طراحی جرثقیل های ستونی و بازویی

**BaAaroOoN** · 26th September 2012 08:48 PM

1-2) مقدمه ساخت سازه

ابتدا باید سازه را از چند جهت برای طراحی هم به صورت تئوری و هم به کمک نرم افزار انسیس باید مورد بررسی قرار دهیم:

1-از لحاظ بار استاتیکی و تحلیل مقاومتی قطعات به این صورت که در قسمت پایه لوله ای شکل ما در بحرانی ترین نقطه یک المان را از نظر تنش های کششی , فشاری وبرشی و... بدست آوریم در قشمت تیر نیز به این شکل عمل می کنیم و پس از آن با استفاده از تئورهای ترسکا و وون میزز و... ابعاد و جنس مورد نظر را طراحی می کنیم.

2- مهم ترین پارامتری که بوسیله آن می توانیم بارهای دینامیکی وارد بر سازه را در نظر گرفته و تحلیل کنیم پدیده خستگی می باشد به اینصورت که هرگاه قطعه ای تحت اثر بار نوسانی قرار گیرد قبل از اینکه بعلت بار استاتیکی گسسته شود یا بطور کلی قبل از رسیدن قطعه دچار پدیده خستگی می شود و دچار گسستگی میشود مهمترین عاملی است که باعث از کار افتادن سازه می شود پس ما باید قطعه سازه را از این نقطه نظر مئرد بررسی قرار دهیم.

3- پایه سازه که بصورت ستون عمل می کند از لحاظ کمانش باید بررسی شود هر چند میتوان حدس زد که احتمال اینکه ستون بوسیله کمانش گسسته شود و از مقدار بحرانی خود فراتر رود بسیار کم می باشد این بخش را نیز با استفاده از نرم افزار مورد بررسی قرار می دهیم و تغییرات کرنش و تنش های بوجود آمده و ... را تحلیل می نماییم.

4- بررسی سازه از نظر خیز و شیب که در قسمت تیر و بررسی می شود و کمانش در قسمت ستون انجام می شود

5-بررسی بازوی چرخان از نظر پدیده رزونانس : به این صورت که ما بازو را با توجه به هندسه آن بدست می آوریم و سپس فرکانس زاویه ای ناشی از دوران را طوری انتخاب شود که فاصله زیادی با داشته باشیم زیرا اگر نسبت مساوی یک شود پدیده رزونانس اتفاق می افتد البته این بخش تنها با استفاده از نرم افزار انسیس محاسبه می شود

اطلاعات که برای ساخت این سازه در اختیار ما قرار دارد به قرار زیر می باشد:

طول بازو L=4 m

ارتفاع ستون h=6 m
وزن که جرثقیل باید حمل کند M=3000 kg

ابتدا باید ابعاد بازویی و جنس آن را محاسبه کنیم تا وزن ناشی از بازو را محاسبه کنیم برای اینکه وزن و ابعاد بازو وجنس مشخص شود باید بحرانی ترین پدیده ای که در قسمت انتهای تیر اتفاق می افتد خمش می باشد را دست آوریم که باعث کشش در المانهای بالا و فشار در المانهای پایین می شود و مقطع تیر آهن را از نوع بال پهن انتخاب می کنیم (علت آن سهولت در تهیه این نوع تیر آهن وهم اینکه در قسمت بال های آن می توان یاتاقان هایی که برای حمل بار در طول تیر انجام می شود را قرار دهیم).ضریب اطمینان که برای این جرثقیل در نظر گرفته شده برابر 5 می باشد و در قسمت بازو که 4m در نظر گرفته شده است 3.5m بصورت تیر یکسرگیردار عمل می کند و 0.5m نیز بعنوان پایه و تکیه گاه به ستون و تکیه گاهی که انتخاب شده است متصل می شود .ابتدا قسمت بازو را که به صورت تیر یکسرگیردار میباشد مورد تحلیل قرار میدهیم سپس قسمت ستون با مقطع استوانه توخالی و بعد از آن اتصالات در قسمت های مهم بررسی می شود.

