Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
Trờng đại học hàng hải
Khoa đóng tàu
Ngời thực hiện: nguyễn văn a
Thiết kế môn học thiết bị tàu
Đề tài: Thiết kế Derrick đôi tàu chở hàng khô, với các thông số kích thớc
nh sau:
* Trọng tải P
n
= 6000 (T)
* Kích thớc tàu L x B x H x T = 96,5 x 16,8 x 9,2 x 6,8 (m)
* Kích thớc khoang hàng L
h
x B
h
= 26,5 x 16,8 (m)
* Kích thớc miệng hầm hàng L
k
x B
k
x H
k
= 20,5 x 14,0 x 1,4 (m)
HảI phòng 20
1
ThiÕt kÕ m«n häc - ThiÕt bÞ tµu
2
ThiÕt kÕ m«n häc - ThiÕt bÞ tµu
Môc lôc
3
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu

Chọn h
c
= 2,4 ,m
2.5. Tầm với ngoài mạn:
Tầm với ngoài mạn phải đủ để xếp dỡ hàng lên cầu tàu. Trị số R
o
tối thiểu để
xếp dỡ hàng hoá lên cầu tàu là 2,0 ữ 2,5 ,m.
Chọn tầm với ngoài mạn là : R
0
= 4 ,m
2.6. Chiều dài cần:
4
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
Chiều dài cần phải thoả mãn 2 điều kiện là bốc hết hàng trong khoang và đa
hàng ra mạn : l
0
= max ( l
01
, l
02
)
Theo điều kiện bốc hết hàng trong khoang
l
01
.cos
min
.cos
1
a + 3/4 l

La
CB
HH
HO
tg
1
= 12,3
o
l
01
.cos
min
cos
1
18,38 ,m
l
01
18,81/(cos15
o
.cos12,3
o
) = 19,47 ,m
Theo điều kiện đa hàng ra mạn:
l
02
.cos.sin
2

K
h
La
RcB
MA
AO
tg

c = 4 ,m khoảng cách giữa
2 chân cần

2
= 52
o
l
02
(R
0
+B/2 - c/2)/ cos.sin
2
= 23,82 , m
5
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
l
0
= max ( l
01
, l
02
) = 23,82 ,m

Chiều cao cột cẩu đợc xác định:
H = h + h
c
=14,4 + 2,4 = 16,8 ,m
Vậy Derrick thiết kế có chiều dài cần l
o
= 24 ,m
chiều cao cột cẩu H = 16,8 ,m
Phần II - TíNH TOáN ứng lực phát sinh trên cần và
trong các dây
1. Trọng l ợng hàng.
Q = 2,5 ,T = 2500 ,kG = 24,52 ,KN
2. Trọng l ợng cần :
P
2
= G
c
= 14P
1/3
(3,4.l
0
- 16) = 1246,46 ,kG = 12,23 ,KN
6
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
3. Vị trí tính toán của hệ cần.
Vị trí tính toán lực của hệ cần đôi xác định nh sau :
* Trên hình chiếu bằng, đầu cần hầm H cách mép dọc miệng hầm hàng 2m
và cách mép ngang phía cột cẩu c/ 2 = 7,69 m ( c = 3/4L
K
= 15,38 m : chiều dài

cách nhau một đoạn a đo đợc trên hình chiếu bằng. H
1
, M
1
là vị trí đầu
cần trong mặt phẳng dây treo hàng. Vẽ đờng nằm ngang bb cách đỉnh mạn giả
đoạn h > 6m ( do Q = 2,5T > 2T) .Vẽ cung tròn đi qua H
1
, M
1
và tiếp xúc với bb
tại T. Điểm T là điểm treo móc do 2 dây nâng hàng H
1
T và M
1
T nối với nhau.
Góc giữa 2 dây nâng hàng
0
= H
1
TM
1
ta xét cho trờng hợp nguy hiểm nhất
0
=
120
o
. Khi đó khoảng cách từ bb tới miệng hầm h = 16,60m > 6m.
4. Xác định lực trong hệ cần đôi.
Ta xác định lực trong hệ cần đôi bằng phơng pháp vẽ hoạ đồ lực ứng với 5 vị

Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
Trên hình chiếu bằng của hệ cần, từ điểm M đặt véctơ S dọc đoạn thẳng
MH, từ đầu véctơ S kẻ đờng thẳng song song ML cắt O
1
M ta đợc các thành phần
nằm ngang của sức căng trong dây giằng Z
m
và sức căng trong dây nâng cần T
m
.
Trên hình chiếu đứng, từ chân dây giằng L đặt theo phơng ngang véctơ
Z
m
, từ đầu véctơ Z
m
kẻ đờng thẳng đứng cắt ML ta đợc sức căng trong dây
giằng mạn Z
m
và thành phần thẳng đứng của nó Z
m
.
Cũng trên hình chiếu đứng, từ điểm M vẽ véctơ T
m
nằm ngang, từ đầu T
m
đặt lần lợt các véctơ S
m
, Z
m
và một nửa trọng lợng cần 0,5G

43.03 56.12
39.22
60.25 55.04
Dây giằng cần hầm Z
h

66.67 88.08 61.24 94.71 86.46
Dây nâng cần cần
mạn T
m

2.66 5.47 13.65 16.19 20.59
Dây nâng cần cần
hầm T
h

52.53 60.92 43.60 53.54 46.53
Dây nâng hàng cần
mạn S
m

15.75 19.94 17.68 26.34 27.63
Dây nâng hàng cần
hầm S
h

28.37 27.50 18.84 22.38 19.49
Lực nén thật vào cần
mạn
N

S
62.44
27.56
30.67
F
L
E
M
N
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
4 9
K = 1,05 ứng với trờng hợp dây cáp treo chạy trên buli ổ trợt.
* Xác định vị trí của điểm T để lực nén dọc cần là lớn nhất:
Nhận xét: Các lực căng trên các dây giằng mạn, nâng hàng, nâng cần, lực nén
cần của cần hầm là lớn nhất nên ta tính toán theo cần hầm.
Dựa vào hoạ đồ lực ta có thể biểu diễn các lực theo công thức :
Giả sử là góc hợp bởi S
h
và S
h
nh hình vẽ
Ta có:
( )








h
=
)93,49sin(
)13,64sin('.
o
o
S
= 1,176.S
Z
h
= T
h
.cos(49,93
o
) + S.cos(64,13
o
)
= 1,193.S
Z
h
= Z
h
.tg(74,83
o
) = 3,688.S
S
h
=

tg

64.13
h
Z
h
Z
Z
h
74.83
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
N
h
= ON + NE + EH =
( )
44,62cos.56,27cos 5,0
67,30
'""
hchh
TGZS
tg
NM
++++
NM = NL.sin27,56
o
= (S
h
+ Z
h
+ 0,5G
c
).sin27,56

05,1382,2
'.
+








++

Lực nén N
h
đạt cực đại khi góc = 44,63
o
ứng với vị trí 2, ta lấy để tính chọn
cần.
Phần III - kết cấu cần cẩu và cột cẩu
3.1 Vật liệu chế tạo cần, cột cẩu.
- Vật liệu chế tạo cần cẩu và cột cẩu là thép CT3c
- Giới hạn chẩy của vật liệu:
ch
= 2400 , KG/cm
2
3.2 Kết cấu của cần.
3.2.1. Xác định quy cách các dây:
Đờng kính các loại dây cáp đợc chọn dựa trên cơ sở lực căng lớn nhất phát
sinh trong dây đợc ghi trong bảng trên với hệ số an toàn n = 5. Cáp đợc chọn là

