Đồ án môn học: KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC
Phần I: Giới thiệu chung
I – Giới thiệu:
Máy trục (máy nâng chuyển) là những máy công tác dùng để thay đổi vị trí của đối
tượng công tác nhờ các thiết bị mang hàng trực tiếp hoặc gián tiếp. Phạm vi sử dụng của
máy trục rất rộng như: Phục vụ công tác xếp dỡ hàng hóa ở cảng biển, cảng sông, các
phân xưởng trong nhà máy cơ khí, nhà máy luyện kim, khai khoáng, các công trình xây
dựng … Ngoài ra, còn một số máy trục còn phục vụ công tác chở người như: thang máy,
cầu treo trong các khu du lịch.
Với nền kinh tế phát triển như hiện nay, việc công nghiệp hóa, hiện đại hóa cần
phải tiến sang một bước cao hơn. Vấn đề đưa máy móc vào trong sản xuất thay thế sức
người ngày càng được hoàn thiện hơn. Công lao hàng đầu phải kể đến ngành cơ khí, đã
cho ra đời những loại máy móc phục vụ cho nền kinh tế trong quá trình công nghiệp hóa,
hiện đại hóa không những trong nước mà trên toàn cả thế giới.
Những năm trước đây, máy trục còn được chế tạo với sức nâng nhỏ, không lớn lắm
mà kích thước thì rất lớn, cồng kềnh. Trong những năm gần đây, ngành cơ khí đã cho ra
đời những loại máy trục có sức nâng lớn và rất lớn (lên đến hàng ngàn tấn), nhưng kết
cấu bền vững, kích thước lại nhỏ gọn hơn. Vấn đề nào đã giúp cho ngành cơ khí có
những bước tiến mạnh mẽ như vậy? Đó chính là quá trình nghiên cứu tính toán độ bền,
độ ổn định, độ cứng kết cấu thép của toàn bộ cần trục. bên cạnh đó không thể không có
những kinh nghiệm thực tế mà chúng ta đúc rút được từ những cần trục ra đời trước đó.
Để giúp cho chúng ta biết được phương pháp tính toán kết cấu kim loại máy trục thì môn
học KẾT CẤU THÉP đóng vai trò rất quan trọng. Đặc điểm của kết cấu thép là: Có khả
năng chịu lực lớn; độ tin cậy cao; trọng lượng nhẹ; tính công nghiệp hóa cao;tính cơ động
trong việc vận chuyển và lắp ráp; tính kín và tính dễ liên kết cao. Mặt khác, kết cấu thép
là loại kết cấu đặc trưng trong máy trục. Nhưng vấn đề cần lưu ý khi chúng ta sử dụng kết
cấu thép trong máy trục là nó dễ bị gỉ, chịu lửa kém và giá thành cao.
II – Giới thiệu về cần trục chân đế:
Cần trục chân đế là loại máy trục được sử dụng để phục vụ công việc xếp dỡ hàng
hóa trên các bến cảng hoặc kho bãi. Cần trục chân đế có sức nâng từ Q = 3.2 T đến 40 T;
chiều cao nâng H = 40

chữa; 16-Cụm puly đầu vòi; 17-Puly đầu cần; 18-Thanh răng; 19-Cầu thang;
20-Thanh giằng chân đế.
Phần II: Tính toán thiết kế hệ cần – vòi
I – Lựa chọn kết cấu thép hệ cần – vòi:
Cần trục chân đế làm việc ở các bến cảng, kho bãi; khoảng không gian làm việc
phải rộng; để dảm bảo cho mã hàng được di chuyển theo phương ngang khi nâng hạ cần
thay đổi tầm với đươc thuận lợi, ta dùng giằng vòi là giằng mềm (tức là dùng dây cáp để
giằng vòi). Để đảm bảo cho cần và vòi có khả năng chống lại moment xoắn do các tải
trọng tác dụng lên hệ cần – vòi khi cần trục làm việc; ta dùng kết cấu thép hệ cần – vòi là
kết cấu hộp (được hàn từ các tấm thép lại với nhau hoặc các tấm thép được liên kết với
nhau bằng mối ghép bulông). Kết cấu hệ cần – vòi như hình vẽ:
Chú thích: 1-Cần; 2-vòi; 3-Cáp giằng vòi.
Vật liệu để chế tạo cần trục là thép CT3; các đặc trung của thép CT3:
- Modun đàn hồi khi kéo: E = 2,1.10
6
kG/cm
2
- Modun đàn hồi trượt: G = 0,81.10
6
kG/cm
2
- Giới hạn chảy:
c
σ
= 2400 – 2800 kG/cm
2
- Giới hạn bền:
b
σ
= 3800 – 4200 kG/cm

