Thiết kế cần trục chân đế mâm quay KPM 32,5 Tấn - Chương 6

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế cần trục chân đế mâm quay KPM 32,5 Tấn

CHƯƠNG VI TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP.

6.1 GIỚI THIỆU VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN

6.1.1 Giới thiệu

Các thép định hình hoặc thép tấm liên kết với nhau tạo nên những kết cấu cơ bản, sau đó cá kết cấu cơ bản được liên kết với nhau tạo thành một kết cấu chịu lực hoàn chỉnh gọi là kết cấu thép

Trong ngành Máy Xếp Dỡ: Cần trục, máy nâng, băng chuyền…đều có cấu tạo cơ bản là kết cấu thép

Nhiệm vụ của việc thiết kế kết cấu thép là phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Yêu cầu về sử dụng: Thỏa mãn về hình học như: Chiều cao nâng, tầm với, thỏa mãn về yêu cầu chịu lực như: độ bền, độ cứng vững, độ bền mỏi, độ ổn định, Tính thẩm mỹ: hình dáng hài hòa, đẹp

Yêu cầu về kinh tế: Tiết kiệm vật liệu, tính công nghệ, tính điển hình hóa trong kết cấu thép

Việc nghiên cứu tính toán kết cấu thép có liên quan đến các nghành khoa học như:

Cơ kết cấu, sức bền vật liệu, lí thuyết đàn hồi, lí thuyết về dao động, công nghệ hàn… Khi tính toán kết cấu thép người ta sử dụng 2 phương pháp tính toán: Phương pháp tính toán theo ứng suất cho phép và phương pháp tính toán theo trạng thái tới hạn

Trong phần tính toán kết cấu thép của cần và vòi ta sử dụng phương pháp tính toán theo ứng suất cho phép

6.1.2 Các thông số cơ bản:

- Chiều dài vòi: Lv = 10,8m

- Chiều dài cần: Lc = 25,6m

Khi tính toán ta xét cần ở 3 vị trí:

6.1.3 Tổ hợp tải trọng và các tải trọng tính toán:

Khi máy trục làm việc nó chịu nhiều loại tải trọng khác nhau tác dụng lên kết cấu, ngoài nội lực trong cần và vòi còn phụ thuộc vào các lực tác dụng lên nó Vì vậy ta cần tính toán cần và vòi theo các tổ hợp tải trọng cụ thể sau:

Bảng tổ hợp tải trọng tính toán kết cấu thép cần và vòi theo phương pháp ứng suất cho phép

Trường hợp tải trọng

 

I

rk n



II

c n



III

c n

2 Trọng lượng hàng và thi ết bị mang

hàng có kể đến hệ số động  và hệ

số va đập Kđ, Kđ’

td

I.Q

 Kđ’.Qtđ  II.Q td Kđ.Q -

3 Các lực quán tính theo phương

ngang của cần trục (khi tăng tốc hoặc

hãm phanh cơ cấu thay đổi tầm với )

4 Góc nghiêng của hàng so với

5 Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu - - - - P gIII

Các tổ hợp tải trọng tính toán kết cấu thép cần trục chân đế tương ứng với sự làm việc của các cơ cấu của cần trục

Tổ hợp Ia, IIa: Cần trục đứng yên chỉ có một cơ cấu nâng làm việc; tính toán khi khởi động ( hoặc hãm ) cơ cấu nâng một cách từ từ ( Ia ), khi khởi động ( hoặc hãm ) cơ cấu nâng một cách đột ngột ( IIa )

Tổ hợp Ib, IIb: Cần trục mang hàng đồng thời lại có thêm một cơ cấu thay đổi tầm với hoạt động, tiến hành khởi động ( hoặc hãm ) cơ cấu một cách từ từ ( Ib ), khởi động ( hoặc hãm ) cơ cấu một cách đột ngột ( IIb )

Tổ hợp III: Cần trục không làm việc mà chỉ chịu tác dụng của trọng lượng bản thân và gió bão

6.2 TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP VÒI

6.2.1 Xác định vị trí tính toán – trường hợp tải trọng tính toán

Để tính toán kết cấu thép vòi ta tiến hành tính toán vòi trong hai mặt phẳng:

- Mặt phẳng nâng hạ

- Mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng nâng hạ

Trong mặt phẳng nâng hạ ta tính vòi trong trường hợp tổ hợp tải trọng IIa

Trong trường hợp tổ hợp tải trọng IIb thì ta tính vòi trong cả hai mặt phẳng đứng và ngang vì lúc này ngoài tải trọng do hàng tác dụng lên cần và vòi còn có lực tác dụng của lực xô ngang do góc nghiêng của hàng so với phương đứng gây lên

