BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA: CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN, KIỂM TRA CẦU TRỤC DẦM
ĐÔI TẢI TRỌNG 20 TẤN

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Đặng Xuân Phương
Sinh viên thực hiện:

Lê Văn Hận

Mã số sinh viên:

56130492

Khánh hòa - 2018

Trang 1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA: CƠ KHÍ
BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
………………………….

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


Trang 4


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Để tổng kết những gì đã được học trong suốt những năm vừa qua, được sự phân công
của nhà trường, em đã nhận đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Mô hình hóa và tính toán,
kiểm tra độ bền của cầu trục dầm đôi tải trọng 20 tấn ” dưới sự hướng dẫn của
thầy PGS.TS Đặng Xuân Phương, với các nội dung:
1. Tổng quan về cầu trục.
2. Phương pháp thiết kế cầu trục.
3. Mô hình hóa 3D cầu trục theo một thiết kế đã có sẵn.
4. Tính toán độ bền cầu trục bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng công
nghệ CAE.
Đây là đề tài thường thấy trong thực tế, xuất hiện rất nhiều ở các nhà máy, kho bãi,
các cơ sở sản xuất và lắp ráp cơ khí. Cổng trục 20 tấn là thiết bị nâng hạ rất quan
trọng, giảm được sức nặng của người công nhân khi làm việc, qua đó, nâng cao năng
suất lao động của công nhân. Thiết bị nâng hạ thường nâng các vật nặng, di chuyển
trên cao nên yêu cầu về tính an toàn cho người và vật là rất cao.

Trang 5


MỤC LỤC
Đề mục

Trang

Trang bìa
Quyết định giao ĐA/KLTN

2.2.4. Lựa chọn phương án hợp lý chân cổng với dầm chính ....................... 24
2.3. Phương pháp tính toán kết cấu cổng trục truyền thống .......................... 24
2.3.1. Sơ đồ kết cấu và các thông số của cổng trục ....................................... 24
2.3.2. Các loại thép dùng cho dầm ................................................................ 26
2.3.2.1. Các loại thép hình và ứng dụng ........................................................ 26
2.3.2.2. Thép dùng cho dầm tổ hợp ............................................................... 28
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA CỔNG TRỤC .............................. 30
3.1. Tính toán kết cấu cổng trục bằng phương pháp truyền thống ................ 30
3.1.1. Thông số ban đầu ................................................................................ 30
3.1.2. Vật liệu chế tạo dầm chính .................................................................. 31
3.1.3. Xác định sơ bộ kích thước cổng trục ................................................... 31
3.1.3.1. Xác định sơ bộ kích thước tiết diện dầm chính ................................ 31
3.1.3.2. Xác định sơ bộ kích thước chân cổng trục. ...................................... 33
3.1.3.3. Đặc trưng tiết diện dầm chính .......................................................... 35
3.1.3.4. Xác định sơ bộ kích thước tiết diện dầm biên, chân cổng, gối tựa .. 38
3.1.3.5. Đặc trưng tiết diện chân cổng, dầm biên và gối tựa ......................... 38
3.1.4. Tính toán tải trọng ............................................................................... 40
3.1.4.1. Tải trọng tác dụng lên dầm chính ..................................................... 40
3.1.4.1.1. Tải trọng gây ra bởi trọng lượng bản thân của dầm chính ............ 40
3.1.4.1.2. Tải trọng bánh xe ........................................................................... 41
3.1.4.1.3. Tính lực quán tính ......................................................................... 44
3.1.4.1.4. Tải trọng gió .................................................................................. 45
3.1.5. Tính toán kết cấu thép ......................................................................... 45
3.1.5.1. Tính nội lực dầm chính .................................................................... 45
3.1.5.1.1. Xác định vị trí nguy hiểm của xe con trên dầm chính................... 48
3.1.5.2. Tính nội lực gối tựa .......................................................................... 49
3.1.5.3. Tính nội lực dầm biên ...................................................................... 51
3.1.5.4. Tính nội lực chân cổng ..................................................................... 54
Trang 7


Bảng 4. Các tải trọng tính toán.
Bảng 5. Bảng so sánh đặc trưng cơ tính vật liệu thép CT3 và thép A36.

