Môn máy xếp dỡ nhiệm vụ thư thiết kế kết cấu thép máy nâng chuyển đề tài thiết kế cầu trục 1 dầm, khẩu độ 14,5 m, sức nâng 5t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VIỆN CƠ KHÍ Bộ môn: Máy xếp dỡ NHIỆM VỤ THƯ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP MÁY NÂNG CHUYỂN Học kỳ: I Năm học: 2022-2023 Họ tên sinh viên: Mai Thạch Tân –MXD60ĐH Nhóm: Kết cấu thép MNC-NO1 Giáo viên hướng dẫn: PHẠM ĐỨC ĐỀ TÀI : Thiết kế cầu trục dầm, độ 14,5 m, sức nâng 5T SỐ LIỆU BAN ĐẦU Sức nâng : Khẩu độ : Q=5T L=14,5m Các số liệu khác chọn theo máy mẫu NỘI DUNG: Thuyết minh: Tính tốn thiết kế kết cấu thép cầu trục Bản vẽ: BV tổng thể cầu trục A1 BV kết cấu thép dầm chính, dầm đầu A1 (A1 = A2 + A2 (dầm A2 ; dầm đầu A2) Trang HOÀN THÀNH: SV NHẬN NHIỆM VỤ TKMH Mai Thạch Tân ngày 25 tháng 12 năm 2022 GV.HƯỚNG DẪN Phạm Đức Trang ĐỒ ÁN: KẾT CẤU THÉP MÁY NÂNG CHUYỂN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP CẦU TRỤC MỘT DẦM Phần I: Mở Đầu Giới thiệu chung cầu trục Giới thiệu cầu trục hai dầm Phần II: Nội Dung Thiết Kế Phương pháp tính tốn kết cấu thép Xác định kích thước dạng lien kết kết cấu thép Chọn vật liệu chế tạo kết cấu thép Xác định tải trọng tổ hợp tải trọng Xác định nội lực phần tử kết cấu Kiểm tra độ bền độ ổn định, độ cứng phần tử kết cấu Kiểm tra độ cứng, độ ổn định tổng thể kết cấu Tính tốn mối ghép hàn Tính nghiệm trọng lượng kết cấu Phần III: Kết luận Trang PHẦN I: MỞ ĐẦU I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẦU TRỤC Cầu trục loại máy xếp dỡ dùng chủ yếu phân xưởng khí, nhà kho, nhà máy đóng tàu để nâng hạ, vận chuyển hàng với lưu lượng lớn phục vụ việc đóng sửa chữa tàu Cầu trục sử dụng lĩnh vực khác nghành kinh tế quốc dân với cac thiết bị mang hàng đa dạng : móc treo, mâm cặp, nam châm điện, gầu ngoạm v.v… Đặc biệt cầu trục sử dụng phổ biến ngành chế tạo luyện kim thiết bị mang hàng chuyên dụng Đặc điểm chung cầu trục hoạt động nhà kín, chịu ảnh hưởng tải trọng gió, Kết cấu cầu trục có dạng khung cứng, đặt hai bờ tường cao di chuyển dọc theo tường đó, cầu trục có bố trí xe palăng điện để mang hang di chuyển dọc cầu Như vạy chuyển động chuyển động mã hàng cầu trục làm việc gồm: chuyển động dọc chuyển động ngang nhà xưởng (kho) Vì cầu trục nâng hạ vận chuyển hàng tới vị trí kho hàng Cầu trục chế tạo với tải trọng nâng từ đến 500T, độ dầm cầu đến 32 m, chiều cao nâng đến 16m/ph, tốc độ nâng vật từ đến 40m/ph, tốc độ di chuyển xe đến 60m/ph tốc độ di chuyển xe đến 60m/ph tốc độ di chuyển cầu trục đến 125m/ph Cầu trục có tải trọng nâng 10T thường trang bị hai ba cấu nâng vật: cấu nâng hai cấu nâng phụ Tải trọng nâng loại cầu trục thường kí hiệu phần phân số với tải trọng nâng nâng