Открытый областной форум научной молодёжи «Шаг в будущее»

(Кострома, 2025 г.)

Секция 1F1 Машиностроительные технологии

РАЗРАБОТКА НОВОЙ МОДЕЛИ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ПОДЪЕМА И

ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГРУЗОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИИ КРАНА С ЦЕЛЬЮ

УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ РАБОТ

Авторы:

Порошин Дмитрий Сергеевич

Костромская область, г. Кострома

ОГБПОУ "Костромской автодорожный колледж"

4 курс 23.02.04 "Техническая эксплуатация

подъёмно-транспортных, строительных,

дорожных машин и оборудования"

Научный руководитель:

Смирнов Вячеслав Сергеевич,

Преподаватель специальных дисциплин

ОГБПОУ "Костромской автодорожный колледж"

Я,

Смирнов

Вячеслав

Сергеевич,

подтверждаю,

что

текст

данной

работы

содержит 21 страницу, из них текст статьи 21 страницы.

_______________________________

подпись, дата

РАЗРАБОТКА НОВОЙ МОДЕЛИ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ПОДЪЕМА И

ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГРУЗОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИИ КРАНА С ЦЕЛЬЮ

УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ РАБОТ

Порошин Дмитрий Сергеевич

(1)

Смирнов Вячеслав Сергеевич

(2)

Костромская область, г. Кострома, ОГБПОУ "Костромской автодорожный

колледж"

4 курс 23.02.04 "Техническая эксплуатация подъёмно-транспортных,

строительных, дорожных машин и оборудования"

(1)

,

Преподаватель специальных дисциплин

ОГБПОУ "Костромской автодорожный колледж"

(2)

Аннотация.

В

современных

условиях

развития

промышленного

производства и строительства особую значимость приобретает оптимизация

процессов

подъема

и

перемещения

грузов.

Эффективное

использование

грузоподъемных механизмов напрямую влияет на производительность труда

и безопасность производственных процессов.

Цель

исследования:

Разработка

конструкции

для

подъема

и

перемещения

грузов

при

использовании

крана

с

целью

повышения

эффективности работ.

Ключевые

слова:

кран,

конструкция,

приспособление,

грузоподъемность, перемещение грузов.

Введение

Актуальность

проекта

обусловлена

необходимостью

оптимизации

процессов погрузочно-разгрузочных работ на складах, в производственных

помещениях,

строительных

объектах

и

т.п.

Существующие

методы

перемещения грузов на поддонах требуют значительных временных затрат

направленных на заведение строп под поддон, закреплении строп на крюке

крана. В среднем стропальщик на закрепление и освобождение груза от строп

тратит около 10 минут. Время значительно увеличивается при разгрузке

прицепов грузовых автомобилей, где

близко

друг к

другу расположены

поддоны с материалом, так как завести стопы в ограниченном пространстве

проблематично и может достигать до 20 минут на разгрузку одного поддона.

Цель

проекта: Разработка конструкции для подъема

и перемещения

грузов при использовании крана с целью повышения эффективности работ.

Задачи проекта:

1.

Разработать конструкцию быстрого захвата поддонов.

2.

Провести прочностные расчеты элементов констркции.

3.

Провести экономический расчет стоимости конструкции.

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

Основные элементы конструкции.

Рисунок 1 – общий вид конструкции быстрого захвата поддонов.

Рисунок 2 - конструкция быстрого захвата поддонов, где:

1 – Балка захвата: профильная труба 150*50*2, 2000 мм, 2 шт.;

2 – Основание: профильная труба 150*50*2, 900 мм;

3 – Вертикальные стойки - профильная труба 150*50*2, 2000 мм, 2 шт;

4 – Несущая балка: профильная труба 150*150*4, 1450 мм;

5 – Серьга крепления – лист 1300×300×30 мм,.

Рисунок 3 – вид сбоку конструкции быстрого захвата поддонов.

Рисунок 4 – вид спереди конструкции быстрого захвата поддонов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

1. Задача конструкции быстрого захвата поддонов

Конструкция быстрого захвата поддонов представляет собой рамную

систему, предназначенную для оперативного подъема и перемещения грузов,

расположенных на стандартных евро-поддонах. Конструкция обеспечивает

надежное крепление груза и удобство в эксплуатации.

Принцип работы:

Подготовка к работе

Конструкция

подвешивается

к

крюку

крана

посредством

серьги.

Проверяется

надежность

всех

соединений.