Dây giằng 71 357 28 357 2.6
Dây nâng cần 36 179 20 181 1.33
Dây nâng hàng 28 141 20 181 1.33
Loại dây
3.2.2. Xác định tiết diện cần
Từ kết quả đo đợc ta thấy lực nén lớn nhất vào cần là P
0
= 137,73 ,(KN)
Từ P
o
và l
0
theo bảng 5.26 / 233- STTBTT ta chọn cần loại III . Cần gồm 1
đoạn ống trụ và 2 đoạn ống côn.
3.2.3. Thiết kế cần theo điều kiện ổn định :
- Lực nén tới hạn ơle:
P
e
= n.P
0
(Với cần thép n = 5- hệ số an toàn )
Vậy P
e
= 5.138 = 690 ,(KN) = 70336 ,(KG)
- Mô men quán tính tiết diện cần
I =
kE
lPn
o
2

= 0,4
Ta có : D/ = i = (35ữ 40) chọn i = 35
F
1
/F = 0,7 =
iD
iD
2
0
2
1



0
1
D
D
= 0,837

0
1
I
I
=
4
0
1
)(
D

l
2
D d S
S
1
S
2
S
3
Khối
lợng
( m ) ( mm) ( kg )
150 16
1
6.11
5
.33
3
.39
3
25
2
19
8 7 7 8 830
Chọn vật liệu làm cần là thép CT3 có tính hàn tốt và các giới hạn tiêu chuẩn
sau :
Giới hạn chảy :
ch
= 24 ( KG/ cm
2

= P/F []
od
=
th
/ K
od
Xác định độ mảnh của thanh :
= à.l / i
min
12
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
à : Hệ số phụ thuộc điều kiện liên kết 2 đầu cần (cần là 1 thanh chịu nén
một đầu là gối đỡ một đầu là liên kết tựa) à = 1
l : chiều dài cần ; l =16 (m )= 1600 (cm)
i
min
: Bán kính quán tính của mặt cắt = 0,353.D
tb
= 9,60 (cm)
= 166,64 < 175 ( thoả mãn yêu cầu về độ mảnh đối với Derrick có lực
nén lớn hơn 20 kN - Bảng 5.9 STTBTT 2 )

th
=
2
.E/
2
= 6,97 (KN/ cm
2
)

= P
o
.e
- Dới tác dụng của p cần có mômen uốn lớn nhất tại giữa của nhịp có trị số
c
lp
m
o
2
.
=
=
Trong đó: c = 7.5 do cần có tiết diện thay đổi trên suốt chiều dài
- Lực nén P
o
sinh ra ứng suất:
n
= P
o
/F
ứng suất max tại giữa nhịp do uốn và nén:










). e
2
= H.cos(
1
).e
1
e =
13
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
F =
( )
2
2
1
4
D

= 79,67 ,(cm
2
)
W
x
=W
y
=
( )
3
3
1
32

3.3. Kết cấu tháp cẩu
3.3.1. Tính toán lực tác dụng lên tháp cẩu :
Ngoại lực của 1 cần làm việc đơn tác dụng lên tháp cẩu gồm có
* Lực T của palăng nâng cần tác dụng lên cụm ròng rọc đầu cột
* Lực nén dọc cần P
0
tác dụng vào gối đỡ cần
* Sức căng dây hàng chạy dọc cần S
* Sức căng dây hàng vào tời S
* Sức căng trong nhánh dây nâng cần chạy dọc cột T
1

14
A
T
T
T
Q
T
P - S'
Q
Q
S"
T
B
C
a
1
a
t

và các lực theo
phơng thẳng đứng Q
a
, Q
c
, Q
t
* Các lực đó đợc tính theo công thức :
T
a
= T
c
= ( P
0
- S ).cos = 36,83 (KN)
Q
a
= T.sin + T
1
= 62,24 (KN)
Q
c
= ( P
0
- S ).sin = 9,87 (KN)
T
t
= Q
t
= 0,707.S = 19,21 (KN)

)
D - Đờng kính trung bình cột ( cm )
S - Chiều dày cột ( cm )
Q.l - Tích của sức căng và chiều dài cần
Q = 24,53 kN - Trọng lợng hàng (KN)
l =16 - Chiều dài cần ( m )
*Theo điều kiên cứng.
I
c
=0,393.D
3
.S 24