phụ, ví dụ: 15/3T, 20/5T, 150/20T… Theo cơng dụng có loại cầu trục có cơng dụng chung cầu trục chun dùng Cầu trục có cơng dụng chủ yếu dùng với móc treo để xếp dỡ, lắp ráp sửa chữa máy móc Loại cầu trục có tải trọng nâng khơng lớn cần dung với gầu ngoạm, nam châm điện thiết bị cặp để xếp dỡ loại hàng định Cầu trục Trang chuyên dùng sử dụng chủ yếu công nghiệp luyện kim với thiết bị mang vật chuyên dùng ó chế độ làm việc nặng Theo kết cấu dầm cầu có loại cầu trục dầm cầu trục hai dầm Dầm cầu cầu trục dầm thường chữ I dầm tổ hợp với dàn thép tăng cứng cho dầm Cầu trục dầm thường dùng palang điện chạy dọc theo dầm chữ nhờ cấu di chuyển palang Cầu trục hai dầm có loại dầm hộp dầm khơng gian Theo cách bố trí cấu di chuyển cầu trục có loại cầu trục dẫn động chung dẫn động riêng Theo cách tựa dầm đường ray di chuyển cầu trục có loại cầu trục tựa cầu trục treo Loại cầu trục tựa sử dụng phổ biến Ngồi theo nguồn dẫn động có loại cầu trục dẫn động tay cầu trục dẫn động máy Theo vị trí điều khiển có loại cầu trục điều khiển từ cabin gắn dầm cầu trục điều khiển từ cabin gắn dầm cầu cầu trục điều khiển từ hộp nút bấm thường dùng cho loại cầu trục dầm có tải trọng nhỏ II GIỚI THIỆU VỀ CẦU TRỤC MỘT DẦM Vai trò chức cầu trục dầm - Cầu trục dầm: sản phẩm làm từ kim loại nặng, sản phẩm có nhiều ứng dụng cho sản xuất, mang đến cho thân người dùng nhiều phát triển mạnh mẽ Các loại cầu trục sản xuất tương đối đơn giản, cố định hai trụ cao để nâng vật nặng lên, rịng rọc có tác dụng cố định vật nặng để thúc đẩy lực kéo, nhằm kéo vật nặng lên cách nhẹ nhàng, đỡ tốn sức tận dụng tối đa loại máy móc thay sức người Cầu trục loại dầm Trang nâng cao vật nặng lên đến tấn, 10 mà không gây nguy hiểm cho người Khơng vậy, thấy sống người ngày phát triển, có nhiều loại cơng cụ, đồ vật nặng cột bê tông, phụ kiện loại máy móc hạng nặng Do cần phải tìm kiếm sản phẩm chất lượng, đương nhiên loại cầu trục dầm đơn giản, có cấu tạo tương đối dễ sử dụng lựa chọn hàng đầu người Ngày nay, bạn sử dụng loại cầu trục nhiều địa điểm khác nhau, chúng chí cịn dễ dàng lắp đặt để giúp cho cơng trình thi công hoạt động tốt hơn, nâng vật nặng lên cao dễ dàng Cấu tạo nguyên lý hoạt động Cấu tạo Trang Hình 1.2 Cầu trục dầm ba pha Dầm Khung giàn thép Móc câu điều khiển Bộ phận cấp điện lưới Palăng điện Trục truyền động Cơ cấu di chuyển cầu Bánh xe di chuyển cầu Dầm cuối 10 Cabin Các thông số cầu trục thiết kế: - Sức nâng: Q = 5T - Khẩu độ: L = 14,5m - Chiều cao nâng: H = 10m - Tốc độ nâng = 10 m/ph - Tốc độ di chuyển xe = 35 m/ph - Vận tốc di chuyển cầu trục: Vc = 20m/ph - Trọng lượng xe lăn kể phận mang vật:Gx = 8000 N - Trọng lượng cầu với cấu di chuyển:Gc = 40000 N - Khẩu