Trong mặt phẳng đứng ta coi vòi như một dầm tựa trên 2 gối là chốt liên kết đuôi vòi với giằng ( gối di động ) và chốt liên kết vòi với đầu cần ( gối cố định )

1 Vị trí tính toán:

Trong quá trình làm việc nội lực sinh ra trong vòi luôn thay đổi vì vậy ta cần phải xác định nội lực lớn nhất sinh ra trong các thanh biên và dầm chính của cần để tiến hành kiểm tra bền và ổn định

Để xác định được nội lực lớn nhất sinh ra trong các thanh ta tính toán vòi tại 3 vị trí là:

Rmax, Rtb, Rmin

2 Trình tự tính toán:

- Coi vòi như một khung siêu tĩnh tựa trên hai gối

- Tính các lực tác dụng lên vòi

- Đặt các lực lên sơ đồ tính sau đó dùng phần mềm SAP2000 để tìm biểu đồ nội lực ( M, N,

Q ) tác dụng lên vòi và kiểm tra theo điều kiện bền và ổn định

6.2.2 Tính toán kiểm tra bền vòi trong trường hợp tổ hợp tải trọng II a

Tổ hợp tải trọng IIa được tính khi cần trục đứng yên, nâng hàng hoặc hãm với toàn bộ tốc độ Việc tính toán vòi ở mặt phẳng ngang trong trường hợp tải trọng IIa có thể bỏ qua vì nó ít nguy hiểm so với vòi trong mặt phẳng ngang ở trường hợp tải trọng IIb

Trong trường hợp này có các thành phần tải trọng tác dụng như sau:

+ Trọng lượng bản thân vòi: Gv = 4000 KG

 Trọng lượng phân bố trên chiều dài vòi:

363,64 KG/m

Với:  II: Hệ số động phụ thuộc vào chế độ làm việc của cần trục

Q = 32000 KG, trọng lượng hàng

+ Lực căng cáp treo hàng ở đầu vòi:

+ Lực căng nhánh cáp treo hàng tác dụng vào puly đầu cần

98,0.1

Với a: Bội suất palăng, a =1

: Hiệu suất palăng,  = 0,98

Q: Trọng lượng hàng, Q =32000 KG

Để tiện cho việc tính toán ta chiếu vòi lên phương ngang ta có thành phần các lực sau:

Qtđx = Qtđsin

Qtđy = Qtđcos

 : Là góc hợp bởi phương ngang và trục vòi:

Lực căng cáp được phân thành:

Shx = Sh.sin( - 900 )

Shy = Sh.cos( - 900 )

: Là góc hợp bởi phương của giằng và trục X

Trọng lượng bản thân vòi:

qvy = qv.cos ( Ta bỏ qua trọng lượng vòi theo phương x )

Khi đó ta có sơ đồ tính vòi như sau:

Biểu đồ nội lực của vòi tại vị trí tầm với: Rmax

* Biểu đồ lực cắt:

* Biểu đồ mô men:

* Biểu đồ lực dọc:

Tại tầm với Rtb:

M(KG.m)

Q(KG)

25587,36

Biểu đồ nội lực của vòi tại vị trí tầm với: Rtb

* Biểu đồ lực cắt:

* Biểu đồ mô men:

* Biểu đồ lực dọc:

Tại tầm với Rmin:

Biểu đồ nội lực của vòi tại vị trí tầm với: Rmin

* Biểu đồ lực cắt:

* Biểu đồ mô men:

* Biểu đồ lực dọc:

6.2.3 Tính toán kiểm tra bền vòi trong trường hợp tổ hợp tải trọng II b

Trong trường hợp tổ hợp tải trọng IIb thì còn có lực ngang tác dụng lên vòi khi đó tải trọng lên vòi được chia làm hai mặt phẳng: Mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang

- Trong mặt phẳng thẳng đứng: Ta tính vòi tương tự như trong trường hợp tổ hợp tải trọng IIa, tuy nhiên có lực quán tính tiếp tuyến do cơ cấu thay đổi tầm với gây ra

- Trong mặt phẳng nằm ngang: Đây là hệ cần có vòi giằng mềm nên khi tính toán vòi

ta coi vòi như một dầm nằm trên 2 gối tại vị trí liên kết vòi với đầu cần Trong tính toán ta có thể coi vòi ở mặt phẳng ngang là một dầm có liên kết ngàm tại vị trí liên kết dầm với đầu cần

