BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG…………… Luận văn

Trang bị điện - điện tử cầu trục 200 tấn
nhà máy
đóng tàu Phà Rừng. Đi sâu nghiên cứu
mô phỏng cơ cấu nâng hạ hàng

LỜI NÓI ĐẦU

Ở nƣớc ta với địa hình có bờ biển dài và nhiều sông lớn, từ lâu ngành
vận tải thuỷ đã hình thành, phát triển và đóng vai trò ngày càng quan trọng
trong nền kinh tế. Trong nền công nghiệp phát triển nhƣ hiện nay, nhu cầu về
vận chuyển và bốc xếp hàng hóa là thiết yếu và đòi hỏi cải thiện cả về năng
lực cũng nhƣ chất lƣợng bốc xếp. Cầu trục là thiết bị bốc xếp quan trọng
không thể thiếu trong các nhà máy và cảng biển. Với nhiều cải tiến về kỹ
thuật cũng nhƣ áp dụng các công nghệ điều khiển hiện đại đã nâng cao đƣợc
năng suất lao động và an toàn trong lao động bốc xếp.
Với tầm quan trọng nhƣ vậy, việc nghiên cứu cầu trục 200 tấn của công
ty đóng tàu Phà Rừng là một nhiệm vụ quan trọng, giúp ta hiểu sâu và khai
thác tối ƣu năng suất thiết bị, đƣa ra đƣợc những giải pháp kỹ thuật hợp lý
nhằm hoàn thiện nhóm thiết bị, phục vụ tốt hơn cho sản xuất.
Sau 4 năm học tập tại trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng, em đã đƣợc
giao đề tài tốt nghiệp “Trang bị điện - điện tử cầu trục 200 tấn nhà máy
đóng tàu Phà Rừng. Đi sâu nghiên cứu mô phỏng cơ cấu nâng hạ hàng”.
Bản đồ án gồm các nội dung sau:
Chương 1: Khái quát chung về cầu trục và cần trục.

1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CẦN TRỤC - CẦU TRỤC [1; Tr 5]
Cầu trục - cần trục làm nhiệm vụ chuyển dịch hàng hóa, vật tƣ, thiết bị
từ chỗ này sang chỗ khác. Thí dụ trong xây dựng công trình công nghiệp, cầu
trục nâng các thiết bị công nghệ từ mặt đất lên cao để lắp ráp thành một dây
chuyền sản xuất. Trong nhà máy luyện kim, cầu trục vận chuyển cuộn thép,
phôi thép hoặc các thùng kim loại nóng chảy để đổ vào khuôn đúc vv….
Trong các nhà máy cơ khí cầu trục vận chuyển các phôi gia công để gá lắp
lên các máy hay vận chuyển các chi tiết đƣợc gia công xong đƣa sang công
đoạn khác. Trong các cảng biển: Cần trục bốc dỡ hàng từ trên tầu xuống kho
bãi hay vận chuyển xuống tàu, vận chuyển container, các máy móc xuất nhập
khẩu qua đƣờng biển vv… Nhƣ vậy cầu trục và cần trục giúp cho con ngƣời
cơ khí hóa, tự động hóa khâu bốc xếp làm giảm sức lao động và tăng năng
suất chất lƣợng sản xuất.
Điều này cho thấy trong bất kỳ lĩnh vực sản xuất nào cũng có thể tham
gia cần trục và cầu trục. Vì tính đa dạng của nó nên cấu tạo của cần trục và
cầu trục rất đa dạng và khác nhau. Tuy nhiên nó có đặc điểm và các cơ cấu
chung thí dụ cầu trục thƣờng có ba cơ cấu chính: Cơ cấu nâng hạ, cơ cấu di
chuyển dọc, cơ cấu di chuyển ngang và một số cơ cấu phụ để lấy và giữ
hàng. Cần trục thƣờng có nhiều cơ cấu làm đƣợc nhiều nhiệm vụ khác nhau
cụ thể có cơ cấu nâng hạ, cơ cấu quay cần, cơ cấu thay đổi tầm với, cơ cấu
dịch chuyển và các cơ cấu phụ.
Các thế hệ cần trục và cầu trục từ trƣớc năm 1986 với hệ truyền động
điện cơ thông thƣờng là động cơ không đồng bộ rôto dây quốn điều chỉnh tốc
độ bằng cách điều chỉnh điện trở phụ trong mạch rôto. Mạch điều chỉnh
chính sử dụng các rơle, công tắc tơ nên hệ thống hoạt động kém chính xác vì
tần số đóng cắt lớn, gây ra mòn tiếp điểm của các công tắc tơ, rơle nên phải
bảo dƣỡng thƣờng xuyên, dùng điện trở mạch rôto gây tổn hao lớn về mặt
điện năng khi điều chỉnh tốc độ động cơ. Tín hiệu điều khiển từ tay trang
điều khiển đƣợc đƣa ra thông qua các rơle trung gian, tín hiệu ra của các rơle
trung gian dùng để điều khiển đóng cắt các công tắc tơ cấp nguồn cho động

