Đồ án môn học
Chơng I
Tổng quan về cơ cấu nâng hạ
1.1. Sơ lợc về cơ cấu nâng hạ :
(Hình a biểu diễn cơ cấu nâng hạ hàng truyền động bằng động cơ điện).
Trong đó:
1- Móc cẩu; 2- Puli nâng; 3- Blốc đầu cần; 4- Cáp nâng;
5- Trống tời; 6- Bộ truyền; 7- Động cơ điện; 8- Cơ cấu hãm;
1.2. Yêu cầu của thiết bị nâng hạ hàng:
- Chế độ làm việc của thiết bị đợc các đinh từ yêu cầu của quá trình công nghệ.
Hơn nữa cấu tạo và kết cấu của thiết bị nâng hạ hàng rất đa dạng. Do đó khi thiết kế
1
Trang bị điện- Điện tử
và chế tạo hệ điều khiển, hệ truyền động điện phải phù hợp với từng loại thiết bị,
từng chế độ làm việc cụ thể.
- Thiết bị nâng hạ hàng phải làm việc trong chế độ rất nặng nề, tần số đóng cắt
lớn, chế độ quá độ xảy ra liên tục khi mở máy, hãm và đảo chiều.
- Thiết bị nâng hạ hàng còn chịu tác động lớn của môi trờng, nhất là khi thời
tiết xấu, hay không khí có độ ẩm cao nh ở nớc ta.
Do đó thiết bi nâng hạ hàng cần có những yêu cầu cơ bản sau:
1. Năng suất nâng hạ hàng cao:
- Năng suất nâng hạ hàng (Q) đợc tính:

CK
T
G
Q =
(tấn/giờ)
Trong đó:
G: Trọng lợng hàng hoá của mã hàng(tấn).
T

: Thời gian nâng hàng lên độ cao cần thiết.
t
2
: Thời gian đa hàng sang ngang.

t
3
: Thời gian hạ hàng.
t
4
: Thời gian dỡ hàng.
t
5
: Thời gian nâng móc không.
t
6
: Thời gian đa móc không sang trái.
t
7
: Thời gian hạ móc không.
t
8
: Thời gian móc hàng.
Ta thấy:
t
4
, t
8
: Không phụ thuộc vào hệ truyền động điện.


+ Nâng hạ móc không: V
0
=(3- 3,5)V
đm
.
2
Đồ án môn học
+ Nâng hạ 1/2 tải định mức: V
1
=(1,5- 1,7)V
đm
.
+ Nâng hạ hàng có trọng lợng nhẹ: V
2
=(2- 2,5)V
đm
.
+ Tốc độ của động cơ phải thấp khi nhấc thử hàng hay khi hạ hàng chạm
đất.
Bảng thống kê về sự an toàn khi nhấc thử hàng hay khi hạ hàng:
Độ cao(m) 0,33 0,5 1,1 3,2 8,2 18 25
Tốc độ(m/phút) 3 6 8 15 24 36 40
2. Rút ngắn thời gian quá độ bằng cách:
+ Chọn động cơ có mô men khởi động lớn.
+ Giảm đờng kính rôto, ta sẽ giảm đợc quán tính.
+ Chọn động cơ có tốc độ nhỏ hơn 1000 vòng/phút thì thời gian dừng động
cơ sẽ đợc rút ngắn.
3. Hệ thống nâng hạ hàng có độ an toàn cao:
- Cần phải đảm bảo an toàn cho ngời vận hành, hàng hoá và thiết bị nâng
hạ hàng.

