Thiết kế cần trục tháp xây dựng KB-160.1

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế cần trục tháp xây dựng KB-160.1

A - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC THIẾT BỊ NÂNG HẠ PHỤC

VỤ XÂY DỰNG

 Cần trục tháp là loại cần trục có một thân tháp thường cao từ 30  50, hoặc caohơn nữa (có thể đến 100  120 m) Phía trên gần đỉnh tháp có gắn cần dài từ 12 

50 m đôi khi đến 70m, được kết nối bằng chốt bản lề Một đầu cần còn lại đượctreo bằng cáp hoặc thanh kéo đi qua đỉnh tháp Kết cấu chung của cần trục thápchủ yếu gồm 2 phần: phần quay và phần không quay) Trên phần quay bố trí các

cơ cấu công tác như: tời nâng vật, tời nâng cần, tời kéo xe con, cơ cấu quay, đốitrọng, trang thiết bị điện và các thiết bị an toàn

 Phần không quay có thể được đặt cố định trên nền hoặc có khả năng di chuyểntrên đường ray nhờ cơ cấu di chuyển Tất cả các cơ cấu của cần trụ được điềukhiển bởi cabin treo trên cao gần đỉnh tháp phổ biến là loại cabin được treo ở phầnliên kết giữa cần tháp và cột tháp

 Do có chiều cao nâng và tầm với lớn, có không gian phục vụ nâng nhờ cácchuyển động nâng hạ vật, thay đổi tầm với, quay toàn vòng và dịch chuyển toànbộ máy mà cần trục tháp được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng dândụng, xây dựng công nghiệp hoặc dùng để bốc dỡ, vận chuyển hàng hóa, cấu kiện,vật liệu trên các kho bãi

 Tuy nhiên do kết cấu phức tạp, tháp cao và nặng, tốn kém nhiều chi phí trongquá trình tháo dỡ và lắp ráp, di chuyển, chuẩn bị mặt bằng nếu cần tháp được yêucần chỉ sử dụng ở nơi có khối lượng xây lắp tương đối lớn và khi sử dụng cần trụctự hành là không đem lại hiệu quả kinh tế cao hoặc khả năng đáp ứng yêu cầu vềcông việc thấp Do tính chất làm việc của cần trục tháp là luôn thay đổi địa điểmnên chúng thường được thiết kế sao cho dễ tháo dỡ, dựng lắp và vận chuyển hoặccó khả năng tự dựng và được di chuyển trên đường dưới dạng tổ hợp toàn máy.Điều này làm giảm đi được chi phí và thời gian dựng lắp cần trục

-Thông thường cần trục tháp được chế tạo có sức nâng từ 1  12 (T) , cá biệt là cóthể đến 75 (T), moment tải của cần trục đạt tới 350 t; m, tầm với từ 8  50, chiều

cao nâng đến 100  120(m) do có chiều cao nâng là rất lớn nên tốc độ nâng sẽ bịhạn chế lại và nằm trong khoảng 0,32  1m/s và có thể thay đổi tốc độc theo cấphoặc vô cấp

-Tốc độ nâng hạ vật để điều chỉnh hàng thường là  8m/s, tốc độ quay của cần từ0,3  1v/pt, thời gian thay đổi tầm với từ 25  100 (s), tốc độ di chuyển của xecon 0,2  1m/s và di chuyển cần trục 0,2  0,63m/s

B-Tính toán thiết kế kết cấu thép

I-Khái niệm

Trong các máy trục ,kết cấu kim loại chiếm một phần lớn khối lượng kim loại ,kếtcấu kim loại chiếm 60%-70% khối lượng toàn bộ máy trục, vì thế việc tính toánchon lượng kim loại thích hợp đảm bảo làm việc bình thường và tính kinh tế caoKết cấu kim loại của cột là thép ống ,có tiết diên mặt cắt ngang là hình vành khăn

II-Các thông số kỷ thuật

Tên các thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Tốc độ quay của cần trục Nq 0.7 Vòng/phút

Tốc độ di chuyển của cần

III-Vật liệu chế tạo và ứng suất cho phép kết cấu thép của cần

Chọn vật liệu chế tạo kết cấu thép cần là thép CT3, có cơ tính:

STT Cơ tính vật liệu Kí hiệu Trị số Đơn vị

2 Môđun đàn hồi trượt G 0,84.106 KG/cm 2

IV-Hình thức kết cấu

Cần trục tháp kiểu tháp quay là loại cần trục tháp thay đổi tầm với bằng cách nânghạ cần Cần là một dàn có trục thẳng đứng với tiết diện thay đổi theo chiều dài củacần Một đầu của cần được nối với tháp bằng khớp bản lề đầu kia được nối với pa lăng để nâng hạ cần hoặc nâng vật.Vì vậy cần của cần trục tháp được xem như là một thanh đặt trên hai bản lề

Khi dây cáp dùng nâng hạ cần bắt ở đầu cần ta dùng cần thẳng (tiết diện cần không thay đổi) Loại cần này có ưu điểm là nhẹ dể chế tạo Tuy nhiên không cho phép nâng vật nặng ở vị trí nhỏ nhất lên cao như cần trục có trục gãy

* Các thông số cơ bản kết cấu thép của cần:

-Chiều dài cần : L=26 m

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

* Cần của cần trục tháp kiểu tháp quay dài 26m,gồm có 5 đoạn ghép lại với nhau -3 đoạn ở giữa cần mổi đoạn dài 6 m

-Đoạn đầu cần có khớp bản lề dài 4 m

-Đoạn đầu cần có lắp pa lăng dài 4 m

-Khoảng cách giữa các mắt thuộc cùng một đường biên dài 1,5 m

-Cần gồm một thanh biên trên ,hai thanh biên dưới và các thanh giằng

* Các thanh trong dàn được tính theo đúng giả thuyết về dàn là các thanh chỉ chịu kéo hoặc nén Tiết diện các thanh được chon sao cho đảm bảo điều kiện làm việc về độ bền và độ ổn định

Khi thiết kế cần chọn tiết diện các thanh trong một dàn giống nhau để đảm bảo cho việc chế tạo và sửa chửa…

V-Các trường hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng

-Khi cần trục làm việc nó chịu tác dụng của nhiều loại tải trọng khác nhau.Mỗi

loại tải trọng có phương ,chiều ,độ lớn và thời điểm tác dụng khác nhau Tùy theo từng tổ hợp tải trọng cụ thể mà xác định các tải trọng tác dụng lên máy trục cho phù hợp Tải trọng tác dụng lên máy trục thường gặp là các tải trọng như : tải trọngcố định,tải trọng di động,tải trọng quán tính theo phương thẳng đứng,phương

ngang,tải trong gió tải trọng do lắc động hàng trên cáp …

Khi tính toán thiết kế kim loại máy trục của cần người ta tính toán theo ba trường hợp sau:

+ Trường hợp tải trọng I

Các tải trọng tác dụng lên máy trục là tải trọng tiêu chuẩn ở trạng thái làm việc và

ở những điều kiện sử dụng tiêu chuẩn Dùng để tính toán kết cấu kim loại theo độbền và độ bền mỏi Khi tải trọng thay đổi, trong đó có trọng lượng hàng thay đổithì không tính theo trị số tải trọng cực đại mà tính theo trị số tải trọng tương đương + Trường hợp tải trọng II :

Các tải trọng tác dụng lên máy trục là tải trọng cực đại ở trạng thái làm việc và ởđiều kiện nặng nhất, làm việc với trọng lượng vật nâng đúng tiêu chuẩn Dùng đểtính toán kết cấu kim loại theo độ bền và độ ổn định

+ Trường hợp tải trọng III :

Các tải trọng tác dụng lên máy trục là tải trọng cực đại ở trạng thái không làmviệc Các tải trọng đó gồm có: trọng lượng bản thân cần trục và gió bão tác dụnglên cần trục ở trạng thái không làm việc Trường hợp này dùng để kiểm tra kết cấutheo điều kiện độ bền, độ ổn định ở trạng thái không làm việc

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

+ Tổ hợp Ia, IIa : Tương ứng trạng thái cần trục làm việc, cần trục đứng yên chỉ cómột cơ cấu nâng làm việc, tính toán khi khởi động (hoặc hãm) cơ cấu nâng hàngmột cách từ từ tính cho tổ hợp Ia; khởi động (hoặc hãm) cơ cấu nâng hàng một cáchđột ngột tính cho tổ hợp IIa.