cấu di chuyển chân đế. Cần trục chân đế có khả năng bốc xếp hàng rời bằng
gầu ngoạm, bốc xếp hàng hóa treo trên móc cần trục, bốc xếp container vv…
2. Cần trục lắp đặt trên công tông nổi

Hình 1.2: Cần trục trên công tông nổi
Cần trục cảng lắp đặt trên công tông nổi biểu diễn trên hình 1.2, loại
này thƣờng có trọng tải lớn, dùng để nâng hạ các cấu kiện của ngành lắp máy
đƣợc vận chuyển bằng đƣờng thủy mà các cần trục chân đế không có khả
năng bốc xếp. Các cảng biển trang bị các loại cẩu này không nhiều nhƣng
tính cơ động của nó rất cao để đáp ứng nhu cầu của bốc xếp siêu trọng mà
vẫn đảm báo tính kinh tế trong khai thác vận hành.
3. Cần trục - tời hàng trên tàu biển

Hình 1.3: Cầu trục trên tàu thủy
Cầu trục tời hàng trên các tàu biển khi cập cảng tham gia vào quá trình
bốc xếp hàng hóa biểu diễn trên hình 1.3. Cần trục trên tàu thủy gồm có ba
cơ cấu điều khiển chuyền động chính: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu nâng hạ
và cơ cấu quay. Sự hoạt động của cần cẩu trên tàu thủy phụ thuộc nhiều vào
góc nghiêng của tàu trong quá trình bốc xếp hàng hóa, góc nghiêng trong quá
trình hoạt động lớn hơn so với cần cẩu chân đế đặt ở cảng.
Tời hàng trên tàu thủy thƣờng có hai loại: Tời đơn và tời kép. Tời đơn
là loại tời chỉ có một cần, các chuyển động của nó tƣơng tự cần cẩu. Tời kép
là loại tời có hai cần thƣờng có hai chuyển động khi bốc xếp hàng hóa là
nâng hạ và kéo bằng tời để dịch chuyển hàng hóa trong khoảng cách giữa hai
đỉnh cần.
Đặc điểm làm việc của tời đơn trên tàu thủy đảm bảo đƣợc tính linh
hoạt cao, thời gian đƣa vào làm việc nhanh hơn so với tời kép. Nhƣợc điểm
của loại này đòi hỏi công suất đặt lớn hơn so với tời kép.
khiển chuyển động chính: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu di chuyển xe con;
Cơ cấu di chuyển giàn. Các cầu trục này thƣờng đƣợc điều khiển tại chỗ và
từ xa.
7. Cầu trục khung dầm hộp chạy trên đường ray

