Thiết kế cầu trục một dầm Q=5T L=16,5m - Chương 4

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế cầu trục một dầm Q=5T L=16,5m

Chương 4: TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP CẦU TRỤCTrong ngành máy trục vận chuyển, phần kết cấu thép giữ vai trò quan trọng và nó chiếm một tỷ trọng rất lớn trong khối lượng toàn máy. Riêng đối với các loại cầu trục, kết cấu thép có vai trò còn quan trọng hơn. Nó chẳng những dùng làm giá đỡ cho tất cả các cơ cấu toàn máy mà còn là nơi chòu toàn bộ các loại tải trọng đặt lên.Đối với cầu trục một dầm, đặc biệt là loại cầu trục có khẩu độ rất lớn như trên (L = 16.5) thì việc tính toán và lựa chọn phương án chế tạo phần kết cấu thép đáp ứng đầy đủ tất cả các yêu cầu làm việc là rất quan trọng.4.1. Các trường hợp tổ hợp tải trọng:Tải trọng tính toán phần kết cấu thép cầu trục được phân chia thành các trường hợp tổ hợp tải trọng như sau:Tải trọngTính theo độ bền mỏiTính theo bền và ổn đònh[ ]Irkrknc/σσ=[ ]IIcn/σσ=Các trường hợp tải trọngaIbIaIIbIIcIITrọng lượng cầu CG có hệ số va đập KđcGK’đ*cGcGKđ*cGcGTrọng lượng Palăng Gpl có hệ số KđGplK’đ*GplGplKđ*GplGplTrọng lượng hàng nâng Q có tính đến hệ số Kđ ,ψ∋ψ Q*IK’đ*∋ψQ*IIψKđ *∋QQLực quán tính ngang khi hãm CCDC cầu trục qtPhoặc palăng điện xqtPPqtmaxqtPxqtPTrong đó: 41 Các trường hợp tải trọng quy đònh sự làm việc của các cơ cấu như sau :+ aI: Cầu trục đứng yên, tiến hành nâng hàng từ mặt nền hoặc hãm hàng khi đang hạ với nửa tốc độ.+ aII: Cầu trục đứng yên, tiến hành nâng hàng từ mặt nền hoặc hãm hàng khi đang hạ với toàn bộ tốc độ.+ bI: Cầu trục di chuyển có hàng khi phanh từ từ.+ bII: Cầu tục di chuyển có hàng khi phanh đột ngột.+ cII:Cầu trục không di chuyển, palăng điện có hàng di chuyển và phanh palăng một cách đột ngột (dùng để tính toán kiểm tra dầm đầu của cầu).4.2. Xác đònh các phần tử trong bảng tổ hợp tải trọng :4.2.1. Trọng lượng bản thân của cầu trục:Trọng lượng bản thân cầu trục bao gồm: trọng lượng phần kết cấu thép, cơ cấu di chuyển cầu và thiết bò điện.)kG(3588)T(588.3Gc=≈4.2.2. Trọng lượng palăng điện:570Gpl=(kG)4.2.3. Hệ số va đập khi di chuyển:Dựa vào tốc dộ di chuyển cầu v = 40 (m/ph) = 0,67 (m/s), tra bảng (4-12)-[03], ta chọn hệ số va đập tính theo độ bền 1Kđ=. Hệ số va đập khi tính đến độ bền mỏi K’đ được tính theo Kđ như sau:K’đ = 1 + 0.5*(Kđ -1) = 14.2.4. Hệ số động khi nâng hạ hàngHệ số động ψ được xác đònh qua công thức gần đúng như sau:nIV*025.01+=ψ(1.06.1)-[03]nIIV*04.01 +=ψ(1.06.2)-[03]Với Vn = 6.7 (m/ph): tốc độ nâng hàng của palăng điện.1675.17.6*025.01I=+=ψ⇒268.17.6*04.01II=+=ψ⇒4.2.5. Trọng lượng hàng nâng :Q = 5 (T) = 5000 (kG)4.2.6. Lực quán tính ngang qtP:42 4.2.6.1. Khi cầu trục di chuyển, tiến hành hãm cầu trục làm xuất hiện lực quán tính có phương ngang theo phương di chuyển của cầu trục.tV*)mm(J*mPdchcdcqt+==(1.09)-[03]Trong đó:+ mc = 3588 (kG):Trọng lượng toàn bộ cầu trục.+ mh = 5000 (kG): Trọng lượng hàng nâng đònh mức.+ Vdc = 40 (m/ph) = 0,67 (m/s).