Thiết kế cần trục bánh lốp K-1001 sức nâng Q = 100T

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế cần trục bánh lốp K-1001 sức nâng Q = 100T

Trang 1

TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP

1 LỜI MỞ ĐẦU:

Trong các máy trục kết cấu kim loại chiếm một phần kim loại rất lớn.Khối lượng kim loại dùng cho kết cấu kim loại chiếm 60%80% khối lượngkim loại toàn bộ máy trục, có khi còn hơn nữa Vì thế việc chọn kim loạithích hợp cho kết cấu kim loại để sử dụng một cách kinh tế nhất là rất quantrọng.

Kết cấu kim loại của máy trục gồm các thép tấm và thép góc nối vớinhau bằng hàn hay đinh tán Vì mối ghép hàn gia công nhanh và rẻ nên đượcdùng rộng rãi hơn.

Các loại thép góc và thép tấm dùng cho kết cấu kim loại máy trục cóthể được chế tạo bằng thép cácbon, thép kết cấu hợp kim thấp hay hay bằnghợp kim nhôm.

2 VẬT LIỆU:

Kết cấu dàn của cần trục bánh lốp sức nâng 100T do Liên Xô cũ chế tạođược làm từ thép cácbon trung bình, loại thép CT3 có các cơ tính cơ bản sau:

_ Môđun đàn hồi: E = 2,1.106 KG/cm2.

_ Môđun đàn hồi trượt: G = 0,84.106 KG/cm2._ Giới hạn chảy: ch = (24002800) KG/cm2._ Giới hạn bền: b = (38004700) KG/cm2._ Độ giãn dài khi đứt:  = 21%.

_ Khối lượng riêng:  = 7,83 T/m3._ Độ dai va đập: ak = 70 J/cm2.

Trang 2

3 HÌNH THỨC KẾT CẤU:

Cần trục bánh lốp là loại cần trục quay thay đổi tầm với bằng cách nânghạ cần Cần là một dàn có trục thẳng với tiết diện thay đổi theo chiều dàicần Phần dưới của cần đặt trên bản lề cố định trên phần quay của kết cấukim loại, đầu trên nối với palăng thay đổi tầm với Vì thế cần được xem nhưmột thanh đặt trên hai bản lề.

Hình:5.1

Các cần thẳng dùng trong trường hợp khi dây cáp dùng để nâng hạ cầnnối ở đầu cần Các cần này có ưu điểm là nhẹ hơn và kết cấu đơn giản hơn.Tuy nhiên nó không cho phép nâng vật nặng lên cao ở tầm với nhỏ nhất nhưlà cần có trục gãy.

Đối với các cần trục có trọng tải lớn cần được chế tạo kiểu dàn với tiếtdiện ngang tứ giác Thanh biên của các tứ giác đó được làm bằng thép góc.Để giảm nhẹ trọng lượng, các cần được chế tạo theo kiểu dàn có độ cứngthay đổi.

Các thông số cơ bản của kết cấu thép cần:

Trang 3

_ Chiều cao tiết diện cần ở giữa chiều dài chọn phụ thuộc vào chiều dài cần lvà thường lấy trong khoảng:

Chọn 151,5.10

mbo 

 Chọn loại tiết diện dàn:

Chọn tiết diện thanh căn cứ vào điều kiện bền và ổn định của các thanh:_ Ở các thanh chịu kéo thì hình dạng tiết diện không ảnh hưởng đến độbền của chúng, hình dạng tiết diện đó chọn theo kết cấu thực tế đảm bảo chosự liên kết của các thanh chịu kéo này với các cấu kiện khác của dàn theonguyên tắc đã được tiêu chuẩn hóa về hình dạng được sử dụng trong dàn.

Ở các thanh chịu nén của dàn, ngoài việc bảo đảm sự phù hợp về kếtcấu theo chỉ định thiết kế thì hình dạng của tiết diện còn phải chú ý đến điềukiện ổn định của thanh để chống sự uốn dọc làm mất ổn định của thanh.

_ Cần cơ bản của cần trục bánh lốp truyền động Diesel – điện sứcnâng100T gồm ba đoạn ghép với nhau, mỗi đoạn dài 5m: giao điểm của cácthanh trong dàn gọi là mắt Khoảng cách giữa các mắt thuộc cùng một đườngbiên gọi là đốt Thanh tạo thành chu vi phía trên gọi là thanh biên trên, ởphía dưới gọi là thanh biên dưới Ngoài ra còn có các thanh giằng chéo.

