Nghiên cứu động lực học cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện Sê San 4 ( Kon Tum_ Gia Lai)

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Nghiên cứu động lực học cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện Sê San 4 ( Kon Tum_ Gia Lai)

Lời nói đầu

Cầu trục là loại máy trục kiểu cầu có kết cấu giống chiếc cầu có bánh xelăn trên đờng ray chuyên dùng nên còn gọi là cầu lăn đợc sử dụng phổ biếntrong các ngành kinh tế và quốc phòng để nâng chuyển vật nặng trong cácphân xởng, nhà kho cũng có thể dùng để xếp dỡ hàng Chính khả năng làmviệc của cầu trục với các thiết bị có trọng lợng, lu lợng lớn nên đã trở thànhnhân tố chính để nâng cao năng suất lao động

Khi nghiên cứu thiết kế, chế tạo cầu trục, trong thực tế thờng sử dụng

ph-ơng pháp thông thờng đó là thiết kế cầu trục khi đang làm việc ổn định vớigia tốc bằng không Xét thấy rằng gia tốc trong chuyển động của cầu trụccũng là một nhân tố ảnh hởng đến sự làm việc ổn định cũng nh độ bền, độcứng của cầu trục, cho nên tôi đã chọn đề tài về nghiên cứu động lực họccầu trục để làm đồ án tốt nghiệp Những nội dung chính đợc trình bày trong

đồ án là: giới thiệu về cầu trục nói chung, cầu trục chân dê đập tràn củacông trình thuỷ điện SêSan 4, tính toán động lực học cầu trục, mô phỏngchuyển động của cầu trục bằng OpenGL và mô phỏng trạng thái tĩnh bằngphần mềm Cosmos

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Chỉ Sáng, PGS.TS Đinh Văn Phong,ThS Phan Đăng Phong cùng các thầy cô thuộc bộ môn Cơ Học ứng Dụng– Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội và các anh chị kỹ s phòng Tự ĐộngHoá Thiết Kế thuộc Viện Nghiên Cứu Cơ Khí đã tận tình chỉ bảo hớng dẫntôi hoàn thành đồ án này Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên trong đồ

án không tránh khỏi nhiều thiếu sót, tôi mong các thầy cô thông cảm và chỉbảo nhiều hơn

và phạm vi của đồ án tốt nghiệp

1 Tổng quan về cầu trục.

Cầu trục đợc dùng chủ yếu trong các phân xởng, nhà kho, bãi tổ hợp thiết bị

để nâng hạ và vận chuyển hàng hoá với lu lợng và trọng lợng lớn Kết cấucủa một cầu trục dạng dầm hộp hoặc dàn, trên đó đặt xe con có cơ cấunâng Cầu trục đợc sử dụng trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốcdân với các thiết bị mang vật rất đa dạng nh móc treo, thiết bị cặp, namchâm điện, gầu ngoạm

Cầu trục đợc chế tạo với tải trọng nâng từ 1 đến 500 tấn, khẩu độ dầm cầu

đến 32 m, chiều cao nâng đến 16 m, tốc độ nâng vật từ 2 đến 40 m/ph, tốc

độ di chuyển xe con đến 60 m/ph và tốc độ di chuyển cầu trục đến 125m/ph Cầu trục nâng trên 10 tấn thờng đợc trang bị hai đến ba cơ cấu nâng

vật: một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ Tải trọngnâng của loại cầu trục này thờng đợc ký hiệu bằng một phân số với các tảitrọng nâng chính và phụ, ví dụ: 15/3 t; 20/5 t;150/20/5 t

Theo công dụng đợc phân làm hai loại: cầu trục có công dụng chung và cầutrục chuyên dụng Cầu trục có công dụng chung chủ yếu dùng với móc treo

để xếp dỡ, lắp ráp và sửa chữa máy móc Loại cầu trục này có tải trọngnâng không lớn và khi cần có thể dùng với gầu ngoạm, nam châm điện vàthiết bị cặp để xếp dỡ một loại hàng nhất định Cầu trục chuyên dụng đợc

sử dụng chủ yếu trong công nghiệp luyện kim, xuất nhập hàng tại cảng vớicác thiết bị mang vật chuyên dùng và có chế độ làm việc rất nặng

Theo kết cấu dầm có các loại cầu trục một dầm và cầu trục hai dầm Cầutrục một dầm thờng là dầm chữ I hoặc dầm tổ hợp với các dàn thép tăngcứng cho dầm Cầu trục một dầm thờng dùng palăng điện chạy dọc theodầm nhờ cơ cấu di chuyển palăng Cầu trục hai dầm có các loại dầm hộp vàdầm dàn không gian

Ngoài ra theo nguồn dẫn động có các loại dẫn động tay và cầu trục dẫn

động máy Theo vị trí điều khiển có các loại cầu trục điều khiển từ cabingắn trên dầm cầu và cầu trục điều khiển từ dới nền bằng hộp nút bấm Điềukhiển từ dới nền bằng hộp nút bấm thờng dùng cho loại cầu trục một dầm

có tải trọng nâng nhỏ

2 Giới thiệu về cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn của công trình thuỷ điện Sê San 4.

2.1 ý nghĩa, công dụng của cầu trục chân dê đập tràn

Cầu trục chân dê chuyên dụng, tải trọng nâng 2x25 tấn đợc dùng để nânghạ cửa van sửa chữa đập tràn, công trình thuỷ điện Sê San 4, ngoài ra nó còn

đợc sử dụng để sửa chữa, lắp ráp cho các thiết bị thuộc đập tràn

2.2 Điều kiện vận hành

Vận tốc gió trong trạng thái làm việc : 20 m/s

Nhiệt độ lớn nhất của môi trờng : + 40,5 Cº C

Nhiệt độ nhỏ nhất của môi trờng : + 9,2 Cº C

2.3 Thành phần cấu tạo

Thành phần chế tạo của cầu trục chân dê bao gồm: kết cấu kim loại của cầutrục, kết cấu kim loại của xe con, cơ cấu di chuyển cầu trục, cabin điều

khiển Trong cabin đợc trang bị điều hoà, các thiết bị điện Trên xe con lắpcơ cấu nâng với tải trọng nâng danh nghĩa 2x25 tấn, cơ cấu di chuyển xecon.

