Lời nói đầu
Cầu trục là loại máy trục kiểu cầu có kết cấu giống chiếc cầu có bánh xe lăn
trên đờng ray chuyên dùng nên còn gọi là cầu lăn đợc sử dụng phổ biến trong
các ngành kinh tế và quốc phòng để nâng chuyển vật nặng trong các phân x-
ởng, nhà kho cũng có thể dùng để xếp dỡ hàng. Chính khả năng làm việc của
cầu trục với các thiết bị có trọng lợng, lu lợng lớn nên đã trở thành nhân tố
chính để nâng cao năng suất lao động.
Khi nghiên cứu thiết kế, chế tạo cầu trục, trong thực tế thờng sử dụng phơng
pháp thông thờng đó là thiết kế cầu trục khi đang làm việc ổn định với gia tốc
bằng không. Xét thấy rằng gia tốc trong chuyển động của cầu trục cũng là
một nhân tố ảnh hởng đến sự làm việc ổn định cũng nh độ bền, độ cứng của
cầu trục, cho nên tôi đã chọn đề tài về nghiên cứu động lực học cầu trục để
làm đồ án tốt nghiệp. Những nội dung chính đợc trình bày trong đồ án là:
giới thiệu về cầu trục nói chung, cầu trục chân dê đập tràn của công trình
thuỷ điện SêSan 4, tính toán động lực học cầu trục, mô phỏng chuyển động
của cầu trục bằng OpenGL và mô phỏng trạng thái tĩnh bằng phần mềm
Cosmos.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Chỉ Sáng, PGS.TS Đinh Văn Phong,
ThS Phan Đăng Phong cùng các thầy cô thuộc bộ môn Cơ Học ứng Dụng
Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội và các anh chị kỹ s phòng Tự Động Hoá
Thiết Kế thuộc Viện Nghiên Cứu Cơ Khí đã tận tình chỉ bảo hớng dẫn tôi
hoàn thành đồ án này. Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên trong đồ án
không tránh khỏi nhiều thiếu sót, tôi mong các thầy cô thông cảm và chỉ bảo
nhiều hơn.
Hà Nội, Ngày .tháng .năm 2007
Sinh viên
Vũ Duy Phớc
1
Một số kí hiệu dùng trong đồ án
: ứng suất tính toán
[] : ứng suất cho phép của vật liệu
đến 32 m, chiều cao nâng đến 16 m, tốc độ nâng vật từ 2 đến 40 m/ph, tốc độ
di chuyển xe con đến 60 m/ph và tốc độ di chuyển cầu trục đến 125 m/ph.
Cầu trục nâng trên 10 tấn thờng đợc trang bị hai đến ba cơ cấu nâng vật: một
cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ. Tải trọng nâng của loại
cầu trục này thờng đợc ký hiệu bằng một phân số với các tải trọng nâng
chính và phụ, ví dụ: 15/3 t; 20/5 t;150/20/5 t...
Theo công dụng đợc phân làm hai loại: cầu trục có công dụng chung và cầu
trục chuyên dụng. Cầu trục có công dụng chung chủ yếu dùng với móc treo
để xếp dỡ, lắp ráp và sửa chữa máy móc. Loại cầu trục này có tải trọng nâng
không lớn và khi cần có thể dùng với gầu ngoạm, nam châm điện và thiết bị
cặp để xếp dỡ một loại hàng nhất định. Cầu trục chuyên dụng đợc sử dụng
chủ yếu trong công nghiệp luyện kim, xuất nhập hàng tại cảng với các thiết
bị mang vật chuyên dùng và có chế độ làm việc rất nặng.
Theo kết cấu dầm có các loại cầu trục một dầm và cầu trục hai dầm. Cầu trục
một dầm thờng là dầm chữ I hoặc dầm tổ hợp với các dàn thép tăng cứng cho
dầm. Cầu trục một dầm thờng dùng palăng điện chạy dọc theo dầm nhờ cơ
3
cấu di chuyển palăng. Cầu trục hai dầm có các loại dầm hộp và dầm dàn
không gian.