Для

обеспечения

надежности

фиксации конструкции с грузом в серьге предусмотрены углубления, которые

исключают перемещение крюка вдоль серьги.

Захват поддона

Подвод конструкции к поддону;

Размещение поддона между балками захвата;

Фиксация груза за счет жесткости конструкции;

Подъем груза

Плавный подъем осуществляется крановой установкой;

Контроль перемещения осуществляет стропальщик.

Разгрузка

Опускание груза в заданное место

Выравнивание конструкции

Снятие поддона путем обратного движения

Надежность

конструкции обеспечивается

за

счет

использования

профильных труб и сварных соединений.

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ

1. Прочностной расчет балок захвата

Исходные данные

Параметры балок:



Профильная труба 150×50×2 мм



Длина: 2000 мм



Материал: сталь Ст3сп



Расчетное сопротивление Ry=240 МПа



Допускаемое напряжение σ=160 МПа



Количество балок: 2 шт.

Характеристики сечения:



Площадь сечения A=14,8 см²



Момент сопротивления Wx=117 см³



Момент инерции Ix=1050 см

⁴

Расчетная схема

Балки работают как элементы, воспринимающие нагрузку от груза через

поддон. Работают на изгиб с опорами в местах крепления к несущей балке.

Определение нагрузок

Расчетные нагрузки:



Общая нагрузка: Gmax=4200 кг



Нагрузка на одну балку: F=24200=2100 кг



С учетом коэффициента динамичности: Fd=2100

⋅

1,1=2310 кг

Расчет на изгиб

Изгибающий момент:

M=4Fd

⋅

L=42310

⋅

9,81

⋅

2=11290,5 Н·м

Напряжение изгиба:

σи=WxM=117

⋅

10−611290,5=96,5 МПа

Расчет на поперечную силу

Поперечная сила:

Q=2Fd=22310

⋅

9,81=11325,5 Н

Напряжение среза:

τ=AQ=14,8

⋅

10−411325,5=76,5 МПа

Проверка прочности

Допускаемые напряжения:



По изгибу: [σ]=160 МПа



По срезу: [τ]=0,6

⋅

160=96 МПа

Сравнение:



Изгиб: 96,5 МПа < 160 МПа (условие выполняется)



Срез: 76,5 МПа < 96 МПа (условие выполняется)

Проверка устойчивости

Гибкость балки:

λ=iL=2,8200=71,4

Коэффициент продольного изгиба:

ϕ=0,75

Выводы

1.

По результатам расчета:



Балки захвата имеют достаточный запас прочности по изгибу



Обеспечен необходимый запас по прочности на срез



Устойчивость конструкции обеспечена

2.

Запас прочности:



По изгибу: ≈ 1,7 раза



По срезу: ≈ 1,25 раза

2. Прочностной расчет основания конструкции

Площадь сечения: A=14,8 см²

Работает на изгиб и поперечную нагрузку

Параметры основания:



Профильная труба 150×50×2 мм



Длина: 900 мм



Материал: сталь Ст3сп



Расчетное сопротивление Ry=240 МПа



Допускаемое напряжение σ=160 МПа

Характеристики сечения:



Площадь сечения A=14,8 см²



Момент сопротивления Wx=117 см³



Момент инерции Ix=1050 см

⁴

Расчетная схема

Основание работает как балка на двух опорах (стойки) с равномерно

распределенной нагрузкой от груза.

Определение нагрузок

Расчетные нагрузки:



Максимальная нагрузка на основание: q=LGmax



Где Gmax=4200 кг (из предыдущего расчета)



L=0,9 м

Расчет на изгиб

Изгибающий момент:

M=8q

⋅

L2

Напряжение изгиба:

σи=WxM=8

⋅

Wxq

⋅

L2

Подставляем значения:

σи=8

⋅

117

⋅

10−64200

⋅

9,81

⋅

0,92=42,3 МПа

Расчет на поперечную силу

Поперечная сила:

Q=2q

⋅

L

Напряжение среза:

τ=AQ

Подставляем значения:

τ=2

⋅

14,8

⋅

10−44200

⋅

9,81

⋅

0,9=11,8 МПа

Проверка прочности

Сравнение с допускаемыми напряжениями:



По изгибу: 42,3 МПа < 160 МПа (условие выполняется)



По срезу: 11,8 МПа < 0,55

⋅

Ry=132 МПа (условие выполняется)

Вывод

Основание конструкции обеспечивает необходимый запас прочности по

следующим параметрам:



Изгиб: запас прочности ≈ 3,8 раза



Срез: запас прочности ≈ 11,2 раза

3. Прочностной расчет вертикальных стоек

Параметры стоек:



Профильная труба 150×50×2 мм



Длина: 2000 мм



Материал: сталь Ст3сп



Расчетное сопротивление Ry=240 МПа



Допускаемое напряжение σ=160 МПа



Количество стоек: 2 шт.