2-2) طراحی تیر(بازوی جرثقیل)

1-2-2) بدست آوردن مشخصات بازو:

نقطه A از تکیه گاه این تیر می باشد که بیشترین تنش خمشی را تحمل می کند:

F : بار وارده که برابر 30KN می باشد.
L: طول تیراز قسمت تکیه گاه تا انتهای تیر که برابر 3.5m می باشد.

M

جنس فلز انخاب شده برای تیر طبق جدول کتاب مقاومت مصالح جانسون از فولاد کم آلیاژ با استحکام بالا (ASTM-A 709) که دارای مشخصات زیر می باشد:

در ضمن ضریب اطمینان تیر را برابر f.s.=5 در نظر میگیریم:

= تنش نرمال در تیر میباشد.

استحکم تسلیم می باشد.=

بااستفاده از S بدست آمده و طبق جدول مشخصات تیر های بال پهن کتاب مقاومت مصالح تیرهای با مشخصات S نزدیک به عدد بدست آمده را لیست میکنیم و از میان آنها تیری که سبکتر از همه می باشد را انتخاب میکنیم:

تیر که نسبت به تیرهای فوق دارای وزن کمتر می باشد را مشخصات زیرانتخاب می کنیم:

2-2-2) محاسبه خیز و شیب

گام بعدی محاسبه خیز و شیب تیر که بازوی جرثقیل انتخاب شده است می باشد حداکثر تنش که در تیر میتواند وارد شود زمانی است که بار بر قسمت انتهای تیر که نوک بازو می باشد قرار گیرد که این قسمت از تیر را نقطه
B می نامیم.

مقدار خیز بازو را طبق معادله زیر برای تیر یک سر گیردار محاسبه میکنیم:

L طول بازو میباشد حال از معادله بالا انتگرال میگیریم و شرایط مرزی را برای بدست آوردن درنظر میگیریم که و می باشد:

حال بار دیگر از این معادله به دست آمده انتگرال میگیریم و شرایط مرزی و را قرار میدهیم در نتیجه در قسمت سر تیر معادلات زیر برقرار می باشد:

درقسمت سر تیر x=0 می باشد و با توجه به اطلاعات و مشخصات تیرکه قبلا اشاره شد داریم:

حال وزن خود تیر را نیز به صورت بار گسترده در نظر می گیریم در تیر رقم دوم یعنی 46.1 جرم تیر کیلوگرم بر واحد متر است در نتیجه داریم :

W=46.1kg

براساس دو معادله اشاره شده و طبق اثبات قبل که برای بار وارده p اشاره شد داریم:

3-2-2) بدست آوردن تنش های نرمال:

بعد از بدست آوردن تنش ماکزیمم توانستیم تیر مورد نظر را برای طراحی بازو بدست آوریم با مشخصات تیر با داشتن تیر انتخاب شده و میتوانیم تنش نرمال را بدست آوریم :

با داشتن وc از مشخصات ابعادی تیر میتوانیم را نیز از معادله زیر دست آوریم:

همچنین با داشتن Q,V,t,I میتوانیم تنش برشی در بازو را محاسبه کنیم :

برای اطمینان از اینکه آیا تیر میتواند در مقابل تنش برشی مقاوم باشد میتوانیم تنش برشی ماکزیمم را بدست آورده و با تنش بدست آمده مقایسه کنیم:

طبق رابطه بالا و تنش برشی ماکزیمم بر اساس تنش برشی تیر انتخاب شده مناسب است و بر اساس تنش های نرمال داریم:

پس شرط طراحی بر اساس تنش های نرمال برقرار است.
4-2-2) طراحی بر اساس تئوری وون میزز:

پس از انتخاب تیر مورد نظر و بدست آوردن ضریب اطمینان و تنش نرمال و ماکزیمم میتوانیم آن را از لحاظ تئوری وون میزز نیز مورد آزمایش قرار دهیم این بخش را هم با استفاده از نرم افزار نیز مورد بررسی قرار می دهیم :

طبق اطلاعات بدست آمده از بخش قبل بصورت زیر داریم:

طبق تنش وون میزز بدست آمده در رابطه بالا میبینیم که این مقدار از تنش ماکزیمم کمتر است پس تیر بر اساس تئوری شکست وون میزز ایمن می باشد در ضمن این بخش را نیز با کمک نرم افزار تحلیل خواهیم کرد.