Ngoài ra theo nguồn dẫn động có các loại dẫn động tay và cầu trục dẫn động
máy. Theo vị trí điều khiển có các loại cầu trục điều khiển từ cabin gắn trên
dầm cầu và cầu trục điều khiển từ dới nền bằng hộp nút bấm. Điều khiển từ
dới nền bằng hộp nút bấm thờng dùng cho loại cầu trục một dầm có tải trọng
nâng nhỏ.
2. Giới thiệu về cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn của
công trình thuỷ điện Sê San 4.
2.1 ý nghĩa, công dụng của cầu trục chân dê đập tràn.
Cầu trục chân dê chuyên dụng, tải trọng nâng 2x25 tấn đợc dùng để nâng hạ
cửa van sửa chữa đập tràn, công trình thuỷ điện Sê San 4, ngoài ra nó còn đợc
sử dụng để sửa chữa, lắp ráp cho các thiết bị thuộc đập tràn.
Trên cầu trục cũng nh xe con có lắp đặt các cữ hạn vị hành trình nâng, hành
trình di chuyển và các cửa lên xuống sàn thao tác có đặt các cầu dao bán tự
động đảm bảo an toàn. Trên trục tang cuốn cáp có lắp thiết bị điều khiển
đóng mở các hoạt động khi nâng của cửa van sửa chữa đập tràn, và các thiết
bị hạn chế vị trí giới hạn hành trình lên và xuống của hệ thống móc treo.
Phía trên mái che của xe con có thiết bị đo tốc độ tức thời gió và phát tín hiệu
khi vận tốc gió lớn hơn tốc độ gió cho phép.
Để hạn chế sự trôi của cầu trục do gió khi không làm việc, tại 2 cụm di
chuyển bị động đợc lắp 2 thiết bị chống xô ray. Thiết bị này đợc hoạt động
liên động với toàn bộ mọi hoạt động của cầu trục.
2.5 Đặc tính kỹ thuật.
Nguồn điện, tần số (Hz), điện áp (V) Xoay chiều; 50Hz; 380/220V
Điều khiển cầu trục Từ ca bin
Cấp điện cho cầu trục Bằng Trolley
Cấp điện cho xe con Bằng cáp mềm
Tải trọng nâng chính, T 2x25
Chiều cao nâng lớn nhất của móc nâng, m 28
Cao hơn cao trình sàn, m 7,5
Thấp hơn cao trình sàn, m 20,5
Vận tốc nâng móc chính, m/ph 0,8/4
Vận tốc dịch chuyển cầu trục, m/ph 4,5/15
5
Đờng kính bánh xe, mm 710
Tổng số bánh xe 4
Số bánh xe dẫn động 2
Loại ray di chuyển cầu trục KP80
Vận tốc dịch chuyển xe con, m/ph 4,5
Đờng kính bánh xe, mm 630
Tổng số bánh xe 4
Số bánh xe dẫn động 2
1. Cơ sở tính toán thiết kế cầu trục theo phơng pháp thông thờng.
7
Cầu trục thông thờngđợc tính toán thiết kế theo các bớc tính toán chung
sau[1]:
a) Xác định các thông số cơ bản của cầu trục nh tải trọng nâng, chiều cao
nâng, khẩu độ dầm cầu, các tốc độ nâng hạ vật, di chuyển cầu trục, di chuyển
xe con, chế độ làm việc và các điều kiện làm việc cụ thể của cầu trục (môi tr-
ờng làm việc, loại hàng cần bốc dỡ v.v ). Từ các thông số cơ bản và điều
kiện làm việc cụ thể của cầu trục, ta có thể phân tích và chọn phơng án thiết
kế.
b) Xác định các kích thớc hình học và các bộ phận trên cầu trục và tải trọng
tính toán.
- Các kích thớc hình học và trọng lợng bản thân các bộ phận của cầu trục có
thể xác định sơ bộ theo các công thức kinh nghiệm hoặc từ các loại cầu trục
đã có tơng đơng. Các thông số này đợc kiểm tra chính xác lại sau khi thiết kế
cầu trục.