* Cần trục-cầu trục có tải trọng trung bình: Trọng tải nâng chuyển từ 10 -
30(tấn).
* Cần trục-cầu trục có tải trọng lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 30 -60(tấn).
* Cần trục-cầu trục có tải trọng rất lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 80 -
1200(tấn).
1.3.2.Phân loại theo đặc điểm công tác và các cơ cấu điều khiển chuyển động
chính:
a. Cần trục chân đế(cần cẩu chân đế):
Cần trục chân đế có các cơ cấu chính: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu nâng hạ
cần; Cơ cấu quay(Cơ cấu quay mâm); Cơ cấu di chuyển chân đế.
Cần trục chân đế có khả năng bốc xếp hàng rời băng gầu ngoạm, bốc xếp
hàng hoá treo trên móc cần trục, bốc xếp container v.v
b. Cần trục lắp đặt trên công tông nổi:
Cần trục loại này thờng có trọng tải lớn, dùng để nâng hạ các cấu kiện, phụ
tùng cho nghành lắp mắy đợc vận chuyển bằng đờng thuỷ mà các cần trục chân đế
không có khả năng bốc xếp. Các cảng biển thờng trang bị loại cần trục này với số l-
ợng không nhiều nhng tính cơ động của nó rất cao để đáp ứng yêu cầu của bốc xếp
hàng hóa siêu trọng mà vẫn đảm bảo tính kinh tế trong công tác khai thác.
c. Cần cẩu - tời hàng trên tàu biển:
Cần cẩu tời hàng trên các tàu biển khi cập cảng cũng tham gia vào bốc xếp
hàng hoá. Cần cẩu trên tàu thuỷ có cấu tạo bao gồm 3 cơ cấu điều khiển chuyển
động chính: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu nâng hạ cần; cơ cấu quay. Sự hoạt động
của cần cẩu trên tàu thuỷ phụ thuộc nhiều vào góc nghiêng của tàu trong quá trình
4
Đồ án môn học
bốc xếp hàng hoá, góc nghiêng trong quá trình hoạt động lớn hơn so với cần cẩu
chân đế lắp đặt ở cảng.
Tời hàng trên tàu thuỷ thờng có 2 loại: Tời đơn và tời kép.
Tời đơn là loại tời chỉ có một cầu. Đặc điểm làm việc của tời đơn trên tàu thuỷ là
đảm bảo đợc tính linh hoạt cao.

Trang bị điện- Điện tử
Gồm 3 cơ cấu điều khiển chuyển động: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu di chuyển xe
con; Cơ cấu di chuyển giàn.
k. Cầu trục bốc xếp container
Cần trục loại này chia làm 2 loại:
Cần trục giàn bánh lốp và cần trục chạy trên đờng bốc xếp container.
Các cơ cấu điều khiển chuyển động chính của cần 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 của cần trục giàn bánh lốp có tính cơ động, năng suất cao.
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 và cơ
cấu nâng hạ hàng(nâng hạ công son). Đặc điểm công tác nổi bật của loại này là có
tầm với và tải trọng nâng lớn, năng suất bốc xếp rất cao. Đợc trang bị cho các cầu
cảng chuyên dụng bốc xếp container.
1.3.3. Phân loại cần trục-cầu trục cảng theo cấu trúc điều khiển
Phân loại cần trục-cầu trục theo cấu trúc điều khiển chuyển động cho cơ cấu
chính bằng hệ truyền động điện nh sau:
1. Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng công tắc tơ rơ le,
động cơ điện một chiều.
2. Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng công tắc tơ rơ le,
động cơ điện không đồng bộ rô to lồng sóc.
3. Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng công tắc tơ rơ le,
động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn.
4. Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng PLC - BBĐT -
động cơ điện một chiều.
5. Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng PLC - PWM -
động cơ điện không đồng bộ.
6. Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng PLC - BBĐ - động
cơ điện - phụ tải động.

Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng hạ chủ yếu là do tải trọng quyết định. Để xác
định phụ tải tĩnh, phải dựa vào sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ cụ thể.
Giả sử có sơ đồ động học nh hình 1
7
Trang bị điện- Điện tử

Hình 1
(Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ dùng móc).
Trong đó:
1- Trục vít; 2- Bánh vít; 3- Truyền động bánh răng;4- Tang nâng;
5- Bộ phận móc hàng; 6- Móc; 7- Động cơ;
A- Điểm cố định;
*, Phụ tải tĩnh khi nâng có tải:
(Nm)
u.i.
)RG(G
M
C
t0
n
+
=
Trong đó:
G: trọng lợng của tải trọng(N).
G
0
: Trọng lợng của bộ lấy tải(N).
R
t
: Bán kính của tang nâng(m).