3-2) طراحی ستون

حال نوبت به قسمت پایه جرثقیل میرسد که بصورت ستون یکسرگیردار عمل میکند مقطع ستون را استوانه توخالی در نظر میگیریم زیرا تنها مقطعی است که تمامی تنش های نرمال و برشی را توما به خوبی تحمل میکند:

جنس ستون را از فولاد کم آلیاژ با استحکام بالا انتخاب می کنیم که دارای مشخصات زیر می باشد:

گشتاوری که به قسمت انتهای ستون وارد میشود به صورت نوسانی میباشد که در یک لحظه المان انتخاب شده در قسمت پایین ستون تحت نیروی فشاری و در لحظه دیگر تحت بار کششی می باشد که این پدیده موجب خستگی میشود ما بیشترین تنش وارده وضریب اطمینان ناشی از بارهای نوسانی را برای این ستون مورد بررسی قرار می دهیم:

برای بدست آوردن ضریب اطمینان ناشی از تنش های نوسانی ابتدا باید حد دوام خستگی را بدست آوریم سپس با استفاده از نمودار اصلاح شده گودمن F.s را محاسبه میکنیم:

با استفاده از تحلیل رگرسیون و معادله مربوطه داریم:

ضریب سطح
:

طبق نمودار ارائه شده در کتاب شیگلی نمودار 7-8 برای فولاد گرم نورد شده به ازای :
ضریب اندازه
:

ابعاد قطعه مورد آزمایش با قطعه که طراحی میشود تفاوت دارد پس به همین خاطر به صورت زیر تعریف می شود:

برای اندازه بزگتر از قطر تعیین شده بین 0.65 تا 0.75 می باشدولی بدلیل استفاده از تحلیل رگرسیون در نظر میگیریم.

ضریب بار :

در آزمایشگاه قطعه تحت یک بار قرار می گیرد ولی ممکن است در عمل خستگی ما ناشی از بارهای دیگر باشد پس ضریب را برای بهبود شرایط به صورت زیر تعریف می کنیم:

بار محوری
بار محوری
خمش
پیچش و خمش

چون فقط ما خمش داریم در نظر میگیریم.

ضریب درجه حرارت :
چون نوسانات درجه حرارت بسیار کم است پس در نظر می گیریم.

ضریب تمرکز تنش :

بصورت تعریف میشود که ضریب تمرکز تنش خستگی می نامند که بصورت زیر تعریف میشود:

که در آن و ضریب تمرکز تنش می باشد.

در بارهای استاتیکی طبق نمودارهای داده شده در کتاب بدست می آید و مقدار q نیز بر حسب r شعاع استوانه بدست میاید چون ما تغییرات شعاع در مقیاس خیلی کوچک داریم میتوانیم از آن صرفنظر کنیم و مساوی صفر بگیریم لذا در نتیجه می باشد.

با توجه به ضریب های بدست آمده حد دوام خستگی طبق فرمول اشاره شده بصورت زیر بدست میاید:

با توجه و بدست آمده از معادلات بالا میتوانیم ضریب اطمینان را برای ستون محاسبه کنیم:

ضریب اطمینان بدست آمده برای ستون مورد نظر قابل قبول میباشد.

ما میتوانیم ستون را از نقطه نظر بار استاتیکی نیز مورد بررسی قرار دهیم (البته نیازی به محاسبه نمی باشد ولی برای اطمینان انجام می دهیم):

این ضریب اطمینان بالایی است که نیاز به محاسبه هم نداشت.
1-3-2) کمانش:

گام بعدی تحلیل ستون از نظر کمانش می باش چرا که نیروی محوری در امتداد قطعه باعث کمانش در قطعه می شود.

پایه را ستون یکسر گیردار در نظر میگیریم به طول L :

L=6 m

E=200 Gpa

این عدد بالایی است که احتمال اینکه ستون تحت کمانش گسسته شود بسیار کم است.

4-2) طراحی پیچ برای اتصال تیر به ستون و تکیه گاه متصل به آن:

نیروی وارده به قسمت اتصال پیچ و تکیه گاه با استفاده از روابط استاتیکی محاسبه می شود:

نیروی وارده به پیچ برابر 465kn می باشد.