- Ngoài trọng lợng bản thân, các tải trọng tác dụng lên cầu trục cần xác định
là: trọng lợng vật nâng cùng thiết bị mang vật, các tải trọng do dốc, quán tính
và các tải trọng đặc biệt khác nh tải trọng lắp dựng, động đất v.v Tải trọng
gió cần đợc tính toán theo các phơng khác nhau và với áp lực gió trong điều
kiện làm việc bình thờng, áp lực gió lớn nhất trong điều kiện làm việc và áp
lực gió trong trạng thái không làm việc nếu cầu trục hoạt động ngoài trời.
- Xác định lực nén bánh của các bánh xe di chuyển cầu trục và di chuyển xe
con.
c) Xác định các vị trí tính toán và tổ hợp tải trọng. Các vị trí tính toán và tổ
hợp tải trọng phải đợc xây dựng phù hợp với quá trình làm việc của bộ phận
hay chi tiết đợc tính.
d) Thiết kế các cơ cấu công tác của cầu trục nh cơ cấu nâng cùng thiết bị
mang vật, cơ cấu di chuyển xe con và cầu trục.
e) Tính toán kết cấu thép của cầu trục và các chi tiết liên kết giữa các bộ phận
+ Tải trọng lớn nhất P
max
(khi có vật nâng, vị trí các bộ phận là bất lợi nhất
đối với bánh xe tính toán)
+ Tải trọng nhỏ nhất P
min
(khi không có vật nâng, vị trí các bộ phận là có lợi
nhất đối với bánh xe tính toán), tải trọng tơng đơng để tính bánh xe P
bx
theo
công thức[2]:
maxbxbx
P.k.P =
Trong đó:
P
max
: áp lực lớn nhất của bánh xe lên ray
9
k
bx
: Hệ số tính đến chế độ làm việc của cơ cấu
: Hệ số tính đến sự thay đổi của tải trọng
- Kiểm tra bánh xe về sức bền dập.
Kiểm tra bánh xe theo ứng suất dập trong trờng hợp bánh xe và ray tiếp xúc
đờng theo công thức[2]:
[ ]
d
d
r.b
E.P
Trong trờng hợp cần thiết thay đổi lại các kích thớc, vật liệu, nhiệt luyện
của bánh xe và ray cho phù hợp.
2) Chọn sơ bộ động cơ điện.
Với cùng cờng độ CĐ% tơng ứng với chế độ làm việc của cơ cấu, động cơ đ-
ợc chọn có công suất danh nghĩa bằng hoặc lớn hơn công suất tĩnh N
t
tính
theo công thức:
dc
t
t
.1000.60
v.W
N
=
Trong đó:
W
t
: Tổng lực cản tĩnh khi chuyển động ổn định
v : Vận tốc di chuyển của xe lăn
10
dc
: Hiệu suất của động cơ
Động cơ chọn phải bảo đảm khi mở máy trong mọi điều kiện vẫn có hệ số an
toàn bám k
b
1,2
3) Tính tỉ số truyền của bộ truyền
( )
0
t
bx
d
d
0
max0
W-
D
d
.f.G
2,1
.G
.
G
g
a +
=
Trong đó:
G
0
: Tổng áp lực lên các bánh dẫn khi không có vật nâng
: Hệ số bám của bánh xe vào ray
0
t
0
t
0
m
t.375
n.)D.G(.
.t.i.375
n.D.G
.i.2
D.W
M
+
+
=
Trong đó:
11
1i
2
ii
n.)D.G(
: Tổng các mômen vô lăng của các trục
Để đảm bảo an toàn bám, so sánh với mômen mở máy của động cơ M
m
(đc),
điều kiện cần có là: M
- Tời cáp và tời xích với tang cuốn cáp hoặc puly ma sát
- Kích thanh răng, kích vít với truyền động bánh răng thanh răng hay truyền
động vít
- Kích thuỷ lực
Cơ cấu nâng quan trọng và đợc dùng phổ biến là tời cáp và tang cuốn cáp
Các số liệu cần biết trớc để tính toán thiết kế một cơ cấu nâng là:
- Tải trọng nâng Q, N
12
- Chiều cao nâng H, m
- Tốc độ nâng Vn, m/ph
- Chế độ làm việc của cơ cấu.