Trang 9


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. Cổng trục dầm đơn.
Hình 2. Cổng trục dầm đôi.
Hình 3. Bán cổng trục.
Hình 4. Cổng trục dầm đôi 2 đầu công xôn.
Hình 5. Sơ đồ kết cấu cổng trục.
Hình 6. Cổng trục có một bên liên kết mềm và một bên liên kết cứng.
Hình 7. Cổng trục có một bên liên kết mềm và một bên liên kết khớp cầu.
Hình 8. Dầm biên lắp song song.
Hình 9. Dầm biên lắp nối tiếp.
Hình 10. Kết cấu kim loại cổng trục hai dầm dạng hộp.
Hình 11. Kết cấu kim loại cổng trục hai dầm dạng giàn.
Hình 12. Chân cổng liên kết cứng với dầm.
Hình 13. Chân cổng một bên liên kết dầm cứng.
Hình 14. Chân cổng một bên liên kết dầm bằng gối trượt.
Hình 15. Sơ đồ kết cấu thép của cổng trục dầm đôi 2 đầu công xôn.
Hình 16. Thép chữ I.
Hình 17. Thép chữ [.
Hình 18. Thép góc đều cạnh và ứng dụng.
Hình 19. Thép góc không đều cạnh và ứng dụng.
Hình 20. Dầm tổ hợp 1 thanh kết cấu hàn.
Hình 21. Dầm tổ hợp 2 thanh kết cấu hàn.
Hình 22. Mô hình tính theo phương pháp truyền thống.
Hình 23. Dầm chính tổ hợp dạng hộp.



Hình 50. Đặt tải trọng cho Simulation Studies 3.
Hình 51. Đặt tải trọng cho Simulation Studies 4.
Hình 52. Kết quả tổng ứng suất và hệ số an toàn của Simulation Studies 1.
Hình 53. Kết quả tổng ứng suất và hệ số an toàn của Simulation Studies 2.
Hình 54. Kết quả áp lực dầm chính của Simulation Studies 3.
Hình 55. Kết quả áp lực dầm chính của Simulation Studies 4.
Hình 56. Đặt điều kiện biên cho khung chân cổng.
Hình 57. Đặt các tải trọng cho khung chân cổng.
Hình 58. Kết quả nội lực của khung chân cổng và hệ số an toàn.
Hình 59. Kết quả nội lực của 1 bên chân cổng và hệ số an toàn.
Hình 60. Kết quả nội lực của gối tựa và hệ số an toàn.
Hình 61. Kết quả nội lực của dầm biên và hệ số an toàn.

Trang 12


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
* Các ký hiệu thông số ban đầu:
Q

Tải trọng nâng định mức.

H

Chiều cao nâng.

L


Lx

Khoảng cách trục các bánh xe của xe nâng.

Bx

Khoảng cách các vết bánh xe của xe nâng.

Ac

Kích thước bao của dầm biên, chiều rộng cạnh dưới của chân cổng.

Bc

Cơ sở của cổng trục.

Hc

Chiều cao chân cổng.

Bd

Chiều rộng cạnh trên của chân cổng.

Dx

Đường kính bánh xe di chuyển của xe nâng.

* Ký hiệu các đặc trưng hình học:
h


Chiều dày tấm biên trên

𝛿𝑡

Chiều dày thành đứng.

Fi

Diện tích tiết diện tấm thép.

F, A

Tổng diện tích tiết diện.

Jx, Jy

Momen quán tính của tiết diện đối với trục x và y.

Wx, Wy

Momen cản của tiết diện đối với trục x và y.

S x, S y

Momen tĩnh của tiết diện đối với trục x và y.

Z0

Khoảng cách từ trọng tâm xuốn cạnh đáy của tiết diện.

Gcc

Trọng lượng chân cổng.