Hình 1.8: Cầu trục khung dầm hộp chạy trên đường ray
Cầu trục khung dầm thép dạng hộp chạy trên đƣờng ray đƣợc biểu diễn
trên hình 1.8, đƣợc trang bị cho cảng biển, các nhà máy đóng tàu biển. Loại
này thƣờng đƣợc thiết kế có trọng tải nâng lớn, làm việc trong phạm vi quy
định. Gồm ba cơ cấu điều khiển chuyển động chính: Cơ cấu nâng hạ hàng;
Cơ cấu di chuyển giàn; Cơ cấu di chuyển xe con.
8. Cầu trục bốc xếp container

Hình 1.9: Cầu trục bánh lốp bốc xếp container
Cầu trục giàn bánh lốp bốc xếp container đƣợc biểu diễn trên hình 1.9.
Các cơ cấu điều khiển chuyển động chính của cầu trục giàn bánh lốp bao
gồm: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu di chuyển xe con; Cơ cấu di chuyển giàn.
Việc cấp nguồn điện cho cầu trục hoạt động bằng diezel lai máy phát điện
đồng bộ. Đặc điểm làm việc của cầu trục giàn bánh lốp có tính cơ động cao,
năng suất cao.
Cầu trục giàn chạy trên ray bốc xếp container. Các cơ cấu điều khiển
chuyển động chính của cầu trục giàn chạy trên ray bao gồm: Cơ cấu nâng hạ
hàng; Cơ cấu di chuyển xe con; Cơ cấu di chuyển giàn và cơ cấu nâng hạ
giàn (cơ cấu nâng hạ công son). Đặc điểm công tác nổi bật của loại này là có
tầm với và trọng tải lớn, năng suất bốc xếp rất cao, đƣợc trang bị cho nhiều
cảng chuyên dụng bốc xếp container.
1.3. ĐẶC ĐIỂM, YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CẦN TRỤC - CẦU TRỤC
1.3.1. Khái quát [1; Tr 19]
Trên cần trục bao gồm bốn cơ cấu truyền động độc lập với nhau. Khi

- Cung cấp điện từ lƣới qua các thanh góp điện cố định. Loại này
thƣờng là cầu trục phân xƣởng.
- Cung cấp điện từ lƣới qua các cuộn cáp điện. Loại này thƣờng là đối
với cầu trục dịch chuyển theo đƣờng ray trên mặt đất.
- Cung cấp điện từ máy phát điezel thƣờng loại cầu trục di động trên
ôtô.
1. Môi trường làm việc
Phần lớn môi trƣờng làm việc của cần trục, cầu trục rất khắc nghiệt. Ví
dụ trong các nhà máy cơ khí luyện kim, môi trƣờng làm việc cầu trục nóng
ẩm và nhiều bụi. Trên cảng biển cần trục, cầu trục phải làm việc ngoài trời.
Chế độ làm việc của cần trục, cầu trục là chế độ ngắn hạn lặp lại, khởi động,
hãm thƣờng xuyên.
2. Yêu cầu về điều khiển
- Tất cả các truyền động cho các cơ cấu đều cần phải điều chỉnh tốc độ,
lực và gia tốc. Hàng hóa đƣợc dịch chuyển theo quỹ đạo trong không gian,
cho nên thƣờng phải phối hợp hai hoặc nhiều truyền động cùng một lúc.
- Chuyển dịch hàng hóa không gây ra va đập và không gian dao động
quá mức, phụ tải vƣợt số truyền động, mômen quán tính thay đổi do thay đổi
tầm với và góc nâng cầu. Điều này dẫn đến cần cảnh báo quá tải khi tầm với
xa và góc nâng lớn. Sự biến đổi phụ tải gây nên tác động giữa các cơ cấu nhƣ
nâng hạ quay cầu và thay đổi tầm với.
3. Yêu cầu về phụ tải
Đối với cơ cấu nâng hạ: Mômen không tải khi nâng móc cẩu M
c0
= (15
÷ 20%) M
đm
còn khi gầu ngoạm M
c0
cỡ +50% M