Trình tự tính toán thiết kế một cơ cấu nâng là[2]:
1) Lựa chọn sơ đồ cơ cấu cùng với những giải pháp về động học và kết cấu
2) Căn cứ vào sơ đồ luồn cáp đã chọn ở bớc 1, xác định bội suất palăng cáp,
lực căng cáp lớn nhất và chọn cáp
3) Xác định các kích thớc cơ bản của tang và puly
4) Tính số vòng quay yêu cầu của tang để đảm bảo tốc độ nâng V
n
vg/ph
T
n
t
d.
a.V
n
=
Trong đó:
a : Bội suất palăng
d
đc
: Số vòng quay dang nghĩa của động cơ vg/ph
n
t
: Số vòng quay của tang vg/ph
13
7) Tính mômen phanh, chọn phanh và kiểm tra gia tốc phanh
8) Tính toán thiết kế các bộ phận chịu lực còn lại nh cụm móc treo, kẹp đầu
cáp trên tang, trục tang, gối đỡ trục tang vv
1.3 Cơ sở tính toán thiết kế và kiểm tra các thiết bị khác của cầu trục.
Tính toán và kiểm nghiệm bánh xe
- Xác định tải trọng lên bánh xe
- Tải trọng lớn nhất tác động lên bánh xe
Kiểm tra bánh xe theo ứng suất dập[2]:
R.B
E.P
.418,0
o
d
=
Trong đó:
P : áp lực tơng đơng của bánh xe lên ray. (N);
E : Mô đun đàn hồi của vật liệu làm ray và bánh xe.(N/mm
2
);
B
0
,R : Bề rộng mặt làm việc và bán kính bánh xe.(mm);
ứng suất
d
y : Hệ số hình dạng răng
: Hệ số vận tốc
ứng suất uốn cho phép[10]:
[ ]
nm
cyp
b
c
=
Trong đó:
c : Hệ số chuyển đổi
c
: Hệ số điều kiện làm việc
m
: Hệ số ổn định của vật liệu
n
: Hệ số độ tin cậy làm việc
Ta phải kiểm tra:
[ ]
bb
or
]
Mô men xoắn tại trục chậm hộp giảm tốc
or
thì [M
or
] >
or
c
t
or
M2
M
=
15
Tính toán chọn động cơ điện
1) Khi làm việc với chế độ làm việc thực động cơ không bị nóng quá giới hạn
cho phép.
2) Mômen mở máy của động cơ phải đủ để khởi động máy với gia tốc cho tr-
ớc song công suất động cơ cũng không đợc chọn quá lớn sẽ gây gia tốc lớn
ảnh hởng không tốt đến hoạt động của bộ máy.
N
dc
> N
tyc
do thành phần momen cản động có giá trị tơng đối lớn do khối lợng
của hệ thống khởi động rất lớn, động cơ phải đủ công suất nhất là phải có
momen mở máy đủ cao để đảm bảo khởi động hệ thống với gia tốc trong
nâng hạ hoặc kéo, di chuyển vật. Ưu điểm chủ yếu của tang có rãnh xoắn là
dây cáp cuốn theo đờng rãnh xoắn trên tang do đó đợc cuốn rất đều không bị
chồng chéo lên nhau tránh đợc kẹt nối cáp trong lúc làm việc.
Để kiểm tra ứng suất nén thì chiều dày tang tời chiều dày cho phép []
nmax
[
n
]
ứng suất uốn và xoắn có trị số nhỏ hơn nhiều so với ứng suất nén nên thực tế
thờng kiểm tra ứng suất nén.
16
Dây cáp thép
Dây cáp thép đợc chế tạo bằng các sợi thép có thành phần cácbon cao, gia
công bằng phơng pháp kéo nguội chuốt đi chuốt lại nhiều lần do đó giới hạn
bền của các sợi dây thép này có thể đạt tới 250 kG/mm
2
. với các sợi thép có
giới hạn bền thấp cáp mềm, cáp mà cứng khi cuốn qua ròng rọc hoặc tang sẽ
bị uốn lớn dẫn đến giảm tuổi thọ của cáp.
