Mục lục
Lời nói đầu 2
Chơng 1
Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ cần của cần câu 2
1.1 Khái niệm chung 2
1.2 Phân loại cầu trục cần trục 4
1.3 Đặc điểm đặc trng cho chế độ làm việc của hệ thống 4
điều khiển của cần trục
Chơng 2
Cơ sở tính toán và xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần
2.1.Cơ sở tính toán 5
2.1.1. Tính toán tĩnh và động cho các cơ cấu . 5
2.1.2. Các phơng trình chuyển động tổng quát của cơ cấu 8
2.1.3. Sự phụ thuộc giữa momen động với thời gian quá trình
khởi động 10
2.2. Xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần 10
2.2.1. Xây dựng mô hình toán cho các động cơ chính cơ cấu
nâng hạ cần 10
2.2.2. Xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần 11
Chơng 3
Xây dựng chơng trình tính toán phụ tải động cho cơ cấu nâng hạ cần
trên phần mềm Matlab
3.1. Giới thiệu phần mềm Matlab 19
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ nâng hạ chính
trong cơ cấu 20
3.3. Mô hình mô phỏng đặc tính hệ thống cơ cấu nâng hạ cần 20
3.4. Mô hình tính toán phụ tải động 20
3.5. Đặc tính mômen và tốcđộ động cơ truyền động chính 20
3.6. Đặc tính mômen phụ tải động khi nâng 20
3.7. Đặc tính mômen phụ tải động khi hạ 20
3.8. Đặc tính mômen theo chiều dài cần 20

cầu nối giữa các hạng mục sản xuất riêng biệt giữa các phân xởng trong một
nhà máy, giữa các máy công tác trong quá trình sản xuất
Các cảng biển ở Việt Nam và trên thế giới, cần trục cầu trục cảng
có vị trí hết sức quan trọng trong công nghiệp bốc xếp hàng hoá, là nhóm
thiết bị nâng vận chuyển chủ lực trong quá trình vận chuyển và lu thông
hàng hoá xuất nhập khẩu của cảng biển. Công nghiệp bốc xếp và vận chuyển
hàng bao gồm nhiều công đoạn nh bốc xếp hàng hoá từ tàu thủy lên kho bãi,
lên phơng tiện vận tải đờng bộ và bốc xếp hàng hoá theo chiều ngợc lại cho
tàu thủy vận chuyển bằng đờng thủy. Trên các cảng, lợng hàng hoá trung
chuyển qua cảng đợc lu kho bãi rất lớn, khối lợng bốc xếp trong cảng cũng
đợc cần trục cầu trục đảm nhiệm.
Các cầu trục sử dụng bốc xếp hàng hoá trong các kho hàng, trong các
xí nghiệp cơ khí cảng biển, các phân xởng sửa chữa, lắp ráp thiết bị đóng vai
trò quan trọng vào công tác dịch vụ kỹ thuật góp phần hiện đại hoá cảng
biển.
Khi đánh giá mức độ hiện đại hoá cảng biển, đầu tiên phải kể đến cơ
sở hạ tầng của cảng nh luồng vào ra cho các tàu biển, cầu cảng và bộ máy
quản lý cảng. Sau đó phải kể đến nhóm thiết bị bốc xếp hàng hoá chính là
cầu trục cần trục cảng. Năng suất, tốc độ luân chuyển hàng hoá hàng năm
của cảng phụ thuộc nhiều vào số lợng và trọng tải nâng chuyển của cần trục
cầu trục cảng.
Các cảng biển nớc ta đang đòi hỏi ngày càng mở rộng và phát triển,
năng lực bốc xếp các cảng ngày một tăng để đáp ứng yêu cầu hàng hoá xuất
nhập khẩu của các nghành kinh tế. Trong điều kiện nhóm thiết bị bốc xếp
chủ yếu đợc nhập ngoại chủng loại rất đa dạng, mức độ tự động hoá ngày
càng cao.
Việc khai thác vận hành, bảo dỡng kỹ thuật cho cần trục cầu trục
cảng biển đòi hỏi thực hiện nghiêm ngặt các quy định cho từng loại nhằm
đảm bảo an toàn cho ngời và hàng hoá trong quá trình hoạt động. Đồng thời
công tác bảo dỡng kỹ thuật cần trục cầu trục phục vụ cho cảng biển sẽ