2.4 Đặc điểm và nguyên lý làm việc

Kết cấu kim loại của cầu trục chân dê là kết cấu hàn tổ hợp, tiết diện cácdầm chịu lực hình hộp Bên trên khung cầu trục có xe con với cơ cấu nâng

có tải trọng nâng 2x25 tấn và cơ cấu di chuyển xe con Cơ cấu nâng gồm 2tang cuốn cáp đờng kính D = 870 mm với 2 đờng rãnh hình xoắn ốc, 2 hệthống treo tải trọng 25 tấn và cơ cấu truyền động bao gồm động cơ, phanh,hộp giảm tốc Dẫn động cho cơ cấu nâng là kiểu dẫn động chung bằng 1

động cơ Cơ cấu nâng đợc trang bị các thiết bị hạn chế tải trọng nâng ( vớichế độ vợt tải cho phép lớn nhất là 110% so với tải trọng nâng danh nghĩa).Cơ cấu di chuyển xe con kiểu dẫn động chung với 2 bánh xe dẫn động và 2bánh xe bị động đờng kính D = 630 mm Xe con có hệ thống nhà che bảo

vệ các cơ cấu, bộ máy

Cơ cấu di chuyển cầu trục bao gồm 2 cụm chủ động và 2 cụm bị động Mỗicụm chủ động đợc lắp trên 1 bánh xe dẫn động D=710 mm Mỗi cụm bị

động đợc lắp trên 1 bánh xe bị động D=710 mm

Đối với cả cơ cấu di chuyển cầu trục và xe con đều sử dụng phanh guốc

điện có cần đẩy thuỷ lực đảm bảo sự trơn tru trong quá trình làm việc

Trên cầu trục cũng nh xe con có lắp đặt các cữ hạn vị hành trình nâng, hànhtrình di chuyển và các cửa lên xuống sàn thao tác có đặt các cầu dao bán tự

động đảm bảo an toàn Trên trục tang cuốn cáp có lắp thiết bị điều khiển

đóng mở các hoạt động khi nâng của cửa van sửa chữa đập tràn, và các thiết

bị hạn chế vị trí giới hạn hành trình lên và xuống của hệ thống móc treo.Phía trên mái che của xe con có thiết bị đo tốc độ tức thời gió và phát tínhiệu khi vận tốc gió lớn hơn tốc độ gió cho phép

Để hạn chế sự trôi của cầu trục do gió khi không làm việc, tại 2 cụm dichuyển bị động đợc lắp 2 thiết bị chống xô ray Thiết bị này đợc hoạt độngliên động với toàn bộ mọi hoạt động của cầu trục

2.5 Đặc tính kỹ thuật

3.1 Tính toán động lực học cầu trục.

Xây dựng mô hình chuyển động của cầu trục với cơ cấu nâng và cơ cấu dichuyển xe con, cơ cấu di chuyển cầu trục Viết phơng trình chuyển độngtrong thời gian khởi động của các cơ cấu dới ảnh hởng các lực cản chuyển

động

3.2 Kiểm nghiệm làm việc ổn định của cầu trục

Trong thời gian chuyển động có gia tốc của cầu trục thì cầu trục phải ổn

định theo phơng vuông góc với đờng ray, ổn định theo phơng dọc đờng ray

và dây cáp đủ vững chắc khi đột ngột nâng vật nặng lên

3.3 Thiết kế khung dầm cầu trục

Với các điều kiện đầu vào là khẩu độ cầu trục và trọng lợng nâng danhnghĩa để thiết kế sơ bộ bộ khung dầm của cầu trục với các dầm chính, châncầu trục, giằng trên, giằng dới

3.4 Kiểm tra khung dầm bằng phần mềm Cosmos

Trên cơ sở những thiết kế trên ta dựng mô hình 3D của cầu trục trongSolidWork và kiểm tra sự làm việc an toàn, ổn định của cẩu trục trên phầnmềm Cosmos

3.5 Mô phỏng chuyển động của cầu trục

Với khả năng đồ hoạ của th viện OpenGL trong môi trờng Visual C++, hình

ảnh mô hình của cầu trục sẽ đợc thể hiện trên màn hình và có thể cho chúngchuyển động Phần này sẽ giới thiệu về khả năng của môi trờng đồ hoạOpenGL và chơng trình mô phỏng cầu trục

Chơng II Tính toán động lực học cầu trục chân dê tải trọng

nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện Sê San 4

1 Cơ sở tính toán thiết kế cầu trục theo phơng pháp thông thờng.

Cầu trục thông thờngđợc tính toán thiết kế theo các bớc tính toán chungsau[1]:

a) Xác định các thông số cơ bản của cầu trục nh tải trọng nâng, chiều caonâng, khẩu độ dầm cầu, các tốc độ nâng hạ vật, di chuyển cầu trục, dichuyển xe con, chế độ làm việc và các điều kiện làm việc cụ thể của cầutrục (môi trờng làm việc, loại hàng cần bốc dỡ v.v….tháng….năm 2007) Từ các thông số cơbản và điều kiện làm việc cụ thể của cầu trục, ta có thể phân tích và chọnphơng án thiết kế

b) Xác định các kích thớc hình học và các bộ phận trên cầu trục và tải trọngtính toán

- Các kích thớc hình học và trọng lợng bản thân các bộ phận của cầu trục cóthể xác định sơ bộ theo các công thức kinh nghiệm hoặc từ các loại cầu trục

đã có tơng đơng Các thông số này đợc kiểm tra chính xác lại sau khi thiết

kế cầu trục

- Ngoài trọng lợng bản thân, các tải trọng tác dụng lên cầu trục cần xác

định là: trọng lợng vật nâng cùng thiết bị mang vật, các tải trọng do dốc,quán tính và các tải trọng đặc biệt khác nh tải trọng lắp dựng, động đất

v.v….tháng….năm 2007 Tải trọng gió cần đợc tính toán theo các phơng khác nhau và với áplực gió trong điều kiện làm việc bình thờng, áp lực gió lớn nhất trong điềukiện làm việc và áp lực gió trong trạng thái không làm việc nếu cầu trụchoạt động ngoài trời.

