BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HỒNG HUỆ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THIẾT KẾ TỰ ĐỘNG
CẦN TRỤC XOAY TẢI TRỌNG 5 – 10 TẤN
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 3 9 9 8



Nữ

Ngày, tháng, năm sinh:

14/08/1982

Nơi sinh:

Quảng Ninh

Quê quán:

Nam Định

Dân tộc:

Kinh

Địa chỉ liên lạc:

71/1/8 cƣ xá 304 Đƣờng D1 F. 25 Q. Bình Thạnh TP.HCM

Điện thoại cơ quan: ...................... Điện thoại nhà riêng:…………………
Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:

Công ty TNHH Công nghệ Ascenx

Kỹ sƣ

10/2009 6/2012

Trƣờng CĐN Hàng Hải TP. HCM

Giáo viên

i


LỜI CAM KẾT
- Tên đề tài:
Nghiên cứu hệ thống thiết kế tự động cần trục xoay tải
trọng 5- 10 tấn.
- GVHD:
PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng
- Họ tên học viên: Nguyễn Hồng Huệ
- MSHV:
10025204009
Lớp: Cao học Công nghệ Chế tạo máy 2010
- Địa chỉ học viên: 71/1/8 Cƣ xá 304 Đƣờng D1 F. 25 Q. Bình Thạnh – Tp. HCM
- Số điện thoại liên lạc: 0983.347.982
- Email:

- Ngày nộp luận văn cao học:
- Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan luận văn cao học này là công trình do chính
tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã

thuật của cần trục xoay có sức nâng 5 – 10 tấn. Ngoài ra, đề tài cũng tiến hành nghiên cứu
thêm về các hệ thống thiết kế tự động, tham khảo các tài liệu sẵn có và các bài báo khoa học
để từ đó đề xuất và lựa chọn phƣơng án thực hiện đề tài, lựa chọn kết cấu cần trục xoay. Để
phục vụ cho việc lập trình thiết kế cũng nhƣ xuất bản vẽ tự động, tác giả đã sử dụng một số
phần mềm hỗ trợ nhƣ Visual Basic, AutoLisp, AutoCad,... Sau khi tiến hành lập trình tính
toán đƣa ra thông số thiết kế, tác giả sử dụng AutoLisp trong môi trƣờng AutoCad để xuất
bản vẽ tự động. Kết quả lập trình tính toán thiết kế và xuất bản vẽ tự động đƣợc so sánh và
kiểm nghiệm với một số trƣờng hợp thiết kế tay và cho kết quả tƣơng đƣơng. Bản vẽ đƣợc
xuất tự động, nhanh chóng và chính xác.
Tuy nhiên do hạn chế về thời gian, đề tài còn một số vấn đề cần hoàn chỉnh thêm
trong tƣơng lai nhƣ cần bổ sung thêm về thƣ viện cơ sở dữ liệu, hình dạng và kết cấu cần
trục xoay, bổ sung thêm bản vẽ chế tạo.

iv


ABSTRACT
“A RESEACH ON AUTOMATIC DESIGN OF 5-10 TON JIB CRANES’
First of all, this thesis shows the operating principles, designs and specifications of 510 ton Jib cranes. Apart from that, this thesis also does a research on some available
automatic design systems and related documents. From these materials, the author proposes
some outlines of the thesis and choices of capacities of jib crane design for the thesis. In
order to design, model and export drawings automatically, the author use some available
software such as Visual Basic, AutoLisp, AutoCad, etc. The design data received by
calculating and modeling using Visual Basic are used as input data for writing Autolisp
code applied in AutoCad to generate drawings automatically. The automatic design data and
generated drawings are compared to some manual design drawings and show very good
agreement with each others. The drawings are generated automatically, fast and exactly.
Due to time constraints, the thesis remains some limit that needed to be improved for
the next research such as enhancing data base library for jib crane’s characteristics, loads
and specifications and manufacturing drawings also.