2
/ mmN
) = 18 (KG/mm
2
)
II- Các thông số của cần trục chân đế kiểu mâm quay
(kiểu KIROV):
- Sức nâng: Q = 16 T
- Tầm với: R
max
= 30 m
R
min
= 8 m
- Chiều cao nâng: H = 24 m
- Chiều dài cần: L = 27 m
- Chiều dài vòi: L
v
= a+b = 11 m
- Trọng lượng cần: G
c
= 14 T
- Trọng lượng vòi: G
v
= 4 T
- Tốc độ quay: n = 1,5 vòng/phút
- Vận tốc nâng: v
n
= 50 m/phút
- Vận tốc di chuyển: v

a
I
b
II
a
II
b
III
4
Đồ án môn học: KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC
Trọng lượng bản thân
các cấu kiện G G G G G
Trọng lượng hàng nâng
có tính đến hệ số động
ψ
.
I td
Q
ψ
.
Q
.
II td
Q
ψ
Q -
Lực quán tính khi khởi
động(hãm) cơ cấu thay
đổi tầm với.
- - - F

lượng bản thân, tải trọng gió bão, tải trọng lắc động và sóng. Trường hợp này để tiến
hành kiểm tra độ bền kết cấu và ổn định cần trục.
b- Tổ hợp tải trọng:
- Tổ hợp I
a
, II
a
: Cần trục đứng yên, chỉ có một cơ cấu nâng làm việc. Khởi động(phanh
hãm) cơ cấu nâng một cách từ từ (I
a
), hay đột ngột (II
a
).
- Tổ hợp I
b
, II
b
: Cần trục dứng yên, chỉ có một cơ cấu thay dổi tầm với làm việc. Khởi
động (phanh hãm) cơ cấu thay đổi tầm với một cách từ từ (I
b
), hay đột ngột (II
b
).
- Tổ hợp III: Cần trục không làm việc, chịu tác dụng của gió bão.
IV- Tính toán kết cấu thép vòi:
1- Tại tầm với lớn nhất - Tính theo tổ hợp II
a:
a- Các thông số:
β = 75
0

- Trọng lượng bản thân: G
v
= 4 T = 4000 kG
Coi trọng lượng bản thân vòi là phân bố đều trên suốt chiều dài của vòi. Và
được phân tích thành 2 thành phần G
vx
và G
vy
. Ta có:
2 2
4000
364
11
vx vy
G G kG
+ = =
- Trọng lượng hàng tương đương: Q
td
=
.
II
Q
ψ
= 1,3.16000 = 208000 kG
Với
1,3
II
ψ
=
(Tra bảng 4.3; trang 264; sách KCKLMT) chế độ làm việc Trung Bình.

C
1
1
2
2
Theo sơ đồ trên ta có:
6
Đồ án môn học: KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC
-
0
.sin 363,6.sin20 124,4
11
v
vx
G
G kG
γ
= = =
-
0
.cos 363,6.cos 20 341,7
11
v
vy
G
G kG
γ
= = =
-
0

v
y v vy
By
L
Q L G
R kG
b
+ +
⇒ = = =
Vì:
.cos
Bx B
R R
β
=
;
.sin
By B
R R
β
=
;
0
cot .cot 75560.cot 75 20246
Bx
Bx By
By
R
ag R R ag ag kG
R

=
;
.sin
Cy C
R R
δ
=
;
0
cot .cot 56280.cot 30 97480
Cx
Cx Cy
Cy
R
ag R R ag ag kG
R
δ δ
⇒ = ⇒ = = =
+Xét tại mặt cắt 1-1, cách A về bên phải một khoảng z:
Mx = -(Qy.z + Gvy.z.z/ 2)
z=0