- Xác định lực nén bánh của các bánh xe di chuyển cầu trục và di chuyển xecon

c) Xác định các vị trí tính toán và tổ hợp tải trọng Các vị trí tính toán và tổhợp tải trọng phải đợc xây dựng phù hợp với quá trình làm việc của bộ phậnhay chi tiết đợc tính

d) Thiết kế các cơ cấu công tác của cầu trục nh cơ cấu nâng cùng thiết bịmang vật, cơ cấu di chuyển xe con và cầu trục

e) Tính toán kết cấu thép của cầu trục và các chi tiết liên kết giữa các bộphận của cầu trục

f) Thiết kế hệ thống điện điều khiển cho các cơ cấu công tác, hệ thốngchiếu sáng và thiết kế cabin điều khiển (nếu có) Thiết kế các thiết bị antoàn cơ - điện của cầu trục nh thiết bị hạn chế tải trọng nâng, thiết bị hạnchế chiều cao nâng, các công tắc hạn chế hành trình di chuyển của cầu trục

và xe con, các giảm chấn và thiết bị kẹp ray nếu cầu trục làm việc ngoàitrời

1.1 Cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu di chuyển

Cơ cấu di chuyển ở đây là cơ cấu di chuyển cầu trục, cơ cấu di chuyển xecon dẫn động bằng động cơ điện

Những số liệu ban đầu cần có để tính toán cơ cấu di chuyển là:

- Sơ đồ hình học của cầu với các kích thớc cơ bản nh khoảng cách vết bánh

xe, khoảng cách trục bánh xe….tháng….năm 2007

- Trọng tải máy trục Q (N)

- Trọng lợng bản thân cầu trục kể cả bộ phận mang vật G0 (N)

- Sơ đồ cấu tạo di chuyển

1) Xác định các kích thớc bánh xe Muốn vậy phải:

- Chọn loại kích thớc, bánh xe và đờng ray

- Xác định các tải trọng lên bánh xe, gồm:

+ Tải trọng lớn nhất Pmax (khi có vật nâng, vị trí các bộ phận là bất lợi nhất

đối với bánh xe tính toán)

+ Tải trọng nhỏ nhất Pmin (khi không có vật nâng, vị trí các bộ phận là có lợinhất đối với bánh xe tính toán), tải trọng tơng đơng để tính bánh xe Pbx theocông thức[2]:

max bx

bx k P

P  

Trong đó:

Pmax : áp lực lớn nhất của bánh xe lên ray

kbx : Hệ số tính đến chế độ làm việc của cơ cấu

- Kiểm tra bánh xe về sức bền dập

Kiểm tra bánh xe theo ứng suất dập trong trờng hợp bánh xe và ray tiếp xúc

đờng theo công thức[2]:

 d d

r b

E P 418 ,

2 1

E E

E E 2 E

Với cùng cờng độ CĐ% tơng ứng với chế độ làm việc của cơ cấu, động cơ

đợc chọn có công suất danh nghĩa bằng hoặc lớn hơn công suất tĩnh Nt tínhtheo công thức:

dc

t t

1000 60

v W N



Trong đó:

Wt : Tổng lực cản tĩnh khi chuyển động ổn định

dc

Động cơ chọn phải bảo đảm khi mở máy trong mọi điều kiện vẫn có hệ số

an toàn bám kb  1,2

3) Tính tỉ số truyền của bộ truyền

bx

dc dc n

n

i Trong đó:

nbx : Số vòng quay yêu cầu của bánh xe để đảm bảo vận tốc cho

tr-ớc v (vg/ph) Đờng kính bánh xe là Dbx thì:

bx bx

D

v n





4) Kiểm nghiệm động cơ về mômen mở máy

Từ yêu cầu về đảm bảo hệ số an toàn bám kb  1,2 ta xác định gia tốc lớnnhất cho phép trong trờng hợp lực bám ít nhất a0max theo công thức:

t bx d d

0 max

D

d f G 2 , 1

G G

0 nt

a 60

1 i

2 i i dc

0 m

2 m 1

2 bx 0 dc

dc bx

0 t 0 m

t.

375

n ) D G (

t.

i.

375

n D G

i.

2

D W

( G i D2i ) i n 1: Tổng các mômen vô lăng của các trục

điều kiện cần có là: Mm  M0

m

Nếu điều kiện trên đây không đảm bảo cần phải tăng số bánh dẫn hoặcchọn lại động cơ khác có mômen mở máy nhỏ hơn và nếu công suất danhnghĩa của động cơ đợc chọn nhỏ hơn công suất tĩnh tính toán (Nt) thì phảitiến hành kiểm tra động cơ về nhiệt theo công suất trung bình bình phơng.5) Tính mômen phanh Mph với các điều chú ý để chọn và tính phanh.

6) Theo iđc tính đợc công suất cần truyền và các thông số khác tiến hànhtính toán thiết kế (hoặc chọn) bộ truyền

7) Tính các chi tiết còn lại trong cơ cấu di chuyển nh: trục truyền động, ổtrục bánh xe….tháng….năm 2007

1.2 Cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu nâng

Khi thiết kế một cơ cấu máy cần tiến hành qua nhiều bớc:

- Xây dựng, lựa chọn một trong nhiều phơng án về kết cấu

- Chọn loại và các kích thớc của chi tiết và cụm chi tiết theo tiêu chuẩnhoặc theo dãy

- Tiến hành kiểm tra đặc tính của cơ cấu ở các trạng thái làm việc quantrọng theo các quy định chung

- Tính và kiểm tra độ bền của các chi tiết

Cơ cấu nâng dùng để nâng hạ vật theo phơng thẳng đứng Ngoại lực làtrọng lực và lực quán tính tác dụng lên vật nâng Cơ cấu nâng có thể là một

bộ phận của máy hoặc là một máy làm việc độc lập Theo cách truyền lựcphân ra:

- Tời cáp và tời xích với tang cuốn cáp hoặc puly ma sát

- Kích thanh răng, kích vít với truyền động bánh răng thanh răng hay truyền

- Chế độ làm việc của cơ cấu

Trình tự tính toán thiết kế một cơ cấu nâng là[2]:

1) Lựa chọn sơ đồ cơ cấu cùng với những giải pháp về động học và kết cấu2) Căn cứ vào sơ đồ luồn cáp đã chọn ở bớc 1, xác định bội suất palăng cáp,lực căng cáp lớn nhất và chọn cáp

3) Xác định các kích thớc cơ bản của tang và puly

4) Tính số vòng quay yêu cầu của tang để đảm bảo tốc độ nâng Vn vg/ph

T

n t

d

a V n



Trong đó:

5) Tính chọn động cơ điện và kiểm tra động cơ điện

Từ công suất cản tĩnh (kW) ta xác định đợc thời gian mở máy Kiểm tra

động cơ phải thoả mãn điều kiện mở máy và điều kiện nhiệt độ của động cơ

Công suất cản tĩnh[2]:

0

n t

1000 60

V Q N



Trong đó:

6) Theo công suất, tỷ số truyền chung yêu cầu, số vòng quay trục vào, chế

độ làm việc của cơ cấu, tiến hành thiết kế (hoặc chọn) hệ thống truyền động

Tỷ số truyền chung yêu cầu:

t

dc n

n

i Trong đó:

7) Tính mômen phanh, chọn phanh và kiểm tra gia tốc phanh

8) Tính toán thiết kế các bộ phận chịu lực còn lại nh cụm móc treo, kẹp đầucáp trên tang, trục tang, gối đỡ trục tang vv….tháng….năm 2007

1.3 Cơ sở tính toán thiết kế và kiểm tra các thiết bị khác của cầu trục

Tính toán và kiểm nghiệm bánh xe

- Xác định tải trọng lên bánh xe

- Tải trọng lớn nhất tác động lên bánh xe

Kiểm tra bánh xe theo ứng suất dập[2]:

R B

E P 418 , 0

E : Mô đun đàn hồi của vật liệu làm ray và bánh xe.(N/mm2);

B0,R : Bề rộng mặt làm việc và bán kính bánh xe.(mm);

ứng suất σd không vợt quá ứng suất cho phép [ ] N

Tính toán và kiểm nghiệm bánh răng

Chọn bánh răng sao cho đảm bảo tỉ số truyền và đủ bền

ứng suất uốn tại tiết diện nguy hiểm [10]

α ρ y b m z

M 4 6

t 1

w b

c yp

γ c σ σ

Ta phải kiểm tra: σ  b  σ b

Sự đứng vững của cầu trục ( sự ổn định của cầu trục)

Để làm việc an toàn phải đảm bảo cho nó đứng vững, cần tránh trớc bất kìkhả năng nào có thể làm cho nó bị lật đổ kể cả trong những điều kiện đặt tảibất lợi nhất

Chỉ số chỉ sự đứng vững (ổn định) là tỷ số giữa mômen chống lật Mcl vàmômen lật Ml

l

cl 1 M M

k 

k1 1,15 khi có tính tải trọng phụ

k1 1,14 khi không tính tải trọng phụ

Khi không mang vật nâng: lật do gió kg 1,15

Tính chọn hộp giảm tốc

Yêu cầu:

- Đảm bảo tỷ số truyền chung

- Mômen xoắn cho phép trên trục quay chậm của hộp giảm tốc [Mor]

Mô men xoắn tại trục chậm hộp giảm tốc Мor thì [Mor] > Мor

c

t or

M 2 M

Ndc > Ntyc do thành phần momen cản động có giá trị tơng đối lớn do khối ợng của hệ thống khởi động rất lớn, động cơ phải đủ công suất nhất là phải

l-có momen mở máy đủ cao để đảm bảo khởi động hệ thống với gia tốc trongphạm vi cho phép Vì vậy chọn động cơ cho máy di chuyển với công suấtdanh nghĩa xấp xỉ lớn hơn công suất tĩnh yêu cầu là đủ không cần tính côngsuất trung bình phơng Với máy nâng hạ khi ta chọn giá trị Ndc ≤ Ntyc cũng

η

V G Q g 2

bị chồng chéo lên nhau tránh đợc kẹt nối cáp trong lúc làm việc

Để kiểm tra ứng suất nén thì chiều dày tang tời   chiều dày cho phép[]

nmax [n]

ứng suất uốn và xoắn có trị số nhỏ hơn nhiều so với ứng suất nén nên thực

tế thờng kiểm tra ứng suất nén

Dây cáp thép

Dây cáp thép đợc chế tạo bằng các sợi thép có thành phần cácbon cao, giacông bằng phơng pháp kéo nguội chuốt đi chuốt lại nhiều lần do đó giớihạn bền của các sợi dây thép này có thể đạt tới 250 kG/mm2 với các sợithép có giới hạn bền thấp cáp mềm, cáp mà cứng khi cuốn qua ròng rọchoặc tang sẽ bị uốn lớn dẫn đến giảm tuổi thọ của cáp

Để chống gỉ, chống lại sự ăn mòn của nớc biển và các hoá chất khác ngời tacòn tiến hành mạ kẽm cho các sợi thép Ngời ta còn có thể bọc kín cáp tạonhẵn bề mặt ngăn cát bụi giảm ma sát tăng khả năng chịu lực của cáp hoặcbôi trơn chống gỉ bề mặt

Tính toán cáp

max

d S

S

k 

Smax : Lực kéo tối đa khi cáp làm việc [1]

Tuổi thọ của cáp phụ thuộc rất nhiều vào số lần cáp bị uốn khi vòng quaròng rọc hay tang trong quá trình sử dụng, phụ thuộc vào độ mòn, phụthuộc vào đờng kính của ròng rọc hay tang Đờng kính của ròng rọc haytang càng nhỏ thì dây cáp càng chóng hỏng[2]