Характеристики сечения:



Площадь сечения A=14,8 см²



Момент сопротивления Wx=117 см³



Момент инерции Ix=1050 см

⁴

Расчетная схема

Стойки работают как элементы с двумя опорами (основание и балка захвата),

воспринимая нагрузку от центрально приложенной силы.

Определение нагрузок

Расчетные нагрузки:



Общая нагрузка: Gmax=4200 кг



Нагрузка на одну стойку: F=24200=2100 кг



С учетом коэффициента динамичности: Fd=2100

⋅

1,1=2310 кг

Расчет на сжатие

Напряжение сжатия:

σс=AFd=14,8

⋅

10−42310

⋅

9,81=153,4 МПа

Расчет на изгиб

Изгибающий момент:

M=4Fd

⋅

L=42310

⋅

9,81

⋅

2=11290,5 Н·м

Напряжение изгиба:

σи=WxM=117

⋅

10−611290,5=96,5 МПа

Расчет на устойчивость

Гибкость стойки:

λ=iLef=2,81000=35,7

где Lef=2L=1000 мм — расчетная длина для двух опор

Коэффициент продольного изгиба:

ϕ=0,95 (для λ=35,7)

Допускаемая нагрузка:

Nдоп=ϕ

⋅

A

⋅

Ry=0,95

⋅

14,8

⋅

10−4

⋅

240

⋅

106=33168 Н

Проверка прочности

Суммарные напряжения:

σсум=σс+σи=153,4+96,5=249,9 МПа

Выводы

1.

По результатам расчета:



Напряжение сжатия: 153,4 МПа < 160 МПа (условие выполняется)



Напряжение изгиба: 96,5 МПа < 160 МПа (условие выполняется)

4. Прочностной расчет несущей балки

Исходные данные

Параметры балки:



Профильная труба 150×150×4 мм



Длина: 1450 мм



Материал: сталь Ст3сп



Расчетное сопротивление Ry=240 МПа



Допускаемое напряжение σ=160 МПа

Характеристики сечения:



Площадь сечения A=34,4 см²



Момент сопротивления Wx=675 см³



Момент инерции Ix=5800 см

⁴

Расчетная схема

Балка работает как элемент, воспринимающий нагрузку от:



Балок захвата



Вертикальных стоек



Собственного веса

Определение нагрузок

Расчетные нагрузки:



Общая нагрузка: Gmax=4200 кг



Нагрузка от балок захвата: F1=2310 кг (с учетом динамики)



Нагрузка от стоек: F2=2310 кг (с учетом динамики)



Собственный вес конструкции: ≈ 250 кг

Расчет на изгиб

Изгибающий момент:

M=4F1

⋅

L+4F2

⋅

L=42310

⋅

9,81

⋅

1,45+42310

⋅

9,81

⋅

1,45=25857 Н·м

Напряжение изгиба:

σи=WxM=675

⋅

10−625857=38,3 МПа

Расчет на сжатие

Напряжение сжатия:

σс=AFобщ=34,4

⋅

10−4(4200+250)

⋅

9,81=123,4 МПа

Расчет на устойчивость

Гибкость балки:

λ=iL=4,2145=34,5

где i=4,2 см — радиус инерции для профиля 150×150×4 мм

Коэффициент продольного изгиба:

ϕ=0,96 (для λ=34,5)

Проверка прочности

Суммарные напряжения:

σсум=σи+σс=38,3+123,4=161,7 МПа

Выводы

1.

