Đề tài :Thiết Kế Môn Học Trang Bị Điện
Đề số 23: Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ hàng. Xây dựng chơng
trình tính toán động lực học của cơ cấu có kể đến độ biến dạng của tay cần
của cần cẩu:
- Nhiêm vụ cần giải quyết trong bài làm:
+ 1 : nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ
+ 2: xây dựng mô hình tính toán cho cơ cấu nâng có tính đến biến dạng
của tay cần
+ 3 : Thiết lập chơng trình tính toán động lực học
Phần mở đầu
Ngày nay việc bốc xếp hàng hoá bằng thủ công đã không còn phù hợp
trong đa số ngành công nghiệp, đặc biệt là các ngành công nghiệp nặng.
Việc đa các phơng tiện máy móc hiện đại vào sử dụng, nó không những
nâng cao chất lợng , năng suất công việc mà nó còn mang tính an toàn
cao trong lao động sản suất, giảm thiểu khả năng làm việc tay chân năng
nhọc cho công nhân, giảm lợng nhân công d thừa
Trong thời đại này việc các máy móc bốc xếp có tải trọng lên tới hàng
trăm tấn/ một lần bốc không còn xa lạ trong các hải cảng cũng nh trong
các công trờng sản xuất ở Việt Nam .
Một vấn đề đặt ra cấp thiết đối với các sinh viên ngành tự động hoá là
phải tìm hiểu về công nghệ và vận hành các thiết bị này thật tốt để giúp
cho việc khai thác có hiệu quả cao nhất.
Trong phần này Em xin trình bày một vấn đề đó là vấn đề về cơ cấu nâng
hạ hàng.
Do tài liệu tham khảo còn thiếu nhiều nên bài viết của Em có sự tham
khảo chủ yếu ở 2 tập tài liệu là:
[1] Truyền Động Điện Tàu Thuỷ của thầy giáo: Lu Đình Hiếu
[2] Cần Trục Cảng Biển ( Bản thảo) Của thầy giáo Tiến Sĩ : Hoàng Xuân
Bình
Sinh Viên : Nguyễn Văn Hùng
Hải Phòng : 27/4/2005

Điều khiển bằng tay khống chế hoặc tay điều khiển kết hợp trạm từ. ngoài
ra ngày nay ứng dụng các kỹ thuật hiệnđại ngời ta ừng dụng các phơng
pháp điều khiển khác nh: vi xử lý, bán dẫn, PLC có ừng dụng của máy
tính.
3- Đặc điểm của thiết bị nâng hạ hàng
Trong các thiết bị nâng hạ hàng, ngày nay thì tời hàng đợc sử dụng rộng rãi
nhất. Chúng có những u điểm nh: khả năng quá tải cao, tầm với không hạn
chế, điều kiện làm việc an toàn sử dụng đợc nhiều trong các lĩnh vực khác
nhau. Tuy nhiên tời hàng cũng có những nhợc điểm nh: thời gian chuẩn bị đa
hệ thống vào làm việc lớn, khả năng sẵn sàng làm việc thấp, hệ thống cồng
kềnh
Ngoài tời hàng thì cần trục cũng đực sử dụng hết sức rộng rãi. Thiết bị này
có u điểm là khả năng sẵn sàng làm việc cao, tuy nhiên nó lại có nhiều nhợc
điểm nh: tầm với hạn chế, khả năng quá tải kém
4- Những u nhợc điểm của hệ thống nâng hạ hàng dùng điện.
Ngày nay các thiết bị nâng hạ sử dụng động cơ điện và cơ cấu bằng điện đợc
sử dụng rất phổi biến, chúng có những u nhợc điểm nh sau:
-Tính kinh tế cao : hiệu suất sử dụng của động cơ điện rất cao ( cỡ 0,7 -0,9),
năng lợng điện dễ dàng chuyển tải đi xa và không gây ra tổn hao đáng kể.
Dễ dàng thực hiện quá trình điều khiển tự động, điều khiển từ xa, giải phóng
ngời lao động khỏi những lao động nặng nhọc, nguy hiểm
- Không gây ồn lớn trong quá trình làm việc, vệ sinh công nghiệp đợc bảo
đảm. Tuy nhiên bên cạnh những u điểm nó cũng có những nhợc điểm nh: giá
thành ban đầu cao, khả năng gây chay nổ cao do trong quá trình vận hành dễ
gây ra tia lửa điện
5- Những yêu cầu cơ bản đối với thiết bị nâng hạ hàng.
Để nâng cao khả năng kinh tế của vân tải thì quá trình nâng hạ hàng phải
đảm bảo rút ngắn đợc thời gian bốc xếp. Do vậy ngoài những yêu cầu về kỹ
thuệt thì các thiết bị nâng hạ hàng phải có thêm các yêu cầu sau:
5.1. Năng suất làm hàng cao