81 9 ) G Q ( S

cho mômen tải nhỏ Tỷ số truyền, kích thớc và trọng lợng của cơ cấu truyền

động nhỏ đi nhiều Khi nâng, vận chuyển các vật nóng ở nhiệt độ cao củavật nâng và không khí xung quanh ảnh hởng có hại cho sức bền và tuổi thọcủa cáp thép Cho nên trong trờng hợp này ngời ta không sử dụng cáp thép

mà sử dụng các loại xích

Nhận xét : Trong tính toán thiết kế cầu trục theo phơng pháp thông thờng

các tải trọng đợc sử dụng để tính toán thiết kế hay để kiểm tra là các tảitrọng tĩnh Khi xét đến ảnh hởng của tải trọng động thì chỉ xét thông quacác hệ số thực nghiệm cho nên kết quả tính toán tải trọng động không đợcchính xác và thuyết phục Vì vậy tôi đã sử dụng phơng trình Lagrange loại

2 để tính toán đợc chính xác các tải trọng động xuất hiện trong quá trìnhchuyển động của cầu trục từ đó có thể kiểm tra hay thiết kế cầu trục

2 Tính toán động lực học cầu trục cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn của công trình thuỷ điện Sê San.

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán động lực học cầu trục

2.1.1 Phơng trình Lagrange loại 2.

Phơng trình Lagrange loại hai là phơng trình vi phân chuyển động của cácchất điểm và các vật rắn hôlônôm Số phơng trình đúng bằng số bậc tự docủa hệ

Xét hệ hôlônôm gồm n chất điểm và có f bậc tự do Nh thế cơ hệ xác địnhbởi f toạ độ suy rộng đủ: q1, q2,….tháng….năm 2007, qn

Ta có:

) f , , 1 i ( 0 Q q

T q

T dt

d

i i i

q

T q

T dt

d

i i

) f , , 1 i ( Q q q

T q

T dt

i i i

Qd : Lực suy rộng của lực phát động, nếu động cơ có khấu ra là khâu quaythì : Qd = Md (Md là mômen của động cơ)

Qc : Lực suy rộng của các lực tác dụng lên bộ phận cơ gồm các lực cản cóích, lực cản vô ích và các trọng lợng

2.1.2 Đặc trng động học của cơ cấu.

2.1.2.1 Mômen quán tính quy dẫn.

Để tiến hành các bớc tính toán ở trên, cần phải xác định các tải trọng tácdụng lên cơ cấu Tải trọng lớn nhất tác dụng lên cơ cấu máy nâng xuất hiệntrong thời kỳ làm việc không ổn định (mở máy hoặc phanh) Các máy nânglàm việc theo chế độ ngắn hạn lặp lại, có nghĩa là đóng mở máy thờngxuyên ở thời kỳ này ngoài các tải trọng tĩnh còn có tải trọng động phátsinh trong cơ cấu

Các tải trọng tĩnh mà cụ thể là các mômen cản tĩnh trong cơ cấu đợc xác

định từ các ngoại lực Để xác định các mômen động xuất hiện trong thời kỳchuyển động không ổn định cần phải thiết lập các sơ đồ tính động lực họcmáy, sau đó lập và giải phơng trình của hệ thống

Một cơ cấu hoạt động cùng với kết cấu kim loại của máy có thể coi nh một

hệ gồm nhiều khối lợng đợc liên kết với nhau bởi các khâu đàn hồi Ví dụ

có thể xem vật nâng, xe lăn, rôto động cơ điện, bánh xe, là các khối lợngtập trung còn các liên kết đàn hồi là trục, dây cáp, các thanh dầm vv….tháng….năm 2007Trong trờng hợp này sẽ xuất hiện dao động đàn hồi tơng đối giữa các khốilợng với nhau, khi này sẽ xuất hiện tải trọng động và ngời ta gọi là tải trọng

động đàn hồi Đặc tính dao động và đờng biểu diễn sự thay đổi giữa các tảitrọng đàn hồi theo thời gian chịu ảnh hởng rất lớn của ngoại tải cũng nhcách thức điều khiển động cơ dẫn động cơ cấu Trong tính toán các cơ cấumáy, để đơn giản, hiện nay ngời ta sử dụng sơ đồ tính đơn giản nhất là sơ

đồ một khối chịu tác động của tải trọng bên ngoài Trong sơ đồ không tính

đến các chuyển vị đàn hồi tơng đối giữa các bộ phận với nhau Với sơ đồnày cho phép xác định đợc quy luật chuyển động của tâm khối lợng của cơcấu Tải trọng động đợc xác định không tính đến độ đàn hồi của các bộphận cơ cấu đợc gọi là tải trọng động quán tính Khi khảo sát sơ đồ một

khối lợng, các khối lợng tham gia chuyển động tịnh tiến và các khối lợngtham gia chuyển động quay trong cơ cấu đợc thay thế bằng một khối lợngquy dẫn Cơ sở của việc quy dẫn này là động năng của cơ cấu và động năngcủa hệ quy dẫn, có tính đến tổn thất do lực ma sát thông qua đại lợng hiệusuất, tơng đơng bằng nhau[1].