+ Tổ hợp Ib, IIb : Máy trục mang hàng đồng thời lại có thêm cơ cấu khác hoạt động(quay, thay đổi tầm với, di chuyển…) tiến hành khởi động (hoặc hãm) cơ cấu đómột cách từ từ tính cho tổ hợp Ib; khởi động (hoặc hãm) cơ cấu đó một cách độtngột tính cho tổ hợp IIb

+Bảng tổ hợp tải trọng.

Khi tính toán cần trục tháp người ta thường tính theo trạng thái giới hạn về độ bềnvà tính ổn định của chúng và không tính đến độ bền mỏi vì cần trục tháp thườnglàm việc ở chế độ nhẹ và trung bình

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 :

Các dạng tải trọng IIa IIb IIc IId IIIa IIIb

Trọng lượng bản thân các

Trọng lượng hàng( không

Tải trọng lắp rắp và vận

Bảng tổ hợp tải trọng khi tính toán độ bền và độ ổn định của cần trục tháp xây dựng

Các tải trọng tính toán lên cần trục xác định đối với tất cả các trạng thái có thể diển ra của cần trục như: trạng thái không làm việc ,kí hiệu IIIa; trạng thái không làm việc đang tiến hành lắp rắp ,kí hiệu IIIb; trạng thái làm việc kí hiệu II

1-Các tổ hợp tải trọng qui ước dùng cho các bộ phận kết cấu thép như:IIa,IIb,IIc,cho các thanh biên của cần cột,tháp,bệ quay:IIc cho các thanh bụng của cần:IId cho các thanh bụng của tháp

2-Dấu “+”chỉ tải trọng có để ý đến:dấu “-“ chỉ tải trọng không cần để ý đến

3-Chiều của áp lực gió Pg lấy tương tự như chiều của lực ngang sinh ra do cần bị nghiêng

Trong trường hợp tính kết cấu thép của cần ta chỉ tính các trường hợp tải trọng: IIa,IIc,IIIa,IIIb

VI- Các dạng tải trọng tính toán

a-Tổ hợp IIa:

-Tải trọng thẳng đứng do trọng lượng bản thân :tải trọng này xác định theo hình vẽ kết cấu,xuất phát từ việc so sánh các kết cấu tương tự đã có,cũng có thể xác định gần đúng công thức thực nghiệm hoặc bằng đồ thị

Trọng lượng cần: Gbt-cần=10(T)

-Tải trọng tính toán do trọng lượng bản thân :

+Trọng lượng kết cấu thép của cần :G=n1.Gbt=1,1.10=1,1(T)

+Tải trọng phân bố của kết cấu thép: q=n1 qbt= n1

10 1,1 0, 42( / ) 26

bt

G

Với n1=1,1 : hệ số vượt tải

Gbt ,qbt :trọng lượng bản thân của kết cấu thép

+Tải trọng tính toán của trọng lượng bản thân bộ phận mang hàng

Qm=1,1.Qbt=1,1.500=550 (KG)=0,55 (T)

Với Qbt=500 (KG) trọng lượng bản thân bộ phận mang hàng

+Tải trọng tính toán thẳng đứng do trọng lượng hàng :

1-Tải trọng động quán tính

Tải trọng động quán tính sinh ra khi tăng hoặc giảm tốc độ trong thời gian nâng (hạ) hàng và phanh các cơ cấu củng như do sự va đập ở chổ nối ray và cơ cấu truyền động có khe hở của cặp lắp ghép tăng do sự mài mòn khi làm việc.Người

ta không áp dụng phương pháp thông thường là xét đến đặc điểm động học của tải trọng thẳng đứng bằng cách nhân tải trọng tính với hệ số động khi tính toán cần trục tháp ở trạng thái làm việc mà người ta đề cập trực tiếp đến tải trọng quán tinh1trong thời gian nâng (hạ) hàng Po và khi quay cần trục có hàng Pq

