đồ án môn học thiết bị tàu thiết kế cần cẩu derrick tàu hàng khô

CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA TÀU:Chiều dài tàu : L = 163,5mChiều rộng tàu : B = 27mChiều cao mạn : D = 13,8mChiều cao mớn nước : d = 9,7mVận tốc : V = 16,1HL/HChiều dài miệng khoang hàng : 12,

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢITHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT BỊ TÀUTHIẾT KẾ CẦN CẨU DERRICK TÀU HÀNG KHÔ

GVHD: NGUYỄN VĂN CÔNG

SVTH: LÊ HOÀNG VIỆT LỚP : VT21

MSSV: 2151070114

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA TÀU:

Chiều dài tàu : L = 163,5(m)Chiều rộng tàu : B = 27(m)Chiều cao mạn : D = 13,8(m)Chiều cao mớn nước : d = 9,7(m)Vận tốc : V = 16,1(HL/H)Chiều dài miệng khoang hàng : 12,75(m)

Chiều rộng miệng khoang hàng : 16,2(m)

Loại hàng tàu chuyên chở : Tàu chở hàng rời

Việc bố trí các thiết bị xếp dỡ, số lượng trên tàu hàng nhìn chung phụ thuộc vào các yếu tốsau:

• Loại tàu, kiểu tàu và vùng hoạt động của tàu.• Kích thước và tốc độ tàu.

• Loại hàng mà tàu phải chở.

Hiện nay trên các tàu hàng dùng phổ biến hệ thống cần trục Derrick hoặc cần trục quay hoặcbố trí hỗn hợp cả hai.

Chúng ta đang đi thiết kế thiết bị làm hàng cho tàu cỡ trung bình hoạt động ở vùng biểnkhông hạn chế nên ta chọn cách bố trí hệ thống Derrick đơn loại nhẹ.

Derrick là thiết bị xếp dỡ được dùng sớm nhất trên tàu, cho đến nay chúng vẫn đượcsử dụng khá phổ biến và ngày càng được cải tiến, hoàn thiện, hiện đại hóa.

2: Một số ưu và nhược điểm của Derrick đơn loại nhẹ

• Gía thành tương đối rẻ.● Nhược điểm:

• Tinh cơ động không cao.

• Có năng suất không cao do phải dịch chuyển hàng hóa và điều chỉnh lại vị trí cần.• Tính cơ giới hóa thấp.

Hình vẽ cần cẩu nhẹlàm việc đơn:

1.cầ cẩu; 2 Cột cẩu;3.chốt chân cần;4.chạc chân cần5.cụm mã quay đỉnhcột; 6.puly đỉnh cột7.dây điều chỉnh8.cụm mã nâng cầnđầu cần; 9.puly treo

hàng đầu cần;

10.mani’ bắt dâyhàng; 11.tấm nốitrung gian; 12.mã

treo hàng; 13.dây

chằng; 14.tăng đơ15.dây hàng16.puly chân cần17.nhánh dây hàngvào; 18 tời hàng

19 cơ cấu địnhvị dây điều chỉnh

20 hai nhánh dây điều chỉnh; 21 Tấm tam giác.3: Lựa chọn sức nâng mã hàng của cần cẩu:

Với kiểu tàu chở hàng loại này ( tàu chở hàng rời) ta tính chọn loại derrick đơn loại nhẹ,dựa vào bảng thống kê tàu mẫu theo tính chất từng loại hàngTuy nhiên ta tính chọn sức

nâng hàng mỗi lần của cần cẩu là: P = 5T.

CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CỦA CẨU

Kích thước cơ bản của cần cẩu, cột cẩu, phụ thuộc vào kích thước tàu, cách bố trí hầmhàng, cách bố trí các cần trục trên tàu, công dụng của tàu, …

2.1: Các thông số yêu cầu:

II.1.1: Góc nghiêng cần nhỏ nhất:

Đây là góc nghiêng nhỏ nhất của cần khi làm việc, thông thường đối với Derrick loại nhẹ tachọn góc nghiêng nhỏ nhất θmin=150.

II.1.2: Góc nâng cần lớn nhất:

Với loại cẩu Derrick loại nhẹ ta chọn θmax = 600.

II.1.3: Góc nâng cần khi làm việc:

Chọn θ =600.

II.1.4: Góc quay cần khi làm việc:

Đối với cần nhẹ nên ta chọn α = 600.