1 Tính vòi trong mặt phẳng nâng

Các thành phần tải trọng tác dụng lên vòi trong mặt phẳng nâng

+ Trọng lượng hàng không kể tới hệ số động

Q = 32000 KG

+ Lực căng cáp treo hàng: Sh = 32653,06 KG

+ Trọng lượng bản thân vòi phân bố đều

+ Lực quán tính do phần cơ cấu thay đổi tầm với gây ra:

- Đối với vòi: Pqtvtt =

t

V.g

Q

+ Vt: vận tốc di chuyển ngang của hàng tại vị trí xét

+ t: thời gian khởi động (hãm) của cơ cấu thay đổi tầm với

Đối với vòi ta chỉ xét lực này tại đầu vòi nơi có treo hàng:

43318,7 4908,73

82156,31 32219,8

18962,4

66177,07 211242,4

M(KG.m)

Q(KG)

67098,9

Biểu đồ nội lực của vòi:

Tầm với Rmax:

2 Tính vòi trong mặt phẳng ngang

Các thành phần tải trọng tác dụng lên vòi trong mặt phẳng nằm ngang:

+ Thành phần tải trọng ngang T do lắc động cáp treo hàng gây ra:

T = Q.tg

Trong đó:

Q = 32000KG Trọng lượng hàng

 = 150 Góc nghiêng của cáp treo hàng so với phương thẳng đứng

 T = 32000.tg150 = 7682,52KG

Để thuận tiện cho việc tính toán ta đặt lực T ngay tại đầu mút của vòi

+ Áp lực gió tác dụng lên vòi theo phương ngang:

Tải trọng này coi là phân bố đều lên kết cấu thép theo phương song song với mặt đất và tuỳ thuộc vào chiều cao của kết cấu được xét:



 .F n c q

Trong đó:

- qII: áp lực gió lớn nhất khi cần trục làm việc: qII = 25 KG/m2

- F: diện tích chắn gió của kết cấu

- n: hệ số kể đến sự tăng áp lực gió theo chiều cao

n = 1,32 (H = 10  20 m)

- c: hệ số cản khí động học, c = 1,2 (dầm)

-  : hệ số động lực học kể đến xung động của tải trọng gió

- : hệ số kể đến phương pháp tính; với phương pháp tính theo ứng suất cho phép  =

1

 Xét tải trọng gió tác dụng lên vòi:

- Với việc tính toán sơ bộ ta sẽ chỉ xét vòi như một dầm và tải trọng gió sẽ tác dụng vào mắt trên dầm chính (khi tính toán theo phương nâng hạ)

- Chọn sơ bộ dầm hộp có tiết diện đều 11 m

+) Trong mặt phẳng nằm ngang:

Tải trọng sẽ phân bố đều dọc theo chiều dài vòi:

F = 0,4.11 = 4,4 m2 Tải trọng gió phân bố suốt chiều dài vòi:

v

v g v g L

Sơ đồ tính vòi trong mặt phẳng nằm ngang:

Biểu đồ nội lực của vòi tại mặt phẳng ngang ta dùng Sap2000 để tìm nội lực trong vòi trong mặt phẳng ngang:

Q(KG)

119,6661061,2

191,46

180,4

60995,5112,75

7957,357682,52

Q(KG)

M(KG.m)

Biểu đồ nội lực của vòi trong mặt phẳng ngang

Tại vị trí Rmax

* Biểu đồ lực cắt:

* Biểu đồ mô men:

61134,21 127,34

7992,92 7682,52

Q(KG)

M(KG.m)

Tại vị trí Rmin

* Biểu đồ lực cắt:

* Biểu đồ mô men:

6.3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP CẦN

Ta tiến hành tính toán cần ở tổ hợp tải trọng IIa và IIb ứng với 3 vị trí của cần: Rmax,

Rtb, Rmin và tính cần trong 2 mặt phẳng: Mặt phẳng đứng và mặt phẳng nằm ngang Trong mặt phẳng nâng coi cần như một dầm công xon đặt trên hai gối:

-Một gối cố định là chốt đuôi cần

-Một gối di động là chốt liên kết cần với thanh răng thay đổi tầm với

Trong mặt phẳng ngang coi cần như một dầm bị ngàm chặt một đầu tại chốt đuôi cần

6.3.1 Tính toán kiểm tra bền cần ở tổ hợp tải trọng II a

1.Tính toán kiểm tra bền cần trong mặt phẳng nâng

Các tải trọng tác dụng lên cần:

+ Lực trong thanh giằng đối trọng

b

L G

T dt. d



Với:

Gđt: Trọng lượng của đối trọng

Lđ: Cánh tay đòn từ vị trí của chốt thanh giằng đối trọng đến trọng tâm đối trọng

b: Là cánh tay đòn của lực T

0 n c

q

P c  (Kg/m2)

q0: ¸p lực gió tác dụng lên cần ở độ cao 10m, q0 =15 (KG/m2)

n: Hệ số hiệu chỉnh áp lực gió phụ thuộc vào độ cao so với mặt đất, n=1,5

c: Hệ số khí động học phụ thuộc vào hình dáng kết cấu, c =1

: Hệ số quá tải,  = 1

: Hệ số động lực, = 1

Pc: 15 1,5 1,4 1.1 = 31,5 ( KG/m2)

: Góc hợp bởi cần và phương nằm ngang

Fc: Diện tích chắn gió của cần (m2); Fc = 27,94 (m2)

qg: Trọng lượng gió phân bố trên chiều dài cần

+ Trọng lượng bản thân cần: Gc = 10000KG

L

G q c

c

6,25

Với a: Bội suất palăng, a =1

: Hiệu suất palăng,  = 0,98

Q: Trọng lượng hàng, Q =32000 KG

208229,5

324491,19 322253,97

216659,6

N(KG) M(KG.m)

110731,33 116841,97

91931,12 Q(KG)

Tại tầm với Rmax:

Ty = T.sin.(  là góc hợp bởi thanh giằng đối trọng và đường tâm của cần)

Biểu đồ nội lực của vòi tại vị trí tầm với: Rmax

* Biểu đồ lực cắt:

* Biểu đồ lực mô men:

* Biểu đồ lực dọc:

Tại tầm với Rtb:

Ty = T.sin (  là góc hợp bởi thanh giằng đối trọng và đường tâm của cần)

99434,6 94656,2

24265,9 38750,1

54166,25 79719,85

149303,75 147505,96

N(KG) M(KG.m) Q(KG)

R2y = R2.cos = 17734,5.cos600 = 10424,08KG

Biểu đồ nội lực của vòi tại vị trí tầm với: Rtb

* Biểu đồ lực cắt:

* Biểu đồ lực mô men:

* Biểu đồ lực dọc:

Tại tầm với Rmin:

Ty = T.sin.(  là góc hợp bởi thanh giằng đối trọng và đường tâm của cần)

Biểu đồ nội lực của vòi tại vị trí tầm với: Rmin

* Biểu đồ lực cắt:

* Biểu đồ lực mô men:

* Biểu đồ lực dọc:

25,6 6,7

x

6.3.2 Tính toán kiểm tra bền cần ở tổ hợp tải trọng II b

1.Tính toán kiểm tra bền cần trong mặt phẳng nâng

Các tải trọng tác dụng lên cần:

+ Trọng lượng hàng: Q = 32000KG

+ Trọng lượng bản thân cần, tải trọng gió phân bố đều, lực trong thanh giằng đối trọng ta lấy giống ở tổ hợp tải trọng IIa

+ Phản lực của vòi tác dụng lên cần

+ Lực quán tính do phần cơ cấu thay đổi tầm với gây ra:

- Vt: vận tốc di chuyển ngang của hàng tại vị trí xét

- t: thời gian khởi động (hãm) của cơ cấu thay đổi tầm với

- Đối với cần: Ptvtt =

t

V g

209944,7

327135,05 31512,38

81612,09

218431,0

N(KG) M(KG.m)

117779,2 150908,16

Q(KG)

186613,1 179136,9141538,4

44307,91 63182,11

94833,72 279645,7

N(KG) M(KG.m) Q(KG)

Tại tầm với Rmax:

Tại tầm với Rmin:

Trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng nâng hạ ta xem cần như một dầm có một liên

kết ngàm tại chốt đuôi cần

Các tải trọng tác dụng lên cần trong mặt phẳng ngang

+ Thành phần tải trọng ngang T do lắc động cáp hàng gây ra tác dụng lên vòi nhưng gây xoắn cần:

T = Q.tg = 30000.tg150 = 7682,52 (KG) + Tải trọng gió tác dụng lên cần theo phương ngang:

C C C

, 57 1 , 21

Pc



Coi tải trọng gió tác dụng lên cần trong mặt ngang là lực phân bố suốt chiều dài cần:

) / ( 6 , 47 6

, 25

53 , 1218

m KG L

P q

C

C g C

* Biểu đồ nội lực do các tải trọng gây ra cho cần:

Biểu đồ nội lực của cần:

Trong trương hợp này ta chỉ tính cần tại một vị trí có MA lớn nhất là vị trí: Rmax