⇒ Mx = 0
z=8

⇒ Mx = - 167300 kGm
Q = -(Qy+Gvy.Z)
z=0

⇒ Q = - 19546 KG

vx
G
vy
B
C
1
1
2
2
M
x (kGm)
Q
y (kG)
N (kG)
167300
56280
57305
19546
22280
7114
97107
- Tính theo tổ hợp II
b
:
a- Trong mặt phẳng thẳng đứng:
Các lực tác dụng len vòi:
+ Trọng lượng bản thân vòi: G
v
= 4 T = 4000 kG
+ Trọng lượng hàng: Q = 16 T = 16000 kG

b- Ta có sơ đồ tính:
Q
x
Q
y
R
By
R
Cy
R
Bx
R
Cx
G
vx
G
vy
B
C
1
1
2
2
f
qt
Dựa vào sơ đồ tính ta có:
-
0
.sin 363,6.sin20 124,4
11

c- Xác định các phản lực lên gối tựa:
+
2 2
0 . . . . 0
2 2
v v
C y v vy qt By
L L
M Q L G f R b
= ⇒ + + − =
∑
9
Đồ án môn học: KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC
2 2
2 2
11 11
. . . 15035.11 341,7. 36,4.
2 2 2 2
62753
3
v v
y v vy qt
By
L L
Q L G f
R kG
b
+ + + +
⇒ = = =
Vì:

∑
2 2 2 2
. . .
2 2
y vy qt
Cy
a b a b
Q a G f
R
b
− −
+ +
⇒ =
2 2 2 2
8 3 8 3
15035.8 341,7. 36,4.
2 2
43560
3
Cy
R kG
− −
+ +
= =
vì:
.cos
Cx C
R R
δ
=

N=Qx+Gvx.z
z=0 ⇒ N = 5472 kG
z=8⇒ N = 6467 kG
+ Xét tại mặt cắt (2-2); cách C một khoảng z:
Mx = - (Rcy.Z+ Gvy.Z.Z/ 2)
z=0 ⇒ Mx=0
z=3 ⇒ Mx= - 131214 kGm
Q = (Rcy+Gvy.z)
Z=0 ⇒ Q = 43560 kG
Z=3 ⇒ Q = 44585 kG
10
Đồ án môn học: KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC
N = Rcx-Gvx.Z
Z=0 ⇒ N = 75448 kG
Z=3 ⇒ N = 75075 kG .
Ta có biểu đồ nội lực như sau:
Q
x
Q
y
R
By
R
Cy
R
Bx
R
Cx
G
vx

P
g
v
= p
v
.F
v

Trong đó: - p
v
: là áp lực gió lên vòi. p
v
= q
0
.n.c.η.β
q
0:
là áp suất động của gió ở độ cao 10m so với mặt đất; ở trạng thái làm việc
lấy q
0
= 15 kG/m
2
.
n: là hệ số hiệu chỉnh tăng áp phụ thuộc vào độ cao so với mặt đất. Cần trục
làm việc ở độ cao 20
÷
30 m. Tra bảng 4.5, trang 91, sách KCKLMT. Ta lấy n = 1,5.
c: là hệ số khí động học của kết cấu. Hệ cần vòi có kết cấu là dầm hộp. Tra
bảng 4.6 trang91, sách KCKLMT. Chọn c =1.4.
η: là hệ số quá tải. Tính theo phương pháp ứng suất cho phép lấy η=1.

v
g
g
v
P
q kG m
L
⇒ = = =
+ Lực giằng vòi R
g
.
+ Các moment xoắn M
c
và M
g
tác dụng lên vòi và giằng do lực ngang T gây ra.
Dựa vào sơ đồ tính ta có:
. .
c g g
M M T a R b
+ = −
Gọi độ cứng của cần và giằng vòi lần lượt là C
c
và C
g
; độ cứng chống xoắn của vòi và
giằng lần lượt là G
c
và G
g

.
g
g c
c
G
M M
G
= =
2- Tại tầm với trung bình R
tb
– Tính theo tổ hợp II
a
:
a- Các thông số:
β
= 75
0
a = 8 m
δ
= -7
0
b = 3 m
γ
= 50
0
L
v
= 11 m
b- Các lực tác dụng lên vòi:
12

364
11
vx vy
G G kG
+ = =
- Trọng lượng hàng tương đương: Q
td
=
.
II
Q
ψ
= 1,3.16000 = 208000 kG
Với
1,3
II
ψ
=
(Tra bảng 4.3; trang 264; sách KCKLMT) chế độ làm việc Trung Bình.
- Lực căng cáp nâng hàng theo hướng cuốn cáp là:
S
c
=
20800
. 1.0,98
td
Q
a
η
=

vx
G
G kG
γ
= = =
-
0
.cos 363,6.cos50 234
11
v
vy
G
G kG
γ
= = =
13
Đồ án môn học: KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC
-
0
.sin 20800.sin50 15934
x td
Q Q kG
γ
= = =
-
0
.cos 20800.cos50 13370
y td
Q Q kG
γ