II.1.5: Khoảng cách từ cột cẩu đến miệng hầm hàng:

Khoảng cách này được tính theo phương dọc tàu, được tính từ trụ cẩu đến miệng hầm hàng :

a = ( Lh - Lk )/ 2 = 3,6 (m) (Tính theo kết cấu tàu)

II.1.6: Chiều cao chân cần:

Là chiều cao tính từ sàn hoặc boong, ta chọn khoảng cách này hC=(2,25÷ 2,5¿Chọn hC= 2.5 (m)

II.1.7: Tầm với ngoài mạn:

Tầm với ngoài mạn đủ để xếp dỡ hàng hóa lên cầu tàu, giả sử trên bờ không có phương tiệnxếp dỡ Thông thường tầm vươn ra ngoài mạn không nhỏ hơn 2-2.5m (sách TBTT trang214) Ta chọn tầm với lớn nhất b = 4 (m).

II.1.8: Vị trí giới hạn đầu cần:

Khoảng cách thẳng đứng từ đầu cầu mạn đến miệng hầm hàng phải không nhỏ hơn 6+0,3W(m) Trong đó Ư là khoảng cách giữa 2 đầu cần trên hinmhf chiếu bằng theo hình vẽ ta cóW = 21,06m

Khoảng cách này ta chọn: h1 = h1 = (hc - hk ) + l0 sinθ - 1 = 16 ; Chọn h1 = 5(m) 6+0,3W = 12,3,m

2.2 : Xác định chiều dài cần:

●Chiều dài cần được xác định theo hai điều kiện:

• Chiều dài cần để bốc hết hàng trong khoang: l01 = (a+2

3 lkcosθmin)

• Chiều dài cần để đưa hàng ra hai bên mạn tàu: l02 = ( B2+b

cosθmin sinα)

→ Vậy chiều dài cần được chọn để tính toán là: l0 =max{l01 ;l02}

•Với giả thiết ban đầu:

- Chiều dài để đưa ra hai bên mạn tàu: l01 = 14,4(m)- Chiều dài cần để bốc hết hàng trong khoang: l02 =20,9(m)Vậy:

l0 = max{l01;l02} = 20,9(m) Chọn l0 = 21(m)●Ta đi xác định chiều cao cột cẩu:

Là chiều cao cột cẩu tính từ chân cần đến điểm treo chân cần h, với cần cẩu đơn làm việcnhẹ tỷ lệ h/l phụ thuộc vào chiều dài và chiều rộng của tàu Tỷ lệ h/l =(0,8 ÷ 1,2), ta chọn tỷlệ này: h/l = 1, từ đó ta có: Chiều cao cột cẩu h= 22(m

2.3: Tính sơ bộ trọng lượng cần:

Việc tính chọn sơ bộ trọng lượng của cần phụ thuộc vào từng loại cần, cần Derrick đãđược tiêu chuẩn hóa gồm 3 kiểu chủ yếu.

Với chiều dài cần đã chọn l0 = 21(m) ta chọn Derrick kiểu III( chiều dài cần từ

10÷22m) Theo bảng tra thông số kỹ thuật của cần trục kiểu III (trang 235 sách sổ tay thiết

bi tàu thủy – Trần Công Nghị )

Ta chọn trọng lượng cần có khối lượng: Q=1750, lực nén 200 (kN) (kg).

PHẦN III: XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN ỨNG LỰC:

Việc xác định các thành phần ứng lực có nghĩa làxác định các ứng lực phát sinh trong cần, cột, trongcác dây dưới tác dụng của trọng lực hàng treo trên

móc P.

Để xác định ứng lực trong cần cẩu đơn người tatiến hành ở 3 góc nghiêng cần khác nhau Tính ở gócnghiêng cần nhỏ nhất, góc nghiêng cần trung bình vàgóc nghiêng cần lớn nhất.

Để tính các thành phần ứng lực này, ta sử dụngphương pháp họa đồ lực Phương pháp này được tiếnhành như sau (tính cho trường hợp góc bất kỳ) :

• Chọn tỷ lệ biễu diễn lực Từ A vẽ véc tơ thẳng

đứng Q0 = Q + 0.5Gc (trong đó : Q là trọng lượnghàng; Gc là trọng lượng cần).

Tại đầu Q0 vẽ véc tơ S1 = Q.k biễu diễn sức căng

trong nhánh dây nâng hàng và song song với cầnOA Từ đầu S1 vẽ đường thẳng song song với CA cắtOA tại một điểm, từ đó ta xác định được véc tơ sứccăng T lớn nhất trong dây nâng cần và lực nén cầnN.

• Từ điểm O vẽ véc tơ S2 = S1 .k biểu diễn sức

căng trong nhánh dây nâng hàng vào tời Khi đó taxác định được lực tác dụng vào ròng rọc chân cầnchính là hợp lực Rc của S1 và S2.