[Nm] (2-3).
* Xét ph ti tnh khi h ti:
Có thể có hai chế độ hạ tải: Hạ động lực và hạ hãm.
Hạ động lực thực hiện khi có tải trọng nhỏ, khi đó mômen do tải trọng gây ra
không đủ để thắng mômen ma sát trong cơ cấu, máy điện làm việc ở chế độ động
cơ.
Hạ hãm thực hiện khi hạ tải trọng lớn. Khi đó mômen do tải tọng gây ra rất lớn.
Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng đợc hạ với tốc độ ổn
định.
Để xác định mômen trên trục động cơ khi hạ tải cần thực hiện những phép
biến đổi sau:
Gọi mômen trên trục động cơ do tải trọng gây ra không có tổn thất là M
t
thì:
u.i
G)R(G
M
t0
t
+
=
[Nm]. (2-4)
Khi hạ tải thì năng lợng đợc chuyển từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền động nên:
M
h
= M
t
-

M = M

M
M
c
tt
c
t
==
(2-6)
9
Trang bị điện- Điện tử
Do đó:
)

1
(2M1)

1
(MMM
c
t
c
tth
==

)

1
(2
u.i
G)R(G

+Hạ tải và nângkhông tải(giữa các giai đoạn thờng có thời gian nghỉ).
Khi tính toán hệ số tiếp điện tơng đối, chúng ta bỏ qua thời gian hãm máy và mở
máy.
Thời gian toàn bộ một chu kì của cơ cấu nâng hạ có thể tính đợc theo năng suất Q
và tải trọng định mứcG
đm
:
(S)
Q
3600G
T
dm
ck
=
.
TĐ%=
.100%
T
T
ck
lv
(s).
Trong đó:
T
lc
: Thời gian làm việc của một chu kì, xác định theo điều kiện làm việc cụ
thể của cơ cấu.
*, Chọn sơ bộ công suất động cơ:
Chọn sơ bộ công suất động cơ có thể theo phụ tải trung bình M
tb

k

=
;
M
đt
=
ck
n
1i
i
2
i
T
tM

=
;
Chơng II
MÔ HìNH TíNH TOáN CHO cơ cấu nâng hạ
2.1. Tính toán cơ cấu nâng hạ:
Đặc điểm quan trọng của cơ cấu nâng hạ hàng là trọng tải hàng hoáQ(KG),
tốc độ chuyển động của hàng hoá làV
G
(m/s) theo đó khi biết đợc tỷ số truyền i
n
của
palăng có thể xác định đợc.
Sức căng của cáp trên trống tời S


n
Là hiệu suất truyền của palăng(ròng rọc).
Từ đó có thể tra cứu trong sổ tay cơ khí, động cơ cụ thể với tốc độ định mức
n
đc
(vòng/phút).
Nếu trên tang quấn cáp đợc quấn nhiều lớp, thì đờng kính của tang quấn đợc
tính nh sau:
11
Trang bị điện- Điện tử1)(2mdDD
K
T

+=

Trong đó:
D

: Là đờng kính của tang cáp.
m: Số lớp.
Nếu trên tang đợc quấn 1 lớp(m= 1) thì:0
T

DD =


dc
G
M
n
n
i =
.
Để xác định mômen cần thiết tạo ra từ cơ cấu hãm, khi tính toán nhất thiết phải
kể đến tổn hao ma sát và đa thêm hệ số dự trữ hãm K
H
. Hệ số dự trữ thờng đợc chọn
khoảng 1,5; 1,75; 2,0 tuỳ thuộc vào chế độ làm việc của cần trục.
Mômen hãm cần thiết đợc tính nh sau:

H
'
M
'
M
2
n
H
K
i
M
M =
;
Trong đó:
i

T
0
TT
=
hay
(m)t
2
V
S
TT
G
TT
=
Quãng đờng khi hãm:
(m)
i120i
tD2.
S
Mn
H
T
0
H
=
hay
(m)t
2
V
S
H