Ql
h
L
2
= 16,5.10
4
(cm
4
)
Trong đó :
h = 12 ( m) - Khoảng cách từ gối đuôi cần tới điểm treo palăng nâng cần
trên đỉnh cột
L =14,5 ( m) - Khoảng cách từ gối trên của cột đến điểm treo palăng nâng
cần trên đỉnh cột
-Thông thờng: D = (50 ữ 80 ).S , chọn D = 50S thay vào điều kiện bền và điều
kiện cứng ta có 1962,5.S
3

4
)
*Mô men chống uốn :
W
x
= W
Y
= 0,785.D

2
.S = 5172

,(cm
3
)
* Bán kính quán tính:
r
x
= r
y
= 0,353.D = 24.,22 (cm)
Tại chỗ cột đi qua boong chiều dày cột tăng (20 ữ30)% vậy
S
1
=(1,2ữ1,3)S = 16,8ữ18,2 chọn S
1
=18 ,(mm)
16
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
Với các thông số kích thớc nh trên cột cẩu thoả mãn điều kiện bền và điều kiện

Sba
a
.3
6
2
+
=7,467.10
3
,(cm
4
)
*Mô men chống uốn :
W
x
=
Sba
b
).3(
3
+
=1067

,(cm
3
)
W
z
=
Sba
a

* Tính các hệ số :
Cột đợc hàn vào vách ngang của tàu :
C
1
=
ikL
L
.6
3
+
= 0,362
C
2
=
ikL
ikL
.6
.3
+
+
= 0,638
17
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
Với : L = 14,5(m) : chiều cao từ mặt boong trên đến đỉnh tháp cẩu
k = I
c
/I
x
= 8,33
I

M
=
M
=3,0 ;
N
=
N
=1,5 .
* Tính các hệ số :
M
c
NM
N
c
aN
Ma
L
h
L
h
'
6
)''(
'
6
)''(






= 0,0525
với : E = 2.10
6
KG/cm
2
: môđun đàn hồi kéo nén .
G = 8.10
5
,(KG/cm
2
) : môđun đàn hồi trợt của vật liệu .
I
T
= I
z
= 7467 ,(cm
4
) mômen quán tính của xà ngang ứng với trục
hình tâm thẳng đứng nằm trong mặt phẳng tháp cẩu .
I
0
= 2.I
x
= 35,52.10
4
,(cm
4
) mômen quán tính cực của cột .
* Tính các lực thành phần phân phối giữa 2 cột theo hớng dọc tàu :

+ T
c
.L.
Ca
.
Ma
= - 99,60 ,(KNm)
18
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
).(.
)1(
1
2

2
1
2
hLT
C
C
L
hCLT
M
MaCac
ca
Cy
+




2

1
1
Ma
Caca
Dy
C
LTCLT
M


+=
= 97,83 ,(KNm)

2
.).(
2
1
CLTTM
cCaaEy

+=
= -167,35 ,(KNm)

)1.(.
L
h
M
L

= -47,56 ,(KN)
N
By
= N
Cy
+ Q
c
+ Q
t
+ q.h
c
= -12,67 ,(KN)
N
Ey
= q.L = 33,69 ,(KN)
Với : G
x
= A.l. = 301,4(kg) = 2,96 ,(KN): trọng lợng xà ngang.
l = 4 (m) : chiều dài xà ngang
= 7,85 ,(T/m
3
)
q = G
b
/L = A. = 2,32 ,(KN/m) : trọng lợng 1 m cột .
* Tính nội lực của tháp bị uốn theo hớng dọc tàu do 1 cần đặt dọc tàu gây ra :
M
Ax
= Q
a

iTM
a

+
=
= -12,44 ,(KNm)
M
Ex
= T
a
. L = 333,8 ,(KNm)
M
Kx
= T
a
.h = 276,25 ,(KNm)
M
xn
= M
0
= -12,44 ,(KNm)
19
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
M
xn
= T
a
.i-M
0
= 67,68 ,(KNm)

n
/2 + A +A
1
= 0,517 ,(m)
* Mômen uốn và lực nén tác dụng lên các cột :
20
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
Công thức
Giá trị(
KN
) Công thức Giá trị(
KN
)
Mx' = M
Ax
32.18 Mx" = 0 0.00
My' =M
Dy
97.83 My" = M
Ay
-99.60
N' =N
Ax
63.72 N" = N
Ay
63.72
32.18
0.00
63.72
0.00