việc làm tăng mômen ma sát ở các ổ đỡ do đó làm tăng đáng kể mômen cản
tĩnh M
c
.
Trong các hệ truyền động các cơ cấu của cần trục yêu cầu quá trình
tăng tốc và giảm tốc xảy ra phải êm, đặc biệt với các cần trục nâng vận
chuyển container. Bởi vậy mômen động trong quá trình quá độ phải đợc hạn
chế theo yêu cầu kỹ thuật an toàn. Năng suất của cần trục đợc quyết định bởi
2 yếu tố là tải trọng của thiết bị và số chu kỳ bốc xếp trong một giờ.
4
Chơng 2
Cơ sở tính toán và xây dựng mô hình toán cho cơ
cấu nâng hạ cần
2.1. Cơ sở tính toán
2.1.1. Tính toán tĩnh và động cho các cơ cấu
Mỗi cơ cấu của cần trục, không phụ thuộc vào chức năng của nó, đều
đợc cấu thành từ 4 phần tử: Bộ phận chấp hành, bộ truyền, hệ số truyền động
và phanh và đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Vì vậy mặc dù có cấu
trúc và chức năng khác nhau nhng tất cả các cơ cấu đó đều có nhiều điểm
chung theo sơ đồ nguyên lý động học cũng nh theo phơng pháp tính toán.
Trong các cần trục quay sự thay đổi tầm với nghĩa là thay đổi khoảng
cách từ trục thẳng đứng của tháp cần trục tới đờng thẳng đứng qua tim móc
nâng hạ hàng.
Việc thay đổi tầm với thờng đợc thực hiện bằng hai phơng pháp:
- Thay đổi bằng cách dùng cáp kéo trên palăng đầu cần để di chuyển cơ
cấu mang palăng nâng hạ hàng chuyển động tịnh tiến trên cần.
- Thay đổi tầm với bằng cách nâng hạ cần dùng cáp trên palăng đặt cố
định ở đầu cần.
Để đa ra phơng pháp tính chung cho tất cả các cơ cấu của cần trục ta coi
khâu cuối của cơ cấu nâng hạ là tang trống có đờng kính là

- Khi thay đổi độ nghiêng của cần
2
C
C
C
D
SM


=

- Khi di chuyển xe tời theo cần
2
T
T
C
D
SM


=
Nếu gọi n
c
(Vg/ph) là tốc độ quay cuả khâu cuối, hiệu suất cuả bộ
truyền là
MeX

thì công suất truyền động của động cơ là :
MeX
C

11
1
i
M
M
c
dc
=
;
2211
2
ii
M
M
c
dc
=
Trong đó :
T
,,
321
: Hiệu suất của từng cơ cấu truyền .
Tốc độ các trục đợc xác định nh sau :
2122
11
iininn
i*nn
c*c
c
==


==
=
=
đồng thời chúng ta có:
2
MeX
dc
T
M
M
=
Hiệu suất của bộ truyền:
.
MeX 321
=
Hiệu suất các thành phần của các cơ cấu có thể chọn từ 0,93 0,95 .
Tổn hao ma sát P
TP
khi cơ cấu làm việc có thể phân thành hai thành
phần : Một thành phần không đổi P
n
mp
và thành phần thay đổi tỷ lệ với tải
P
H
mp
ta có :
H
mp

GGmp
1
11
=

=


Hiệu xuất khi hạ hàng :


1
21
1
11 ===

= )(
P
P
P
P
P
PP
G
G
G
mp
G
mpG
'