4 CÁC TRƯỜNG HỢP TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG:

Khi máy trục làm việc nó chịu nhiều loại tải trọng khác nhau tác dụnglên kết cấu: tải trọng cố định, tải trọng không di động, tải trọng quán tínhtheo phương thẳng đứng hay nằm ngang, tải trọng gió, tải trọng do lắc độnghàng trên cáp,….

Trang 4

Máy trục không làm việc nhưng chịu tác dụng của các tải trọng phátsinh lớn nhất ví dụ: trọng lượng bản thân, trọng lượng gió (bão), trường hợpnày dùng để kiểm tra kết cấu theo độ, bền độ ổn định.

Bảng tổ hợp tải trọng.

Đối với từng loại cần trục, căn cứ vào điều kiện khai thác của cần trục và các tảitrọng tác dụng lên nó mà ta có bảng tổng hợp tải trọng sau :

Ở trạng thái làm việc của cần trục người ta tổ hợp các tải trọng tác dụng lênmáy trục và chia ra thành các tổ hợp tải trọng sau:

tải trọng

tính theo độ bền mỏi:

 

 

tính theo độ bền và độ ổn định:  

 

tải trọng giĩ

IIg

Trang 5

_ Tổ hợp Ib, IIb: máy trục di chuyển có mang hàng đồng thời lại có thêm mộtcơ cấu khác đang hoạt động (di chuyển xe con, di chuyển xe tời, quay, thay đổitầm với), tiến hành khởi động (hoặc hãm) cơ cấu đó một cách từ từ tính cho tổhợp Ib; độ ngột IIb.

 Đối với tải trọng IIIa khi cần trục khơng làm việc chịu tác dụng của tải trọng làtrọng lượng bản thân và tải trọng giĩ Tuy rằng giĩ tác dụng ở cấp cao nhưngvẫn chịu lực nhỏ hơn khi cần trục làm việc nên trong trường hợp này ta khơngcần xét đến.

 Đối với trường hợp tải trọng Ia Ib thì cần trục làm việc bình thường và chịu tảitrọng tác dụng nhỏ hơn đối với trường hợp tải trọng IIa IIb vì trường hợp tảitrọng này chịu tải đột ngột khi bắt đầu nâng hoặc hãm đột cơ cấu nâng hoặccơ cấu quay nên trường hợp tải trọng này ta khơng cần tính đến.

 Đối với trường hợp tải trọng Iia thì chịu lực nhỏ hơn trường hợp tải trọng Iib

Khi tính kết cấu kim loại cần của cần trục cần biết tất cả các loại tảitrọng tác dụng lên nó như: tải trọng không di động, tải trọng tạm thời, lựcquán tính, tải trọng gió, đồng thời lực trong dây cáp treo vật và dây cáp treocần.

_ Tải trọng không di động gồm những phần riêng lẻ của kết cấu kim loại cần.Vì đây là loại cần lớn tải trọng do trọng lượng bản thân cần được xem nhưphân bố dọc theo chiều dài của cần, theo công thức (8.48) [5]:

G1 = q1l

Trang 6

Hình:5.2

Trong đó:

 G1: trọng lượng cần.

 l: chiều dài cần (l = 15m).

 q1: tải trọng phân bố, theo công thức 5.4 [5]: q1 = k1q

+ q: tải trọng không di động phân bố dọc theo chiều dài của kết cấu.

+ k1: hệ số điều chỉnh kể đến các hiện tượng va đập khi di chuyển máy trục.Vì vận tốc di chuyển của máy v < 60 m/ph nên lấy k1 = 1.

Trang 7

_ Tải trọng tạm thời gồm trọng lượng vật nâng Q và bộ phận mang vật G3,theo công thức (8.49) [5]: P = Q +G3 Tải trọng này đặt ở điểm nối của cácpuli (ròng rọc) đầu cần Khi nâng và hạ sinh ra các tải trọng quán tính, vì thếtải trọng tạm thời được xác định theo công thức (8.50) [5]:

Pt = k2(Q + G3 )Trong đó:

 k2: hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào chế độ làm việc của máy trục Vì máytrục làm việc ở chế độ làm việc trung bình  k2 = 1,2.