Pqt tác dụng lên kết cấu tính bằng

qt

Với m: khối lượng từng phần quy đổi về điểm tính toán

 : gia tốc dài tính toán tại điểm này

Trong tổ hợp IIa ta chỉ quan tâm đến khi nâng hoặc hạ hàng

Tải trọng quán tính này xuất hiện do sự dao động của khối lượng cần trục và hàng gồm :

Tải trọng nằm ngang do các phần dao động của cần trục mà khối lượng của chúng được uy đổi về đuôi cần m1

P10= m1 

Với m1=mc.k

m1 :khối lượng quy đổi

mc: khối lượng của cần

k : hệ số quy đổi

m1=11.0.8=8,8(T)

: gia tốc quán tính của khối lượng được xác định :.R 

Với : gia tốc góc quán tính của cần

Theo bảng 1-11 sách tính toán MNC thời gian khởi động (hãm) các cơ cấu máy trục đối với cơ cấu quay t  3 8( )s chọn t=4s

2 0

2- Các lực ngang do nghiêng cần trục

Các thành phần nằm ngang của tất cả các tải trọng sinh ra do sự nghiêng của cần trục và khi đặt đường ray hoặc chế tạo cần trục không chính xác tạo ra do sự biến dạng đàn hồi của mặt đường và kết cấu cần trục

Tất cả các thành phần lực ngang này tạo ra theo công thức ,trong đó không kể tới hệ số vượt tải

P=G.i

G: Trọng lượng bản thân cần tính

i : Độ nghiêng lớn nhất của cần trục

i

B

   Trong đó B=4500 (mm) chiều rộng của bánh xe

Lực ngang do trọng lượng bản thân cần: 11000. 1 122, 2

Ơû tầm với Rmax=25m , QH+Qm=5350 kG

3- Tải trọng gió

Tải trọng gió tác dụng lên cần trục trong trạng thái làm việc :tải trọng này được đềcập tới khi tính kết cấu thép ,cơ cấu quay ,công suất động cơ và ổn định của cần trục tháp ,hệ số vược tải lấy bằng 1

Chiều của áp lực gió lấy tương tự như chiều của lực ngang sinh ra do cần trục bị nghiêng Tải trọng gió tác dụng trog mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng treo hàng

+ Tải trọng gió phân bố lên hàng :

Kh : Hệ số xét đến sự tăng áp lực gió theo độ cao từ mặt đất

Theo bảng 6-2 trang 308 Sách TTKCT kh= 1,7

Theo bảng 4.2 ,KCKLMT ta có

Ơû tầm với Rmax=25m , F=6 m2, P hg  30,6.6 183,6  kG,

Ơû tầm với Rmax=20m , F=8 m2, P  30,6.8 244,8  kG,

Ơû tầm với Rmax=12,5m , F=9 m2, P hg  30,6.9 275, 4  kG,

Tải trọng gió tính toán tác dụng lên hàng

P IIg n P gh

n : hệ số hiệu chỉnh áp lực gió

Theo bảng 4.5 sách KCKLMT n=1,7

Ơû tầm với Rmax=25m , PIIg 1, 7.183,6 312,12 kG

Ơû tầm với Rtb=20m , PIIg 1, 7.244,8 416,16 kG

Ơû tầm với Rmin=12,5m , PIIg 1, 7.275, 4 468,18 kG

Tải trọng gió tác dung lên cần:

Tải trọng gió phân bố tác dụng lên diện tích chắn gió của kết cấu kim loại cần của cần trục tháp

q0 : Aùp lực gió trung bình ở trạng thái làm việc , q0=25kG/m2

n : Hệ số hiệu chỉnh áp lực gió tính đến sự tăng áp lực theo chiều cao

Tải trong gió tác dụng lên cần Pgc .F

Với F là diện tích chắn gió của kết cấu

F=kc.Fb ( CT 4.5- KCKLMT)

kc : Hệ số độ kín của kết cấu ; Tra bảng 4.3 KCKLMT kc=0,3

Fb : diện tích hình bao của kết cấu cần

Trọng lượng tính toán cần kG 11000

Trọng lượng tính toán vật mang hàng kG 550 550 550Tải trọng quán tinh khi cơ

cấu làm việc nâng hạ hàng

Lực ngang do nghiêng cần

trục (vuông góc với mp

mang hàng)