G
HOM

Và tổn hao ma sát đợc xác định nh sau :
P
mp
= P
mp
n
+ P
mp
H

P
mp
= aP
G
HOM
+ bKP
G
HOM

Trong đó b, K là các hệ số không đổi
Khi nâng :
K
a
b
bKaK
K
bKPaPKP

PP
P
HOM
G
HOM
G
HOM
G
HOM
G
mpG
G
=

=
+
= 1
Khi tải trọng là định mức
HOM
=
; K=1
7
Thì khi đó ta có :
ba
HOM
++1
1
=

( Khi nâng )

1
1
Việc tính toán chế độ tĩnh động của cơ cấu nâng hạ cần nói riêng và các cơ
cấu khác nói chung đợc sử dụng khi phân tích chuyển động của các phần tử
trong cơ cấu cũng nh để xác định tải của chế độ xác lập khi vận tốc của các
thành của cơ cấu không đổi
2.1.2. Các phơng trình chuyển động tổng quát của cơ cấu
Trong quá trình chuyển động cha ổn định của hệ thống cần cung cấp
năng lợng trong giai đoạn gia tốc và tiêu tán năng lợng trong quá trình hãm (
Năng lợng này bằng công của các lực quán tính của tất cả các phần tử
chuyển động ). Độ dài chu kì chuyển động không ổn định là hàm số của
momen d của động cơ hoặc của bộ phanh
Đối với chu kì gia tốc momen d là hiệu số giữa momen d của động cơ
trong thời gian này với momen cản tĩnh quy về trục động cơ còn đối với chu
kì hãm là tổng của momen hãm với momen cản tĩnh quy về trục động cơ .
Nh vậy momen d theo giá trị tuyệt đối bằng momen của các lực quán tính do
vậy ta có các phơng trình sau :
qthC
qtCd
MMM
MMM
=+
+=
Trong đó : M
C
: là Momen cản tĩnh
M
h
: là Momen hãm động
M

Tơng tự trong quá trình hãm :
M
H
= M
c
- M
qt
= M
c
-
2
2
0
dt
d
J



: là góc quay của trục ( đo bằng Radian ) trong giai đoạn chuyển
động không ổn định
Khi lấy tích phân phơng trình chuyển động của hệ có thể xác định đợc đờng
đi và tốc độ của vật thể trong thời gian chuyển động không ổn định cũng nh
chiều dài của khoảng thời gian này . Để lấy đợc tích phân cần biết đựoc luật
thay đổi của gia tốc hoặc luật thay đổi của momen d của động cơ hoặc cảu
phanh ( trong chế độ hãm ) . Do đó có thể coi momen d là đại lợng tuyến
tính đựơc biểu diễn bằng phơng trình :
( )
'+=
"

cấu hãm và luật điều khiển của quá trình hãm :
Phơng trình chuyển động trong các trờng hợp nh sau :
Đối với quá trình hãm :
00
2
2
-
j
MM
*
t
t
j
M
dt
d
d
'
kd
d
"
kd
kd
d
kd
kd
+=

Đối với quá trình khởi động :
00

M
C
= M
G
+ M
MS
Đối với cơ cấu di chuyển :
M
C
= M
KP
+ M
CT
+ M
MS
Trong đó :
M
C
: Momen cản tĩnh
M
G
: Momen do lực trọng trờng của hàng hoá gây ra
M
MS
: Momen ma sát trong cơ cấu .
M
KP
: Momen do lực trọng trờng khi chuyển động tịnh
tiến hay quay gây ra .
Momen cản tĩnh có thể đợc tính thông qua lực P

Vậy ta có :
X
XX
X
X
XCX
n
V.P.,
n
V.
.PM
559
2
60
=

=
Trong thời gian chuyển động cha ổn định trên toàn bộ cấu trúc động
học của các cơ cấu , tác động của momen đựơc xác định theo phơng trình
chuyển động tổng quát và tăng hơn momen cản tĩnh một giá trị M
D
.Do vậy
sẽ gây ra áp lực lớn trong các cơ cấu , đồng thời tạo ra sự mài mòn lớn hơn
rất nhiều so với thời gian làm việc ổn định .
Sự quá tải của cơ cấu là do momen d khác nhau .Ngoài ra sự quá tải
càng lớn thì bội số

cuẩ momen khởi động càng lớn và hệ số tải của động
cơ


+=
=
1
qQQ
dDD
Qqq
Ddd
DTq
r
Q
r
Q
i.x.i
i.x.i
ii.x
ii.x
si.
T
x.
Tdt
d
à+=
à+=
+=
+=
+
à
+=

