Расчет на прочность подъемного вала буровой лебедки

Необходимо определить нагрузки, действующие на вал: опорные реакции, изгибающие моменты под левой и правой ступицами барабана, нормальные касательные напряжения в опасных сечениях, коэффициенты запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям и приведенный коэффициент запаса.

На рис. 10 представлены три расчетные схемы нагружения подъемного вала лебедки:

- подъемные операции осуществляются на низших передачах (1, 2, 3 скорости подъема). На вал действуют: нагрузка от натяжения цепей привода Р_ц и усилие от натяжения каната Р_xkmax при максимальной нагрузке на крюке;

- подъемные операции осуществляются на высших передачах (4, 5, 6 скорости подъема). На вал действуют нагрузки Р_ц и Р_Хk2

- операции осуществляются при включенном вспомогательном тормозе.

На вал действует нагрузка Р_хкз.

Так как , то расчетной является первая схема, представленная на рис. 11. В точках А и В находятся опоры вала, С и Е - ступицы барабана, Д и F - цепные передачи. Канат находится у левой реборды. С достаточной степенью точности принимается, что изгибающие моменты, возникающие от натяжения цепи, расположены в горизонтальной плоскости, а от натяжения каната - в вертикальной плоскости.

Данные, необходимые для расчетов, приведены в таблицах 7, 8.

5.1. Определение действующих усилий

Усилие на вал от натяжения ходовой ветви каната определяется при условии .

Усилие на вал от натяжения цепи:

Рис. 10. Расчетные схемы нагружения подъемного вала лебедки

Канат у левой реборды (1), канат у правой реборды (2)

а) подъем на низшей передаче; б) подъем на высшей передаче; в) спуск

Рис. 11. Схема для расчета подъемного вала буровой лебедки

5.2 Определение опорных реакций

- в вертикальной плоскости

Таблица 7

Исходные данные для расчета подъемного вала

Наименование	Размерность	Условные обозначения в формулах	Численное значение величины
Нагрузка на крюке	кН	Qкр	1000, 2000, 3000, 4000
Нагрузка от массы подвижных частей талевой системы	кН	Gтс
Число подвижных струн	-	Uтс	10, 12, 14
Расчетный диаметр барабана лебедки	м	Dбр	0,90
Коэффициент полезного действия барабана лебедки	-	ηб	0,97
Диаметр делительной окружности звездочки	м	dд	1,31
Коэффициент влияния амплитуды цикла:
при расчете вала по касательным напряжениям	-	(Kт)D	3,33
при расчете вала по нормальным напряжениям	-	(Kб)D	0,0
Коэффициент влияния среднего напряжения цикла:
при расчете вала по нормальным напряжениям	-	ψσ	0,0
при расчете вала по касательным напряжениям	-	ψτ	0,15
Минимальное значение касательного напряжения	МПа	τmin	0,0
Расстояние до середины вала от опор А и В	м	l1=l2	1,12
Свойства материала вала:
Предел текучести	МПа	σт
Предел прочности	МПа	σв
Диаметр подъемного вала в рассматриваемом сечении	м	dв	0,245
Допускаемый коэффициент запаса при расчете на усталостную прочность	-	[n]	1,3

Таблица 8

Условные обозначения

Обозначение	Единица измерения	Наименование
l3	м	Расстояние от опоры А до точки приложения усилия в ходовом конце каната
l6	м	Расстояние от опоры В до правой ступицы барабана
Mк	кН·м	Крутящий момент от усилия в цепной передаче
Рхкmax	кН·м	Максимальное натяжение ходового конца каната
Рп	кН	Усилие, передаваемое цепью
Рц	кН	Усилие на вал от натяжения цепи
σmin	МПа	Минимальное значение нормального напряжения
σа, τа	МПа	Амплитуда цикла нормальных и касательных напряжений
σм, τм	МПа	Среднее значение нормального и касательного напряжений
nσ, nτ	-	Коэффициент запаса по нормальным и касательным напряжениям
N	-	Приведенный коэффициент запаса при расчете на усталостную прочность
l7	м	Расстояние от точки приложения усилия в цепной передаче до опоры А вала
	кН	Реакции опор А и В от натяжения цепи
	кН	Суммарные реакции опор А и В
	кН	Реакции опор А и В от натяжения ходового конца каната
MIIc, MIIIe	кН·м	Изгибающий момент под левой и правой ступицах барабана
σmax, τmax	МПа	Максимальные значения нормальных и касательных напряжений
	Предел выносливости:
σ-1	МПа	по нормальным напряжениям
τ-1	МПа	по касательным напряжениям
l1+l2	м	Расстояние между опорами вала

в горизонтальной плоскости:

Расстояние l₃ и l₇ определяются согласно расчетной схеме:

Суммарные реакции опор вала:

5.3 Определение изгибающих моментов

Изгибающий момент под левой ступицей барабана:

под правой ступицей барабана:

5.4 Определение нормальных и касательных напряжений

Нормальные напряжения при изгибе изменяются по симметричному циклу при стандартных параметрах:

Касательные напряжения изменяются по пульсирующему циклу со стандартными параметрами:

Наибольшие напряжения возникают, как следует из расчетной схемы нагружения в сечении II-II и равны:

Минимальные напряжения цикла:

Амплитуда цикла

Среднее напряжение цикла

5.5. Определение коэффициентов запаса прочности

Коэффициент запаса по нормальным напряжениям

Наименование коэффициентов приведено в таблицах 5 и 6. Значения коэффициентов равны:

Коэффициент запаса по касательным напряжениям:

Приведенный коэффициент запаса:

Выполнение условия прочности n> [n].

Решение

Задаются исходными данными согласно табл. 7.

Вычисляют коэффициенты запаса прочности, исходя из максимальных величин натяжения ходовой ветви каната и крутящего момента.

Для решения задачи составляется схема алгоритма, приведенная на рис. 12, вводят исходные данные для расчета величины согласно табл. 8 и составляют программу расчета.

Особенностью алгоритма являются два цикла вычислений, из которых внешний ведется по , а внутренний - по нагрузке на крюке . Это позволяет провести проверочный расчет вала при различных значениях Q_кр и фиксированных значениях U_тс.

Рис. 12. Схема алгоритма для расчета подъемного вала лебедки

Анализ результатов расчета.

В результате расчета необходимо устанавливать соблюдение условия прочности в наиболее опасных сечениях вала при заданных прочностных характеристиках материала, из которого он изготовлен.

Дата добавления: 2015-09-06