Bx B
R R
β
=
;
.sin
By B
R R
β
=
;
0
cot .cot 53742.cot 75 14400
Bx
Bx By
By
R
ag R R ag ag kG
R
β β
⇒ = ⇒ = = =
+
2 2
0 . . . . 0
2 2
B y vy Cy vy
a b
M Q a G R b G
= ⇒ + − − =
∑

Cx Cy
Cy
R
ag R R ag ag kG
R
δ δ
⇒ = ⇒ = = − =−
+Xét tại mặt cắt 1-1, cách A về bên phải một khoảng z:
Mx = -(Qy.z + Gvy.z.z/ 2)
z=0

⇒ Mx = 0
z=8

⇒ Mx = - 114453 kGm
Q = -(Qy+Gvy.Z)
z=0

⇒ Q = - 13370 KG
z=8 ⇒ Q = - 15242kG
N=Qx+Gvx.z
z=0 ⇒ N = 15934 kG
z=8⇒ N = 18166 kG
+ Xét tại mặt cắt (2-2); cách C một khoảng z:
Mx = - (Rcy.Z+ Gvy.Z.Z/ 2)
z=0 ⇒ Mx=0
14
Đồ án môn học: KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC
z=3 ⇒ Mx= 114453 kGm
Q = (Rcy+Gvy.z)

Q
y (kG)
N (kG)
114453
37800
38502
13370
15242
15934
308693
- Tính theo tổ hợp II
b
:
a- Trong mặt phẳng thẳng đứng:
Các lực tác dụng lên vòi:
+ Trọng lượng bản thân vòi: G
v
= 4 T = 4000 kG
+ Trọng lượng hàng: Q = 16 T = 16000 kG
+ Lực căng cáp nâng hàng: S
c
=
16000
. 1.0,98
Q
a
η
=
= 16327 kG
15

Bx
R
Cx
G
vx
G
vy
B
C
1
1
2
2
f
qt
Dựa vào sơ đồ tính ta có:
-
0
.sin 363,6.sin50 279
11
v
vx
G
G kG
γ
= = =
-
0
.cos 363,6.cos50 234
11

∑
16
Đồ án môn học: KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC
2 2
2 2
11 11
. . . 10285.11 234. 36,4.
2 2 2 2
43165
3
v v
y v vy qt
By
L L
Q L G f
R kG
b
+ + + +
⇒ = = =
Vì:
.cos
Bx B
R R
β
=
;
.sin
By B
R R
β

− −
+ +
⇒ =
2 2 2 2
8 3 8 3
10285.8 234. 36,4.
2 2
29905
3
Cy
R kG
− −
+ +
= =
vì:
.cos
Cx C
R R
δ
=
;
.sin
Cy C
R R
δ
=
;
0
cot
.cot 29905.cot ( 7) 243557

z=3 ⇒ Mx= - 90768 kGm
17
Đồ án môn học: KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC
Q = (Rcy+Gvy.z)
Z=0 ⇒ Q = 29905 kG
Z=3 ⇒ Q = 30607 kG
N = Rcx-Gvx.Z
Z=0 ⇒ N = -243557 kG
Z=3 ⇒ N = -244394 kG .
Ta có biểu đồ nội lực như sau:
Q
x
Q
y
R
By
R
Cy
R
Bx
R
Cx
G
vx
G
vy
B
C
1
1

v
= 11 m
b- Các lực tác dụng lên vòi:
18
Đồ án môn học: KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC
Q
x
Q
y
R
By
R
Cy
R
Bx
R
Cx
G
vx
G
vy
B
C
- Trọng lượng bản thân: G
v
= 4 T = 4000 kG
Coi trọng lượng bản thân vòi là phân bố đều trên suốt chiều dài của vòi. Và
được phân tích thành 2 thành phần G
vx
và G

Q
a
η
=
= 21225 kG
Ta có sơ đồ tính toán:
Q
x
Q
y
R
By
R
Cy
R
Bx
R
Cx
G
vx
G
vy
B
C
1
1
2
2
Theo sơ đồ trên ta có:
19

.cos 20800.cos85 1813
y td
Q Q kG
γ
= = =
c- Xác định các phản lực lên gối tựa:
+
2
0 . . . 0
2
v
C y v vy By
L
M Q L G R b
= ⇒ + − =
∑
2
2
11
. . 1813.11 31,7.
2 2
7287
3
v
y v vy
By
L
Q L G
R kG
b

a b
M Q a G R b G
= ⇒ + − − =
∑
2 2 2 2
8 3
. . . 1813.8 31,7. 31,7.
2 2 2 2
5125
3
y vy vy
Cy
a b
Q a G G
R kG
b
+ − + −
⇒ = = =
vì:
.cos
Cx C
R R
δ
=
;
.sin
Cy C
R R
δ
=