1

Từ thông móc vòng của roto theo trục dọc và ngang .
:i;i
QD
Dòng điện của roto theo trục dọc và ngang .
T
r
: Hằng số thời gian của mạch roto
à
: hệ số tơng hỗ của cuộn stato và roto
b

: Đại lợng so sánh cơ bản vận tốc quay của từ trờng quay
stato
T

: Vận tốc quay của từ trờng quay stato viết ở đại lợng thật .

: vận tốc quay của từ trờng quay stato viết ở đại lợng tơng
đối .
S : độ trợt của roto đối với từ trờng quay của stato


=
D
S
D

: Vận tốc quay của roto đối với từ trờng quay của stato
M
e

Tham số cơ bản của cơ cấu nâng hạ là tải trọng nâng Q , liên hệ với sức căng
trên cáp quấn trên trống tời theo biểu thức sau :
nn
.i
qQ
S

+
=

q : trọng lợng của móc và phụ kiện
i
n
: Tỉ số truyền của cơ cấu nâng hạ
n

: hiệu suất của cơ cấu nâng hạ
Cơ cấu nâng hạ cần cơ thể đợc biểu diễn nh hình 2.1
12
Hình 2.1
Tổng momen của các thành phần lực tác dụng lên cần trong quá trình
làm việc biểu diễn trên hình vẽ .
Ta có :
oR.Sin.SH.Cos.SH.PH.P
H
.PH.PR.
G
R
.Gd.
.n










++++
+

+







+++
=
++
Cos.CosLSin.SinL
Cos.L.
H
h
PP
P
P

q : Trọng lợng móc không hàng.
G
C
: Trọng lợng của cần trục .
G
n
: Trọng lợng của Pa lăng .
P
g
C
: Lực của gió tác dụng lên cần trục .
P
g
G
: Lực của gió tác dụng lên hàng hoá .
P
qt
Q+q+Gn/2
: Lực quán tính của trọng lợng tải trọng và một nửa trọng lợng
palăng .
P
LT
: Lực li tâm xuất hiện khi cần quay .
H : chiều cao nâng hàng . H = L
C
. Cos


: Góc hợp bởi cần và phơng thẳng đứng .


2
V
n
: Tốc độ chuyển động của cần trục .
o Lực quán tính do trọng lợng cần gây ra :
t
V
.
g
G
P
nC
C
qt
=
Lực quán tính này đợc đặt ở trọng tâm của cần :
H
C
= L
C
. Sin

o Lực quán tính tiếp tuyến hay lực ly tâm của trọng lợng hàng và
một nửa trọng lợng pa lăng :
)Sin.LX(
t
n
,.
G
qQP

qQ
P
CO
bp
n
Q
qQ
K
n
+







++
=
++
60
2
2
2
Trong đó :
n
bP
: Tốc độ góc của phần quay .
t : thời gian lớn nhất của quá trình quá độ
Lực quán tính tiếp tuyến của khối lợng cần phân bố dọc theo chiều dài cần vi

60
2
Vậy lực quán tính tiếp tuyến của cả cần :
)SinLX(
t
n
.G.,dl)Sin.LX(
t
n
.
L
m
P
CO
bp
CCO
L
bp
C
C
C
K
C
+=+

=

01070
60
2

2









+
= .
L
G
.
g
Sin.
L
LX
C
C
C
CO
15
Thay
30

=
n
ta có :

23
30
o Tải trọng của gió tác dụng lên cần :
Ta có :