-167.35 My" =M
By
85.12
N' =N
Bx
126.49 N" = N
By
-12.67
532.09
0.00
126.49
0.00
-82.22
-12.67
My' =My" = M
By
+M
Ey
N' =N" = N
By
M
z
' = M
x
' + M
x
"
Mx' = Mx" = M
Bx
+ M

Mx' = Mx" = 0
Tại gối
đỡ trên
của tháp
1cần quay ra
mạn 1cần
dặt dọc tàu
Cả 2 cần đặt
dọc tàu
Cả 2 cần
quay ra mạn
Tại gối
đỡ cần
1cần quay ra
mạn 1cần
dặt dọc tàu
Cả 2 cần đặt
dọc tàu
Cả 2 cần
quay ra mạn
1cần quay ra
mạn 1cần
dặt dọc tàu
Tại chỗ
nối cột
với xà
ngang
Cả 2 cần đặt
dọc tàu
Cả 2 cần

Trong đó : = M
u
/ W
u
+ N/ F và =M
z
/ W

21
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
Ta thấy khi cần hoạt động thì trị số ứng suất lớn nhất phát sinh trên cột có 1 cần
vơn ra mạn và tại gối đỡ trên của tháp
Có M
u
=
22
''''
yx
MM
+
= 344,48 ,(KNm)

.

= M
u
/W
u
+ N/A = 344,48.10
2

, bị uốn trong mặt
phẳng vuông góc với tháp bởi mômen M
xn
và M
xn
, bị xoắn bởi mômen M
Ax
Có M
z
= M
Ay
+

M
Dy
= -1,77 ,(KNm)
M
x
= M
xn
+ M
xn
= 55,24 ,(KNm)
= M
x
/W
x
+ M
z
/W

Vậy ta chọn chạc loại b có các thông số nh sau
22
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
Lực nén cần
( KN )
C R S S
1
S
2
a d
( mm )
150 80 62 34 12 25 175 219
Chọn vật liệu chế tạo chạc đuôi cần là thép cacbon M 18a
* Kiểm tra bền
heo điều kiện chịu dập :

d
=
1
0
.2 dS
P
= 3,38(KN/cm
2
)< [] = 0,6 [
T
] =14,4 ( KN/ cm
2
)
Vậy chạc đuôi cần đủ bền

(mm)
R
1
( mm)
r
( mm )
l
(mm)
S
( mm )
A =
390
262 132 65 68 60 90 30 155 60
b) Kiểm tra mã treo hàng :
Lực tác dụng :
23
Thiết kế môn học - Thiết bị tàu
S

=
pl

S
= 28,27/ 0.95 =29,75(KN)
Kiểm tra điều kiện chịu cắt :
=
4
r)(R
S'
2

Mã treo hàng đầu cần
219
390
1
5
5
R
9
0
3
0
65
R
9
0
R
3
0
12
Tỉ lệ 1 : 5
4.3. Cụm mã quay bắt dây nâng cần
Cụm mã quay bắt dây nâng cần đợc hàn lên đỉnh tháp đã lắp cụm ròng rọc của
palăng nâng cần để đổi hớng dây nâng cần . Lực tác dụng vào cụm mã đợc tính theo
phơng pháp vẽ hoạ đồ lực R
T
= 46 KN
24
ThiÕt kÕ m«n häc - ThiÕt bÞ tµu
36 KN
37.9 KN

80
B-B
55
B
B
A
A
40
85
A-A
10
25