глубины заложения подошвы и уровня обреза фундамента, который принимается на отметке минус 0,15 м. Высоту h фундамента определяем в зависимости от требуемой глубины заделки колонн в фундамент. Сопряжение фундамента со стальной колонной выполняем с помощью анкерных болтов. Принимаем из конструктивных соображений 6 шт. болтов диаметром М30, с отгибом, площадью сечения 5,61 см2, с расчетным усилием 71,7 кН, с глубиной заделки в бетон согласно СП 43.13330.2012 Н = 25d = 75 см, с расстоянием между осями болтов

15

С = 6d = 18 см, и с расстоянием от оси болта до грани фундамента 4d = = 12 см. Выбор марок стали для анкерных болтов следует производить по ГОСТ 24379.0, а их конструкций и размеров – по ГОСТ 24379.1. 2. Назначение глубины заложения фундаментов. Глубину заложения фундаментов выбирают либо по конструктивным особенностям проектируемого сооружения, либо по условиям сезонного промерзания грунтов. При отсутствии данных для конкретного пункта или района строительства – по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства. Согласно п. 5.5.3 СП 22.13330.2016 [3] нормативную глубину сезонного промерзания грунта dfn, м, при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение допускается определять по формуле: (2.4) d fn = d 0 Mt , где Mt – безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за год в данном районе по СП 131.13330.2012 [4], а крупных и средней крупности – 0,30 м; крупнообломочных грунтов – 0,34 м; d0 – величина, принимаемая равной для суглинков и глин 0,23 м; супесей, песков мелких и пылеватых – 0,28 м. Принимаем для г. Москвы: d fn = 0,28 ⋅ 5,6 + 7,8 + 7,1 = 1,27 м. Высота фундамента назначается, исходя из условия заделки колонны и толщины дна стакана: h = 750 + 200 = 950 мм, с учетом песчаной или бетонной подготовки. Принимаем h = 0,95 м. Тогда глубина заложения фундамента du = 0,95 − 0,1 = 0,85 м, где 0,1 м – уровень обреза фундамента. Окончательно глубина заложения фундамента назначается на уровне, удовлетворяющем всем перечисленным требованиям, т.е. d = 1,27 + 0,2 = 1,47 м. 3. Определяем ширину подошвы фундамента в верхней части из условия размещения на ней фундаментной плиты и запаса а = 200…400 мм: dв + 2(l1 − dв) + a. Ширину нижнего основания принимаем шире верхнего на 0,6…0,7 м.

16

4. Вычисляем σМ и σсум. 5. Сравниваем с допускаемыми значениями напряжения смятия грунта [σсм]. 3. ИЗМЕНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ ТИПОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 3.1. Виды съемников. Преимущества и недостатки

Сфера применения средств технологического оснащения разборочных операций очень широка в машиностроении и позволяет значительно облегчить разборку соединений с натягом. Все многообразие съемников, их конструкций и принципов действия рассмотреть невозможно, поэтому ограничимся самыми распространенными.

а)

б) Рычажный съемник: 1 – рычаг; 2 – подвеска; 3 – стойка; 4 – ось

Винтовой съемник: 1 – винт силовой; 2 – траверса

г)

в) Винтовой съемник, закрепленный на снимаемой детали: 1 – съемник; 2 – болт; 3 – кольцо съемника; 4 – снимаемая деталь

Навинчиваемый съемник: 1 – кольцо съемника с резьбой; 2 – снимаемая деталь

Рис. 3.1. Конструкции съемников: а – рычажный; б…к – винтовые

17

д)

е)

Съемник с разрезным кольцом

Съемник с цанговым захватом: 1 – винт; 2 – вороток; 3 – наконечник; 4 – гайка; 5 – планка; 6 – конус; 7 – цанга; 8 – снимаемая деталь

з)

ж) Винтовой упорный съемник: с захватом детали корпусом съемника

Винтовой упорный съемник с захватом детали лапками

к)

и) Универсальный съемник: 1 – лапка; 2 – планка; 3 – тяга; 4 – траверса; 5 – вороток; 6 – втулка; 7 – винт

Универсальный съемник: 1 – лапка; 2 – планка; 3 – тяга; 4 – траверса; 5 – вороток; 6 – втулка; 7 – винт