độ dầm cầu:L = 10 m - Trọng lượng khung giàn thép:Gt = 3000 N Trang PHẦN II : NỘI DUNG I PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KẾT CẤU THÉP Hiện nay, có nhiều phương pháp tính kết cấu thép cần trục trạng thái tới hạn, ứng suất cho phép, xác suất hư hỏng… Phương pháp tính theo xác suất hư hỏng kết cấu thép dựa xác suất hư hỏng kết cấu, cho phép tính tuổi thọ , dộ tin cậy dự đoán khả làm việc kết cấu, nhiên phương pháp chưa sử dụng rộng rãi Vì kết cấu thép cần trục chủ yếu tính theo trạng thái tới hạn tính theo ứng suất cho phép 1.1 Phương pháp trạng thái tới hạn Trạng thái tới hạn trạng thái mà kết cấu không thỏa mãn điều kiện khai thác theo quy định không đủ khả chịu lực biến dang qúa mức Tính thep phương pháp nhằm đảm bảo cho kết cấu không tiến tới trạng thái tới hạn suốt thời gian làm việc kết tính cảu phương pháp xác, tiết kiệm vật liệu, nâng cao chất lượng thiết kế, hạ giá thành chế tạo Tuy nhiên, yêu cầu số kết cấu, tính theo trạng thái tới hạn đơi đưa đến biến dạng tương đối lớn Ngoài ra, cịn hạn chế tính cấu kiện ứng suất biến đổi Cần xét tới trạng thái tới hạn: - Trạng thái khả chịu lực kết cấu - Kết cấu không thỏa mãn điều kiện làm việc bình thường, rung, biến dạng mức - a) Trạng thái tới hạn 1: cần trục ổn định chịu tải theo độ bền, độ ổn định hay mỏi - * Điều kiện độ bền độ ổn định: Kết cấu phải thỏa mãn điều kiện: - N≤ Φ - N – nội lực phát sinh lớn kết cấu - N = ∑αi Pi ni - Pi - tải trọng tiêu chuẩn thứ i(tải trọng lớn trạng thái làm việc) Trang - αi – nội lực tải trọng đơn vị Pi = - ni – hệ số vượt tải, kể đến thay đổi trị số tải trọng xác định theo thực nghiệm - Φ – khả chịu lực vật liệu làm kết cấu - Φ = F mk R - F – đặc trưng hình học tiết diện tiết diện kết cấu - mk - hệ số điều kiện làm việc tính đến mức độ quan trọng phận kết cấu, việc chế tạo khơng xác, mức độ khơng hồn thiện phương pháp tính tốn - R – cường độ chịu lực kết cấu, phụ thuộc vật liệu kết cấu - R= - Rt – cường độ tiêu chuẩn kết cấu.Đối với vật liệu dẻo Rt = σch - kM – hệ số độ tin cậy vật liệu, với thép C k M = 1,05, thép hợp kim thấp kM =1 σ ≤ mk R - *Điều kiện giới hạn độ bền mỏi: σtd ≤ mk R - σtd - ứng suất tương đương tải trọng tương đương gây - R- cường độ giới hạn mỏi vật liệu kết cấu - b)Trạng thái tới hạn 2: Đảm bảo độ cứng tĩnh, độ cứng động - Trạng thái tới hạn phải thỏa mãn điều kiện: f ≤ fgh - f: độ cứng kết cấu - fgh: độ cứng giới hạn kết cấu 1.2 Phương pháp ứng suất cho phép - Dựa sở xác định hệ số dự trữ độ bền kết cấu.Phương pháp sử dụng chưa có số liệu thống kê đầy đủ tải trọng tác dụng lên cấu.Khi tính tốn khơng xét tới chảy dẻo có kết cấu, coi kết cấu hết Trang khả chịu lực có điểm kết cấu trạng thái nguy hiểm, kết cấu cịn chịu thêm lực, nên độ xác khơng cao, gây lãng phí vật liệu - Khi tính kết cấu kim loại theo ứng suất cho phép ta đặt kết cấu vào trạng thái làm việc tác dụng tất tải trọng.