 Q: trọng lượng vật nâng.

 G3: trọng lượng bộ phận mang vật (chọn G3 = 2,45T).Ở tầm với lớn nhất Rmax = 14m tương ứng sức nâng Q = 12T:  Pt = 1,2(120000 +24500) = = 173400N.Ở tầm với lớn trung bình Rtb = 9m tương ứng sức nâng Q = 31T:  Pt = 1,2(310000 +24500) = 401400N.Ở tầm với nhỏ nhất Rmax = 4,7m tương ứng sức nâng Q = 100T:  Pt = 1,2(1000000 +24500) = 1229400N.

_ Lực quán tính ngang do trọng lượng của kết cấu xuất hiện khi mở máy haykhi phanh cơ cấu quay Các lực này lấy bằng 0,1 của các tải trọng thẳng đứng(không kể đến hệ số k1), công thức (8.53) [5]:

_ Lực quán tính ngang do trọng lượng của vật nâng và bộ phận mang vậtcũng xuất hiện khi mở máy hay khi phanh cơ cấu quay Lực này bằng 0,1trọng lượng của vật nâng và bộ phận mang vật và đặt ở điểm nối các ròngrọc đầu cần theo công thức (8.54) [5]:

Png = 0,1(Q + G3)

Trang 8

Ở tầm với lớn nhất Rmax: Png = 0,1(120000 + 24500) = 14450N Ở tầm với trung bình Rtb:Png = 0,1(310000 +24500) = 33450N Ở tầm với nhỏ nhất Rmin:Png = 0,1(1000000 +24500) = 102450N.

_ Tải trọng gió ở trạng thái làm việc và không làm việc đặt phân bố đều ởcác mắt của dàn ngang Tải trọng gió phân bố đều  trên mặt I của dàn, theocông thức (1.11) [1]:

 = qoncKHTrong đó:

 qo: áp lực động của gió ở độ cao 10m so với mặt đất, đối với: q 16v2,5

+ Trạng thái làm việc: qo = 15 KG/m2.

+ Trạng thái không làm việc: qo = 70 KG/m2.

 n: hệ số điều chỉnh tăng áp lực phụ thuộc vào độ cao so với mặt đất, trabảng 1.6 [1] chọn n = 1.

 c: hệ số khí động học, tra bảng 4.6/91 tacĩ c = (0,35:2,4) ta chọn c = 1,4. KH: hệ số quá tải (tính theo phương pháp ứng suất cho phép KH = 1).

 : hệ số động lực, do đặc tính mạch động của áp suất động của gió Khi tínhnhững chi tiết máy trục theo độ bền chắc:  = (1,1 ; 2,05)ta chọn  = 1,5

+ Ởû trạng thái làm việc:

 = 1511,411,5 = 31,5 KG/m2.+ Ở trạng thái không làm việc:

 = 7011,411,5 = 147 KG/m2. Toàn bộ tải trọng gió tác dụng lên cần, công thức (1.12) [1]: Wc = Fc

 Fc: diện tích chắn gió của cần F = F k

Trang 9

15m

1511022

mFo 

+ k: hệ số kín, đối với dàn chọn k = 0,4 (theo bảng 4.3/ 90)  Fc = 100,4 = 4m2.

Do đó toàn bộ tải trọng gió tác dụng lên cần:+ Ở trạng thái làm việc:

Wc = 31,54 = 126 KG =1260N+ Ở trạng thái không làm việc:

Wc = 1474 = 588 KG =5880NTải trọng gió phân bố đều trên mặt I của cần :

+ Ở trạng thái làm việc:

WgWc 84N/m

151260

Trang 10

 Fh: diện tích mặt chịu gió của hàng, theo bảng 1.8 [1]:

Rmax : Q = 12T  Fh = 10m2  Wh = 31,510 = 315 KG = 3150 N Rtb : Q = 31T  Fh = 20m2  Wh = 31,520 = 630 KG = 6300 N Rmin : Q = 100T  Fh = 36m2  Wh = 31,536 = 1134 KG = 11340 N._ Lực căng trong dây cáp nâng hàng xác định theo công thức (8.55) [5]:

+ h: hiệu suất của những puli chuyển hướng Tra bảng 2.2 [1] chọn h= 0,98

Vậy: Lực căng trong dây cáp nâng hàng:

1229400

Trang 11

hình:5.3+ Trong mặt phẳng nâng cần:

Tầm với lớn nhất: Rmax = 14m : sức nâng Q = 12T và chiều cao nâng H = 6m:  Góc nghiêng của cần nhỏ nhất:

 Góc nghiêng của cáp nâng hàng so với phương ngang: tb 110

Tầm với nhỏ nhất: Rmin = 4,7m : sức nâng Q = 100T và chiều cao nâng H =12,3m:

 Góc nghiêng của cần lớn nhất: max 76o

Trang 12

 Góc nghiêng của cáp nâng cần so với phương ngang: 0

*Ở tầm với trung bình:

*Ở tầm với nhỏ nhất:

X = 0  RH = Shcos(- )+ Sccos(-)

Rmax:  RH = 38026,3cos17o + 795954cos12o = 814925N Rtb:  RH = 88026,3cos34o + 932795cos27o = 904103N Rmin:  RH = 269605,3cos62o + 588717cos52o =494616N Y = 0  RV = Gc + Pt + Shsin(180-+) + Scsin(180)

Rmax: RV =610417340038026,3sin163795954sin168410006N

Rtb: RV = 610417340088026,3sin146932795sin153706104N



Trang 13

+ Trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng nâng cần: hình:5.4

Trang 14

Y = 0  RN = Png + Wh + Wgi1 + Gng

Rmax:  RN = 14450 + 3150 + 5800 + 6000 = 29400N Rtb:  RN = 33450 + 6300 + 5800 + 6000 = 51550N Rmin:  RN = 102450 + 11340 + 5800+ 6000 = 125590N.

Mng  ng  h  gi ng Rmax:  Mng = 139143(N.m)

Rtb:  Mng = 269448(N.m) Rmin:  Mng = 329332(N.m) _ Phản lực gối tựa:

Rmax:RH = 814925N.; Rtb: RH = 904103N.; Rmin: RH = 494616N RV = 410006N RV = 706104N RV = 935363N RN = 29400 N RN = 51550 N RN = 125590N.6 PHƯƠNG PHÁP TÍNH:

Kết cấu cần của cần trục được thiết kế tính toán theo phương pháp ứng suấtcho phép Trong đó ứng suất phát sinh trong kết cấu dưới tác dụng của tảitrọng không được vượt quá trị số ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo

max  

Trong đó :

max: ứng suất lớn nhất trong kết cấu kim loại do tác dụng của tải trọng. []: ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo Đối với vật liệu dẻo:  

 + ch : giới hạn chảy của vật liệu

ch = 2400 2800) kg/cm2

+ n : hệ số an toàn (n = 1,41,6)

Trang 15

_ Ứng suất cắt cho phép :

[] = 0,6[] = (96108) N/mm2

Hiện nay người ta đề ra phương pháp tính mới cách đánh giá mới về độbền kết cấu kim loại máy trục, có xét đến sự làm việc thực tế của vật liệu ởngoài giới hạn đàn hồi, thường là phương pháp tính theo trạng thái giới hạnhay tải trọng phá hoại.

Theo phương pháp tính này kết cấu kim loại không đặt trong trạng tháilàm việc mà đặt trong trạng thái giới hạn, tức là trong trạng thái kết cấu mấtkhả năng chịu tải, không thể làm việc bình thường được nữa, hoặc có biếndạng quá mức, hoặc do phát sinh ra các vết nứt Chính vì thế nên kết quả tínhtheo phương pháp này tiết kiệm hơn phương pháp ứng suất cho phép Tuyvậy, đối với yêu cầu của một số kết cấu, tính theo trạng thái giới hạn đôi khiđưa đến những biến dạng tương đối lớn, vượt quá mức độ cho phép Do đótrong phương pháp tính này người ta đặt biệt chú ý tới biến dạng Phươngpháp tính theo trạng thái giới hạn chưa được hoàn thiện để tính kết cấu kimloại của tất cả các loại máy trục nên chúng ta chủ yếu tính theo phương phápứng suất cho phép vì phương pháp này đã phát triển khá phong phú và hoànchỉnh

Kết cấu kim loại của cần được tính theo hai trường hợp phối hợp tảitrọng sau đây:

Trường hợp thứ nhất: tải trọng không di động tính + tải trọng tạm thờitính khi treo trọng tải lớn nhất ở tầm với lớn nhất.