Hình 2.1 : Sơ đồ cơ cấu nânga) Các khối lợng phân bố trên các trục

Giả sử cần xác định mômen quán tính quy dẫn về trục động cơ trong quátrình mở máy cơ cấu nâng hình(2.1), phơng trình cơ bản cân bằng năng l-ợng sẽ là:

u mu

k 1

i ji0

2 J

k 2 i

1 1 , u

2 i 1

2 ( J J

1 i 1 j 1 , i i

Trong đó:

E0, Eji, Emu : Năng lợng của hệ, vật quay, vật tịnh tiến

J1, Ji : Mômen quán tính của các tiết máy quay trên trục 1, trục i

Dấu của mũ hiệu suất sẽ là:

2 T 1

0

i

1 4

d m J J

2 3 , 2

2 2 , 1

3 2 , 1

2 2 , 1 2 1 1

i.

i

1

J

i

1 J J J

2 T 1

_

0

i

4

d m J

3 , 2

2 2 , 1

3 , 2 2 , 1 3 2 2 , 1

2 , 1 2 1 1

i.

i

J i

J J

Trong đó:

ig, g : Tỷ số truyền và hiệu suất truyền động của hộp giảm tốc

1

1 , J

quy về trục 1, thời kỳ mở máy hoặc phanh

Trong J1 tính cả mômen quán tính của rôto động cơ điện Ngoài ra để giảmbớt khối lợng tính toán, thờng khi tính mômen quán tính quy dẫn các khốilợng quay ngời ta chỉ tính J1 rồi nhân với hệ số  = 1,1  1,3 [1] để tính

đến quán tính các khối lợng quay đặt sau trục 1 Giá trị  tăng khi tỷ sốtruyền chung giảm[1]

g 4

GD J

2 T 1

2 2

i

d Q ) GD ( GD



0 0

2 T 1

2 2

i

d Q ) GD ( D

điện, khớp nối, bánh phanh, bánh răng vv….tháng….năm 2007)

Trong phép tính động lực học để xác định lực trong dây cáp cơ cấu nâng,các khối lợng chuyển động đợc quy dẫn về vật nâng và theo chiều chuyển

2 0 1 2

i.

) GD ( m m

0

2 0 1 2 0

d g

i.

) GD ( m





Các công thức tính mômen đà quy dẫn đối với cơ cấu di chuyển, cơ cấuquay và cơ cấu nâng có thể xác định tơng tự cơ cấu nâng theo các côngthức tổng quát trên.

2.1.2.2 Các mômen trong một pha làm việc.

Các mômen đợc truyền dẫn trong một cơ cấu có thể xác định một cáchriêng rẽ từng đại lợng một từ các lực tác dụng vào cơ cấu, sau đó sẽ hợp cácmômen lại trong từng pha làm việc Các mômen này phụ thuộc vào rấtnhiều các tham số ví dụ nh: vị trí trong cơ cấu, thời gian (pha làm việc),chất tải (loại và độ lớn của ngoại lực cũng nh các khối lợng chuyển động),hớng của dòng năng lợng (dẫn động hay phanh)

Khi xác định tải tác dụng lên động cơ hoặc phanh, cần quy dẫn các mômentải về trục động cơ hoặc trục đặt phanh Tơng tự để tính một chi tiết hoặccụm chi tiết trên trục nào đó cần phải quy dẫn mômen tải về trục đó

a) Mômen tĩnh.

Mômen cản tĩnh Mt là mômen do các ngoại lực tác động vào cơ cấu sinh ra.Các ngoại lực đó là trọng lực, lực ma sát, lực gió v.v Các lực này thờngphân bố ngẫu nhiên vì vậy để đảm bảo mô tả đúng khi tính toán, chúng đợcphân ra trong các trờng hợp tải trọng khác nhau Khi tính toán cơ bản cáccơ cấu, coi các ngoại lực này là hằng số và độ lớn lấy giá trị danh nghĩa.Các ngoại lực này sinh ra các mômen quay trên các chi tiết của cơ cấu

Hình 2.2: Lực và mômen quay ở các chi tiết của cơ cấu

Trên tang cuốn cáp hình a) hình(2.2) có:

2

d F

d F 2

d F

f

R f

d F

f

R W

Fw : Lực cản do gióMômen quy dẫn về trục động cơ trong thời kỳ chuyển động ổn định [1] :

0 0

T c

i.

2

d F M



0 0

R f c

i.

2

d F M

i.

2

d F

Mômen quy dẫn về trục động cơ trong thời kỳ phanh [1] :

2 0 c 0

0 T

i.

2

d F

2 0 c 0

0 T f

i.

2

d F

2 0 W 0

0 T W

i.

2

d F

d ) t ( a

0

R , T p

od tb

p ,

V ) t (

tm,p : Thêi gian më m¸y hoÆc thêi gian phanh, s

2 R , T 1

R , T

0 tb m

0 R , T

0 tb m d

i

1 4

d m J d

i.

2 a

J d

i.

2 a M

2 R , T 1

2 R

, T

0 tb m

1 4

d G ) GD ( d g 2

i.

2 a M

2 R , T 1

R , T

0 tb p

0 R , T

0 tb p p

i

1 4

d m J d

i.

2 a

J d

i.

2 a

2 R , T 1

2 R

, T

0 tb p d

i

1 4

d G ) GD ( d g 2

i.

2 a

c) Mômen quy dẫn về các trục khác

Khi động cơ hoặc phanh làm việc, mômen của chúng sinh ra trên trục 1 cóthể quy dẫn sang trục khác [1] :

j , 1 j , 1 1

j 1 j 1 1

Trong công thức trên cha kể đến phần mômen quay phải tiêu tốn để tăngtốc hoặc giảm tốc các khối lợng quay đặt trên trục hình(2.3)

Hình 2.3: Phân chia mômen quay dọc trên trục

Để khắc phục sai sót đó, chúng ta dùng sơ đồ hai khối lợng nh hình(2.4) vớigiả thiết độ cứng C = 

Hình 2.4: Sơ đồ hai khối lợngTrong sơ đồ này ta có

J1 : mômen quán tính quy dẫn của tất cả các khối lợng quay nằm giữa trục j

và trục động cơ (trục 1) quy về trục động cơ

J2 : mômen quán tính quy dẫn của tất cả các khối lợng quay và khối lợngchuyển động tịnh tiến từ trục j trở về sau quy về trục 1 Phần mômen tơngứng với mômen tĩnh khi động cơ và phanh làm việc quy về trục j

j 1 j 1 H

Hj M i

j 1 j 1 H

1 H m m

J J

J ).

M M ( M

1 H 2 1

2 m

J J

J M J J

J M

j 1 2 1

1 H p p pj

i J J

J ).