+ t = 2 (s): Thời gian gia tốc (hoặc phanh hãm) cầu trục.2877267.0*)50003588(Pqt=+=⇒ (kG)Khi gia tốc cầu trục một cách đột ngột, lực quán tính ngang được tính giá trò lớn gấp hai lần giá trò đònh mức.57542877*2P*2pqtmaxqt===(kG) (1.10)-[0.3]4.2.6.2. Lực quán tính do khối lượng xe tời và hàng khi phanh xe con. Lực này sẽ tác dụng lên dầm đầu và là tải trọng để tính toán kiểm tra bền và ổn đònh dầm đầu (tổ hợp IIc).4.3. Tính toán dầm chính:4.3.1. Tính chọn sơ bộ tiết diện mặt cắt ngang của dầm chính.4.3.1.1. Xác đònh mômen uốn lớn nhất theo phương thẳng đứng.Trên dầm chính, cụm palăng di chuyển trên 4 bánh xe. Để bài toán được đơn giản ta xem như áp lực của các bánh xe tác dụng lên dầm là N1, N2 và khoảng cách giữa các tải trọng là b =220 (mm) (khoảng cách giữa tâm 2 bánh xe 2 bên là bằng nhau ).2785257050002GQNNpl21=+=+==(kG)Sơ đồ tính toán:43 Hình: 4.1+ Phản lực tại gối tựa A.bLNxLNN)NN(qL21)]bxL(*N)xL(*NqL21[*L1R22121212A−+−++=−−+−+=Với )mkG(5.2175.163588LGqc=== khối lượng dầm phân bố trên một đơn vò chiều dài.+ Mômen uốn ở tiết diện dầm dưới tải trọng N1 nằm cách gối tựa A một khoảng cách x, phương trình M1(x) có dạng parabol.22212212221212Ax1qx21xLNNx*)bLNNNqL21(qx21x*]bLNxLNN)NN(qL21[qx21x*R)x(MM−+−−++=−−+−++=−==(01)Để xác đònh vò trí ứng với giá trò mômen uốn dưới bánh xe 1 là lớn nhất ta tìm cực trò của hàm số M1(x) và cho 0dx)x(dM1=.0qxxLNN2)bLNNNqL21(dx)x(dM212211=−+−−++=0x)qLNN2()Lb1(NNqL212121=++−−++⇔44 qLNN2)Lb1(NNqL21x2121++−++=⇒(02)Thay qLNN2)Lb1(NNqL21x2121++−++= vào (01), ta được:++−++=⇒qLNN22)Lb1(NNqL21M21221max(03)+ Lực cắt lớn nhất trên dầm chính xuất hiện tại gối tựa của dầm chính khi xe con di chuyển đến vò trí tận cùng của dầm chính (dầm đầu).qL21Lb1NNR21maxA+−+=(04)Thay các giá trò vào (02), (03) và (04) ta được các giá trò:+ Tại x = 8.2 (m) thì:RA = 4558.8 (kG)Mmax = 30070 (kG.m) = 3007000 (kG.cm)+ Lực cắt lớn nhất xuất hiện tại gối tựa.=maxAR 7327 (kG)4.3.1.2. Xác đònh chiều cao của dầm.Chiều cao của dầm ảnh hưởng lớn đến độ bền, độ cứng, độ ổn đònh và tính kinh tế của nó. Khi chiều cao của dầm tăng thì trọng lượng tấm thành (bản bụng) có tăng, song trọng lượng của tấm biên (bản cánh) lại được giảm đi tương ứng để đảm bảo mômen chống uốn của dầm giữ nguyên. Khi đó dầm sẽ có nhiều ưu điểm hơn dầm có cùng môđun chống uốn nhưng chiều rộng bản cánh lớn.Chiều cao lớn nhất của dầm hmax hạn chế bởi điều kiện để nhận được khối lượng dầm nhỏ nhất là Gmin. Chiều cao nhỏ nhất của dầm hmin hạn chế bởi điều kiện độ võng của dầm (f) và thời gian tắt dao động (t).Chiều cao tối ưu của dầm có thể xác đònh bằng tính toán. Để sử dụng hoàng toàn vật liệu của dầm: căn cứ vào mômen chống uốn của dầm do tải trọng gây ra M để xác đònh mômen chống uốn cần thiết của tiết diện dầm.180416673007000][MWmax==σ≥ (cm3)Trong đó:45 + ==σ2cmkG16675.12500][: cường độ tính toán gốc (vật liệu là thép CT3).+ Mmax = 3007000 (kG.cm): Mômen uốn lớn nhất tại tiết diện nguy hiểm nhất.