định mức.
Đối với các động cơ truyền động cho các cơ cấu nâng hạ hàng, mômen
thay đổi theo tải rất rõ rệt. Khi không có tải trọng (khi không tải), mômen
động cơ không vƣợt quá (15 ÷ 20)% M
đm
, đối với cơ cấu nâng của cần trục
gầu ngoạm đạt tới 50% M
đm
, đối với cơ cấu di chuyển xe con bằng (30 ÷
50)% M
đm
, đối với cơ cấu di chuyển xe cầu bằng (50 ÷ 55)% M
đm
.
Trong các hệ truyền động của cần trục và cầu trục, yêu cầu quá trình
tăng tốc và giảm tốc xảy ra phải êm, đặc biệt là đối với các cầu trục, cần trục
thiết kế cho nâng chuyển container và bốc xếp hàng hóa, lắp ráp thiết bị máy
móc. Bởi vậy mômen động trong quá trình quá độ phải đƣợc hạn chế theo
yêu cầu kỹ thuật an toàn.
Năng suất của cần trục, cầu trục đƣợc quyết định bởi hai yếu tố: Tải
trọng của thiết bị và chu kỳ bốc xếp trong một giờ. Thƣờng số lƣợng hàng
hóa bốc xếp trong một chu kỳ không nhƣ nhau và nhỏ hơn trọng tải định
mức, cho nên phụ tải của động cơ chỉ đạt (60 ÷ 70)% công suất định mức của
động cơ.

Hình 1.13: Mômen động cơ phụ thuộc vào tải trọng
1 - Động cơ di chuyển xe cầu, 2 - Động cơ di chuyển xe con, 3 - Động
cơ nâng hạ.
Do điều kiện làm việc của cần trục, cầu trục hết sức nặng nề, thƣờng
xuyên làm việc trong chế độ quá tải vì vậy cần trục, cầu trục đƣợc chế tạo có

- Tốc độ toàn tải: V
đm

- Tốc độ nâng một phần hai tải: (1,5 ÷ 1,7) V
đm
.
- Tốc độ nâng móc không: (3 ÷ 3,5) V
đm
.
- Tốc độ hạ toàn tải: (2 ÷ 2,5) V
đm
.
- Tốc độ hạ ít tải hoặc móc không: (2 ÷ 2,5) V
đm
.Vì vậy số cấp tốc độ cho các cơ cấu điều khiển chuyển động của cần
trục ít nhất là 3 cấp tốc độ. Cấp tốc độ thấp nhằm thỏa mãn công nghệ khi
nâng và hạ hàng chạm đất, cấp tốc độ cao là tốc độ tối ƣu cho từng cơ cấu,
giữa hai cấp tốc độ này thƣờng đƣợc thiết kế thêm các tốc độ trung gian để
thỏa mãn công nghệ bốc xếp hàng hóa cũng nhƣ sự làm việc ổn định của cần
trục.
3. Có khả năng rút ngắn thời gian quá độ
Các cơ cấu điều khiển chuyển động trên cần trục làm việc ở chế độ
ngắn hạn lặp lại, thƣờng hệ số đóng điện tƣơng đối ε% = 40% vì vậy thời
gian quá độ chiếm hầu hết thời gian công tác. Do đó việc rút ngắn thời gian
quá độ là biện pháp cơ bản để nâng cao năng suất. Thời gian quá độ trong các
chế độ công tác là thời gian khởi động và thời gian hãm trong quá trình tăng
tốc và giảm tốc. Để rút ngắn thời gian quá độ cần sử dụng các biện pháp sau:

- Kỹ thuật điều khiển chuyển động cần trục cần có các hệ thống giám
sát, bảo vệ tự động các hệ thống điều khiển chuyển động cho cần
trục. Các hệ thống cần có các bảo vệ nhƣ: bảo vệ móc chạm đỉnh,
bảo vệ chùng cáp cho cơ cấu nâng hạ hàng; Bảo vệ góc nâng cần
lớn nhất và nhỏ nhất hay nói cách khác là bảo vệ tầm với nhỏ nhất
và lớn nhất cho cơ cấu nâng hạ cần; Bảo vệ góc quay hay bảo vệ
hành trình cho cơ cấu quay và cơ cấu di chuyển. Ngoài ra cần có
các hệ thống đo lƣờng và bảo vệ quá tải tải trọng nâng cho cơ cấu
nâng hạ hàng và nâng hạ cần.
- Hệ thống điều khiển bắt buộc phải có đầy đủ các bảo vệ sự cố, bảo
vệ “Không”, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá tải nhiệt cho các động
cơ thực hiện và bảo vệ dừng khẩn cấp.
- Các loại phanh hãm cho các hệ thống làm việc có tính bền vững
cao.
Các giải pháp đảm bảo an toàn trên đây trong quá trình khai thác cần
trục, cầu trục cần đƣợc kiểm tra thƣờng xuyên và phải đƣợc thông qua cơ
quan đăng kiểm.
6. Điều khiển tiện lợi và đơn giản
Để đảm bảo thuận lợi cho ngƣời điều khiển việc thiết kế cabin điều
khiển cùng với các thiết bị điều khiển phải đƣợc bố trí thuận tiện và thống
nhất giữa các loại cần trục, cầu trục. Đồng thời ngƣời điều khiển cần trục,
cầu trục có thể sử dụng các lệnh khẩn cấp một cách thuận tiện và dễ dàng.
7. Ổn định nhiệt, cơ và điện
Các cần trục, cầu trục thông thƣờng đƣợc lắp ráp để vận hành ngoài
trời. Các khu vực làm việc thông thƣờng có nhiệt độ biến đổi theo mùa rõ rệt.
Ngoài ra các cần trục cảng biển còn chịu ảnh hƣởng của hơi nƣớc mặn, vì
vậy các thiết bị điện, kết cấu cơ khí phải đƣợc chế tạo thích hợp với môi
trƣờng công tác.
8. Tính kinh tế và kỹ thuật cao
Thiết bị chắc chắn, kết cấu đơn giản, trọng lƣợng và kích thƣớc nhỏ

Hình 1.14: Sơ đồ hệ truyền động điện cho cần trục - cầu trục
Cấu trúc của hệ thống truyền động điện dùng cho cần trục, cầu trục
đƣợc đƣa ra với hai dạng phổ biến trình bày trên hình 1.14. Trên hình 1.14a,
bao gồm các phần tử chính của hệ thống động lực:
1. Động cơ điện truyền động cho các cơ cấu.
2. Phanh hãm dừng điện từ.
3. Bộ truyền cơ khí.
4. Có thể là trống tời quấn cáp nâng hạ hàng hoặc nâng hạ cần.
5. Phanh hãm an toàn cho cơ cấu nâng hạ cần hoặc nâng hạ hàng.
Riêng động cơ truyền động cho cơ cấu quay mâm thƣờng sử dụng bộ
truyền cơ khí trục vít vô tận với bánh răng nón dẫn động trụ quay.
Với cấu trúc trên hình 1.14a, động cơ thực hiện có thể là động cơ một
chiều điều chỉnh điện trở phụ trong mạch phần ứng và trong mạch kích từ.
Cần chú ý rằng cuộn kích từ nối tiếp đƣợc sử dụng để hỗ trợ mômen của
động cơ trong điều khiển ở chiều nâng và hạ là khác nhau. Việc đổi chiều
quay của động cơ điện một chiều đƣợc thực hiện bằng cách đổi chiều điện áp
phần ứng. Hệ thống cấp nguồn cho động cơ một chiều có thể là máy phát một
chiều có nhiều mạch phần ứng (Hệ F - Đ) hoặc bộ biến đổi Tiristor - động cơ
điện một chiều (T - Đ).
Với cấu trúc trên hình 1.14a, động cơ thực hiện là động cơ không đồng
bộ roto lồng sóc loại có nhiều cuộn dây quấn trên stator, các tốc độ khác
nhau đƣợc tạo ra bằng cách đổi nối các cuộn dây hoặc thay đổi điện áp, tần
số nguồn cung cấp cho các cuộn dây stotor. Việc đổi chiều quay cho động cơ
không đồng bộ thƣờng đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi thứ tự pha điện áp
nguồn cấp.
Ƣu điểm cơ bản của hệ truyền động điện: Kết cấu hệ thống đơn giản,
thƣờng xây dựng theo nguyên tắc dùng van điều khiển kết hợp với trạm từ.
Đồng thời dạng này cũng cho phạm vi điều chỉnh tốc độ rất lớn, đầu tƣ ban
đầu thấp.
Nhƣợc điểm của hệ thống là độ trơn điều chỉnh không cao, có thể gây