M M ( M M

1 H 2 1

2 p

J J

J M J J

J M

Trong các công thức (2.5) chiều của mômen Mm và MH cũng nh Mp và MH

ngợc chiều Khi Mm và MH cũng nh Mp và M H cùng chiều thì trong cáccông thức trên phải đổi dấu của M H hoặc MH

d) Tổng mômen trong một pha làm việc

Một quá trình làm việc của cơ cấu đợc bắt đầu từ trạng thái đứng yên.Trong thời kỳ mở máy, tốc độ tăng từ 0 đến tốc độ ổn định Sau một thờigian chuyển động ổn định với tốc độ Vod đợc coi là không đổi (gọi là thời

kỳ chuyển động ổn định) đến thời kỳ phanh tốc độ giảm xuống bằng không.Trong các pha làm việc riêng lẻ đó, tổng mômen quay đợc quy dẫn về trục

động cơ sẽ là:

- Thời kỳ chuyển động ổn định có mômen cản tĩnh

Mt = Mc  (Mg)Mômen cản do gió Mg đợc ghi trong ngoặc vì nó chỉ xuất hiện khi cơ cấulàm việc chịu ảnh hởng của gió:

Khi |Mg| > Mc thì Mt sẽ mang dấu âm khi trớc Mg cũng là dấu âm Cơ cấulàm việc ở chế độ phanh ngay trong thời kỳ chuyển động ổn định

- Thời kỳ mở máy có mômen mở máy yêu cầu

Dấu + trớc Mc khi ngoại lực ngợc chiều với hớng chuyển động Điều nàyluôn luôn xảy ra ở cơ cấu di chuyển và cơ cấu quay hoặc cơ cấu nâng vật vànâng hạ cần khi nâng Dấu – chỉ có khi hạ vật hoặc cần

- Thời kỳ phanh có mômen phanh yêu cầu

Dấu (–) trớc Mc không phụ thuộc vào hớng chuyển động đối với cơ cấu dichuyển, quay Với các cơ cấu nâng chỉ có quá trình phanh nâng Dấu (+)cho trờng hợp phanh hạ Các phơng trình mômen quay trong các pha làmviệc mở máy và phanh có thể cho phép giải hai bài toán thờng gặp sau

1) Từ các giá trị của gia tốc am hay ap xác định đợc Md và Md theo (2.4), từ

đó xác định đợc các mômen mở máy cần thiết của động cơ Mm hoặcmômen phanh Mp theo (2.6) và (2.7), trên cơ sở đó chọn động cơ hoặcphanh cho phù hợp Khi chọn phanh cần chú ý hệ số an toàn phanh k:

5 , 2 5 , 1 M

M k

2) Từ các giá trị biết trớc của mômen mở máy của động cơ Mm hoặcmômen phanh Mp, xác định đợc gia tốc chuyển động của của cơ cấu   nhờ

đó tính đợc các tải trọng động quán tính

Với bài toán 1 ta có

Mômen mở máy của động cơ

i

1 4

d m J d

i.

V 2 i

g c

m

0

2 0

2 R , T 1

R , T

0 od

i

1 4

d m J d

i.

V 2 i

g c

m

0

2 0

2 R , T 1

R , T

0 od

2.1.2.3 Thời gian mở máy và thời gian phanh

Mômen động cơ và mômen phanh thay đổi theo tốc độ quay, đặc biệt rõ nét

là phanh điện Để xác định thời gian mở máy và thời gian phanh một cách

đon giản, trong sơ đồ một khối lợng của cơ cấu hình(2.5) ngời ta coimômen động cơ M và mômen phanh Mlà đại lợng không đổi Giá trịmômen động cơ đợc lấy bằng giá trị mômen mở máy trung bình theo bảng

Hình 2.5: Sơ đồ một khối lợng

đổi Từ phơng trình cân bằng mômen ở thời kỳ mở máy (khởi động từ trạngtháI đứng yên với   = 0 và  = 0 khi t = 0)

t m

t m

0

t m t

M M dt

2 0

t m t

od 0

J

 : Thời gian mở máy động cơ

Tơng tự có thời gian phanh

od 0 p

M M

J

 : Thời gian phanh

Nếu hớng của mômen cản Mt hoặc Mt thay đổi, ta thay đổi dấu của các đạilợng này, cụ thể là

t m

od 0 m

M M

J t





t p

od 0 p

M M

J t





Để tiện tính toán, thay giá trị mômen quán tính quy dẫn J0 và J0 bằngmômen đà quy dẫn GD2 và G D 2 với chú ý là:

30

n 11

GD J

2



) M M ( 375

n GD t

t m 1 2 m





) s ( ) M M ( 375

n D G t

t p 1 2 p





Trong công thức trên GD2 đợc tính là N.m2; n1 : tốc độ quay của trục độngcơ, vg/ph và các giá trị Mm, Mp, Mt đều đợc tính là N.m

2.2 Thiết lập phơng trình chuyển động cho cầu trục

2.2.1 Mô hình cơ học của cầu trục.

Cấu tạo của cầu trục chân dê: gồm có 4 phần chính:

- Bộ chạy

- Khung dầm

- Xe con

- Thiết bị nâng chuyên dụng

Hình 2.6 : Hình chung của cầu trục

Xe con mang hàng 3 di chuyển dọc theo đờng ray ghép trên hai dầm chínhtheo phơng Oz trong hệ trục tọa độ, trên xe con đặt các bộ máy tời và bộmáy di chuyển xe con Hệ thống tời nâng đặt trên xe con có nhiệm vụ chínhnâng vật lên theo trục Oy trong hệ tọa độ Cầu trục sẽ di chuyển theo trục

Ox để đa vật tới vị trí cần đặt hàng Các thiết bị trong Cabin điều khiển sẽ

đảm bảo cho cầu trục và xe con hoạt động một cách chính xác Hệ thống bộchạy của cầu trục gồm hai hệ thống là hệ thống chủ động và hệ thống bị

động Hệ thống chủ động đợc lắp động cơ và điều khiển còn hệ thống bị

động sẽ hoạt động phụ thuộc vào hệ thống chủ động

Căn cứ vào đặc điểm kết cấu của cầu trục, xe con và bộ phận nâng ta có thểthiết lập mô hình cơ học của cầu trục nh sau:

Hình chiếu bằng của cầu trục:

F g1

z y

M1, M2, M3 là mômen tác dụng lên trục bánh xe di chuyển cầu trục, mômentác dụng lên trục bánh xe di chuyển xe con, mômen tác dụng lên tang cuốncáp.