2.3 Chọn kết cấu nghiên cứu ................................................................................................ 6
2.4 Các công trình nghiên cứu .............................................................................................. 6
2.4.1 Ngoài nƣớc: .............................................................................................................. 6
2.4.2 Trong nƣớc: .............................................................................................................. 7
2.5 Vấn đề tồn tại .................................................................................................................. 7
CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................ 8
3.1 Kết cấu tính toán thiết kế: ............................................................................................... 8
3.2 Các công việc tính toán: ................................................................................................. 8
3.2.1 Kết cấu thép dầm [4] ................................................................................................ 8
vi


3.2.2 Kết cấu thép cột rỗng chịu nén lệch tâm, nén uốn [4] ........................................... 20
3.2.3 Cơ cấu quay [8] ...................................................................................................... 22
CHƢƠNG 4: Ý TƢỞNG VÀ PHƢƠNG ÁN ....................................................................... 39
4.1 Thông số thiết kế: ......................................................................................................... 39
4.2 Các phƣơng án: ............................................................................................................. 39
4.2.1 Phƣơng án 1 - Tạo lập thƣ viện .............................................................................. 39
4.2.2 Phƣơng án 2 - Thiết kế tự động ............................................................................. 40
4.3 Chọn phƣơng án ........................................................................................................... 41
CHƢƠNG 5: CẤU TRÚC PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT................................................ 42
5.1 Quy trình tính toán ........................................................................................................ 42
5.2 Cấu trúc phần mềm ....................................................................................................... 43
5.2.1 Modul tính toán ...................................................................................................... 44
5.2.2 Modul vẽ thiết kế ................................................................................................... 52
5.2.3 Modul in ấn ............................................................................................................ 53
CHƢƠNG 6: TÍNH TOÁN VÀ KIỂM NGHIỆM ................................................................ 54
6.1 Tính toán thiết kế tay .................................................................................................... 54
6.1.1 Thông số thiết kế cần trục xoay ............................................................................. 54
6.1.2 Tính toán kết quả so sánh kiểm nghiệm................................................................. 54

Hình 2.6 Giao diện mẫu đặt hàng [12]..................................................................................... 7
Hình 3.1 Kết cấu đề xuất [9] .................................................................................................... 8
Hình 3.2 Tiết diện dầm hình .................................................................................................... 8
Hình 3.3 Sơ đồ xác định chiều dài qui ƣớc chịu tải cục bộ của bản bụng dầm [4] ............... 12
Hình 3.4 Mất ổn định tổng thể của dầm [4] ........................................................................... 14
Hình 3.5 Mất ổn định cục bộ của cánh dầm [4] ..................................................................... 15
Hình 3.6 Mất ổn định cục bộ của bản bụng dầm do ứng suất tiếp [4] ................................... 17
Hình 3.7 Mất ổn định cục bộ của bụng dầm do ứng suất pháp ............................................. 18
Hình 3.8 Các dạng tiết diện cột nén lệch tâm [4] .................................................................. 20
Hình 3.9 Sơ đồ bố trí TBTQ của cần trục xoay [8] ............................................................... 22
Hình 3.10 Lực tác dụng trên vòng tựa [8] ............................................................................ 23
Hình 3.11 Gối tựa dƣới – TBQ kiểu cột quay ...................................................................... 24
Hình 3.12 Sơ đồ vòng tựa quay kiểu bánh xe tựa hoặc con lăn tựa [8] ................................. 25
Hình 3.13 Vòng tựa quay kiểu bánh xe tựa, tải trọng và đƣờng kính vòng ray [8] ............... 26
Hình 3.14 TBTQ kiểu bi cầu hai dẫy [8] ............................................................................... 27
Hình 3.15 Thiết bị tựa quay kiểu bi trụ [8] ............................................................................ 28
Hình 3.16 Sơ đồ tính TBTQ kiểu bi hai dãy [8] .................................................................... 29
Hình 3.17 Cơ cấu quay đặt nằm [8] ....................................................................................... 30
Hình 3.18 Cơ cấu quay đặt đứng ........................................................................................... 31
Hình 3.19 Lực tác dụng lên cần khi quay quanh trục đứng [8] ............................................. 32
Hình 3.20 Các tốc độ ở cần [8] .............................................................................................. 35
Hình 3.21 Sơ đồ tính mômen cản dốc M  [8] ....................................................................... 37
Hình 4.1 Sơ đồ phƣơng án 1 – Tạo lập thƣ viện .................................................................... 40
Hình 4.2 Sơ đồ phƣơng án 2 – Thiết kế tự động.................................................................... 41
ix


Hình 5.1 Lƣu đồ giải thuật tổng thể ....................................................................................... 43
Hình 5.2 Lƣu đồ giải thuật tính toán ...................................................................................... 46
Hình 5.3 Lƣu đồ giải thuật modul vẽ thiết kế ........................................................................ 52

có thể di chuyển, … Khả năng nâng hạ của các loại cần trục xoay cũng rất đa dạng, từ
những chi tiết nhỏ có khối lƣợng vài chục kilogram cho tới những bộ phận, cơ cấu lớn nặng
tới hàng chục tấn.
Cần trục xoay có một số ƣu điểm nhƣ:
-