Aùp lực gió tác dụng lên

các bộ phận khi làm việc

Lên cần(Pgc) kG 305.58 305.58 305.58Lên hàng(Pgh) kG 312.12 416.16 468.18

b -Tổ hợp IIc

Căn cứ vào bảng tổ hợp tài trọng ,đối với tổ hợp Iib thì ta chỉ cần tính các dạng tải trọngsau

Trọng lượng bản thân các bộ phận : giống tổ hợpIIa

Trọng lượng hàng ( không kể đến cơ cấu ngoạm hàng): giống tổ hợpIIa

Tải trọng quán tính khi cơ cấu làm việc: cơ cấu nâng (hạ) hàng: giống tổ hợpIIaLực ngang do nghiêng cần trục : trong trường hợp này ta chỉ quan tâm lực ngang trong mặt phẳng nâng hàng

Các giá trị của lực ngang được xác định như tổ hợp IIa chỉ có mặt phẳng tác dụng là thay đổi so với IIa

Lực ngang do kết cấu cần trục gây ra có chiều như hình vẽ

Có giá trị như trong bảng (Pnc=122,2 kG)

Lực ngang do hàng và bộ phận mang hàng có giá trị giống tổ hợp IIa và có chiều như hình vẻ

Ơû tầm với Rmax : Pnh=59,4 kG

Ơû tầm với Rtb : Pnh=72,8 kG

q

q ng

Qh Qm

x y

z

Ơû tầm với Rmin : Pnh=112,8 kG

Tải trọng gió tác dụng lên hàng và cần có giá trị giống tổ hợp IIa ,có phương nằm trong mặt phẳng nâng hàng ,theo quy ước chiều của áp lực gió Pg lấy tương tự như chiều của lực ngang sinh ra do cần bị nghiêng Mà trong tổ hợp Iic lực ngang do nghiêng cần trục nằm trong mặt phẳng treo hàng

Lực gió tác dụng lên cần : Pnc=305,8 kG

lực gió tác dụng lên hàng :

Ơû tầm với Rmax : Pgh=312,12 kG

Ơû tầm với Rtb : Pgh=416,16 kG

Ơû tầm với Rmin : Pgh=468,18 kG

1- Xác lực căng dây của cáp treo hàng

Do đặc điểm của hệ palang mà lực căng dây của cáp treo hàng chỉ phụ thuộc vào trọng lượng vật nâng và hiệu suất puly

Lực căng dây cáp được xác định

n : hiệu suất của 1 puly

i :=2 số puly dẩn hướng

Ta được bảng số liệu sau

Sv kG 5570.6 6820 10568.5

VII - Lực căng dây cáp trên cần

1-Tổ hợp IIa

Trong mặt phẳng nâng hàng gồm có

Tải trọng tính toán của hàng :Qh

Tải trọng tình toán của vật mang hàng Qm

Lực căng dây cáp nâng vật Sv

Lực căng dây cáp nâng cần Sc

Trọng lượng cần Gc

Các lực quán tính quy đổi P10,P20,P30

Xét mô men tại B ta có:

21

z

l

P

Ơû tầm với Rmin :

2- Xác định tổ hợp IIc

Trong mặt phẳng ngang gồm có các lực sau:

Tải trọng tính toán của hàng :Qh

Tải trọng tình toán của vật mang hàng Qm

Lực căng dây cáp nâng vật Sv

Lực căng dây cáp nâng cần Sc

Trọng lượng cần Gc

Các lực quán tính quy đổi P10,P20,P30

Tải trọng gió tác dụng lên cần

Tải trọng gió tác dụng lên hàng

Xét mô men tại B ta có:

P

XB YB B

G

x y

z

l nc

Ơû tầm với Rmin :