• Từ C vẽ vec tơ T Từ đầu T vẽ véc tơ thẳngđứng T1 biểu diễn sức căng trong nhánh dây nâng

cần chạy dọc cột, T1 = i ηT ( trong đó : i là bội suấthệ palang nâng cần ; η là hiệu suất của palang nângcần)

Hợp lực Rt của T và T1 là lực tác dụng vào ròngrọc đỉnh cột.

song với OB Khi đó hợp lực Rđ là lực tác dụng lên

• Lực nén cần và sức căng T được tính theo công thức sau: N = hl Q0 + S1

 K là hệ số : k =1+μ , ta chọn μ = 0,05 đối với trường hợp dây cáp thép chạy trênròng rọc ổ trượt → k = 1,05.

 i là bội suất hệ palang nâng cần: chọn i =2. η là hiệu suất palang nâng cần: η = 0,97.

3.2: Xác định sức căng trong haipalang nâng hàng ra ngoài mạn vàtrong hầm hàng:

Sức căng trong hai palang quaycần phía mạn Tm , phía hầm hàng Th vàlực nén cần N (áp dụng cho gócnghiêng cần nhỏ nhất θ=¿ 150) tínhtheo công thức:

N = Q0.hl + S1 +0,95.Q0.A Tm =

A Q0

Th =

a là khoảng cách giữa hai cột quay cần chọn a=15,360 (m) ;Ta chọn θ là góc nghiêng cần ởvị trí lớn nhất θ = 600 và θ = 00

Trị số A được cho trong bảng (5.14) ;còn trị số B,D được xác định theo đồ thị hình(5.30).

vịA A =√1+(hl)2−2.l

Dựa vào lực nén cần N = 110,075 (KN) ta chọn kiểu cần loại III (theo sách “sổ tay thiết bị

tàu – tập 2 – PGS.TS.Trần Công Nghị) với các thông số kỹ thuật như sau:

4.2 Ngoại lực tác dụng lên cần

Tải trọng tác dụng lên cần bao gồm:

• Lực phân bố tải trọng lên cần: q = QL = 0,7955( KN/m)

• Lực nén cần N với độ lệch tâm e : Trong đó:

- N = 110,075(KN)

- Độ lệch tâm e được tính cho 2 trường hợp sau:•Tại góc nghiêng cần : θ = 15o

Độ lệch tâm e= 58.58(mm)M = N.e = 5,86( KN)

•Tại góc nghiêng cần : θ = 60o.

Độ lệch tâm e =177,8928 (mm)M = N.e = 19,581( KN)

4.3 Thiết kế cần theo điều kiện ổn định

Chọn vật liệu làm cần là thép đóng tàu có: σy = 235 ( N/mm2) = 0,235 (KN/mm2)

Theo bảng 3.2 trang 17 Quy phạm thiết bị nâng hàng tàu biển TCVN 6272:

Ta có: Với tải trọng làm việc W < 10T thì : ứng suất cho phép : σa = 0,34.σy = 0,0799 (KN/mm2)

Trong đó: σy là giớ hạn chảy của vật liệu.

Độ bền ổn định: Theo mục 3.4.3 trang 18 Quy phạm thiết bị nâng hàng tàu biển TCVN

6272: Đối với các kết cấu chịu nén, giá trị được tính theo công thức sau không được vượt

quá ứng suất cho phép σa nêu ở bảng 3.2 :

λ = le.√AI Trong đó:

I là moment quán tính của tiết diện kết cấu:

I = 0,393.D3.S = 0,393.4263.9 = 273441140,7mm4 = 2,74.10-4(m4)

le là chiều dài hiệu dụng của kêt cấu được tính bằng tích chiều dài thực tế của kết cấu

và hệ số K cho trong bảng trang 19 sách Quy phạm thiết bị nâng hàng tàu biển TCVN 6272,

tùy theo từng điều kiện liên kết của đầu mút (m):

Vì ở đây Derrick đơn liên kết gồm một đầu tự do xoay, hạn chế chuyển vị còn đầu kia tự doxoay, hạn chế chuyển vị nên: K = 1.

Vậy: le = l.k = 22 →λ = le.√AI = 22 √0,012044272,74−4 = 145,86

Độ mảnh giới hạn: λo = √2 π2, E

σy = 129,55

Trong đó: E là mô đun đàn hồi vật liệu: E = 2.104( KN/cm2) = 2.105 (N/mm2)So sánh ta thấy : λo > λ vậy ω được tính theo công thức sau ( theo bảng 3.3):

ω = 1+0,45(

1−0,5¿ ¿

= 4,11

Suy ra: σ = 1,15ω.σc = 1,15 2,51.0,015.1000 = 43,01 (N/mm2) So sánh ta thấy: σ = 43,3 < σa = 79,9 (N/mm2)

Vậy thỏa mãn điều kiện ổn định.