Рис. 3.1. Продолжение

18

Съемники подразделяются на рычажные и винтовые. Рычаг первого или второго рода позволяет увеличить силу тяги в несколько раз. Примером рычажного может служить съемник для рассухаривания клапанов головки блока цилиндров легковых автомобилей. При ввертывании винт упирается в торец другой детали, в данном случае – вала, и перемещает траверсу съемника, стягивая одну деталь с другой. По способу закрепления на демонтируемой детали съемники могут быть разделены на следующие основные типы [5]: – закрепляемые на шпильках или болтах снимаемой детали или узла; – навинчиваемые (или ввинчиваемые) на резьбу снимаемой детали; – с фрикционным зажимом детали, захватывающие деталь за наружную или внутреннюю цилиндрические поверхности и стягивающие деталь за счет силы трения между съемником и снимаемой деталью; – с захватом детали или с упором в нее. Съемники с фрикционным зажимом детали могут иметь в своей нижней части разрезную упругую цангу или разрезное кольцо, которое с малым зазором надевается на снимаемую деталь и сжимается специальным винтом. Съемники с захватом детали или с упором в нее – самые распространенные. Съемник подводится сбоку и после того, как ось силового винта расположится по оси снимаемой детали, вращением винта производят выпрессовку. Чаще всего захват детали производится двумя, тремя и более количеством лапок или тяг. Для распрессовки деталей при разборке механизмов могут потребоваться съемники других конструкций. Все разнообразие конструкций съемников предусмотреть невозможно. Пользоваться при конструировании общими рекомендациями следует осторожно, так как для каждого конкретного случая, как правило, может быть спроектировано несколько вариантов съемников. Например, требуется сконструировать приспособление для выпрессовки втулки из глухого отверстия. Возможные трудности, с которыми столкнется проектировщик, представлены ниже. – Вероятно, для удержания втулки при ее выпрессовке может быть использована разжимная цанга с фрикционным захватом или раздвигаемые кулачки с насечкой. Кроме того, если втулка запрессо-

19

вана так, что между нижним торцом втулки и днищем отверстия имеется зазор, захватить втулку можно за ее торец со стороны днища. – Силовая часть приспособления во всех этих случаях может быть выполнена в виде винта или рычага. – Если поверхность отверстия втулки достаточно гладкая, для ее выпрессовки можно применить гидростатический принцип. В этом случае внутрь втулки наливается масло, а в отверстие вводится плунжер с манжетным уплотнением. Давлением на этот плунжер или ударом по нему повышают гидростатическое давление жидкости, за счет чего производится выпрессовка втулки. – Для втулок небольшого диаметра может быть применен конический винт с рукояткой. Захват втулки осуществляется в этом случае за счет ввертывания винта во втулку. 3.2. Последовательность и пример расчета винтового съемника

Таблица 3.1 Исходные данные для расчета съемника Параметры сопряжения

м

d [м]

0,03

L [м]

0,045

P [Н/м2]

7·106

D [м]

0,3

Рис. 3.2. Сопряженные детали с натягом – ступица на валу

Сопряжение деталей с натягом характеризуется коэффициентом трения: f3 = 08...0,1 сборка прессованием; f3 = 0,12...0,14 – сборка с нагревом или охлаждением.

20

Расчет силового винта аналогичен расчету винта домкрата (см. раздел 6.1 учебного пособия [6]). Траверса (планка) съемника рассчитывается на изгиб от силы винта как балка на двух опорах, считая опоры на осях двух тяг.

Рис. 3.3. Эпюры продольной силы Q и момента на траверсе

Опасное сечение находится посередине траверсы. В некоторых съемниках, имеющих траверсу значительной длины, в соответствии с изменением изгибающего момента высота ее делается переменной: на концах – меньше, в середине – больше. Полезно увеличивать высоту h траверсы по сравнению с ее шириной b, так как момент сопротивления ее на изгиб, определяемый по известной формуле Wиз = bh2/6, возрастает значительно больше с увеличением h. Q = Pз = fз·π·p·d·L = 0,1·3,14·7·106·0,03·0,045 = 3412 Н, где Q – сила действия на винт; fз – коэффициент трения винт-гайка при запрессовке; Р – удельное давление на поверхности контакта Н/м2; d – диаметр охватываемой поверхности; L – длина запрессовки, м. Внутренний диаметр винта домкрата DB =

4Q 4 ⋅ 3412 = = 9,651 мм, 0,7 ⋅ 3,14 ⋅ σcж 0,7 ⋅ 3,14 ⋅ 66,667

где [σсж] = [σв]/[n], где n = 2,5…3, коэффициент запаса прочности; σв = 180…200 Н/м2.

