Thiết kế cầu trục hai dầm Q=20T L=18m

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế cầu trục hai dầm Q=20T L=18m

TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP

1 Sơ Lược Về Vật Liệu Và Cấu Tạo Kết Cấu Của Cầu Trục

1.1 Giới thiệu chung kết cấu thép:

Kết cấu thép là các kết cấu chịu lực của công trình làm bằng thép hoặc bằng kim loại khác nói chung Kết cấu thép ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hiện đại Chính là nhờ kết cấu thép có những ưu điểm nổi bật: bền, gọn nhẹ, năng động dễ lắp ráp hoặc vận chuyển, tính công nghiệp hóa cao, không thấm nước, chất lỏng và không khí Bên cạnh đó khi làm việc trong không khí ẩm, hay nhiệt độ cao thì cần quét thêm lớp sơn chống rỉ, chống cháy hoặc lớp bêtông bảo vệ bên ngoài

Phạm vi sử dụng của kết cấu thép rất rộng rãi: trong xây dựng nhà cửa, cầu đường, trong các kết cấu khung tháp cao, dùng làm bể chứa… và đặt biệt là dùng trong khung sàn, bệ đỡ của các máy nâng chuyển…

Khi sử dụng kết cấu thép phải đáp ứng các yêu cầu về độ bền, độ cứng khả năng chịu lực Hình dáng kết cấu phải hợp lí và tính thẩm mỹ cao Về mặt kinh tế thì kết cấu thép phải đảm bảo tiết kiệm vật liệu, tính công nghệ khi chế tạo và tính lắp ráp cơ động Chính vì thế ta phải tính toán kết cấu thép để so sánh với máy mẫu và tìm ra kết cấu hợp lí nhất, tiết kiệm nhất

Các thông số kĩ thuật cơ bản vật liệu chế tạo:

- Khẩu độ : L = 28m

- Sức nâng : Q = 20T

- Chiều cao nâng : H = 10 m

- Trọng lượng cầu :G=22T

- Vận tốc nâng :Vn=20m/phút

- Tốc độ di chuyển cổng : vdc = 60 m/ph

- Tốc độ di chuyển xe con : v*

dc = 30m/ph

1.2.Chọn vật liệu chế tạo:

- Kết cấu kim loại của máy trục là phần chiếm nhiều kim lọai nhất trong toàn bộ máy trục Vì thế để có khối lượng máy trục hợp lý cần phải thiết kế và tính toán đúng phần kết cấu kim lọai của nó

- Khối lượng kim lọai dùng cho kết cấu kim lọai chiếm 60÷80% khối lượng kim loại của toàn bộ máy trục, có khi còn hơn nữa Vì vậy việc

chọn kim lọai thích hợp cho kết cấu kim lọai để sử dụng chúng một cách tinh tế nhất là rất quan trọng Ngoài việc phải đảm bảo độ bền khi làm việc, kết cấu kim lọai cần phải dễ gia công, có giá thành thấp, diện tích chịu gió nhỏ, bề mặt ngòai của kết cấu cần phẳng để dể đánh rỉ và dể sơn.

- Kết cấu kim lọai cổng trục phần lớn dùng thép tấm, có thể liên kết với nhau bằng hàn hay đinh tán Vì mối ghép hàn gia công nhanh và rẻ được sử dụng rộng rãi nên ta chọn cách gia công này

Vật liệu dùng để chế tạo kết cấu thép rất đa dạng như là thép cácbon (gồm: thép cácbon thấp, trung bình và cácbon cao) hay thép hợp kim… Trong chế tạo kết cấu kim loại máy trục người ta sử dụng chủ yếu thép cácbon trung bình ( CT3 ) có cơ tính như sau:

+ Môđun đàn hồi : E = 2,1.106 KG/cm2

+ Môđun đàn hồi trượt : G = 0,81.106 KG/cm2

+ Giới hạn chảy : σch = 2800 KG/cm2

+ Độ giãn dài khi đứt : ε = 21%

+ Khối lượng riêng : γ = 7,83 T/m3

+ Giới hạn bền : σb = 4200 kG/cm2

+ Độ dai va đập : ak = 100 J/cm2

+ Độ bền cơ học đảm bảo

+ Tính dẻo cao

+ Tính hàn tốt ( dễ hàn )

Đối với các thanh phụ không chịu tải, dàn bảo vệ, tay vịn, sàn lát… có thể dùng thép CT0,CT1,CT2