طبق جدول خاصیت مکانیکی گروههای متریک پیچ و مهرههای فولادی داریم:

: استحکام گواه است.

جنس پیچ و مهرهاز فولاد کم کربن متوسط آبداده و باز پخت شده است و ضخامت قسمت پایین تیر آهن که به تکیه گاه متصل می شود همانطور که در بخشهای قبل اشاره شد 11.2mm است و ضخامت ورق تکیه گاه نیز 20mm انتخاب شده است پس داریم:

L=11.2+20=31.2mm

طبق جدول کتاب شیگلی مربوط به قطرها و مساحت ها داریم:

: نیروی گواه است

طیق معادله کتاب پیش بار پیچ از معادله زیر بدست می آید:

اتصال بازو بسته شود
اتصال دائمی باشد

در قسمت پیچ نیز همانند ستون بارهای متناوب وارد می شود پس باید از استحکام خستگی استفاده کنیم با استفاده از تحلیل رگرسیون و داده های جدول کتاب مربوطه داریم:

ضریب تمرکز تنش :

بصورت تعریف میشود که ضریب تمرکز تنش خستگی می نامند که بصورت زیر طبق جدول کتاب تعریف میشود:

ضریب های دیگر همانند و و... برابر یک در نظر گرفته شدند.

تنش متناوب در پیچ طبق رابطه زیر بدست می آید:

و تنش میانگین از رابطه زیر حاصل می شود:

طبق معادله خط اصلاح شده گودمن داریم:

ضریب ایمنی بر طبق معیار گودمن را برابر می گیریم:
این مقدار نزدیک به 4 است پس استفاده از چهار پیچ و مهره ایمن می باشد.
هرچقدر بخواهیم ضریب ایمی بالاتر رود باید تعداد پیچ ومهره را بالاتر ببریم مثلا :
برای ضریب ایمنی 3 باید از 6 پیچ استفاده شود
برای ضریب ایمنی 4 باید از8 پیچ استفاده شود

5-2) طراحی جوش :

در طراحی این جرثقیل در بخشی از این سازه نیاز به اتصال جوش داریم که اتصال ستون که ثابت است و بازو حول آن دوران می کند به زمین را توسط جوش انجام می دهیم.

به اینصورت که بارها بطور نوسانی به انتهای ستون تنش وارد می کنند یعنی اینکه وقتی بازو در یک سمت ستون قرار دارد زمانی حداکثر بار قرار دارد بیشترین تنش و زمانی بار وجود ندارد وزن بازو و کمترین تنش را تحمل می کند که بصورت زیر می باشد:

این مقادیر در بخش های قبل بدست آمده است حال با توجه به این مقادیر می توانیم و را بدست آوریم:

ارتفاع جوش مورد نظر را 1cm برابر 10mm می گیریم و با استفاده از رابطه خط گودمن و ضریب اطمینان 6 حداقل طول جوش را بدست می آوریم:

رابطه خط گودمن :

الکترود استفاده شده در این جوش از نوع 6010 و طبق جداول کتاب دارای مشخصات زیر می باشد:

=110Mpa

K=1.5طبق مقادیر بالا و پارامترهای مشخص داریم :

صفحاتی که برای جوش انتخاب شده به شکل مثلث متساوی الساقین می باشد که طول ساق های آن برابر 10cm و ضخامت 2cm می باشد.
مقدار L بالا برای چهار صفحه کافی است ولی برای اطمینان بیشتر از هشت صفحه استفاده می کنیم که انتهای صفحه تخت شده تا جوش محکم باشد در شکل زیر نشان داده شده است:

برای حلقه ضخیم که حول ستون دوران می کند می توانیم صفحه ای به ضخامت 10cm که استوانه تو خالی با قطر داخلی 410mm و قطر خارجی 510mm استفاده می کنیم این حلقه در شکل زیر نشان داده شده است:

در ادامه برای تحلیل دیگر اجزای جرثقیل می توانیم با استفاده از هند بوک های مکانیکی استفاده کنیم مثلا برای طراحی سیم بکسل ویاتاقان برای اتصال تیر به ستون و موتور برای چرخاندن بازو وموتور برای حرکت طولی بار روی بازو و اجزای دیگر .