móc không là V3 , tốc độ hạ hàng là V4 thì ta có các biểu thức sau:
V2 = ( 3 3,5) V1
V3 = (2 2,5) V1
V4 = (1,5 -2)V1
5.3. Hệ thống phải có khả năng rút ngắn đợc thời gian quá độ.
- Chọn những động cơ có mô men khởi động lớn, nếu có thể sử dụng
những động cơ chuyên dụng có mô men quán tính nhỏ
- Chọn động cơ có tốc độ phù hợp để giảm đợc các cơ cấu trung gian
5.4. An toàn cho hàng hoá và thiết bị
- Hệ thống phải có độ bền cơ học cao, không gây xung lực đột ngột tren
dây cáp.
- Trang bị những ngắt cuối, công tắc hành trình.
Ví dụ nh: Bảo vệ móc chạm đỉnh cần, bảo vệ sức căng tối đa, bảo vệ góc
nâng cần tối đa
-> Ngoài các yếu tố trên còn có các yếu tố khác nh: phải đảm bảo tính
kinh tế, lắp đặt chắc chắn, kích thớc thiết bị nhỏ gọn, gia thành hạ
6 . Các hệ truyền động điện dùng trong cơ cấu nâng hạ hàng.
6.1. Hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều
Hệ truyền động điện một chiều dùng trong cơ cấu nâng hạ hàng tỏ ra có
nhiều u điểm nh: Chúng có khả năng điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng,
có khả năng tạo đợc nhiều đờng đặc tính trung gian bằng cách thay đổi các
thông số của mạch kích từ và mạch động lực. Thông thờng quá trình điều
khiển đợc thực hiện bằng tay điều khiển kết hợp với trạm từ.
- Nếu hệ thống dạng này sử dụng động cơ một chiều kích từ nối tiếp thì nó sẽ
có một số u điểm cơ bản nh sau:Nó có khả năng tự thay đổi tốc độ khi tải
thay đổi ( M.n = constant) . Do vậy công suất động cơ luôn đợc khai thác tối
u. Động cơ có mô men khởi động lớn ,khả năng gia tốc nhanh. Vì động cơ
một chiều kích từ nối tiếp có mô men quay tỉ lệ với bình phơng dòng điện
tải, khi khởi động thì :
I

đấu để biến động cơ kích từ hỗn hợp thành động cơ kích từ song song.
Trong trờng hợp nh vậy thì cuộn nối tiếp đợc mắc với điện trở phụ và mắc
song song với phần ứng động cơ.
-> Dạng đặc tính cơ thích hợp nhất đối với thiết bị nâng hạ hàng đợc trình
bày trong hình 6-1. Các đặc tính này nhận đợc đối với hệ thống sử dụng động
cơ kích từ hỗn hợp.

Hình 6-1. Dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều thích hợp
- Phía nâng hàng:
+ Đờng 1: Hệ thống hoạt động có tốc độ thấp nhất. Đặc tính này có đợc nhờ
sử dụng dụng biện pháp rẽ mạch phần ứng động cơ. Tốc độ này dùng để
nhấc thử hàng.
+ Đờng 2 : Tốc độ thấp dùng để nâng tải nặng hoặc trung bình. Đặc tính này
có đợc nhờ đa một điện trở phụ có giá trị lớn vào mạch phần ứng của động
cơ. Với tải lớn ta có thể dùng đặc tính này để thực hiện hãm nối ngợc khi hạ
hàng.
+ Đờng 3, đờng 4 : Các đặc tính tạo các cấp tốc độ trung gian bằng cách cắt
dần các điện trở mắc trong mạch phần ứng của động cơ.
+ Đờng 5: Đặc tính tự nhiên của động cơ.
+ Đờng 6: Đặc tính có tốc độ cao để nâng móc không hoặc tải nhẹ. Đặc tính
này có đợc nhờ ta giảm kích từ động cơ. Với tải nhẹ thì tốc độ quay của động
cơ có thể đạt tới giá trị (3 -4)n
đm
.
- Phía hạ hàng:
+ đơngd 0, 1, 2 : Các đặc tính hãm động năng với các điện trở hãm khác
nhau để có các tốc độ hãm khác nhau.
+ Đờng 1T: Tạo tốc độ thả hàng thấp.
+ Đờng 2T, 3T : Các đặc tính tạo các cấp tốc độ hạ hàng trung gian, đặc tính
này nhận đợc bằng cách thay đổi kích từ động cơ.