– Chiều cao của dầm hmax xác đònh theo điều kiện khối lượng của dầm là nhỏ nhất nhưng vẫn đảm bảo nhận được mômen chống uốn của tiết diện W cần thiết.Hình: 4.2Đặt trọng lượng của một đơn vò chiều dài dầm là g, khi đó:β+= *)gg(gbtmkGTrong đó:+ γδ= *h*2gttt: trọng lượng chiều dài 1 mét chiều dài 2 tấm bản thành dầm.+ γ= *F*2gbb: trọng lượng 1 mét chiều dài 2 tấm biên của dầm.+ γ: trọng kượng riêng của vật liệu chế tạo dầm.+ 3.1=β: hệ số kết cấu phụ thuộc vào trọng lượng các gân tăng cứng và các bản ngăn tăng cứng của dầm.Mômen quán tính của tiết diện (hình vẽ).46 2tb3tt2tb3ttbt2h*F26h*2h*F212h*2JJJ+δ=+δ=+=Công thức trên nhận được khi ta bỏ qua mômen quán tính của tấm biên đối với trục trung hòa của nó và coi chiều cao thành dầm gần bằng chiều cao dầm: ht = h.Vậy mômen chống uốn của dầm được xác đònh như sau:h*F3h*2hJWb2t+δ==3h*hWFtbδ−=⇒Thay Fb vào ta được:+δγβ=δ−+δγβ=hWh*32***23h*hWh***2gtttĐể tìm chiều cao dầm tương ứng sao cho trọng lượng dầm là nhỏ nhất ta đạo hàm biểu thức (…) theo h và cho bằng 0 để tìm cực trò.0hW32***2dhdg2t=−δγβ=Chiều cao tiết diện dầm ứng với trọng lượng dầm nhỏ nhất tức chiều cao kinh tế của dầm được tính theo công thức.tkt2W3hδ=⇒Song độ mảnh của thành dầm không được vượt quá một giới hạn nhất đònh khi xét đến độ bền của tấm thành dưới tác dụng của ứng suất tiếp và vấn đề ổn đònh cục bộ của nó. Vì vậy chiều cao lớn nhất của dầm cần xác đònh theo công thức (chọn 6.0t=δ (cm)):28.736.0*22148*32W3htmax==δ≤ (cm)Chọn h = 71 (cm).4.3.1.3. Xác đònh kích thước thành dầm.Kích thước các bộ phận dầm tổ hợp, chiều dày của các tấm và kích thước của dầm tổ hợp được chọn sơ bộ. Sau khi đã chọn được tiết diện dầm tổ hợp sẽ tiến hành kiểm tra theo các điều kiện độ bền, độ cứng và độ ổn đònh của dầm.Chiều cao thành dầm ht gần bằng chiều cao của dầm (hht≈). Để sử dụng tiết kiệm các thép tấm cán sẵn từ các nhà máy chế tạo, nên lấy chiều cao tấm thành là bội số của 10 (cm). Khi đó mức độ hao phí vật liệu chế tạo sẽ ít.bt3hh δ−=Trong đó:47 + bδ: Chiều dày của bản cánh (tấm biên). Do xe con di chuyển ở bản cánh dưới của dầm nên ta chọn chiều dày bản cánh dưới gấp đôi chiều dày bản cánh trên (bbtbd22 δ=δ=δ). Chọn 1b=δ (cm).681*371ht=−=⇒ (cm)4.3.1.4. Xác đònh chiều rộng tấm biên.Để đảm bảo ổn đònh tổng thể của kết cấu dầm ta nên chọn.3.205.3715.3hB5.3Bh==≥⇒≤ (cm)Vậy ta chọn B = 40 (cm).Tiết diện dầm được chọn có dạng như sau:Hình: 4.34.3.2. Xác đònh nội lực trong dầm chính trong trường hợp trường hợp tải trọng IIa. 48 Đối với trường hợp này, ta tiến hành tính toán khi cầu trục đứng yên, cơ cấu nâng làm việc với mã hàng đònh mức (Q = 5 (T) = 5000 (kG)), tiến hành khởi động (hoặc hãm) cơ cấu nâng một cách đột ngột với toàn bộ tốc độ.4.3.2.1. Các tải trọng đặt lên dầm chính bao gồm:– Trọng lượng bản thân dầm chính Gc = 3588 (kG). Như vậy phần tải trọng này là loại tải trọng phân bố dọc chiều dài dầm chính và có trò số:5.2175.163588LGqc===mkG– Trọng lượng palăng điện: Gpl = 570 (kG).