Điều kiện bên trường hợp xác định theo công thức : - σmax ≤ [σ] - Trong đó: σmax - ứng suất lớn kết cấu kim loại; [σ] - ứng suất cho phép - Đối với vật liệu dẻo: [σ] = Trong đó: σch – giới hạn chảy vật liệu n – hệ số an toàn, phụ thuộc vào trường hợp phân phối tải trọng chế độ làm việc kết cấu kim loại (bảng 5-1 – TTMT – Đào Trọng Tường) Hệ số an toàn n Hệ số an toàn tác dụng trường hợp Chế độ làm việc Nhẹ, trung bình Nặng, nặng phối hợp tải trọng Trường hợp Trường hợp 1,50 1,33 1,70 1,40 Qua kinh nghiệm tích lũy sử dụng tính tốn kết cấu kim loại máy trục ta thấy phương pháp tính theo ứng suất cho phép phát triển phong phú hồn chỉnh có nhược điểm khơng xét đến biến dạng dẻo có kết cấu Mặt khác tính theo điểm nguy hiểm, coi kết cấu hoàn toàn khả chịu tải có điểm kết cấu trạng thái nguy hiểm Trong thực tế vật liệu dung kết cấu kim loại máy trục vật liệu dẻo nên nhiều trường hợp, tất điểm hay nhiều mặt cắt Trang 10 đến giới hạn chảy, kết cấu cịn khả chịu tải Do kết tính theo phương pháp thường khơng tiết kiệm Vì nhược điểm trên, người ta đề phương pháp tính mới, cách đánh giá độ bền kết cấu kim loại máy trục, có xét đến làm việc thực tế vật liệu giới hạn đàn hồi, thường gọi phương pháp tính theo trạng thái tới hạn hay tải trọng phá hoại Theo phương pháp tính kết cấu kim loại không đặt trạng thái làm việc, mà dặt trạng thái tới hạn, tức trạng thái kết cấu khả chịu tải, làm việc bình thường nữa, có biến dạng q mức, phát sinh vết nứt Chính kết tính theo phương pháp tiết kiệm phương pháp ứng suất cho phép Tuy với yêu cầu số kết cấu, tính theo phương pháp trạng thái tới hạn dưa đến biến dạng tương đối lớn, vượt mức độ cho phép Do phương pháp người ta đặc biệt ý tới biến dạng Hơn phương pháp tính theo trạng thái tới hạn chưa hoàn thiện để tính kết cấu kim loại máy trục nên ta chọn phương pháp tính theo ứng suất cho phép II XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC VÀ DẠNG LIÊN KẾT KẾT CẤU THÉP 2.1 Xác định kích thước tiết diện dầm chính, dầm cuối Chiều cao dầm tiết diện phụ thuộc vào tầm rộng cầu lấy bằng: Lấy H = 700 mm Chiều cao dầm tiết diện gối tựa: Trang 11 Chiều dài đọan nghiêng Lấy C = 1500 mm Chiều rộng biên dưới: Lấy Bo = 300 mm Để đảm bảo độ cứng dầm xoắn, bề rộng B thành đứng lấy Và Lấy B = 250 mm Vật liệu dầm chính: thép CT3 Thanh biên dầm dùng thép dày , biên , chiều dày thành đứng Từ kích thước ta xác định đặc tính tiết diện dầm Diện tích tiết diện  Thanh biên F1 =  Thanh biên F2 =  Thành đứng F3 = Tổng