=
.n n.qP
C
g
Trong đó :
q : áp lực gió ở trạng thái làm việc
n : hệ số kể đén sự tăng áp lực gió theo chiều cao

: hệ số phụ thuộc vào tải trọng nâng ( chọn trong th này = 1,8)
Momen cản do gió gây ra phụ thuộc vào kết cấu của cần , mặt cản gió của
hàng và của thân cẩu . Khi quay thì giá trị momen này thay đổi và sự tác
dụng lên trục quay cũng thay đổi

+=
2
sin.r.F.PSin.R.F.pM
ogogg
M
g
lớn nhất khi
2

=
: góc giữa cần và phơng ngang .
o Tải trọng do gió tác dụng lên hàng :

16
- N
DC
= 715 v/ ph
- Hệ số quá tải : 2,9
-
0
7525 =
Để có thể xây dựng đợc mô hình phụ tải ta cần đi xác định thêm một số
thông số sau :
G
C
= 3200kg
G
n
= 320 kg
tỉ số truyền : i = n
DC
/n
t

với
ph/v,
.D
V
n
n
t
0313=


LT
2
1800
22
thay số ta có :
( )
( )
+= SinLX
.,
.,.
P
CO
C
LT
2
18089
151433200
2
điểm đặt lực :
( )
+
+
=
SinLX
SinLX.
.
L
h
C
COC





++=
++
01070
2
2

)sin,)(Q,(.,P
qt
++=

2534216005110061
3
Từ các giá trị trên ta đi tính sức căng của cáp do các thành phần lực tác dụng
lên cần trong quá trình làm việc :
1 : lực căng do trọng lợng của hàng , móc , một nửa trọng lợng của
palăng và trọng lợng của cần là :
17
)(Cos
Sin).Q.,(
Sin.
)(Cos
GG
qQ
S
nC


)(Cos
Cos
.
,
F
.P
V
V
G
g


=


= 315
89
150
4 : Lực căng do thành phần lực của gió tác dụng lên cần :
)(Cos
Cos
.,P
C
g


= 51056
5 : Lực căng do thành phần lực li tâm tác dụng lên cần :
S
5

mình. Việc xây dựng mô hình có thể xây dựng theo cách phân cấp tức là xây
dựng theo phân lớp ( các subsystem ). Trong mô hình lớn có thể có nhiều mô
hình con, toàn bộ thao tác đều có thể chỉ cần sử dụng chuột và nhập các
thông số từ bàn phím.
Trong các nghành kỹ thuật ứng dụng của simulink dùng để mô hình
hoá, mô phỏng, phân tích hệ thống động, simulink cho phép mô phỏng hệ
thóng tuyến tính, hệ thống phi tuyến, các mô hình thời gian liên tục, gián
đoạn hoặc kết hợp cả liên tục và gián đoạn.
19
Sau khi xây dựng mô hình, để khảo sát hệ thống chúng ta nhập các
thông số của hệ thống vào cửa sổ tham số của khối. Để khảo sát hệ thống
chúng ta có thể quan sát các đặc tính của hệ thống qua các khối hiển thị nh
Scope, XYGraph ngay cả khi đang chạy chơng trình.
Do vậy Matlab có một u điểm rất lớn, thuạn tiện giúp ngời sử dụng
nắm bắt nhanh chóng và thu đợc kết quả mong muốn.
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ roto dây
quấn , là động cơ nâng hạ chính trong cơ cấu
Hình 3.1
3.3. Mô hình mô phỏng hệ thống cơ cấu nâng hạ cần :
Hình 3.2, Hình 3.3
3.4. Mô hình tính toán phụ tải động
Hình 3.4
3.5. Đặc tính mômen và tốc độ động cơ truyền động chính
Hình 3.5, Hình 3.6
3.6. Đặc tính mômen phụ tải động khi nâng
Hình 3.7
3.7. Đặc tính mômen phụ tải động khi hạ
Hình 3.8
3.8. Mô hình mômen cản khi nâng hạ với Q1=10T, Q2=20T, Q3=40T
Hình 3.9