Сварные конструкции. Расчет и проектирование

БАРАБАНЫ

Барабаны используют в шаровых мельницах, центрифу­гах, но особенно часто их применяют в грузоподъемных машинах и шахтных подъемниках. Размеры барабанов различны. Диаметры их колеблются в широких пределах: от нескольких десятков миллиметров до нескольких метров. Длина барабана зависит от его назначения. Толщина стенок барабана может достигать 75 мм. В большинстве случаев барабан представляет собой сварную конструкцию, изго­товленную из листов. Однако в некоторых изделиях основой барабана служит каркас, выполненный из профильного
материала. Каркас представляет собой пространственную жесткую систему, к которой приваривают барабанную об­шивку. Такие конструкции встречаются сравнительно редко и главным образом в крупных шахтных подъемниках.

Цилиндрическую часть барабана соединяют с торцевы­ми стенками (днищами). Последние представляют собой

плоские круглые листовые элементы, к которым приварены цапфы. В некоторых конструкциях барабанов цапфы яв­ляются концами валов, не имеющих разрывов (рис. 14.6, а); в других — концами валов с разрывом (рис. 14.6, б). Для корпусов барабанов малых диаметров используют трубы или отливки, для средних и больших диаметров корпуса барабанов вальцуют из одного или нескольких листов.

Рассмотрим схему конструкции барабана шахтного подъ­емника. Для удобства навивки каната на поверхности бара­бана предусматривают канавки, соответствующие диаметру этого каната (рис. 14.7, а). Канавки не должны ослаблять сечение барабана. Усилие от натяжения каната вызывает в барабане сжатие. Если напряжения сжатия превзойдут зна­чение, которое называется критическим, то оболочка поте­ряет устойчивую форму и выпучится (рис. 14.7, б).

Во избежание потери устойчивости повышают жесткость оболочки. Дтя этого приваривают кольцевые элементы жесткости: полосы, швеллеры (рис. 14.7, в), различные штампованные профили.

Соединения барабана с торцевой стенкой весьма ответст­венны, так как передают значительные рабочие усилия. Рациональными являются соединения барабана со стенкой, приведенные на рис. 14.7, г, е допускается соединение уг­ловыми швами, показанное на рнс. 14.7, д, е.

Расчет прочности барабана производят на сжатие, изгиб и кручение. Рассмотрим элемент обода под канатом (рис. 14.7, акт). Усилие в ободе уравновешивает силу Р, приложенную к канату. Поэтому напряжение сжатия в ободе

где d — ширина обода, равная диаметру каната; s — тол­щина обода (рис. 14.7, з).

Рассмотрим, в какой степени сжимающие напряжения могут быть опасны для обода с точки зрения потери устой­чивости. Допустим, что труба, не имеющая торцевых стенок, сжимается нагрузкой, равномерно распределенной по ее окружности (рис. 14.7, й) Из теории упругости известно, что потеря устойчивости наступает при нагрузке

3EJ..

Р*т>— £3 * (^4.5)

где J — момент инерции продольного сечения стенки трубы относительно оси; Е — модуль упругости; R — радиус трубы.

Если принять элемент длины трубы равной d, а толщину стенки—s (рис. 14.7,з), то

/-■£. (14.6)

Таким образом, нагрузка определится формулой

Лр = ед/?)»/4. (14.7)

Установим зависимость между Р и р. В гл. 13 показано, что в цилиндрическом теле, нагруженном по поверхности распределенной нагрузкой р, образуется усилие

~P = pR. (14.8)

Подставим вместо р его значение из формулы (14.7), тогда получим

Р. р = —*4<5/Я)1. (14.9)

Если принять коэффициент запаса на устойчивость рав­ным 2, то допускаемая сила по устойчивости барабана

Рдо„ = —а(5//?)*. (14.10)

Напряжение в барабане, допускаемое с учетом устойчиво­сти, составляет

[<т]р<0,5[а],р. (14.11)

Торцевые стенки повышают устойчивость барабана по сравнению с ее допускаемым значением Рлп„, полученным по формуле (14.10). Если PvtZ4>0,5Put, то барабан следует усилить постановкой кольцевых элементов жесткости.

Пример расчета. Требуется из условия определить необходимую толщину листов барабана, у которого радиус Я=30 см, d— 2 см, Р= 20 кН, £=0,21-10е МПа (рис. 14.8).

По формуле (14.10) имеем

Ris=y EdRi(8P) = у 0.21-0,02-0,3-10е/(8-0,02) = 19,6,

откуда s—16 мм.

Напряжение сжатия в оболочке определяется по формуле (14.4):

Стен = 0,02/(0,02-0,016) =62,5 МПа.

Если углубление канавки составляет гі/2=10мм, то полная толщина листа барабана равна 16+10=26 мм,

Кроме проверки на устойчивость оболочка должна быть проверена также на прочность в зависимости от изгибаю­щего и крутящего моментов. Наибольший изгибающий мо­мент имеет место в середине пролета (см. рис. 14.8):

М = Р1/ 4, (14.12)

где / — расстояние между опорами барабана. Напряжение от изгиба

о = M/W. (14.13)

Момент сопротивления барабана находится так же, как и в кольцевом сечении:

W = J(RU (14.14)

где Rі — внешний радиус.

Значение крутящего момента зависит от конструкции привода. При расположении его с одного конца вала

AKV = PR. (14.15)

Напряжение от кручения

= (14.16)

где И^ир — полярный момент сопротивления.

В большинстве случаев напряжения от изгиба и круче­ния в барабанах незначительны по сравнению с напряже­ниями сжатия.

Пример расчета. Допустим, что длина барабана, рассмотрен­ного в предыдущем примере, /=2000 мм. Остальные условия те же. Определим момент, вызванный в барабане изгибом,

Л1 = Р//4,

Крутящий момент в случае, если двигатель находится с одной сто­роны вала, составит

М кр = PR < 20 ■ 0,3 = 6 кН • м.

Осевой момент инерции кольца

У—я {R*—Ri)/4.

Принимаем для упрощения расчета /?,= #.+*. Тогда /= =я/4 (4 -29,2і• 1,6+6,29-2-І,6»+1,6«)= 135 740 см«

Напряжение от изгиба по формуле (14.13)

М_ 0,01-0,308 ____ „

W 135 740-10-* ~ ’

Полярный момент инерции Укр=2У—271 480 см4. Напряжение от кручения по формуле (11.16) т=0,006-0,308/(271 480-10-*)=»

= 0,67 МПа. Напряжения ничтожно малы.

Допустим, что внутренний ра­диус цапфы г=8,0 см и толщина ее sy= 1,0 см. Полярный момент инерции поперечного сечения цапфы

Jn. = я [(г, +1,0)* - г}]/2 = 3864 см*.

Напряжение от кручения в цап­фе и в шве, соединяющем цапфу с торцевой стенкой, при К=6 мм, т = = 14 МПа, что вполне допустимо.

В крупногабаритных ба­рабанах успешно применяют

соединения, свариваемые

электрошлаковой сваркой. На рис. 14.9 изображена свар­ная конструкция барабана

лебедки шагающего экскаватора. Толщина его стенок 98 мм, наружный диаметр 1986 мм. Ступица барабана / и фланец 3 представляют собой отливки из стали 25Л. Полу-

обечайки 2 изготовлены из стали 20Г. Отливки I и 3 перед

механической обработкой подвергаются термической обра­ботке. После выполнения сварочных работ весь барабан снова подвергается термической обработке.