21

По ГОСТ 24737-82 выбираем параметры резьбы вала съемника, мм: dв = 10,5; dср = 12,5; dн = 14; p = 3. Условие самоторможения винта β < ρ,

⎛ р ⎞ 3 ⎛ ⎞ β = arctg ⎜ = arctg ⎜ ⎟ ⎟ = 4,371. ⎜ πd ⎟ 3,14 ⋅ 12,5 ⎝ ⎠ ср ⎝ ⎠ β < ρ = 5,5, условие выполняется. Крутящий момент, прилагаемый к винту домкрата при диаметре подпятника при dн = 10,5, f0 = 0,15: d 12,5/1000 Мкр = Q ср ⋅ tg(β + ρ) + M n = 3412 ⋅ tg(4,37 + 5,5) + 1,79 = 5,503, 2 2 где Мn – момент трения на опорной поверхности пяты, зависящий от конструкции опоры: 1 1 Mn = Q f0 d = ⋅ 3412 ⋅ 0,15 ⋅ 10,5 = 1,792, 3 3 где f0 – коэффициент трения в контакте между пятой и винтом.

Рис. 3.4. Конструкция сопряжения упора силового винта

Длина рукоятки R = 0,15 м. Усилие на рукоятке: Pp = Мкр/R = 5,502/0,15 = 36,684 Н. Если Pp ≤ 300 Н, то условие выполняется. Если условие не выполняется, необходимо увеличить длину рукоятки (что крайне нежелательно) или уменьшить шаг винта. Винт проверяют на совместное действие сжатия и кручения, а при значительной длине и на устойчивость. Касательные напряжения в материале винта: Mкр 5,502 τ= = = 23766530,92 Н. 3 0,2 ⋅ d 0,2 ⋅ 10,53

22

Приведенные напряжения: 2 2 σпр = σсм + 4τкр = 47533061,84 Н/м2, [σпр ] = 90 ⋅ 106 Н/м2 ,

так как σпр < [σпр], то условие выполняется. Критическая сила определяется по формуле: 3,142 ⋅ Е ⋅ Jр 3,142 ⋅ 2 ⋅ 1011 ⋅ 5,96 Ркр = = = 580725,818, L2 0,0452 где Pкр – критическая сила, Н; Е = 2 1011, Н/м2 – модуль упругости стали; Jp = πd4/64 = 0,054 d4, м2, L – максимальная длина сопряжения, м. Запас устойчивости винта: ⎛ Р ⎞ 580725,818 = 170,181. ny = ⎜ кр ⎟ = 3412 ⎝ Q ⎠ Винт устойчив, так как nу > 4. Допускаемые удельные давления в контакте винта и гайки выбираем по таблице 6.1 учебного пособия [6] (материал сталь-сталь): [q] = (10...13)·106 Н/м2. Тогда число оборотов стальной гайки: Z = 4Q /p(d н2 − d в2 )[q ] = 4 ⋅ 3412/3,14(14 2 − 10,5 2 )12 ⋅ 10 6 = 4,6. Принимаем Z = 5. Высота гайки определяется по формуле: H = Z·P = 5·3/1000 = 0,015 м. Полезная работа по сдвиганию за один оборот винта Aп = Qp = 3412·3 = 10,23 Дж. Работа, совершаемая человеком за один оборот винта: A = 2Pp·πR = 2·36,68·3,14·0,15 = 34,55 Дж. КПД A η = п = 10,23/34,55 = 29,62%. A Из таблицы 5.1 учебного пособия [5] выбираются коэффициенты С1 и С2. d0 = d0/d = 0; С1 = 0,7. D = 0,3; d/D = 0,1; С2 = 1,32. Высоты микронеровностей сопрягаемых поверхностей Rz1 = = Rz2 = 3,2 мкм. Определяем расчетный натяг соединения δ, мкм. Так как нам известно удельное давление р, то найдем δ из формулы: δ ⋅ 10−6 p= . ⎛ C1 C2 ⎞ d ⋅⎜ + ⎟ ⎝ E1 E2 ⎠