Để chống gỉ, chống lại sự ăn mòn của nớc biển và các hoá chất khác ngời ta
còn tiến hành mạ kẽm cho các sợi thép. Ngời ta còn có thể bọc kín cáp tạo
nhẵn bề mặt ngăn cát bụi giảm ma sát tăng khả năng chịu lực của cáp hoặc
bôi trơn chống gỉ bề mặt.
Tính toán cáp
max
d
S
S
k
mômen tải nhỏ. Tỷ số truyền, kích thớc và trọng lợng của cơ cấu truyền động
nhỏ đi nhiều. Khi nâng, vận chuyển các vật nóng ở nhiệt độ cao của vật nâng
và không khí xung quanh ảnh hởng có hại cho sức bền và tuổi thọ của cáp
thép. Cho nên trong trờng hợp này ngời ta không sử dụng cáp thép mà sử
dụng các loại xích.
Nhận xét : Trong tính toán thiết kế cầu trục theo phơng pháp thông thờng các
tải trọng đợc sử dụng để tính toán thiết kế hay để kiểm tra là các tải trọng
tĩnh. Khi xét đến ảnh hởng của tải trọng động thì chỉ xét thông qua các hệ số
thực nghiệm cho nên kết quả tính toán tải trọng động không đợc chính xác và
thuyết phục. Vì vậy tôi đã sử dụng phơng trình Lagrange loại 2 để tính toán
đợc chính xác các tải trọng động xuất hiện trong quá trình chuyển động của
cầu trục từ đó có thể kiểm tra hay thiết kế cầu trục.
2. Tính toán động lực học cầu trục cầu trục chân dê đập tràn tải trọng
nâng 2x25 tấn của công trình thuỷ điện Sê San.
2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán động lực học cầu trục.
2.1.1. Phơng trình Lagrange loại 2.
Phơng trình Lagrange loại hai là phơng trình vi phân chuyển động của các
chất điểm và các vật rắn hôlônôm. Số phơng trình đúng bằng số bậc tự do của
hệ.
Xét hệ hôlônôm gồm n chất điểm và có f bậc tự do. Nh thế cơ hệ xác định
bởi f toạ độ suy rộng đủ: q
1
, q2, , q
n
.
Ta có:
)f,...,1i(0Q
q
T
q
Q
q
Q +
=
18
Trong đó
*
i
Q
là lực suy rộng ứng với các lực không thế
Trong trờng hợp lực tác dụng lên cơ hệ đều là lực có thế thì
*
i
Q
= 0.
Khi đó phơng trình Lagrange loại hai có dạng
)f,...,1i(
qq
T
q
T
dt
d
iii
=
=
Biểu thức lực suy rộng Q có thể viết [7]:
Q
*
= Q
c
+ Q
d
Trong đó:
Q
d
: Lực suy rộng của lực phát động, nếu động cơ có khấu ra là khâu quay thì
: Q
d
= M
hiện nay ngời ta sử dụng sơ đồ tính đơn giản nhất là sơ đồ một khối chịu tác
động của tải trọng bên ngoài. Trong sơ đồ không tính đến các chuyển vị đàn
hồi tơng đối giữa các bộ phận với nhau. Với sơ đồ này cho phép xác định đợc
quy luật chuyển động của tâm khối lợng của cơ cấu. Tải trọng động đợc xác
định không tính đến độ đàn hồi của các bộ phận cơ cấu đợc gọi là tải trọng
động quán tính. Khi khảo sát sơ đồ một khối lợng, các khối lợng tham gia
chuyển động tịnh tiến và các khối lợng tham gia chuyển động quay trong cơ
cấu đợc thay thế bằng một khối lợng quy dẫn. Cơ sở của việc quy dẫn này là
động năng của cơ cấu và động năng của hệ quy dẫn, có tính đến tổn thất do
lực ma sát thông qua đại lợng hiệu suất, tơng đơng bằng nhau[1].