VIII- Xác định các phản lực ở gối

a.Trong mặt phẳng nâng (hạ) hàng :

Tổ hợp IIa

b- Trong mặc phẳng ngang

Tổ hợp IIa :

Trong mp nằm ngang co các lực tác dụng:

Lực ngang do nghiêng cần :Pnc

Lực ngang do nghiêng hàng : Pnh

Lực gió tác dụng cần Pgc

Lực gió tác dụng lên hàng Pgh

IX- Xác định các phản lực tác dụng lên dàn

Do đặc điểm kết cấu của cần và căn cứ vào tình hình chịu lực của cần ta có thể phân phối lực cho các dàn của cần như sau:

-Các lực trong mặt phẳng thẳng đứng do hai cần nằm è nghiêng chịu

-Các lực theo phương ngang nằm trong mặt phẳng chứa dàn nằm ngang thì chỉ có dàn ngang chịu lực

Do vậy khi tính toán hai dàn nghiêng thì ta phải phân bố lực ở trên hai dàn là như nhau,tức là phải chia đôi lực trong mặt phẳng tác dụng khi đặt lên mỗi dànđồng thời phải chú ý góc nghiêng của dàn so với phương thẳng đứng

+Lực tác dụng lên một dàn nghiêng trong mặt phẳng dàn

1- Tổ hợp IIa

d d d

h h

góc nghiêng thanh nghiêng của cần :26,6

2.41

m c

' 11000 0

.sin15 34,72 2.41

m c

' 11000 0

.sin 40 86, 23 2.41

m c

' 11000 0

.sin 60 116, 2 2.41

m c

d

Ơû tầm với Rtb : 0

2- Tổ hợp IIc :

Với tổ hợp IIc các lực tác dụng lên một dàn nghiêng, trong mặt phẳng dàn nghiêngđó được xác định giống như tổ hợp IIa đồng thời ta phải tính đến các lực ngang do nghiêng cần trục ,do lực này nằm trong mặt phẳng nâng hạ cần và áp lực gió tác dụng lên các bộ phận khi làm việc ,áp lực gió có chiều xác định như chiều của lực ngang

-Lực ngang do nghiêng cần trục tác dụng lên cần được chia đều cho mổi mắt .cos , ' cos 26,6 sin 0

Lực ngang do nghiêng cần trục của hàng tác dụng lên dàn ở đầu cần

.cos , ' cos 26,6 sin 0

Ơû tầm với Rmax: 59, 4 ' 59, 4 0

Aùp lực gió tác dụng lên cần chia đều cho mỗi mắt

.cos , ' cos 26,6 sin 0

p có cùng phương cùng chiều và điểm đặt thành: p 'd

Ơû tầm với Rmax: m

+ Lực tác dụng lên dàn ngangtrong mặt phẳng dàn:

1- Tổ hợp IIa:

-Lực ngang do nghiêng cần trục

Do cần được chia đều cho mỗi mắt : m 39nc

Do hàng tác dụng ở đầu dàn mắc puly:

Ơû tầm với Rmax: d 59, 4( )

p

p  , Ơû mọi vị trí: 305,58 7,84

39

m gc

Tác dụng lên hàng:

Ơû tầm với Rmax: d 312,12( )

38 39

40 41

Ơû tầm với Rtb: P d  72,8 416,16 489(   kG)

Ơû tầm với Rmin: P d  112,8 468,18 509(   kG)

2- Tổ hợp IIc: dàn ngang không chịu tác dụng của các lực

X- Xác định nội lực của các thanh trong dàn

1- Tổ hợp IIa:

m c m

cos37

m c m c

.sin 53 sin 53

m c m

cos14

m c m

cos37

m c m c

Gm'cN

.sin14

m c m

m c m

m c m c

.sin 53 sin 53

m c m

m c

m c

Ơû tầm với Rmax : N1311  12289(kG N), 1312  1514(kG)

.sin 53 sin 53

.cos53 cos53

m c

.cos53 cos53

.sin 53 sin 53

.cos53 cos53

.sin 53 sin 53

.cos53 cos53

.sin 53 sin 53

.cos53 cos53