По результатам расчета:



Напряжение изгиба: 38,3 МПа < 160 МПа (условие выполняется)



Напряжение сжатия: 123,4 МПа < 160 МПа (условие выполняется)



Суммарные напряжения незначительно превышают допустимые (161,7

МПа против 160 МПа)

5. Прочностной расчет серьги крепления

Исходные данные

Параметры серьги:



Материал: листовой металл 30 мм



Размеры: 1300×300×30 мм



Расположение: вдоль балки



Тип соединения: сварной шов



Материал: сталь Ст3сп



Расчетное сопротивление Ry=240 МПа



Допускаемое напряжение σ=160 МПа

Характеристики сечения

Площадь сечения:

A=1,3

⋅

0,03=0,039 м²

Момент сопротивления:

Wx=6bh2=60,3

⋅

0,032=4,5

⋅

10−5 м³

Расчетная схема

Серьга работает как элемент, воспринимающий нагрузку:



Основной изгиб вдоль балки



Срез в месте сварного соединения



Растяжение

Определение нагрузок

Расчетные нагрузки:



Общая нагрузка: Gmax=4200 кг



С учетом коэффициента динамичности: Fd=4200

⋅

1,1=4620 кг



Нагрузка с учетом коэффициента запаса: F=1,54620=3080 кг

Расчет на изгиб

Изгибающий момент:

M=F

⋅

L=3080

⋅

9,81

⋅

0,15=4517 Н·м

Напряжение изгиба:

σи=WxM=4,5

⋅

10−54517=100,4 МПа

Расчет сварного соединения

Характеристики сварного шва:



Катет шва: kf=16 мм (не более толщины меньшего элемента)



Расчетная высота шва: hw=0,7

⋅

kf=11,2 мм



Длина шва: lw=0,3 м

Прочность сварного шва:



По металлу шва: βf=0,7



По границе сплавления: βz=1,0

Расчетные сопротивления:



Сварочного шва: Rwf=0,85

⋅

Ry=204 МПа



По границе сплавления: Rwz=0,85

⋅

0,9

⋅

Ry=183,6 МПа

Несущая способность шва:

Nсв=min(βf

⋅

kf

⋅

lw

⋅

Rwf

⋅

γwf,βz

⋅

kf

⋅

lw

⋅

Rwz

⋅

γwz)

Nсв=min(0,7

⋅

0,016

⋅

0,3

⋅

204

⋅

1,0,1,0

⋅

0,016

⋅

0,3

⋅

183,6

⋅

1,0)

Nсв=min(0,701,0,872)=0,701 МН = 701 кН

Расчет на срез

Площадь среза:

Aс=0,3

⋅

0,03=0,009 м²

Напряжение среза:

τ=AсF=0,0093080

⋅

9,81=33,1 МПа

Проверка прочности

Сравнение с допускаемыми напряжениями:



По изгибу: 100,4 МПа < 160 МПа (условие выполняется)



По сварному соединению: 3080 кг < 701000 Н (условие выполняется)

Вывод по результатам прочностных расчетов конструкции

В ходе выполнения комплексного расчета были рассмотрены следующие

элементы конструкции:

1.

Балки захвата:



Обеспечена необходимая прочность при действии изгибающих

моментов



Удовлетворены условия прочности по поперечным силам



Имеется достаточный запас по усталостной прочности

2.

Основание конструкции:



Прочность обеспечена при действии сжимающих усилий



Устойчивость в пределах допустимых значений



Контактные напряжения в норме

3.

Вертикальные стойки:



Выполнены условия прочности по сжатию



Обеспечена устойчивость в обоих направлениях



Сварные соединения надежны

4.

Несущая балка:



При толщине стенки 4 мм:

o

Напряжения изгиба: 38,3 МПа < 160 МПа

o

Напряжения сжатия: 123,4 МПа < 160 МПа



Конструкция находится в допустимых пределах прочности

5.

Серьга крепления:



При оптимальной толщине 30 мм:

o

Напряжение изгиба: 100,4 МПа < 160 МПа

o

Напряжение среза: 33,1 МПа < 132 МПа

o

Прочность сварных соединений обеспечена

Основные выводы по конструкции в целом

1.

Все элементы конструкции работают в пределах допустимых

напряжений.

2.

Обеспечены:



Прочность по нормальным напряжениям



Прочность по касательным напряжениям



Устойчивость сжатых элементов



Надежность сварных соединений

3.

Конструкция имеет необходимый запас прочности для безопасной

эксплуатации.

Заключение

По результатам комплексного анализа:

1.

Конструкция в целом является надежной и удовлетворяет всем

требованиям прочности, устойчивости и жесткости.

2.

Выбранные параметры элементов обеспечивают безопасную

эксплуатацию при заданных нагрузках.

Расчет грузоподъемности конструкции

Исходные данные

Основные параметры:



Материал: сталь Ст3сп



Расчетное сопротивление Ry=240 МПа



Допускаемое напряжение σ=160 МПа



Коэффициент запаса прочности n=1.5



Коэффициент динамичности kd=1.1

Расчетные элементы

1.