20
Hình 2.1 : Sơ đồ cơ cấu nâng
a) Các khối lợng phân bố trên các trục
b) Quy dẫn khối lợng về trục động cơ
Giả sử cần xác định mômen quán tính quy dẫn về trục động cơ trong quá
trình mở máy cơ cấu nâng hình(2.1), phơng trình cơ bản cân bằng năng lợng
sẽ là:
==
+=
=
w
1u
mu
k
1i
ji00
EE
2
Với
1j,j
1i
1j
1,i
i
1
ii
+
=
==
1j,j
1i
1j
1,i
i
+
=
=
,
1j,j
k : Tổng số trục trong hệ thống
m
u
: Khối lợng tịnh tiến thứ u
u
: Tốc độ chuyển động của khối u
W : Tổng số các khối lợng chuyển động tịnh tiến trong hệ thống
Dấu của mũ hiệu suất sẽ là:
Dơng khi :
0.M
11
<
Âm khi :
0.M
11
>
Mômen quán tính quy dẫn về trục 1 cơ cấu nâng trên hình(2.1) sẽ là:
Khi mở máy nâng vật:
0
2
0
2
T
1q0
.i
1
1,2
.i
2,3
.a = i
g
.a
0
=
1,2
.
2,3
.
T
.
P
Khi phanh hạ vật:
2
0
0
2
T
1q
_
0
i
.
4
d
.mJJ
T
,
T
: Đờng kính, hiệu suất tang
a,
p
: Bội suất palăng cáp và hiệu suất của nó
1q1q
J,J
: Mômen quán tính quy dẫn các khối lợng quay của hệ thống
quy về trục 1, thời kỳ mở máy hoặc phanh
Trong J
1
tính cả mômen quán tính của rôto động cơ điện. Ngoài ra để giảm
bớt khối lợng tính toán, thờng khi tính mômen quán tính quy dẫn các khối l-
ợng quay ngời ta chỉ tính J
1
rồi nhân với hệ số = 1,1 ữ 1,3 [1] để tính đến
quán tính các khối lợng quay đặt sau trục 1. Giá trị tăng khi tỷ số truyền
chung giảm[1]
.JJJ
11q1q
Trong các sổ tay và Catalog, nhiều khi ngời ta không cho giá trị mômen quán
tính J mà cho giá trị mômen đà (mômen vôlăng) của các tiết máy quay, ký
hiệu là GD
2
, N.m
2
. Quan hệ giữa hai đại lợng này là [1] :
0
2
T
1
22
i
.d.Q
)GD(.DG
Trong đó:
23
1
2
)GD(
: Tổng mômen đà các khối lợng quay trên trục 1 (rôto động cơ
điện, khớp nối, bánh phanh, bánh răng vv ).
Trong phép tính động lực học để xác định lực trong dây cáp cơ cấu nâng, các
khối lợng chuyển động đợc quy dẫn về vật nâng và theo chiều chuyển động
tịnh tiến của vật nâng. Từ phơng trình cân bằng năng lợng có thể nhận đợc
những biểu thức tính khối lợng quy dẫn về vật nâng tơng ứng trong các quá
trình mở máy và quá trình phanh nh sau:
0
2
T
2
01
2
0
.d.g
i.)GD(.
cụm chi tiết trên trục nào đó cần phải quy dẫn mômen tải về trục đó.
a) Mômen tĩnh.
Mômen cản tĩnh M
t
là mômen do các ngoại lực tác động vào cơ cấu sinh ra.
Các ngoại lực đó là trọng lực, lực ma sát, lực gió v.v... Các lực này thờng
phân bố ngẫu nhiên vì vậy để đảm bảo mô tả đúng khi tính toán, chúng đợc
phân ra trong các trờng hợp tải trọng khác nhau. Khi tính toán cơ bản các cơ
24
cấu, coi các ngoại lực này là hằng số và độ lớn lấy giá trị danh nghĩa. Các
ngoại lực này sinh ra các mômen quay trên các chi tiết của cơ cấu.
Hình 2.2: Lực và mômen quay ở các chi tiết của cơ cấu
Trên tang cuốn cáp hình a) hình(2.2) có:
2
d
.FM
T
T
=
F do trọng lực sinh ra
Trên bánh xe hình b) hình(2.2) có:
- Mômen cản do ma sát
2
d
..F
2
d
.FM
R
f
M
=
(cơ cấu nâng vật và nâng hạ cần)
00
Rf
c
.i.2
d..F
M
à
=
(cơ cấu di chuyển và quay)
25
Copyright: Tài liệu đại học ©