23

δ = 7·106·0,03·(0,7/2,15·10–11 + 1,32/2,15·10–11)/10–6 = 1,9 Н/м2, найдем Δd из формулы δ = Δd − 1,2(R1 + R2), Δd = 1,9 + 1,2(3,2 + 3,2) = 9,65 мкм. Наибольшая осевая сила, необходимая для сборки или разборки сопряжения: Pз = fз·π·p·d·L = 0,1·3,14·7·106·0,03·0,045 = 3412 Н, где Q – сила действия на винт; fз – коэффициент трения винт-гайка при запрессовке; Р – удельное давление на поверхности контакта, Н/м2, d – диаметр охватываемой поверхности, L – длина запрессовки, м. Толщина траверсы равна высоте гайки. Длина траверсы выбирается из соотношения Lт = 1,3Dш = 1,3·0,3 = 0,39 м, где Dш – наружный диаметр шкива. Ширина траверсы: Bт = 3dн = 3·14/1000 = 0,042 м. Центры пальцев, на которых поворачиваются лапки съемника, расположены друг от друга на расстоянии l = 0,018 м. В силу симметричности конструкции съемника момент, изгибающий траверсу, Q 1 3412 ⋅ 0,18 Mи = ⋅ = = 15,35 Нм. 2 2 4 Условие прочности траверсы σмакс ≤ [σи]. σмакс = Mи/W, где W – момент сопротивления сечения при изгибе. W = bH2/6 = 0,012·0,0152/6 = 0,00000045 м3, где b = Bт – dн = 0,042 − 0,014 = 0,028 м. Получаем σмакс = Mи/W = 15,35/0,00000045 = 34,12·106 Н/м2. Для большинства сталей, применяемых для изготовления винтов [σв] = 90·106 Н/м2, т.е. в данном случае условие прочности соблюдается. Лапки съемника работают на растяжение. На каждую лапку действует сила: Р = Рз/2 = 3412/2 = 1706,19 Н. Если лапки изготовлены из малоуглеродистой стали, имеющей [σт] = 250·106 Н, то при условии трехкратного запаса прочности (K3 = 3) площадь поперечного сечения одной лапки: F ≥ PKз/[σт] = 1706,19·3/250·106 = 2,047 м2.

24

Пальцы лапок работают на срез и смятие. Условие прочности по напряжениям среза: τ = 4P /pd n2i ≤ [ τ],

где dn – диаметр среза, i – число плоскостей среза (i = 2). В нашем случае: [τ] = 0,4σт = 0,4·250·106 = 100·106 Н/м2. Отсюда dп ≥

4P = 0,00329 м. 2[ τ]π

Условие прочности на смятие σсм = P/dδ ≤ [σсм], где δ – наименьшая длина пальца, подверженная смятию, для нашего случая δ = Вτ/3 = Вл = 0,014 м, где Вл – ширина лапки в месте крепления к траверсе. [σсм] = 0,8σт = 0,8·250·106 = 200·106 Н/м2. Тогда d ≥ P/([σсм]δ) = 1706,19/(200·106·0,014) = 0,000323 м, принимаем d = 0,0033 м. Захватывающие концы лапок необходимо рассчитать на изгиб от нагрузки Р. Для удобства работы со съемником примем, что длина захватывающего конца lк = 0,01 м. Максимальный изгибающий момент ML = P·lк = 1706,19·0,01 = 17,06 Н·м. Из условия прочности на изгиб наименьшая толщина лапки hl =

6ML 6 ⋅ 17,06 = = 0,013 м. BL [σсм ] 0,014 ⋅ 200 ⋅ 106

При этом площадь поперечного сечения лапки F' = Влhл = 0,014·0,013 = 3,815·10–5 м2. Условие F' > F выполняется. С учетом комплексного нагружения лапки должно соблюдаться условие: P ML σ = σ p + σn = + ≤ [σ]; F′ w P ML 1706,19 17,06 σ= + = + = 85,3451 Н/м2 , F′ w 3,815 ⋅ 10 − 5 0,00000045 что меньше, чем [σ] = 100·106 Н/м2, следовательно условие выполняется.