Trường hợp thứ hai: tải trọng di động tính + tải trọng tạm thời tính khitreo trọng tải lớn nhất ở tầm với lớn nhất + lực quán tính ngang + tải trọnggió ở trạng thái làm việc.

Tải trọng không di động (không kể đế hệ số điều chỉnh) + tải trọng docác thành phần ở đầu cần khi tầm với nhỏ nhất + tải trọng gió ở trạng tháikhông làm việc.

Trang 16

7 XÁC ĐỊNH NỘI LỰC CÁC THANH TRONG DÀN:7.1 Khái niệm:

Dàn là một hệ gồm nhiều thanh thẳng nối với nhau bằng những khớp.Để tăng độ chính xác của phép tính, nội lực trong các thanh cần được xácđịnh theo hệ không gian Tuy nhiên để đơn giản hơn trong các phép tính ta cóthể chia hệ không gian ra nhiều hệ phẳng và mổi hệ phẳng này đặt dưới tácdụng của các hệ lực trong mặt phẳng tương ứng.

Giao điểm của các thanh trong dàn gọi là mắt Khoàng cách giữa cácmắt thuộc cùng một đường biên gọi là đốt Thanh tạo thành chu vi của dàn ởphía trên gọi là thanh biên trên, ở phía dưới gọi là thanh biên dưới Ngoài racòn có các thanh giằng chéo:

Để tính dàn được đơn giản ta thừa nhận giả thiết sau:

_ Mắt của dàn phải nằm tại giao điểm của các trục thanh và được xem làkhớp lý tưởng.

_ Tải trọng chỉ tác dụng tại mắt của dàn.

_ Trọng lượng bản thân của thanh không đáng kể so với tải trọng tác dụnglên dàn.

_ Từ các giả thiết trên ta thấy các thanh trong dàn chỉ chịu lực kéo hoặc nénnghĩa là chịu lực dọc trục mà không có mômen uốn.

7.2 Tính nội lực trong dàn đứng chính:a) Xác định nội lực trong các thanh biên:

_ Phản lực R hay là lực nén N ở đầu cần theo công thức (8.60) [5]: 22

* Ở tầm với lớn nhất: N R81492524100062912254N.

* Ở tầm với trung bình: N R904103270610421147164N.

* Ở tầm với nhỏ nhất: N R494616293536321058087N.

Trang 17

_ Phản lực tựa ngang dưới tác dụng của mômen tựa tổng do các tải trọngngang sinh ra Mng là một cặp lực được tính theo công thức (8.63) [5]:

1,5ngo

R 

Rmax: M = 101925 Nm Rtb: M = 79537,5 Nm Rmin: M = 27225Nm Q = 27180 N Q = 21210N Q = 7260N N = 12690 N N = 21210 N N = 29100N. Xét cần trong mặt phẳng thẳng đứng (ứng với tổ hợp tải trọng IIa ) qc = 4000N/m.

+

Trang 18

Rmax: Rtb: Rmin:

RH =814925N RH =904103N RH = 494614N RV = 410006N RV = 706104 N RV = 935363N Sh = 38026,3 N Sh = 80026,3 N Sh =269605,3N Sc = 795954N Sc = 932795 N Sc = 588717N.

Hình:5

Pt = 173400 N Pt = 401400 N Pt = 12450 N.

Trục cần nghiêng so với phương nằm ngang một góc  Xoay trục cầnmột góc  theo chiều kim đồng hồ ta có được ba giá trị ứng với ba tầm vớikhác nhau : Rmax:  Rtb:   Rmin  Các tải trọngtác dụng lên cần có thể phân tích thành hai thành phần:

27 2829

3026

Trang 19

+ Thành phần vuông góc với trục cần: q1=4000N/m.

+ ngoài ra còn kể đến các lực : SC , Sh , Pt trong quá trình tách mắt Các góc độ giữa các thanh đo thực tế trên cần đã thiết kế

Xác định các nội lực trong mặt phẳng nâng hàng bằng phương pháp tách mắttheo hình:5

0

Trang 20

 Y = 0 => -S1Cos81 + S4 Cos81 – S3 - qcos29 = 0S4 = S1

 X = 0 => S5Cos27 + S6 Cos9 – S2Cos9 = 0