diện tích F = 12432 Momen tĩnh tiết diện trục xx Thanh biên trên: S1 = F1 Thanh biên dưới: S2 = F2 Thành đứng: S3 = Tổng momen tĩnh S = 4548768 Tọa độ trọng tâm tiết diện trục xx Trang 12 Momen quán tính tiết diện trục xx Thanh biên trên: Thanh biên dưới: Thành đứng: Tổng momen quán tính Momen chống uốn tiết diện trục xx: - Đối với lớp kim loại ngồi biên trên: Trong : Z1 = H – Zo = 700 – 366 = 334 mm - Đối với kim loại biên Momen quán tính trục yy Thanh biên trên: Thanh biên đưới: Thành đứng: Tổng momen quán tính Momen chống uốn trục yy Trang 13 Bằng phép tính tương tự ta xác định đặc tính tiết diện dầm cuối - Diện tích tiết diện F = 8232 - Trọng tâm tiết diện Zo = 187 mm - Momen quán tính trục nằm ngang 160,1 2.2 Xác định tải trọng tác dụng lên dầm Các tải trọng tác dụng lên dầm gồm: tải trọng khơng di động, tải trọng di động, lực quán tính phanh cấu Trang 14 - Tải trọng không di động: tải trọng khung giàn thép cấu di chuyển cầu, tải trọng coi phân bố dọc theo chiều dài kết cấu, tính sau: q = k1.1 Trong đó: k1 = 1,0 – hệ số đề chỉnh kể đến tượng va đập di chuyển máy trục, ứng với vận tốc di chuyển v < 60 m/ph Gt, Gd – trọng lượng khung giàn thép cấu di chuyển, sơ chọn Gt = 3000 N; Gd = 2200 N L = 10 m – độ dầm cầu - Tải trọng di động: tải trọng áp lực thẳng đứng bánh xe xe lăn tạo di chuyển dọc theo két cấu kim loại đặt điểm tiếp xúc bánh xe với đường ray Tải trọng sinh trọng lượng vật nâng trọng lượng xe lăn kể phận mang vật, trị số tải trọng bằng: P = k2 1,1 Trong đó: k2 = 1,1 – hệ số điều chỉnh ứng với chế độ làm việc nhẹ Tải trọng tác dụng lên bánh xe không kể đến hệ số điều chỉnh: = Trang 15 - Lực quán tính phanh xe cấu di chuyển cầu: Lực quán tính phanh xe với vật nâng di chuyển dọc cầu : Pqt1 = Lực quán tính phanh cấu di chuyển cầu: Pqt2 = 2.2.1 Chọn kết cấu dầm kiểm tra bền 2.1.3.1 Chọn kích thước tiết diện dầm Phần chịu tải cầu trục dầm thép hình kiểu chữ I, dầm chọn theo điều kiện đảm bảo độ cứng khả di chuyển palăng theo gờ Với tải trọng tính theo tiêu chuẩn ГОСТ 19425-74 2.1.3.2 Kiểm tra bền tiết diện chọn a Kiểm tra độ võng Độ võng thép chữ I xác định theo cơng thức: Trong đó: = 20000 + 8000 = 28000 N – tải trọng di động L = 10m – độ dầm E = 2,1.105 N/mm2 – modun đàn hồi kéo thép Jx = 175370 cm4 – momen quán tính tiết diện dầm trục ngang [ =l/400 = 10000/400 = 25 mm – độ võng cho phép dầm Trang 16 Vậy đảm bảo an toàn b Kiểm tra bền Do ảnh hưởng áp lực bánh xe P gây uốn cục bộ, cách dầm chữ I dùng làm ray bị uốn hai hướng dọc ngang dầm Ứng suất kéo lớn cánh xuất thớ phía chỗ bắt đầu góc lượn tiếp giáp cánh với thành, thớ vùng tự cánh - Ứng suất thành dầm uốn cánh mặt phẳng xz: -Ứng suất thành dầm uốn cánh