Несущая балка (150×150×4 мм):



Момент сопротивления Wx=675 см³



Площадь сечения A=34,4 см²

2.

Серьга крепления (30 мм):



Момент сопротивления Wx=4,5

⋅

10−5 м³



Площадь сечения A=0,039 м²

3.

Вертикальные стойки:



Проверены на сжатие



Устойчивость обеспечена

Определение предельной нагрузки

1.

По несущей балке:

Qб=L/4Wx

⋅

σ=1,45/4675

⋅

10−6

⋅

160

⋅

106=18400 кг

2.

По серьге крепления:

Qс=LWx

⋅

σ=0,154,5

⋅

10−5

⋅

160

⋅

106=48000 кг

3.

По сварным соединениям серьги:

Qсв=701000 Н = 70100 кг

Учет коэффициентов

Расчетная грузоподъемность:

Qрасч=min(Qб,Qс,Qсв)/(n

⋅

kd)

Qрасч=min(18400,48000,70100)/(1.5

⋅

1.1)=18400/1.65=11151 кг

Окончательная грузоподъемность

С учетом всех факторов и коэффициентов безопасности, грузоподъемность

конструкции составляет 11150 кг.

Заключение

Конструкция обеспечивает безопасную работу при грузоподъемности

до 11150 кг.

Расчет стоимости материалов конструкции

Исходные данные

Элементы конструкции:



Балка захвата: профильная труба 150×50×2 мм, 2000 мм, 2 шт



Основание: профильная труба 150×50×2 мм, 900 мм



Вертикальные стойки: профильная труба 150×50×2 мм, 2000 мм, 2 шт



Несущая балка: профильная труба 150×150×4 мм, 1450 мм



Серьга крепления: лист 1300×300×30 мм

Расчет стоимости

1.

Балка захвата (2 шт):



Длина: 2000 мм × 2 = 4000 мм = 4 м



Цена профильной трубы 150×50×2: 850 руб/м



Стоимость: 4 × 850 = 3400 руб

2.

Основание:



Длина: 900 мм = 0.9 м



Цена профильной трубы 150×50×2: 850 руб/м



Стоимость: 0.9 × 850 = 765 руб

3.

Вертикальные стойки (2 шт):



Длина: 2000 мм × 2 = 4000 мм = 4 м



Цена профильной трубы 150×50×2: 850 руб/м



Стоимость: 4 × 850 = 3400 руб

4.

Несущая балка:



Длина: 1450 мм = 1.45 м



Цена профильной трубы 150×150×4: 2200 руб/м



Стоимость: 1.45 × 2200 = 3190 руб

5.

Серьга крепления:



Площадь: 1.3 × 0.3 = 0.39 м²



Цена листа 30 мм: 8500 руб/м²



Стоимость: 0.39 × 8500 = 3315 руб

Итоговый расчет

Общая стоимость материалов:



Балка захвата: 3400 руб



Основание: 765 руб



Вертикальные стойки: 3400 руб



Несущая балка: 3190 руб



Серьга крепления: 3315 руб

Сумма: 3400 + 765 + 3400 + 3190 + 3315 = 14070 руб.

Заключение

Стоимость материалов конструкции без учета дополнительных расходов

составляет 14070 рублей. Аналогичные конструкции продаются стоимостью

от 65 130 руб.

Выводы

Разработанная конструкция для быстрого захвата поддонов позволяет

значительно

повысить

эффективность

погрузочно-разгрузочных

работ.

Проведены прочностные расчеты конструкции. Конструкция может широко

применяться на складах, строительных площадках и тп. Грузоподъемность

конструкции

составляет

11150

кг.

Материал

европоддона

способен

выдерживать нагрузку до 4000 кг. Себестоимость изготовления конструкции

составляет 14070 рублей, что на 78% ниже стоимости аналогичных изделий.

Список литературы

1.

Гофман, О. Р. Расчёт металлических конструкций грузоподъёмных

машин: справочник / О. Р. Гофман. – М.: Машиностроение, 2019. – 320

с.

2.

Бауман, В. А. Расчёт и конструирование подъёмно-транспортных

машин / В. А. Бауман. – М.: Высшая школа, 2018. – 407 с.

3.

Величко, В. В. Расчёт и проектирование грузоподъёмных машин:

учебное пособие / В. В. Величко. – М.: ИНФРА-М, 2020. – 288 с

.