– Trọng lượng hàng nâng có tính đến hệ số động khi nâng hạ hàng IIψ:63405000*268.1Q*GIIh==ψ=(kG)Trên dầm chính, cụm palăng di chuyển trên 4 bánh xe. Để bài toán được đơn giản ta xem như áp lực của các bánh xe tác dụng lên dầm là N1, N2 và khoảng cách giữa các tải trọng là b =220 (mm) (khoảng cách giữa tâm 2 bánh xe 2 bên là bằng nhau ). Áp lực đặt lên các bánh xe là do trọng lượng hàng và palăng gây nên. Do khoảng cách giữa 2 bánh xe tương đối nhỏ (b = 220 (mm)) so với chiều dài cầu trục L = 16.5 (m), như đã chứng minh ở trên: điểm gây ra mômen uốn cực đại tại x = 8.2 (m) là gần giữa dầm. Để bài toán được đơn giản và tính toán một cách gần đúng ta coi như trọng lượng của palăng và hàng là tải trọng tập trung có điểm đặt là điểm giữa 2 trục bánh xe di chuyển palăng theo chiều dọc dầm chính.Sơ đồ tính toán dầm chính khi palăng nâng cùng mã hàng ở vò trí bất lợi nhất là ngay giữa dầm như sau:49 Hình: 4.4Xác đònh phản lực tại các gối tựa:∑−++↔=Bhpl2AR2L*)GG(2Lq0M4.5249)57063405.16*5.217(21)GGL*q(21RplhB=++=++=⇒(kG)– Ta lại có:0GGL*qRRplhBA=−−−+4.5249)57063405.16*5.217(21)GGL*q(21RplhA=++=++=⇒(kG)– Giá trò lực cắt tại C:345525.16*5.2174.52492LqRQAC=−=−=(kG)– Giá trò momen uốn tại C:8.359055.16*5.217*8125.16*4.5249L*q812L*RM22BC=−=−=(kG.m)4.3.2.2. Kiểm tra bền dầm chính trong trường hợp tổ hợp tải trọng IIa:Ta chọn vật liệu chế tạo dầm chính là thép CT3 có các đặc trưng cơ tính như sau:50 [...]... nên dầm chính thỏa mãn điều kiện bền  4. 4 Tính toán dầm bên (dầm đầu): 4. 4.1 Kết cấu dầm đầu: 55 240 250 10 Tham khảo máy mẫu, ta chọn kết cấu dầm đầu là kết cấu kiểu hộp, được chế tạo bằng thép CT3 Dầm đầu được tạo thành do ghép các tấm thép lại với nhau bằng phương pháp hàn – Tiết diện mặt cắt ngang của dầm đầu như sau: 10 150 10 Hình: 4. 7 + Chiều cao dầm đầu: H = 250 (mm) = 25 (cm) + Chiều rộng dầm. .. Như vậy, khi tải trọng P đặt ở giữa nhòp dầm (tại điểm C) thì độ võng ở giữa dầm có giá trò là: y (L / 2) = y C = y 2 = P*b P (3L2 − 4 b 2 ) = L3 48 EJ X 48 EJ X (2) Như vậy độ võng cần tìm của dầm chính là: 75 Hình: 4. 20 – Cộng (1) và (2) ta được: y = y1 + y 2 = Trong đó: 5q P L4 + L3 384EJ X 48 EJ X  kG   kG   = 2.175   : Trọng lượng dầm phân bố trên một  m   cm  + q = 217.5  đơn vò chiều... của tiết diện dầm hộp: + Mômen quán tính đối với trục X JX = 181308 (cm4) 51 + Mômen quán tính đối với trục Y JY = 53198 (cm4) + Mômen chống uốn đối với trục X-X WX = 5107.3 (cm3) + Mômen chống uốn đối với trục Y-Y WY = 2876 (cm3) Áp dụng phương pháp tính theo ứng suất cho phép, ta kiểm tra độ bền dầm chính theo công thức sau: σ ≤ [ σ] = σ c 2500  kG  = = 1667 2  n 1.5  cm  (2.1 )-[ 03] Trong đó:... = 40 00 ⇒ [ N ] kbl = 1.57 * 40 00 = 6280 70 94. 3 ⇒ = 886.79 ≤ 1.1 * 6280 = 6910 8    (kG) (kG) Vậy mối ghép bulông đủ bền 4. 