D2.
j
2
HMn
T
0
=
hay
)(m/s
t
V
j
2
H
G
=

2.2.Động học của cơ cấu nâng
Xét trờng hợp phụ tải động của cơ cấu nâng khi cần cứng tuyệt đối
Quá trình động chủ yếu phụ thuộc vào cáp nâng. Hệ thống khảo sát đợc biểu
diễn trên hình 2:
13
Trang bị điện- Điện tử
Hình 2: Sơ đồ biểu diễn động học của cơ cấu nâng.
Hệ thống có 2 trọng lợng chính:
m
TT
: là trọng lợng của rôto, các phần tử trong cơ cấu truyền.
m
G

2
GTT
T
2
)x(x
KW

=
Phơng trình chuyển động có thể viết nh sau:

0;)xK(x
dt
xd
m
GTT
2
TT
2
TT
=+

0;)xK(x
dt
xd
m
GTT
2
G
2
G

2
TT
TQT)xK(x
dt
xd
m +==+
(1)

Q.)xK(x
dt
xd
m
GTT
2
G
2
G
=
(2)
Nhân phơng trình thứ (1) với m
TT,
, nhân phơng trình thứ hai với m
G
, sau đó trừ (2)
với (1) và chia cho m
TT
, m
G
rồi thay thế


+
15
Trang bị điện- Điện tử
Ta đợc:

;
m
T
mQmKx
dt
xd
TT
du
2
2
+=+
(3)
Phơng trình (3 )là phơng trình vi phân mô tả khâu biến dạng đàn hồi. Giải phơng
trình ta sẽ tìm đợc trên khâu đó ứng lực có dạng:

K.x.P
d
=
Nếu thay
2
PmK =
và Mq + T
d
/m
TT

Thay thế
TT
du
2
m
T
mQq ; mkp +==
thì:

cosptpCsinpt pC
dt
dx
;
kmm
T
p
q
K
Q
C
21
TT
du
2
1
+=
==
Do đó t = 0; C
2
= 0 ta có:

d
TT
du
TT
du
TT
du
+

+
+=+==
+=++=
Giá trị cực đại của
d
P
có đợc khi cospt = 1:
16
Đồ án môn học

TTG
G
du
d
Max
mm
m
2TQP
+
+=
Khi mà T

Khi cospt -1 lực động học đợc xác định theo bất kì thời gian nào.
Để xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ một cách cụ thể ta có thể xây
dựng bằng cách tính toán cơ cấu cần khi thay đổi tầm với.
2.3.Tính toán động lực học của cơ cấu nâng hạ khi thay đổi tầm với:
Để thay đổi tầm với ngời ta thực hiện bằng hai cách:
1, 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.
2, Thay đổi tầm với bằng cánh nâng hạ cần dùng cáp trên palăng đặt cố định
ở đầu cần.
Từ cách thứ hai ta có thể xây dựng đợc mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ.
2.3.1.Xây dựng mô hình toán của cơ cấu nâng:
Hình 3
(scan) hình vẽ 6.1 vào để tính
Các thông số đặc trng:
S
n
: Sức căng trên cáp nâng hạ cần (KG).
T t : Thời gian để thay đổi tầm với từ R
min
(m) đến R
max
(s).
Khi tốc độ quấn của tang cáp không thay đổi thì tốc độ thay đổi tầm với sẽ thay đổi.
Nên trong tính toán thờng chuyển sang xác định thời gian tơng ứng với sự thay đổi
tầm với xét từ R
min
tới R
Max
.
Vận tốc trung bình khi thay đổi tầm với :

min
:

Chiều dài cáp từ trục đến palăng nâng cần ứng với khoảng cách xa
nhất và gần nhất.
;a)xsin(Lh)cos(LE
;a)xsin(Lh)cos(LE
;.sinLR
.sinLR
2
0minC
2
minCmin
2
0maxC
2
maxCmax
minCmin
max;Cmax
+++=
+++=
=
=
Khi bội số palăng là m thì tốc độ của cáp là
.mVV
TB
PLC
=
; (m/s)
Sức căng trên một nhánh cáp của palăng nâng hạ cần là:

C

=
Trong đó:
C

D
: Là đờng kính của trống tời(m)
a: Số lợng các sợi cáp đợc quấn đồng thời trên trống tời của cơ cấu nâng.
Tốc độ cần thiết để quay trống tời là:
(v/ph)
D
60V
n
C

C
C

=
Công suất của động cơ đợc xác định:
(KW)
102
VS
N
M
C
C

DC

Để tìm đợc S
n
ta giải hệ 3 phơng trình cân bằng tĩnh học:






=
=
=
;0Y
0;X
0;M

Gốc của hệ toạ độ 0 là trục quay của gối đỡ cần.
Các phụ tải bên ngoài ảnh hởng đến là:
Trọng tải hàng hoá Q.
Phụ kiện của móc hàng q.
Lực căng trên một nhánh cáp với số sợi là n trên pa lăng nâng hạ hàng(
n
n.
qQ +
)
theo hớng của cần.
Trọng lợng của cần G
C
.
Trọng lợng của palăng đầu cần G

++
=
++
Trong đó:
V
n
: Vận tốc chuyển động của cần trục tính bằng m/s;
t: Thời gian quá độ tính toán nhỏ nhất của chuyển động cần cẩu tính bằng s.
19
Trang bị điện- Điện tử
Lực quán tính do trọng lợng cần là:
(KN)
t
V
.
g
G
P
n
C
C
qt
=
;
Lực quán tính này đợc đặt ở trọng tâm của cần.
Đối với loại cần bình thờng thì toạ độ điểm đặt là:
2
sinL
h
C

g
G
g
2
nC
n
0
(*)
Dấu số hạng cuối cùng tơng ứng với vị trí của cần khi cáp trên palăng có độ dốc ở
phía dới so với mặt phẳng nằm ngang. Dấu trừ ứmg với khi góc nghiêng ngợc lại.
Từ phơng trình (*) ta tìm đợc sức căng S
n
nh sau:
sinL.coscosL
cos)LP
H
h
PP
2
P
(P
n.
q)d(Q
sin)LG
2
G
q(Q
S
CC
C

sin
C

=
;

: Góc hợp bởi cơ cấu tầm với(cần) so với phơng thẳng đứng.

: Độ nghiêng của dây cáp so với phơng ngang.
L
c
: Chiều dài cần.
R: Tầm với của cần. R=L
c
. sin

.
b. Mô men cản :
+ Sức căng của cáp trên trống tời là:
m
S
S
n
=

.
+ Mômen trên trống tời là:
(KGm)
2
DS

Trang bÞ ®iÖn- §iÖn tö
Khi t¶i Q t¨ng thªm 2 lÇn:
KÕt qu¶ m« pháng:
22
§å ¸n m«n häc
Khi t¶i Q t¨ng thªm 4 lÇn:
KÕt qu¶ m« pháng:
23
Trang bị điện- Điện tử
Nhận xét:
+, Tải trọng càng lớn khi nâng mômen cản càng lớn.
+, Càng nâng mômen cản càng tăng.
24
Đồ án môn học
Kết luận
Trong quá trình thực hiện đồ án em đã tìm hiểu về cần trục và nắm bắt đợc
nhiều vấn đề liên quan đến cơ cấu nâng hạ, hiểu đợc kết cấu cơ bản của cơ cấu nâng
hạ. Tuy nhiên do thời gian khảo sát thực còn ít, lại cha có điều kiện tiếp cận nhiều
với cần trục-cầu trục, thêm đó mức độ hiểu biết của bản thân đối với thiết bị nâng
hạ nói riêng và đối với cần trục-cầu trục nói chung còn nhiều hạn chế. Do vậy đồ án
còn nhiều thiếu sót, các số liệu còn xa với thực tế và cha thật sự tối a.
25