* Biểu đồ lực cắt:

* Biểu đồ mô men:

6.4 TÍNH VÀ KIỂM TRA BỀN VÒI:

Việc tính toán tiết diện vòi dựa vào mô men uốn dọc, mô men uốn ngang, lực cắt, lực dọc trên các biểu đồ nội lực

X¸ác định mặt cắt ngang nguy hiểm để tính vòi:

Mặt cắt nguy hiểm là mặt cắt có mô men uốn, lực cắt, lực dọc và những mặt cắt có tiết diện kích thước nhỏ

1 Kiểm tra mặt cắt vòi qua gối tại vị trí liên kết với đầu cần

mm H

mm B

mm B

)(2340010

.1170.2

2

2400015

.800.2.2

2

2 0

2

mm F

F F

F

mm H

F

mm B

F

t b i

t t

b b

15.80012

)(22500012

15.80012

4 7 3

3 2

,

1

4 3

3 2

b x

0

0 0



Ta được:

) ( 10 64

) ( 10 42129

4 7 1

2 0 2 , 1 0

2

,

1

4 5 0

2 ,

1

1 2 0 2 , 1 0

2

,

1

mm F

X J

J

mm J

F Y J

J

y y

X

x x

1170.1012

)(10.35,1312

1170.1012

4 3

0 3 4

,

3

4 8 3

3 0 4

,

3

mm

H J

mm

H J

t y

t x

)(10.35,13

.0

)(3932

107762

4 8 0

4

,

3

3 2 0 4 , 3 0

4

,

3

4 8 0

4

,

3

3 2 0 4 , 3 0

34

0

0 0

mm J

F X J

J

mm J

F Y J J

x

x x

2

)(0112,0)(10.11,110.35,1310.4212922

4 4

8 8

7

0 4 , 3 0

2 , 1

4 4

10 8

5

0 4 , 3 0

2 , 1

m mm

J

J J

J

m mm

J

J J

J

y

y y y

x

x x x

0112,

max

m Y

0393,0

004894,

max

m X

J

Vậy ta có:

-> Ứng suất pháp lớn nhất sinh ra trong tiết diện

)/(27,1061

0474.0

4331801245

.0

1,262240019

.0

21,61134

2 max

max

max

cm KG

F

N W

M W

y y

x x

c x x Qx

b J

S Q

.23401185

*24000

2

cm S

H F H

Jx: Mô men quán tính của tiết diện đối với trục X, Jx =111.104 (cm4)

bxc: Chiều rộng tiết diện bị cắt

bcx = 2.t = 2.1 = 2(cm)

) / ( 94 ,

cm KG

 

)(27990786

.23400400

*24000

2

3 0

cm S

B F

B F

S

c

y

t t

J : Mô men quán tính của tiết diện đối với trục Y: Jy = 489400 (cm4)

by: Chiều rộng tiết diện bị cắt

byc =2b = 2.1,5 = 5 (cm)

- Ứng suất tương đương

)2/(1650

285890321061

]­

[23

2max

cm KG td

Với thép 16Γ2AΦ : [] = 292,85 ( N/mm2 )

-> td < [] -> Tiết diện dủ bền

2 Kểm tra vòi tại tiết diện đầu vòi:

* Xác định mô men quán tính đối với các trục X,Y

+ Xét tấm: 1,2

)(10.63

)0(

5550.2

.5

,104062

)(10.6212

15.37012

)(5,10406212

15.37012

4 6 2

, 1 0

2

,

1

0 1 2 0 2 , 1 0

2

,

1

2 0 0

2

,

1

1 2 0 2 , 1 0

2

,

1

4 6 3

3 2

,

1

4 3

3 2

,

1

mm J

J

X F X J

J

H J

F Y J J

y y

b x

x x

b y

b x

4

,

3

3 2 0 4 , 3 0

4

,

3

4 6 4

, 3 0

4

,

3

0 3 2 0 4 , 3 0

4

,

3

4 3

0 3 4

,

3

4 6 3

3 3

0 4

,

3

167335200

5400.264800

)(10.125,91

)0(

)(6480012

480.1212

10.125,9112

480.1212

480.1212

mm J

B J

F X J

J

mm J

J

Y F Y J J

mm

H J

mm

H J

y

t y

y y

x x

x x

t y

t x

4 8 7

6

0 4 , 3 0

2 , 1

4 4

4 8 6

7

0 4 , 3 0

2 , 1

10 606

,

4

) ( 10 606 , 4 10 73 , 16 10 63

2

2

) ( 10

m

mm J

J J

J

m

mm J

J J

J

y

y y y

x

y y x