Mx = - (Rcy.Z+ Gvy.Z.Z/ 2)
z=0 ⇒ Mx=0
z=3 ⇒ Mx= - 15518 kGm
Q = (Rcy+Gvy.z)
Z=0 ⇒ Q = 5125 kG
Z=3 ⇒ Q = 5220 kG
N = Rcx-Gvx.Z
Z=0 ⇒ N = 2841 kG
Z=3 ⇒ N = 1755 kG .
Ta có biểu đồ nội lực như sau:
Q
x
Q
y
R
By
R
Cy
R
Bx
R
Cx
G
vx
G
vy
B
C
1
1

Q
a
η
=
= 16327 kG
+ Lực quán tính khi thay đổi tầm với: F
qt
= 0,1.G
v
= 400 kG
+ Coi lực quán tính là lực phân bố đều trên chiều dài của vòi:
f
qt
=
400
36,4 /
11
qt
v
F
kG m
L
= =
b- Ta có sơ đồ tính:
Q
x
Q
y
R
By

0
.cos 363,6.cos85 31,7
11
v
vy
G
G kG
γ
= = =
-
0
.sin 16000.sin85 15939
x
Q Q kG
γ
= = =
-
0
.cos 16000.cos85 1395
y
Q Q kG
γ
= = =
c- Xác định các phản lực lên gối tựa:
+
2 2
0 . . . . 0
2 2
v v
C y v vy qt By

β
=
;
0
cot .cot 6488.cot 75 1739
Bx
Bx By
By
R
ag R R ag ag kG
R
β β
⇒ = ⇒ = = =
22
Đồ án môn học: KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC
+
2 2 2 2
0 . . . . . . 0
2 2 2 2
B y vy qt Cy vy qt
a a b b
M Q a G f R b G f
= ⇒ + + − − − =
∑
2 2 2 2
. . .
2 2
y vy qt
Cy
a b a b

0
cot .cot 4344.cot 61 2408
Cx
Cx Cy
Cy
R
ag R R ag ag kG
R
δ δ
⇒ = ⇒ = = =
+Xét tại mặt cắt 1-1, cách A về bên phải một khoảng z:
Mx = -(Qy.z + Gvy.z.z/ 2)
z=0

⇒ Mx = 0
z=8

⇒ Mx = - 13175 kGm
Q = -(Qy+Gvy.Z)
z=0

⇒ Q = - 1395 KG
z=8 ⇒ Q = - 1649 kG
N=Qx+Gvx.z
z=0 ⇒ N = 15939 kG
z=8⇒ N = 18837 kG
+ Xét tại mặt cắt (2-2); cách C một khoảng z:
Mx = - (Rcy.Z+ Gvy.Z.Z/ 2)
z=0 ⇒ Mx=0
z=3 ⇒ Mx= - 13175 kGm

2
f
qt
M
x (kGm)
Q
y (kG)
N (kG)
13175
4344
4439
1395
1649
15939
2408
V- Kiểm tra điều kiện bền của vòi:
1. Tại mặt cắt B –B
M = 322188( KGm ) , Q = 79825 ( KG ) , N = 33478 ( KG )
*Kích thước mặt cắt chọn sơ bộ* diện tích tiết diện :
24
Đồ án mơn học: KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC
)(514002760023800
)(2760013800.2
)(1380030.460.
2
)(2380011900.2
)(1190010.1190.

- Xét tấm biên :
)(10.14,0
12
10.1190
12
.
)(99167
12
10.1190
12
.
410
3
3
21
4
3
3
21
mm
B
JJ
mm
B
JJ
b
yy
b
xx
====

0
0
0
mm
H
Y
X
b
δ
Ta được :
)(10.147.
)(10.37411900.23599167.
47
2
2
02
0
2
0
1
472
2
2
02
0
2
0
1
mmFXJJJ
mmFYJJJ

JJ
t
yy
t
xx
====
====
δ
δ
Tònh tiến hệ trục (XO
3
Y
3
) và (XO
4
Y
4
) về hệ trục OXY với khoảng cách
trục:





=
=
+
=
+
=

2
0
1
mmFXJJJ
mmFYJJJ
byyy
bxxx
=+==
=+=+==
25