25

3.3. Расчеты моечного оборудования

Теория и методика выполнения расчетов моечного оборудования с примером его выполнения изложены в пп. 1.5…1.10, а последовательность расчета в п. 1.12 учебного пособия [5]. Пример выполнения расчета см. пример № 1 Приложения 2 пособия [5]. Варианты расчетов типового моечного оборудования с измененными исходными параметрами представлены в таблице 3.2. 3.4. Расчеты щеточного оборудования мойки

Расчеты щеточного оборудования моечных установок (теория вопроса см. в п. 1.6 [5]) помогут обучающимся глубже понимать сущность механических процессов взаимодействия ворса и омываемой поверхности, оптимизировать работу типового оборудования изменением его технических характеристик или модернизацией. Расчет ведут по учебному пособию [5], в скобках даны ссылки на формулы данного учебного пособия. Для расчета привода щеток примем радиус вращающейся щетки r = 0,6 м; высоту щетки h = Н − 0,1 = 2,4 − 0,1 = 2,3 м; частоту вращения щеток n = 75 1/мин; угол деформации α = 60° (см. рис. 1.12 в [5]). Линейная скорость на поверхности щеток (1.21 в [5]) 2 ⋅ 3,14 ⋅ 0,6 ⋅ 75 Vл = = 4,71 м/с. 60 Площадь сегмента деформируемой части щетки (1.24 в [5]) 3,14 ⋅ 0,62 ⋅ 60 0,62 ⋅ sin 60° Sc = − = 0,02 м2 . 360 2 Масса нитей, подверженных деформации (1.23 в [5]) m = 0,03·2,3·1200·0,02 = 1,66 кг. Центробежная сила (1.22 в [5]) 1,66 ⋅ 4,712 Рц = = 61. 0,6 Мощность на привод одной щетки (1.20 в [5]) W = 2,2·61·4,71·0,1 = 63 Вт. Общая мощность привода щеток (1.25 в [5]) WΣ = 63·2 = 0,063 Вт ≈ 0,1 кВт.

26

Скорость конвейера моечной установки (1.26 в [5]) 6,28 ⋅ 0,6 ⋅ 75 Va = = 2,35 м/мин. 120 Если установка не имеет щеток и расчет скорости конвейера не производится, можно принять Vа = 3…9 м/мин. Время мойки одного автомобиля. Длина автомобилей ЗИЛ431410 равна 6675 см (1.27 в [5]) 6,675 t= = 2,84 мин = 170 с. 2,35 Средний расход воды на мойку одного автомобиля Qср = Qt = 23,6 ⋅ 10 −3 ⋅ 1,7 = 4 м3 .

Число автомобилей, проходящих через мойку в течение часа, 60Va 60 ⋅ 2,35 = = 16 шт. Na = LaKH 6,675 ⋅ 1,3 Часовой расход воды Qч = QсрNa = 4 ⋅ 16 = 64 м3 /ч.

Варианты заданий для обучающихся представлены в таблице 3.2. Таблица 3.2 Варианты заданий к практическим занятиям Вариант № 1

2

Исходные данные для расчета съемника Диаметр стального вала Dв = 100 мм, на который насажен чугунный шкив D = 10 мм Длина сопряжения L = 100 мм Удельное давление р = 5·106 Н/м2 Dв = 150 мм L = 200 мм Расчетный натяг δ = 3,4 мкм

3

Dв = 18 мм L = 5 мм Удельное давление р = 10·106 Н/м2

4

Dв = 20 мм L = 25 мм Н7/n6 вал выполняется с допуском +17…+33 мкм, а отверстие – 0…+25 мкм Rz1 = Rz2 = 1,2 мкм

Расчет крана Gгр = 10 тс L=6м H=8м а=2м

Расчет моечного оборудования Расчет гидравлических параметров мойки по давлениям: Рмой/см = 2,8/0,6 МПа