mặt phẳng yz: -Ứng suất vùng tự cánh bị uốn mặt phẳng yz: Trong đó: k1, k2, k3 – hệ số, phụ thuộc vào tỷ số t = 28,2 mm – chiều dày cánh tiếp giáp với thành ttb = 25,5 mm – chiều dày trung bình cánh P= Trong công thức dấu cộng trừ ứng với thớ Trong đó: M – momen uốn dầm mặt phẳng xét tải trọng tập trung tải trọng phân bố q gây M= Wx = 5013 cm3 – momen chống uốn thớ tương ứng gờ Trang 17 Ứng suất tổng uốn tổng thể uốn cục bằng: - Ở thành dầm: - Ở vùng tự Kiểm tra độ bền theo điều kiện Vậy thép chữ I chọn đủ bền Ứng suất theo hướng dọc vùng tự cánh tính từ điểm đặt tải trọng giảm nhanh, khoảng cách trục bánh xe lớn chiều rộng cánh b, ảnh hưởng áp lực bánh xe thứ hai đến trị số ứng suất cục bánh xe thứ bỏ qua 2.2 Tính dầm cuối Kết cấu dầm cuối gồm hai thép chữ I đặt song song liên kết với liên kết thép phương pháp hàn gối hai trục bánh xe di chuyển Do kết cấu dầm cuối hai bên giống nên tính ta cần tính cho bên 2.2.1 Chọn vật liệu cho dầm cuối: Vật liêu cho dầm cuối chọn tương tự chọn cho dầm (phần 2.1.1) 2.2.2 Xác định tải trọng tác dụng lên dầm cuối Tải trọng tác dụng lên dầm cuối bao gồm tải trọng không di động, tải trọng di động lực quán tính phanh cấu, tải trọng tính tương tự 2.2.3 Chọn kết cấu dầm cuối kiểm tra bền Phần chịu tải cầu trục dầm thép hình kiểu chữ I, dầm chọn theo điều kiện đảm bảo độ cứng vững chịu tả trọng tập chung tâm Với tải trọng tính trên, theo tiêu chuẩn ГОСТ 19425-74 sơ ta chọn loại thép có kí hiệu với thơng số Trang 18 Số hiệ u thé p hìn h 20a Trọn g lượn g 1m dài (Kg) 22,7 Kích thước (mm) b d t R h 20 10 5, 8, 9, Các trị số trục Diệ r n x-x y-y tích Jxcm4 Wx Ixcm Sxcm3 Iycm4 Wyc Jycm4 cm3 m4 mặt cắắt cm2 1810 184 8,3 103 114 23,4 3,06 Kiểm tra bền tiết diện chọn: Dầm cuối tính xe lăn với vật nâng nằm sát (vị trí giới hạn độ dầm) Kết cấu kim loại tính theo phương pháp ứng suất cho phép dựa hai trường hợp phối hợp tải trọng Vị trí kiểm tra vị trí nằm dầm cuối (mặt cắt I-I - vị trí có tiết diện nguy hiểm nhất) Xét mặt cắt I-I, lực tập chung lớn tác dụng là: Sơ đồ tính lực tác dụng lên dầm cuối tiết diện I – I Lực quán tính tác dụng mặt cắt I-I (tại gối B) Phản lực gối đỡ tương ứng là: - Phản lực lực tập trung gây hai gối: - Phản lực lực quán tính gây hai gối: Trang 19 Kiểm tra bền tiết diên I-I - Theo trường hợp1, mômen uốn lớn tiết diện I-I là: Vậy – [tra bảng 5.2 TTMT] - Theo trường hợp , momen uốn lớn tiết diện I-I là: Vậy – [tra bảng 5.2 TTMT] Vậy thép chọn làm dầm cuối đủ bền Trang 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS TRẦN VĂN CHIẾN Kết cấu thép Máy nâng - chuyển Nhà xuất Hải Phòng – 2005 ĐÀO TRỌNG THƯỜNG – HUỲNH VĂN HỒNG Tính toán Máy trục Nhà xuất Hà Nội – 1975 Trang 21