Ƣu điểm của hệ thống trong hình 1.14b có đặc tính điều chỉnh tốt, độ
trơn điều chỉnh và có khả năng điều chỉnh sâu cả hai phía nâng hạ, quay trái
quay phải.
Nhƣợc điểm của hệ thống: Hệ thống điều khiển thƣờng phức tạp và là
hệ kín, giá thành tổng thể cao, hiệu suất vùng điều chỉnh sâu thấp.
Cần chú ý rằng:
Các phanh hãm dừng điện từ (2) và cơ cấu phanh hãm an toàn (5) của
hệ thống trên hình 1.14a hoặc (6) trên 1.14b làm việc tin cậy, tính bền vững
cao để đảm bảo an toàn trong quá trình làm việc.
Khi có sửa chữa thay thế các phần tử trên trục truyền động chính nhất
thiết phải khóa phanh an toàn (5) hoặc (6) một cách chắc chắn để tránh gây
mất an toàn nghiêm trọng.
1.5. ĐẶC TÍNH CƠ TĨNH CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU
CHÍNH [1; Tr 21 ÷27]
Từ dạng đặc tính phụ tải kết hợp với dạng đặc tính cơ tĩnh của các loại
động cơ chúng ta có thể phần nào hiểu đƣợc hoạt động của hệ thống truyền
động điện. Sau đây là đặc tính cơ tĩnh của một số loại động cơ.
1.5.1. Hệ truyền động là động cơ (ĐC) một chiều

Hình 1.15: Hệ truyền động động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều sử dụng cho cần trục, cầu trục là động cơ một
chiều kích từ hỗn hợp bao gồm: phần ứng Ƣ, cuộn kích từ nối tiếp G
1
G
2
,
cuộn kích từ song song F
1
F
2

hạ hàng, nâng hạ cần, cơ cấu quay và cơ cấu di chuyển động cơ điện hoạt
động ở chế độ động cơ.
Ƣu điểm lớn nhất có đƣợc khi sử dụng động cơ điện một chiều là có
thể điều chỉnh tốc độ rất láng. Ngoài ra do sử dụng cuộn kích từ nối tiếp nên
động cơ cũng nhƣ hệ thống có khả năng chịu quá tải tốt.
1.5.2. Hệ thống truyền động là động cơ không đồng bộ (KĐB) rotor lồng
sóc
Động cơ KĐB rotor lồng sóc đƣợc dùng phổ biến để điều chỉnh tốc độ
cho các hệ thống truyền động điện cho các cơ cấu chuyển động của cần trục
cầu trục.
Đối với động cơ KĐB rotor lồng sóc thì phƣơng pháp thay đổi tốc độ
chủ yếu thực hiện bằng cách đổi nối cuộn dây phần ứng để thay đổi số đôi
cực p. Việc đảo chiều quay động cơ đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi thứ tự
hai trong ba pha cấp nguồn để thay đổi chiều từ trƣờng quay.