Kết cấu đơn giản.
Không chiếm nhiều diện tích không gian nhà xƣởng
Cơ giới hóa quy trình sản xuất, lắp ráp, sửa chữa,…
Nâng cao độ an toàn, năng suất và hiệu quả công việc.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Ngành thiết kế cần trục trong nƣớc có chuyển biến chậm, các công ty thiết kế hầu hết
nhận đơn đặt hàng là các cụm máy móc, chi tiết nhỏ, các loại cẩu hầu nhƣ đều đƣợc nhập
khẩu từ các nƣớc nhƣ Đức, Nhật, Hàn Quốc, … Công việc tính toán thiết kế chƣa đƣợc tự
động hóa nhiều.
Hiện nay nƣớc ta đang trong quá trình hiện đại hóa, công nghiệp hóa cũng nhƣ để
tăng mức độ an toàn và nâng cao năng suất lao động, hiệu quả công việc, nhu cầu sử dụng
cầu trục xoay jib crane trong các xƣởng là rất lớn kéo theo việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo
cần trục xoay là vấn đề cần thiết đóng vai trò quan trọng. Cần trục xoay đặt trong nhà xuởng
có sức nâng và tầm với thay đổi rất nhiều phụ thuộc vào công việc và phạm vi làm việc.
Chính vì thế, yêu cầu đặt ra cho thiết kế loại cần trục này cũng rất đa dạng.
1


Việc thiếu các phần mềm thiết kế hoặc sử dụng phần mềm thiết kế của nƣớc ngoài có
chi phí lớn sẽ đẩy giá thành sản phầm lên cao càng gây khó khăn cho các đơn vị thiết kế. Vì
thế việc sử dụng phần mềm thiết kế trong nƣớc sẽ hỗ trợ hiệu quả cho việc thiết kế. Cần trục
có sức nâng 5-10 tấn đƣợc sử dụng rộng rãi trong các xƣởng cơ khí. Do đó đề tài “Nghiên
cứu hệ thống thiết kế tự động cần trục xoay tải trọng 5 – 10 tấn” là cần thiết.

- Xây dựng phần mềm tính toán thiết kế và xuất bản vẽ thiết kế cần trục xoay tự
động trên máy tính
1.5 Đối tƣợng nghiên cứu
- Cần trục xoay
- CAD và vẽ thiết kế tự động bằng phần mềm AutoLisp

2


1.6 Phạm vi nghiên cứu
Đây là một đề tài lớn với sự đa dạng về kết cấu và các thiết bị phụ kiện. Đề tài thực
hiện nghiên cứu về cần trục xoay cột cố định tải trọng từ 5-10 tấn. Các kết cấu khác nếu có
nhu cầu sẽ đƣợc thiết kế bổ sung nhƣ là các module của phần mềm sẽ đƣợc thực hiện trên
nền tảng phần mềm trong đề tài.
1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp nghiên cứu phân tích lý thuyết nhƣ phân tích các tài liệu, tạp chí,
các nguồn thông tin trên internet có liên quan đến đề tài.
- Phƣơng pháp thử và sai để kiểm tra kết quả tính toán thiết kế của phần mềm
với kết quả tính toán thiết kế tay.
1.8 Kết cấu của Đồ án tốt nghiệp
Đề tài nghiên cứu gồm 6 chƣơng, phần kết luận đề nghị và phụ lục, trong đó:
- Chƣơng 1: Giới thiệu
Là chƣơng nêu tính cấp thiết và lý do hình thành đề tài.
- Chƣơng 2: Tổng quan
Giới thiệu chung về lĩnh vực nghiên cứu, các công trình nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc từ đó đƣa ra phƣơng hƣớng giải quyết các tồn tại sẽ thực hiện trong
ĐATN.
- Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết
Trình bày phần cơ sở lý thuyết phục vụ cho quá trình tính toán ở chƣơng 5. Đó là
lý thuyết về kết cấu thép dầm, cột, tính toán các bộ truyền, cơ cấu nâng, cơ cấu

b)