cao. Đồng thời nó sử dụng nguồn 3 pha nên không phải sử dụng bộ biến đổi.
Rôto này thờng là loại rôto lồng sóc rãnh sâu, hoặc lồng kép nhằm để hạn
chế dòng khởi động cho động cơ.
- Việc tạo ra các cấp tốc độ khác nhau đợc thực hiện bằng cách thay đổi số
đôi cực của cuộn dây stato của động cơ.
- Đặc tính cơ của động cơ đợc mô tả trên hình 6-2b.
- Đặc tính 3 có tốc độ khoảng 1,3 m/s : Tốc độ dùng để nâng hạ hàng toàn
tải, Nâng hạ móc không.
- Đặc tính 2 có tốc độ 0,65 m/s : Đây là tốc độ trung gian chuyển tiếp từ tốc
độ thấp lên tốc độ cao và ngợc lại.
- Đặc tính 1 có tốc độ 0,15 m/s : Tốc độ nhấc thử hàng hoặc đa hàng chạm
đất.
-> Sở dĩ loại động cơ này hay đợc dùng vì nó có cấu tạo đơn giản, đáp ứng t-
ơng đối tốt các yêu cầu về tốc độ. Đồng thời có trọng lợng và kích thớc nhỏ
động cơ điện một chiều cùng công suất.
Tuy nhiên việc điều chỉnh tốc độ không láng, mô men khởi động nhỏ hơn so
với động cơ một chiều.
6.3. Hệ thống truyền động điện dùng Van - Động cơ xoay chiều
Động cơ rôto lồng sóc có nhiều u điểm hơn hẳn động cơ một chiều. Tuy
nhiên lại gặp một vấn đề khó khăn là vấn đề là quá trình điều chỉnh tốc độ
gặp khó khăn.Ngày nay nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật, dẫn đến sự
ra đời của các linh kiện bán đãn. Do đó đã xuất hiên một dạng truyền động
điện mới trong thiết bị nâng hạ hàng. Đó là hệ thống sử dụng Van Động
cơ xoay chiều.
Nhờ có phơng pháp điều khiển mới này mà động cơ dị bộ lồng sóc sử dụng
trong hệ thống có khả năng điều chỉnh tốc độ đợc dễ dàng hơn. Sơ đồ tổng
quát (H6-3a)
- ở hệ thống này quá trình đảo chiều đợc thực hiện nhờ công tắc tơ đảo
chiều. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào động cơ.
Điện áp đợc thay đổi nhờ các cầu Tiistor (T T hoặc T - Đ) với phơng pháp

_ Quá trình hãm tái sinh xảy ra khi thực hiện quá trình hạ hàng. Để nâng cao
quá trình hãm điện và khi hgạ hàng ngời ta thờng thông qua hệ thống điều
khiển để chuyển đổi từ đôngj cơ kích từ hỗn hợp thành động cơ kích từ song
song bằng cách bỏ cuộn kích từ nối tiếp hay chuyển cuộn nối tiếp thành cuộn
song song sau khi đa vào cuộn này một điện trở hạn chế.
+ Khi hãm tái sinh, động cơ chuyển đổi sang làm việc ở chế độ máy phát.khi
đó E
đc
> U
n
( do n
đc
> n
0
) , làm việc song song với máy phát của trạm .
Dòng hãm tái sinh đa từ động cơ về có chiều cùng chiều với dòng kích từ
song songcủa máy phát và ngợc chiều với dòng phần ứng của động cơ.
-> Quá trình hãm tái sinh xảy ra ngoìa ý đồ của thiết kế.
- Qua trình hãm động năng:
Quá trình hãm động năng thờng đợc sử dụng ở tốc độ hạ hàng chạm đất.
-> Sơ đồ và đặc tính.

Hãm động năng kích từ hỗn hợp có hiệu quả cao nhng sơ đồ đấu dây lại phức
tạp nên thực tế ít dùng.
7.2.Hãm điện đối với thiết bị xoay chiều
Theo lý thuyết chung của quá trình hãm điện thì khi sử dụng thiết bị xoay
chiều thì sẽ xảy ra cả 3 quá trình hãm điện.
- Hãm tái sinh: Có thể xảy ra trong hai trờng hợp:
+ Khi chuyển đổi tốc độ động cơ từ tốc độ cao về tốc độ thấp và khi hạ hàng
ở một cấp tốc độ nào đó. ki tốc độ quay của rôto lớn hơn tốc độ quay đồng

: Trọng lợng motor của động cơ và các phần tử trong cơ cấu nâng hạ nối
cứng với nhau
K
G
: Hệ số cứng của cáp nâng
K
K
: Hệ số cứng của cần bằng kim loại
Đối với cơ cấu nâng hạ thì sự khác nhau giữa trọng tải của tải trọng nâng
m
G
, trọng lợng cần m
K
so với trọng lợng của motor động cơ là rất đáng kể.
Mọi sự dao động của trọng tải nâng, của cần sẽ ảnh hởng rất lớn đến sự hoạt
động của động cơ điện.
- Mô men quán tính trên trục động cơ đợc tính theo công thức:
J
0
=