1.3 Cấu tạo.

Cầu trục gồm 2 dầm ngang kiểu hộp Dầm được tựa trên các chân đỡ là các chân của cổng Ở chân cổng, phía trên có thanh dằng, phía dưới có liên kết với dầm để đặt hệ thống thủy lực và động cơ diezen

2 Các Thông Số Kích Thước Cơ Bản Kết Cấu Thép:

- Theo dự kiến thiết kế ban đầu thì cầu sẽ gồm hai dầm hộp Ray di chuyển cho xe lăn sẽ bố trí ở thành trên của dầm

- Mặt trên của cầu sẽ kết hợp làm sàn kiểm tra Khoảng cách giữa hai dầm phải tính sao cho cầu đủ ổn định trong mặt phẳng ngang do tác dụng của tải trọng lệch, vừa phải phù hợp với kích thước của xe lăn và giằng dầm

- Mục đích cuối cùng là chọn kết cấu nhỏ gọn mà vẫn đủ khả năng làm việc

2.1.Các kích thước cơ bản của dầm chính.

- Do hai dầm giống nhau nên ở phần này ta chỉ trình bày kích thước đặc trưng của một dầm

- Ta chọn sơ bộ các kích thước sau:

Chiều dài dầm: L = 28m

Chiều cao của dầm lấy trong giới hạn: h= 28

20

1 10

1 20

1 10

Chiều dày tấm thành:δt=6mm

Chiều dày của thành biên: δb=27mm

Chiều cao của thành dầm: ht=(h-2.δ)=900mm

Bề rộng tấm biên : B= (0,33÷ 0,5).H=(594 ÷ 900)

2.2Các kích thước cơ bản của đầu dầm chính:

3 Đặc Trưng Hình Học Của Tiết Diện:

2 12

.

3 2

1 1

12 680 2

3 2

3

+ +

Jx=2,84.1010mm4

12

2 ) 2 270 (

2 12

1768

3 2

2 2

12

680 16 2 303 1768 12 2 12

12 1768 2

3 2

3

+ +

3.1 Đầu dầm chính và dầm đầu

- Dầm đầu có kết cấu hộp giống như dầm chính, chiều dài dầm đầu là

1800mm, chiều cao la 900mm và cũng được chế tạo từ các tấm thép

- Momen quán tính của tiết diện:

12

868 2 ) 2 900 (

2 12

.

3 2

1 1

16 500 2

3 2

3

+ +

Jx=0,44.1010mm4

12

2 ) 2 270 (

2 12

868

3 2

2 2

12

500 16 2 236 868 12 2 12

12 868 2

3 2

3

+ +

4 Các Tải Trọng Tính:

Kết cấu kim lọai của cổng trục chịu các lọai tải trọng: tải trọng không

di động, tải trọng di động, lực quán tính, tải trọng lệch do phân bố tải không đều

Bảng 3: Bảng tổ hợp tải trọng.

Loại tải trọng

Tính theo độ bền

σ

[σ]=

II

c n

- Các trường hợp tải trọng tương ứng sự làm việc của cần trục như sau:

•Ia ,IIa : Cầu trục đứng yên, nâng hàng từ mặt nền hoặc hãm khi đang hạ hàng với nửa tốc độ(Ia) và cả tốc độ(IIa)

•Ib ,IIb : Cầu trục mang hàng di chuyển tiến hành phanh cầu trục từ từ(Ib) và phanh đột ngột (IIb)

•IIc : Cầu trục đứng yên, khởi động hoặc hãm xe con mang hàng trên cầu Trường hợp này dùng để tính dầm đầu

- Trong trường hợp này ta sẽ tính kết cấu kim loại cầu trục theo độ bền và ổn định

- Với các trường hợp cần phải tính là IIa ,IIb ,IIc

4.1 Tải trọng không di động.

- Tải này do trọng lượng bản thân kết cấu kim lọai, của sàn lát,hàng rào kiểm tra, ray, trục truyền của cơ cấu di chuyển… được xem như phân bố đều dọc theo chiều dài của kết cấu Còn tải trọng của cơ cấu di chuyển cầu, buồng lái và các thiết bị điện được xem như tập trung tại điểm đặt của nó

- Vì có hiện tượng va đập trong quá trình di chuyển trên đường ray có mối nối, nên tải trọng do trọng lượng bản thân kết cấu kim lọai, của sàn lát,

- Tải trọng không di động xem như phân bố đều dọc theo chiều dài của dầm và được xác định như sau:

+ Khối lượng biên trên, biên dưới, bản thành:

m=2.20.7850.(0,6.0,012+1,3.0,008)=5526,4Kg

+ Khối lượng ray: 63,7Kg/m

+ Trọng lượng phân bố của dầm chính:

* 4 , 5526 1 , 1 20

2 , 1

*

ray m m

4.2 Tải trọng di động.

- Các hệ số tải trọng:

- Hệ số va đập kt : theo [2]

kt = 1,2

- Hệ số động khi nâng hàng: theo [2]

ψII = 1 + 0,04.vn

= 1 + 0,04.20= 1,8

- Trọng lượng bản thân:

Trọng lượng bản thân của cầu trục (theo kinh nghiệm)

=> kt.Q = 1,2 x 25000 = 30000 kG

- Lực quán tính khi di chuyển cầu trục có gia tốc:

Khi cần trục di chuyển có gia tốc ( khởi động , hãm , thay đổi vận tốc ) sẽ làm phát sinh lực quán tính Tải trọng quán tính lớn nhất có thể xảy ra trong trường hợp này có phương trùng với phương chuyển động của cổng trục, có giá trị được xác định bằng Pqtmax

t

v G Q

(1)

Trong đó :

v : vận tốc di chuyển cầu trục : v = 60m/ph

t : thời gian phanh cổng trục t = (3÷8 )s , ta chọn t = 4 s

G : trọng lượng cổng trục : 31600kG

Q : trọng lượng hàng: 25000 kG

kG

P cg

4 60

60 ).

31600 25000

P xecon

(2)

Trong đó :

v : vận tốc di chuyển xe con: v = 25m/ph

t: thời gian phanh xe con t = (3÷8 )s , ta chọn t = 4 s

G : trọng lượng xe con : 10000 kG

Q : trọng lượng hàng: 25000 kG

) ( 3646 4

60

25 ).

10000 25000

R=0,15x21400=3210 kG

5.Xác Định Nội Lực Trong Kết Cấu Thép.

5.1.Xác định nội lực theo tổ hợp tải trọng IIa.

 Trường hợp xe con đặt ở giữa dầm là trường hợp nguy hiểm khi tính cho dầm chính:

Các tải trọng tác dụng lên dầm:

qdầm = 434,8 kG/m

Qhàng+xe =25000.1,48+ 10000 = 47000 kG

R=47000

q=434,8

Hình 28: Các tải trọng tác dụng lên dầm.

Biểu đồ nội lực trong dầm:

Biểu đồ momen do các tải trọng thẳng đứng gây ra:

245800

308711 3253595

245800 308711

Hình 30: Biểu đồ momen do các tải trọng thẳng đứng gây ra.

Biểu đồ momen do các tải trọng tác dụng ngang gây ra

5.2 Xác định nội lực của cầu trục theo tổ hợp IIb.

 Trường hợp xe con đặt ở giữa dầm là trường hợp nguy hiểm khi tính cho dầm chính:

Sơ đồ tính:

Hình 42: Sơ đồ tính do các tải trọng thẳng đứng gây ra

Xác định các phản lực liên kết do các tải trọng thẳng đứng gây ra:

2

561000 47

, 23 8042 975

, 14 426 2

= +

Biểu đồ momen do tải trọng tác dụng ngang gây ra trên dầm chính bao gồm tải trọng gió, tải trọng quán tính do trọng lượng bản thân dầm, tải trọng quán tính do trọng lượng xe con và vật nâng:

∗ Trường hợp tính điều kiện bền cho dầm này do hai đầu dầm chính bị hàn cứng với chân cổng nên để đơn giản ta ta coi dầm chính như bị ngàm hai đầu Còn tải trọng gió tác dụng lên chân ta sẽ xét trong trường hợp nguy hiểm cho chân là trường hợp xe con mang hàng ở đầu dầm

P g =1324

191861,5

P' qt =48750 P qtdam =804

49347 24375

240720,7

Hình 44: Biểu đồ momen do các tải trọng ngang gây ra.

Ngoài ra còn có do lực quán tính dọc khi phanh xe lăn:

P' qt

P' qt P' qt

Trong đó h1=h d h ray 0 , 13 0 , 855m

2

45 , 1

Momen xoắn phụ do lực quán tính P’qt đặt ở đầu ray:

Mx=P’qt.h1=24375.0,855=20840,6Nm

6 Kiểm Tra Bền Cho Dầm Chính

6.1 Tổ hợp tải trọng IIa.

6.1.1.Khi xe con ở vị trí giữa dầm.