𝛾

Khối lượng riêng của thép.

q

Tải trọng phân bố đều bởi trọng lượng bản thân dầm chính.

Q0

Trọng lượng hàng.

Gm

Trọng lượng bộ phận mang vật.

Qtđ

Tải trọng tương đương.

Qtt

Tải trọng tính toán.
Trang 14




Tải trọng tác dụng lớn nhất lên các bánh xe A, B, C, D.
Áp lực của bánh xe lên dầm khi có hệ số điều chỉnh.

Áp lực của bánh xe lên dầm khi không có hệ số điều chỉnh.

′
𝑃𝑞𝑡

Lực quán tính do khối lượng cổng trục gây ra.

′′
𝑃𝑞𝑡

Lực quán tính do khối lượng hàng gây ra.

Pqt

Lực quán tính do khối lượng xe nâng gây ra.

Pg

Tải trọng gió tác động lên xe nâng và vật nâng.

RA, RB..

Phản lực tại các điểm A, B.. .

Qx , Qy


[n]

Hệ số an toàn cho phép.

Trang 15


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về cổng trục.
1.1.1. Giới thiệu chung.
Cổng trục là 1 loại máy trục có kết cấu dạng cổng có khả năng di chuyển nhờ các
hệ thống bánh xe chạy trên đường ray cố định. Chiều cao công trục phụ thuôc vào yêu
cầu chiều cao nâng hàng. Thiết bị máy nâng bao gồm palăng hoặc xe nâng và thiết bị
mang vật, thiết bị nâng có khả năng di chuyển dọc theo dầm chính. Vì thế cổng trục có
thể vận chuyển hàng đến bất kỳ điểm nào trong một không gian nhất định của cổng
trục.
Cổng trục là công cụ dùng để cơ giới hóa công tác xếp dỡ, vận chuyển hàng hóa,
tăng năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm. Cổng trục được sử dụng trong nhà
xưởng hoặc ngoài trời. Cổng trục có ở hầu hết các cảng biển, nhà máy đóng tàu, trên
tàu thủy, công ty xây lắp, nhà máy thủy điện, đường sắt, xưởng cơ khí lớn, kho bãi
container, bãi tập kết,…
Các thông số kỹ thuật cơ bản của kết cấu cổng trục : khẩu độ ( L ), tải trọng nâng (
Q ), chiều cao nâng ( H ). Khẩu độ của cổng trục là khoảng cách giữa hai hàng bánh xe
di chuyển cổng trục. Tải trọng nâng là khả năng nâng lớn nhất do nhà chế tạo cổng
trục quy định. Chiều cao nâng tính từ mặt đất tới thiết bị mang hàng đang ở vị trí cao
nhất.
1.1.2. Xu thế sử dụng cổng trục hiện nay.
Xu thế sử dụng công trục hiện nay là dễ vận hành, dễ sửa chữa, tải trọng nâng lớn,
không gian hoạt động cho phép của cổng trục lớn hay khẩu độ và chiều cao lớn, có thể