5.5 Tính toán kiểm tra bền mối ghép hàn: – Để đảm bảo yêu cầu công việc, cầu trục được thiết kế cần phải có khẩu độ là L = 16.5 (m) Với khẩu độ tương đối lớn như vậy, việc gia công chế tạo dầm cần liền nguyên khối nhằm đảm bảo khả năng chòu lực đồng đều tại mọi vò trí của dầm. .. (7.1 )-[ 01], hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc hàn ⇒τ= 345 5 6 * 35905.5  kG + = 4. 312 2 2 0.5 * 1633 0.5 * 1633  cm Vậy mối hàn đủ bền   kG  ,  ≤ [ τ] = 1365 2    cm  4. 6 Tính toán độ võng của dầm Để tính độ võng của dầm một cách gần đúng ta giả thuyết đưa bài toán về dầm liên tục đặt trên hai gối (hai dầm đầu) và tải trọng tác dụng lên dầm chính là tải trọng tập trung đặt ở giữa dầm (khoảng... B = (q * L + G h + G pl ) = (217.5 * 16.5 + 6 340 + 570) = 5 249 .4 2 2 ∑ MA = 0 ⇔ q (kG) – Ta lại có: R A + R B − q * L − G h − G pl = 0 ⇒R A = 1 1 (q * L + G h + G pl ) = (217.5 * 16.5 + 6 340 + 570) = 5 249 .4 2 2 (kG) – Giá trò momen uốn tại C: 54 MC = RB * IIb: L 1 16.5 1 − q * L2 = 5 249 .4 * − * 217.5 * 16.5 2 = 35905.8 2 8 2 8 (kG.m) 4. 3.3.2 Kiểm tra bền dầm chính trong trường hợp trường hợp tải trọng... 16.5*102 (cm): Khẩu độ của cầu trục  kG  2  : Môđun đàn hồi trượt  cm  + E = 2.1*106  + JX = 181308.3 (cm4): Mômen quán tính 5 * 2.175 (16.5 * 10 2 ) 4 6 3 84 * 2.1 * 10 * 181308.3 5570 + (16.5 * 10 2 ) 3 = 0.55 + 1.369 = 1.919(cm ) 6 48 * 2.1 * 10 * 181308.3 ⇒ y = y1 + y 2 = – Độ võng theo phương thẳng đứng của dầm chính khi thử tải với 125% tải tónh Theo (1 .4 )-0 3], đối với cầu trục dẫn động điện, ta... kiện ổn đònh σ ≤ σ TH  kG  = 43 75 2  nên tấm biên dưới đảm bảo điều  cm  4. 5 .4 Tính toán kiểm tra bền mối ghép bulông: Do những thành tựu về hàn mà phương pháp liên kết bằng bulông ngày càng ít được sử dụng Liên kết bulông được sử dụng trong các cấu kiện lắp ráp Ngoài ra còn sử dụng cho các liên kết sử dụng trong thời gian ngắn Việc liên kết các kết cấu thép của cầu trục chòu tải trọng động và dao...  cm  Vậy dầm thỏa điều kiện bền 4. 3.3 Xác đònh nội lực trong dầm chính trong trường hợp tổ hợp tải trọng IIb: Đối với trường hợp này, ta tiến hành tính toán di chuyển của cầu trục khi có hàng, tiến hành khởi động (hoặc hãm) cơ cấu di chuyển cầu một cách đột 52 ngột Khi này sẽ xuất hiện tải trọng quán tính tác dụng lên di chuyển, gây ra mômen uốn ngang dầm 4. 3.3.1 Các tải trọng đặt lên dầm chính bao... cơ cấu di chuyển của cầu trục 1 cách đột ngột với gia tốc lớn nhất Pqt = m * J dc = (m c + m h ) * Vdc t (1.09 )-[ 03] Trong đó: + mc = 3588 (kG):Trọng lượng toàn bộ cầu trục + mh = 5000 (kG): Trọng lượng hàng nâng đònh mức + Vdc = 40 (m/ph) = 0,67 (m/s) + t = 2 (s): Thời gian gia tốc (hoặc phanh hãm) cầu trục ⇒ Pqt = (3588 + 5000) * 0.67 = 2877 2 (kG) Khi gia tốc cầu trục một cách đột ngột, lực quán . ]=σ<=σ2cmkG166765.1115, nên dầm chính thỏa mãn điều kiện bền .4. 4. Tính toán dầm bên (dầm đầu) :4. 4.1. Kết cấu dầm đầu:55 Tham khảo máy mẫu, ta chọn kết cấu dầm đầu là kết cấu. điện.1675.17.6*025.01I=+=ψ⇒268.17.6* 04. 01II=+=ψ 4. 2.5. Trọng lượng hàng nâng :Q = 5 (T) = 5000 (kG )4. 2.6. Lực quán tính ngang qtP :42 4. 2.6.1. Khi cầu trục di chuyển, tiến hành hãm cầu trục