Mmsl1, Mmsl2 là mômen cản lăn tác dụng lên bánh xe khi bánh xe chuyển

động quay quanh trục dẫn động

h1, h2, h3 là độ cao của trọng tâm cầu trục, độ cao của trọng tâm xe con, độcao của trọng tâm vật nâng và bộ phận nâng vật so với mặt đất

Để tạo ra các mômen M1, M2, M3 dẫn động cầu trục, xe con và vật nâng dichuyển phải thông qua các cơ cấu di chuyển cầu trục, cơ cấu di chuyển xecon và cơ cấu nâng

Sơ đồ dẫn động của cơ cấu nâng chính:

M

7000

3 4

Hình 2.11: Mô hình của cơ cấu nângTrong đó:

0 : Động cơ điện dẫn động cơ cấu nâng

1 : Trục 1 của hộp giảm tốc 1

2 : Trục 2 của hộp giảm tốc 1

3 : Trục 1 của hộp giảm tốc 2

4 : Trục 2 của hộp giảm tốc 2

8

24

35

M

Hình 2.12: Sơ đồ dẫn động của cơ cấu di chuyển xe con

0 : Động cơ điện dẫn động cơ cấu di chuyển xe con

1 : Trục 1 của hộp giảm tốc 1

2 : Trục 2 của hộp giảm tốc 1

3 : Trục 1 của hộp giảm tốc 2

4 : Trục 2 của hộp giảm tốc 2

5 : Ngõng trục bánh xe

6 : Bánh xe

Sơ đồ dẫn động của cơ cấu di chuyển cầu trục:

Hình 2.14: Sơ đồ dẫn động của cơ cấu di chuyển cầu trục

1

34

Hình 2.15: Mô hình của cơ cấu dẫn động cầu trụcTrong đó:

0 : Động cơ điện dẫn động cơ cấu di chuyển cầu trục

1 : Trục 1 của hộp giảm tốc 1

2 : Trục 2 của hộp giảm tốc 1

Trong trờng hợp bắt đầu mở máy cơ cấu chuyển động có gia tốc ta viết

ph-ơng trình chuyển động cho cơ cấu trong trờng hợp này dùng phph-ơng trìnhLagerange II

Coi đây là cơ cấu không gian, cơ cấu có 3 bậc tự do Chọn hệ trục toạ độ

Oxyz nh hình vẽ Chọn toạ độ suy rộng l : q=à: q=

q q

q

Trong đó:

q1 = xs: Toạ độ khối tâm cầu trục

q2 = zs: Toạ độ khối tâm xe con

i

Q q

π q

T ) q

ii,jy : Tỷ số truyền động từ trục i sang trục j

Tccn : Động năng của cơ cấu nâng

2 y 3 2

y y 2

y y

2 y y 2

y y 2

y y 2

y y

ccn

v m 2

1

J 2

1

1

J 2

1

J 2

1

v  

y

2 





y , 1 y

y  i





y , 3 y

y

R

y

y

R

y

i.

i.

y

2 s 2 3 y 2 3 y

2 3

2 y , 3 y 2 3

2 y , 3 y 2

3

2 y , 1

2 y , 3 y 2

3

2 y , 1

2 y , 3 y ccn

y m 2

1 y ).

R

1 J R

1

J

R

i J R

i J R

i.

i J R

i.

i J

3 y 2 3 y

2 3

2 y , 3 y 2 3

2 y , 3 y 2

3

2 y , 1

2 y , 3 y 2

3

2 y , 1

2 y , 3 y

y

m ) R

1 J R

1

J

R

i J R

i J R

i.

i J R

i.

i

ii,jz : Tỷ số truyền động từ trục i sang trục j

Tdcxc : Động năng của cơ cấu di chuyển xe con

2 z 2 3

2 z z

2 z z

2 z z

2 z z

2 z z

2 z z

2 z z

dcxc

v ).

m m (

2

1

J 2

1

J 2

1

1

J 2

1

J 2

1

0  



z 3 z

2  



z 6 z 5 z

4    



2

s z

2 s 2 2 z 6 2 2 z 5 2 2 z

4

2 2

2 z 4 , 3 z 3 2 2

2 z 4 , 3 z 2 2

2

2 z 2 , 1

2 z 4 , 3 z 1 2

2

2 z 2 , 1

2 z 4 , 3 z

0

dcxc

z ).

m m (

2

1 z ).

R

1 J R

1 J R

1

J

R

i J R

i J R

i.

i J R

i.

i J

2

z

2 2

2 z , 3 z 2 2

2 z , 3 z 2

2

2 z , 1

2 z , 3 z 2

2

2 z , 1

2

z ,

3

z

z

m m R

1 J R

1 J R

i J R

i.

i J R

ii,jx : Tỷ số truyền động từ trục i sang trục j

Tdcct : §éng n¨ng cña c¬ cÊu di chuyÓn cÇu trôc

2 x 3 2 1 2

x x 2

x x 2

x x 2

x x

2 x x 2

x x 2

x x 2

x x

dcct

v ).

m m m (

2

1

J 2

1

J 2

1

J 2

1

1

J 2

1

J 2

1

x    



1

s x

x  i





x , 3 x

x  i





x , 4 x

x , 3 x , 4 s x

2 s 2 1 x 2 1 x 2 1 x 2 1

2 x , 4 x

2 1

2 x , 4

2 x , 3 x 2

1

2 x , 4

2 x , 3 x 2

1

2 x , 1

2 x , 3

2 x , 4 x 2

1

2 x , 1

2 x , 3

2 x , 4 x

dcct

x ) m m m (

2

1 x ).

R

1 J R

1 J R

1 J R

i.

i J R

i.

i.

i J R

i.

i.

i J