Gгр = 13 тс L=4м H = 18 м а=3м Gгр = 30 тс L=5м H=5м а = 2,5 м Gгр = 20 тс L = 12 м H=9м а=1м

Расчет щеточного оборудования при частоте вращения n = 75 мин–1 Расчет очистных сооружений производительностью Q = 8 м3/ч Расчет очистных сооружений производительностью Q = 8 м3/ч

27

Продолжение табл. 3.2 Вариант № 5

6

7

8

9

10

Исходные данные для расчета съемника Dв = 300 мм L = 45 мм Наибольшая осевая сила Pз = 7·103 Н Dв = 40 мм L = 50 мм P = 12·106 Dв = 50 мм L = 60 мм Наибольшая осевая сила Pз = 15·103 Н Dв = 10 мм L = 60 мм Удельное давление р = 15·106 Н/м2 Dв = 450 мм L = 350 мм P = 25·106 Н/м2 d = 360 мм L = 25 мм D = 250 мм Расчетный натяг δ = 3,4 мкм Rz1 = Rz2 = 1,6 мкм

Расчет крана Gгр = 25 тс L=3м H=4м а = 1,5 м Gгр = 11 тс L=7м H = 11 м а = 2,5 м Gгр = 4 тс L=8м H = 15 м, а = 3,5 м Gгр = 10 тс L=6м H = 12 м а=3м Gгр = 5 тс L=9м H = 18 м а=4м Gгр = 50 тс L = 15 м H=4м а=2м

Расчет моечного оборудования Расчет очистных сооружений производительностью Q = 8 м3/ч Расчет гидравлических параметров мойки по давлениям: Рмой/см = 2,8/0,6 МПа Расчет щеточного оборудования при частоте вращения n = 75 мин-1 Расчет гидравлических параметров мойки по давлениям: Рмой/см = 2,8/0,6 МПа Расчет щеточного оборудования при частоте вращения n = 75 мин–1 Расчет очистных сооружений производительностью Q = 8 м3/ч

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К разделу «Грузоподъемное оборудование» 1. Каковы особенности расчетов оснований под оборудование? 2. Перечислите последовательность расчета анкерных болтов под оборудование. Какое значение принимают за расчетное при различных свойствах грунта в скважинах? 3. Каковы особенности расчетов осадки фундаментов и определения их ширины? 4. Каковы критерии расчета фундаментов подъемно-транспортного оборудования? 5. Какова последовательность расчетного сечения фундаментной плиты крана? 6. Каков порядок расчета опорной части кранового оборудования?

28

К разделу «Расчет съемников» 1. Какие принципы расчетов приспособлений и от чего зависит эффективность их применения? 2. Какова последовательность расчетов соединений с натягом? 3. Каковы способы разработки прессовых соединений? 4. Какие существуют виды съемников и в чем их особенности? 5. Какие существуют способы нагрева и в чем их эффективность? 6. Перечислить ключевые параметры расчета съемника для разборки-сборки соединения с натягом. 7. Какие элементы домкратов и винтовых подъемников требуют расчета? 8. Что является условием устойчивости винтовых домкратов? 9. Что является условием самоторможения винта? 10. В чем заключаются особенности винтовых электромеханических подъемников? Рассчитывают ли винт подъемника на устойчивость? СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Александров, М.П. Подъемно-транспортные машины: учеб. пособие / М.П. Александров. – М.: Высш. шк., 1985. – URL: http://www.twirpx.com/file/20566/ 2. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. HYPERLINK http://docs.cntd.ru/document/456069588 3. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83. – URL: http://docs.cntd.ru/document/456054206 4. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99. – URL: http://docs.cntd.ru/document/1200095546 5. Кудрин, А.И. Основы расчета нестандартизованного оборудования для технического обслуживания и текущего ремонта автомобилей: учеб. пособие / А.И. Кудрин. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2003. – 168 с. – URL: http://kf.osu.ru/old/bibl/lib_books/ doc_aah/5.pdf 6. Штефан, Ю.В. Проектирование современного технологического оборудования: курс лекций / Ю.В. Штефан, В.А. Зорин, А.Ф. Синельников. – М.: МАДИ, 2018. – 96 с.