1.2. Kết cấu thép của cổng trục.
Các bộ phận của kết cấu cổng trục:
1. Bánh xe

2.Nối trục

3. Động cơ

5. Tang

6. Nối trục và phanh

7. Ray di chuyển xe con

8. Xe con

9. Dầm chính

10.Hạn chế hành trình xe con

11. Dầm biên

12. Móc treo

14. Chân cổng

15. Đường ray

Trang 18


1.3.1. Liên kết giữa dầm chính với khung chân.
Liên kết giữa dầm chính với khung chân có các kiểu sau: liên kết cứng, liên kết
mềm, liên kết khớp cầu.
Đối với cổng trục có khẩu độ nhỏ hơn hoặc bằng 20m có thể chế tạo cả hai chân
cổng có liên kết cứng với dầm chính và như vậy sẽ giảm thời gian chế tạo và lắp cổng
trục. Với phương án này, cổng trục có kết cấu đơn giản, không gian hoạt động lớn, giá
thành chế tạo cũng rẻ.
Những cổng trục có khẩu độ lớn hơn 25m thì cổng trục thường có một chân cổng
liên kết cứng với dầm chính, thường được gọi là “ chân cứng “ và một “ chân mềm “,
nhờ khớp xoay hình trụ (nút A, hình 6) với trục xoay nằm trong mặt phẳng nằm ngang.
Chân mềm có liên kết khớp với dầm chính để đảm bảo cho kết cấu là một hệ tĩnh định,
chân mềm có thể xoay lắc quanh theo trục thẳng đứng của nó đến 5˚ để bù trừ các sai
lệch của kết cấu với đường ray. Liên kết này giảm ma sát giữa bánh xe với đường ray,
giảm tải trọng xô lệch và tránh khả năng kẹt bánh xe di chuyển trên đường ray.

Trang 20


Hình 6. Cổng trục có một bên liên kết mềm và một bên liên kết cứng
Ngoài ra, người ta thay chế chân liên kết cứng bằng một gối trượt ( nút B, hình 7),
điều này cho phép dầm chính có thể xoay tương đối quanh vấu cố định ( nút C), chân
mềm bên phải liên kết với dầm bằng khớp cầu ( nút D) cho phép xoay theo hướng bất
kỳ. Do đó mếu cổng trục bị xô lệch thì dầm chính cũng không bị uốn và hoàn toàn
tránh khả năng bị kẹt của bánh xe.

Hình 7. Cổng trục có một bên liên kết mềm và một bên liên kết khớp cầu
1.3.2. Liên kết giữa chân cổng trục với dầm biên.
Liên kết giữa chân cổng với dầm biên là liên kết cứng. Cụm dầm biên là bộ phận có
bánh xe với nhiệm vụ vận chuyển cổng trục dọc theo đường ray, được dẫn động bằng
động cơ giảm tốc. Dầm biên có kết cấu dạng hộp hàn để tăng khả năng chịu tải, người


Trang 22


công nhân, không áp dụng được phương pháp hàn tự động, việc bảo trì, kiểm tra
không thuận lợi.

Hình 11. Kết cấu kim loại cổng trục hai dầm dạng giàn
2.1.3. Lựa chọn phương án hợp lý kết cấu dầm chính.
Qua việc phân tích kết cấu cũng như ưu nhược điểm của từng phương án nhận thấy
phương án 1 (cổng trục hai dầm kiểu hộp) là phù hợp với yêu cầu thiết kế hơn cả, bởi
vì ngoài những ưu nhược điểm nổi bật đã nêu cổng trục hai dầm dạng hộp còn có thể
làm việc ở chế độ trung bình và nặng. Nhược điểm chủ yếu của cổng trục dạng này là
khối lượng toàn cổng trục nhiều hơn một ít so với các loại cổng trục khác, nhưng bù
lại giá thành của nó không cao, kiểm tra bảo dưỡng dể dàng.
2.2. Các phương án lựa chọn liên kết giữa chân cổng trục với dầm chính.
2.2.1. Chân cổng liên kết cứng với dầm chính.
Cổng trục có khẩu độ nhỏ thua hoặc bằng 30m có thể chế tạo cả hai chân cổng có
liên kết cứng với dầm và như vậy để giảm thời gian chế tạo và lắp dựng cổng trục. Với
phương án này, cổng trục thiết kế có kết cấu đơn giản, không gian hoạt động lớn, giá
thành chế tạo cũng rẻ.

Trang 23


Hình 12. Chân cổng liên kết cứng với dầm.
2.2.2. Một chân cổng liên kết cứng với dầm chính.
Cổng trục có chân cổng bên trái liên kết cứng với dầm còn chân cổng bên phải liên
kêt với dầm nhờ khớp xoay hình trụ (nút A ) với trục xoay nằm trong mặt phẳng nằm
ngang. Với sơ đồ này chân mềm có thể lắc quanh trục thẳng đứng tới 50 về cả hai phía

2.3.1. Sơ đồ kết cấu và các thông số của cổng trục.

Trang 25