 Tiết diện nguy hiểm nhất là tiết diện giữa dầm:

Hình 72: Tiết diện giữa dầm khi xe con ở giữa dầm

Phân tố A,C là phân tố nguy hiểm nhất vì chịu nén và kéo lớn nhất

Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 4 , 154 10

31 , 10

10 30388 10

48 , 21

10 3253595

mm N W

M W

M

Y

Y X

−

Do phân tố chịu uốn xiên nên σmax=σmin=154,4N/mm2<[σ]=180N/mm2.Với [σ]=180N/mm2 tr144[5]

 Xét tiết diện đầu dầm: do momen uốn tại tiết diện này bằng 0 nên ta

không cần kiểm tra bền cho ứng suất pháp Ứng suất tiếp:

10

2 2

10 557 , 1 2

1450 308711

2

.

mm N J

Vậy: τmax<[τ]=0,6.[σ]=[σ3]108N/mm2 (8.8a)tr164[6]

6.1.2.Khi xe con ở vị trí đầu dầm tiết diện nguy hiểm nhất là tiết diện

giữa dầm và ở đầu dầm:

 Tiết diện giữa dầm

Hình 73: Tiết diện giữa dầm khi xe con ở đầu dầm

Các phân tố chịu ứng suất phức tạp, phân tố nguy hiểm nhất là phân tố AvàC

Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 6 , 26 10

31 , 10

10 30388 10

48 , 21

10 500601 53232

18304

mm N W

M W

3

/ 9 , 25 10 31 , 10

10 30388 10

48 , 21

10 500601 53232

18304

mm N W

M W

Hình 74: Tiết diện tại đầu dầm khi xe con ở đầu dầm

Các phân tố chịu ứng suất phức tạp, phân tố nguy hiểm nhất là phân tố AvàC

Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 3 , 18 10 31 , 10

10 60776 10

48 , 21

10 274101 53232

18308

mm N W

M W

σC= 2

6

3 6

3

/ 19 10 31 , 10

10 60776 10

48 , 21

10 274101 53232

18308

mm N W

M W

−

−

⇒σA <[σ]=180N/mm2

6.2 Tổ hợp tải trọng IIb

6.2.1khi xe con ở vị trí giữa dầm:

 Tiết diện nguy hiểm nhất là tiết diện giữa dầm:

Hình 75: Tiết diện giữa dầm khi xe con ở giữa dầm

Phân tố A,C là phân tố nguy hiểm nhất vì chịu nén và kéo lớn nhất.Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 5 , 178 10

31 , 10

10 5 , 191861 10

48 , 21

10 3423105 53232

28200

mm N W

M W

3

/ 4 , 177 10

31 , 10

10 5 , 191861 10

48 , 21

10 3423105 53232

28200

mm N W

M W

Hình 76: Tiết diện đầu dầm khi xe con ở giữa dầm

Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 53 , 43 10

31 , 10

10 7 , 240720 10

48 , 21

10 422295 53232

28200

mm N W

M W

3

/ 5 , 42 10

31 , 10

10 7 , 240720 10

48 , 21

10 422295 53232

28200

mm N W

M W

+

−

⇒σC <[σ]=180N/mm2

6.6.2.1. Khi xe con ở vị trí đầu dầm:

 Tiết diện tại giữa dầm:

Hình 77: Tiết diện giữa dầm khi xe con ở đầu dầm

Các phân tố chịu ứng suất phức tạp, phân tố nguy hiểm nhất là phân tố AvàC

Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 3 , 38 10

31 , 10

10 5 , 191861 10

48 , 21

10 2 , 406625 53232

40730

mm N W

M W

3

/ 8 , 36 10

31 , 10

10 5 , 191861 10

48 , 21

10 2 , 406625 53232

40730

mm N W

M W

A B

M X

M Y N

Hình 78: Tiết diện đầu dầm khi xe con ở đầu dầm

Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 51 10 31 , 10

10 240720 10

48 , 21

10 8 , 609931 53232

40730

mm N W

M W

3

/ 5 , 52 10 31 , 10

10 240720 10

48 , 21

10 8 , 609931 53232

40730

mm N W

M W

−

−

⇒ σc <[σ]=180N/mm2

6.3.Tổ hợp tải trọng IIc

6.6.3.1.Khi xe con ở vị trí giữa dầm:

 Tiết diện nguy hiểm nhất là tiết diện giữa dầm:

Hình 79: Tiết diện giữa dầm khi xe con ở giữa dầm

Phân tố A,C là phân tố nguy hiểm nhất vì chịu nén và kéo lớn nhất

6

3 6

3

/ 3 , 122 10

31 , 10

10 30388 10

48 , 21

10 2563577

mm N W

M W

M

Y

Y X

 Tiết diện giữa dầm:

Hình 80: Tiết diện giữa dầm khi xe con ở đầu dầm

Các phân tố chịu ứng suất phức tạp, phân tố nguy hiểm nhất là phân tố AvàC

Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 24 10

31 , 10

10 30388 10

48 , 21

10 445778 53232

15846

mm N W

M W

3

/ 4 , 23 10 31 , 10

10 30388 10

48 , 21

10 445778 53232

15846

mm N W

M W

+

−

⇒σc <[σ]=180N/mm2

7 Kiểm Tra Chân Cầu trục

Trường hợp nguy hiểm nhất cho chân cầu là khi xe con ở vị trí đầu dầm vì lúc này chân cổng chịu nén và uốn lớn nhất

Chân cầu trục được tính kiểm tra theo điều kiện bền và ổn định với kích thước kết cấu đã chọn trước

Hình 83: Biểu đồ chịu lực của chân cầu trục

7.1.Tổ hợp tải trọng IIa:

 Xét tiết diện phía trên chân cầu trục:

Phân tố A và C là nguy hiểm nhất:

6

3 3

3

/ 5 , 46 10

15 , 8

10 60776 10

84 , 10

10 274101 37920

6 , 519950

mm N W

M W

3

/ 19 10

15 , 8

10 60776 10

84 , 10

10 274101 37920

6 , 519950

mm N W

M W

+

−

⇒σC <[σ]=180N/mm2

Xét tiết diện phía dưới chân cầu trục:

Phân tố A và C là nguy hiểm nhất:

σA=

6

3 3

3

/ 71 10

86 , 9

10 53982 60776

10 26 , 6

10 274101 33520

5 , 524203

mm N W

M W

3

/ 8 , 39 10

86 , 9

10 53982 60776

10 26 , 6

10 274101 33520

5 , 524203

mm N W

M W

M

F

N

Y Y X

+

−

⇒σC <[σ]=180N/mm2

7.2 Tổ hợp tải trọng IIb:

Xét tiết diện phía trên chân cầu trục:

Phân tố A và C là nguy hiểm nhất:

6

3 6

3

/ 102 10

15 , 8

10 240720 10

84 , 10

10 615933 37920

615933

mm N W

M W

3

/ 8 , 69 10

15 , 8

10 240720 10

84 , 10

10 615933 37920

615933

mm N W

M W

+

−

⇒σC <[σ]=180N/mm2

Xét tiết diện phía dưới chân cầu trục:

Phân tố A và C là nguy hiểm nhất:

6

3 6

3

10 86 , 9

10 211719 240720

10 26 , 6

10 8 , 609931 33520

4 ,

X W

M W

3

10 86 , 9

10 211719 240720

10 26 , 6

10 8 , 609931 33520

4 ,

−

= + +

−

Y

Y X

X W

M W

M

F

N

=124 , 8N/mm2

⇒σC <[σ]=180N/mm2

7.3.Tổ hợp tải trọng IIc:

Xét tiết diện phía trên chân cầu trục:

Phân tố A và C là nguy hiểm nhất:

6

3 6

3

/ 6 , 39 10

15 , 8

10 60776 10

84 , 10

10 231093 37920

410618

mm N W

M W

3

/ 95 , 17 10

15 , 8

10 60776 10

84 , 10

10 231093 37920

410618

mm N W

M W

+

−

⇒σC <[σ]=180N/mm2

Xét tiết diện phía dưới chân cầu trục:

Phân tố A và C là nguy hiểm nhất:

6

3 6

3

/ 61 10

86 , 9

10 53982 60776

10 26 , 6

10 231903 33520

414871

mm N W

M W

3

/ 3 , 36 10

86 , 9

10 53982 60776

10 26 , 6

10 231903 33520

414871

mm N W

M W

M F

N

Y

Y X

+

−

⇒σC <[σ]=180N/mm2

Vậy tiết diện đủ bền

8 Kiểm Tra Ưùng Suất Tiếp

Khi xe con ở đầu dầm thì lực cắt lớn nhất ở sát gối tựa Do vậy ta phải kiểm tra ứng suất tiếp tại những tiết diện này:

τ=

x c

c x y J b

S Q

.

. (7-32)[8]

Q: Lực cắt lớn nhất

Jx: Momen quán tính của cả tiết diện đối vớ trục x-x

τmax=2.. .24

x J

h Q

trang 10 [5]

h: Chiều cao của dầm chính

8.1.Tổ hợp tải trọng IIa:

Ứng suất tiếp do lực cắt lớn nhất gây ra khi xe con ở đầu dầm