+
2

Để tìm các thông số của quá trình dao động, từ phơng trình dao động của
hệ thốngcó thể viết đợc dới dạng Lagranger có vế trái bằng 0. Ta xác định đ-
ợc các dao động tự do của hệ thống. Còn khi vế trái bằng lực (mômen) thì ta
xác định đợc lực đàn hồi.
-> Phơng trình Lagranger đợc viết nh sau:0=


+

















X
N

dt
dxm
KK
(2.3)
* Thế năng đợc xác định bằng biểu thức:

N =
2
2
K
x
X
K
(2.4)
Khi đó :

;;
2
2
dt
Xd
m
dt
X
K
dt
d
dt
dX
m

X
K
.;0 =


=


Phơng trình Lagranger đợc viết nh sau:
0.
2
2
=+
KX
K
K
XK
dt
Xd
m
hoặc
0.
2
2
2
=+
K
K
XP
dt


t = 0 ; X
K
= 0 ; dX
K
/dt = 0 .
Để xác định đợc dao động cỡng bức do trục P gây lên cần xác định đợc các
giá trị nâng khác nhau.
Phơng trình chuyển động ( Lagranger) trong trờng hợp này đợc viết nh sau:PXK
dt
Xd
m
KX
K
K
=+ .
2
2
(2.8)
Trong đó lực P có thể tìm đợc nh sau:
ở mọi thời điểm t trong giai đoạn 2 khi tốc độ nâng là V thì:

X
K
= V.t ; dX
K
/dt = V ; d

t
1
=
VK
gm
K
G
.
.
(2.10)
Thay đổi cấu trúc ta có:
X
K
= V.t =
V
gm
G
.
.
=
K
K
Q
= y
CT
(2.11)
Trong đó:
y
CT
: Sự uốn cong do phụ tải

2
2
2
(2.13)
Với :
P
2
= K
K
/ m ; q =
g
mm
m
g
m
m
GK
GG

+
=

Nghiệm chung của phơng trình là: Với x
K
= q / p
2 x
K

2
=> C
1
= y
CT
q/p
2
.
dX
K
/ dt = V = C
2
.p => C
2
= V/ p.
Do đó :
X
K
=
22
sin.cos.
p
q
pt
p
V
pt
p
q
y

pt
CT
sin)cos1(
.
cos
2
+






+
(2.14)
Vì

1
.

.
.
2
=
+
=
gm
K
K
m

P
d
= Q +
2
2
.
.
dt
Xd
g
Q
K
=
Còn khi sinpt = -1 thì:

P
d
Max
=
)1(
1
.
1
d
GK
K
QK
mm
K
g

=






+
+=








+ ptpV
K
mm
K
gm
Kpt
p
V
yK
K
GK
K
G

















++ pt
g
pV
m
m
G
K
Q
)15.2(sin.
.
1




g
pV
m
m
Q =
















+
++=














+
+
G
K
GK
K
m
m
mm
K
g
V
1
=> Để xác định khả năng động của quá trình nâng kể từ khi bắt đầu nâng cho
tới khi tốc độ của động cơ xác lập.
=> Phơng pháp điều khiển này thờng áp dụng cho cấn cẩu.
Phần 3. Xây Dựng Chơng Trình Tính Toán Động Lực Học Cho Cơ Cấu
Nâng Hạ Hàng
- Mục đích của chơng trình là sau khi có các thông số cần quan tâm nh:
+ Trọng lợng cần: m
K
+ Trọng lợng của tải trọng: m
G
+ Tấn số dao động tự do: P

Text6.Text = ""
End Sub
Private Sub Command3_Click()
End
End Sub
Private Sub Command4_Click()
Dim m1 As Integer
Dim m2 As Integer
Dim p1 As Integer
Dim v As Integer
Dim t As Integer
Dim p As Double
m1 = Val(Text7.Text)
m2 = Val(Text8.Text)
p = Val(Text9.Text)
v = Val(Text10.Text)
t = Val(Text11.Text)
p = m1 * 9.8 * (1 + (1 + m2 / m1) * v * p / 9.8 * Sin(p * t))
Text12.Text = p
End Sub
Private Sub Command5_Click()
Text7.Text = ""
Text8.Text = ""
Text9.Text = ""
Text10.Text = ""
Text11.Text = ""
Text12.Text = ""
Text10.Text = ""
End Sub
Private Sub Command6_Click()