Kiểu gắn tường

Hình 2.1 Các kiểu cần trục xoay thông dụng [9]
2.2.1 Cần trục xoay cột cố định gắn vào nền nhà xƣởng
a) Đặc điểm cấu tạo
- Gồm một cột cố định đƣợc gắn vào nền nhà xƣởng, phía trên cột có lắp dầm.
Dầm đƣợc liên kết với cột bằng gối tựa hoặc khớp bản lề hay ngàm.
- Các cơ cấu của cần trục xoay gồm: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe
con, cơ cấu quay (1800, 2700, 3600). Xe con chạy trên dầm chữ I.
- Nguồn điện cung cấp cho các cơ cấu từ lƣới điện.
b) Đặc điểm hoạt động
- Cần trục xoay cột cố định phục vụ việc nâng hạ hàng và vận chuyển hàng trên
một cung tròn lên tới 3600 có bán kính bằng tầm với của cần trục.
- Tầm với có thể thay đổi nhờ chuyển động của xe con chạy trên dầm.
- Cơ cấu quay dẫn động máy đặt bên ngoài cần trục và truyền lực bằng các bộ
truyền bánh rang hoặc bằng ma sát giữa cáp và vòng quay gắn trên cột.

4


c) Các dạng phổ biến

a) Hạng nặng

b) Hạng trung

Hình 2.2 Các kiểu cần trục xoay cột cố định [10]
2.2.2 Cần trục xoay trục cố định gắn tƣờng

Hình 2.5 Bản vẽ xuất ra [11]
6


b) Ƣu điểm:
Dễ dàng đặt hàng
Phần mềm tính toán xuất bản vẽ nhanh
c) Nhƣợc điểm:
Phần mềm có tính phí ($350)
Giới hạn mẫu cần trục (sức nâng đến 3 tấn, tầm với 6m, chiều cao nâng 4m)
Giới hạn về kiểu dáng, vật liệu,…
Số cửa sổ nhập liệu nhiều, phần mềm chỉ hỗ trợ chuyển thông số nhập liệu để vẽ
không hỗ trợ tính toán.
Phần mềm đặt hàng online [4] cho phép chọn loại cần trục xoay (gắn tƣờng hay cột cố
định), nhập các thông số yêu cầu nhƣ sức nâng, tầm với, chiều cao, pa lăng, động cơ,…

Hình 2.6 Giao diện mẫu đặt hàng [12]
a)
b)
-

Ƣu điểm:
Dễ dàng đặt hàng
Nhƣợc điểm:
Chỉ cho phép thực hiện đặt hàng với kết cấu chủng loại theo qui định của hãng.
Không hỗ trợ tính toán xuất bản vẽ.

2.4.2 Trong nƣớc:
Hiện chƣa có thông tin về thiết kế phần mềm tính toán thiết kế tự động cần trục xoay
jib crane, công việc tính toán thiết kế vẫn đƣợc thực hiện bằng tay. Do đó, việc tính toán


Các ký hiệu dùng trong công thức
-

Chiều cao dầm hd (mm)

-

Chiều rộng dầm Bd(mm)

-

Chiều dày tấm biên b (mm)

-

Chiều rộng tấm thành t (mm)

Tải trọng tác dụng lên phần cần:
Do cần trục làm việc trong xƣởng nên khi kể các tải trọng không có tải trọng gió.
Tải trọng theo phƣơng thẳng đứng gồm có:
+ Trọng lƣợng hàng có nhân hệ số động 1,25: PQ= Q*1,25 (kG)

(3 – 1)

+ Trọng lƣợng pa lăng điện nâng hàng đƣợc chọn Ppl(kG)
+ Trọng lƣợng dầm qd (tải trọng này phân bố dọc chiều dài dầm) (kG/m)
Tổng tải trọng đặt tập trung theo phƣơng thẳng đứng tại một vị trí (tầm với xa nhất
của cần trục) là PQn=PQ+Ppl(kG)
(3 – 2)

t (chú ý luôn là các số nguyên) rồi thay lại công thức tìm hmax tới khi thỏa mãn thì thôi ( ta
có 2 giá trị hd, t).
Chọn chiều dày tấm biên theo 1 trong 2 điều kiện sau:
b = δt + 12 (mm) hoặc δb = 2δt (làm tròn lên thành số nguyên nếu lẻ)
Chọn chiều rộng dầm theo tất cả các điều kiện sau:
Bd≤30*b
Bd không nhỏ hơn 60 mm hoặc

(3 – 6)
1
* hd  Bd
4

h
h h3 2 1  Wth h  1
. 2 . 
  . hoặc Bd 
1, 7
2 12 h  b  h 6   b

Bd  Wth . 

(3 – 7)
(3 – 8)

Kiểm tra độ bền dầm:
9