4.4 Kiểm tra độ bền theo tải trọng phù hợp

Ứng suất tổng hợp tính theo công thức sau đây (trang 17 sách Quy phạm thiết bị nâng hàng

• τ ứng suất cắt do xoắn kết cấu: τ = 0 • σa ứng suất cho phép tính theo bảng 3.1: σa = 0,5.σy = 0,1175 (KN/mm2)

Vậy ta có: √(σb+σc)2+3 τ2 =0,0352 ≤σa = 0,1175 (KN/mm2)Vậy ; thỏa mãn điều kiện bền theo tải trọng tổng hợp.

4.5 Kiểm tra theo ứng suất nén tổng hợp

Theo 3.4.4 (trang 19 sách Quy phạm thiết bị nâng hàng tàu biển TCVN 6272) :

ứng suất nén tổng hợp gây ra do mô men uốn và lực dọc trục phải thỏa mãn công thức sau:

σca + σb

σa ≤ 1Trong đó:

σca là ứng suất nén cho phép: σca = σa

1,15 = 0,07 (KN/mm2)Vậy: σσc

ca + σb

σa = 0,0150,07 + 0,02020,0799 = 0,467 ≤ 1Vậy ; thỏa mãn điều kiện ứng suất nén tổng hợp.

CHƯƠNG5: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CỘT CẨU VÀ TÍNH ĐỘ BỀN CỘT CẨU:5.1 Xác định kích thước cột cẩu:

5.1.1 Lựa chọn loại tháp cẩu:

Ta chọn loại tháp cẩu 1 cột, loại đơn giản lắp cần đơn.

5.1.2 Ngoại lực tác dụng lên tháp cẩu:

Ngoại lực của một càn làm việc đơn tác dụng lên tháp cẩu bao gồm:

 Sức căng S1 của đoạn dây nâng hàng chạy dọc cần. Sức căng St của đoạn dây nần cần chạy vào tời. Sức căng T1 của đoạn dây nâng cần chạy vào tời.

Các lực trên được phân thành các thành phần thẳng đứng Qa, Qc, Qt và nằm ngang Ta,Tc,Tt

như trên hình vẽ.

Các thành phần lực trên quan hệ với nhau theo cáccông thức sau:

Ta = Tc = (N – S1 ).cosα.Qa = T.sinβ + T1.

Qc = (N – S1 )sinα.Tt≈Qt ≈0,707 St Trong đó : α là góc nghiêng cần.

β là góc nghiêng palang nâng cần.Tt và Qt có thể xác định qua góc ε phụ thuộc vào vịtrí tời, ở đây lấy gần đúng ε = 45o.

Ngoại lực tác dụng lên cột đỡ cần nhẹ khi gócnghiêng nhỏ nhất α = 15o

 Số ròng rọc trong palang nâng cần và nâng hàng là :2

 Lực nén dọc cần N tác dụng vào gối đỡ cần khi góc α = 15o: N = 110.075 (KN).

 Lực của palang nâng cần T tác dụng vào cụm ròng rọc đỉnh tháp :T = 56,9354 (KN) Sức căng S1 của đoạn dây nâng hàng chạy dọc cần: S1 = 52,5 (KN) Sức căng T1 của đoạn dây nâng cần chạy vào tời: T1 = 29,348(KN) Sức căng St của đoạn dây nần cần chạy vào tời; St = S2 = k.S1= 55,125 (KN)Vậy các lực thành phần khác được tính như sau:

Ta = Tc = (N – S1 ).cosα = 55,614 (KN).Qc = (N – S1 )sinα = 14,901(KN).Tt≈Qt ≈0,707 St = 38,973 (KN).

Theo quan hệ hình học ta tính được góc nghiêngpalang nâng cần : β≈38o.

Qa = T.sinβ + T1 = 64,4 (KN).

5.1.3 Các ngoại lực lên tháp cẩu:

Các ngoại lực có phương nằm ngang thườngđược quy đổi về một lực ngang T a đặt ở xà ngang đỉnhtháp theo nguyên tắc thay lực ngang đặt tại vị trí bất kỳtrên tháp bằng một lực ngang tương đương đặt ở đầutháp (vị trí lắp xà ngang) Hai lực này cùng gây ra mộttrị số chuyển vị theo phương ngang ở đầu tháp.

Đối với tháp cẩu một cột, cần tì vào cột, dây nâng cần mắc vào ròng rọc ở xà ngangđỉnh cột.

Các ngoại lực nằm ngang bao gồm: Ta,Tt,Tc với giá trị như sau:Ta = 55,614 (KN)

Tt = 38,973 (KN).Tc = 55,614 (KN)Vậy : Tc – Tt = 16,641 (KN).

5.1.4 Chọn sơ bộ kích thước mặt cắt tháp cẩu:

• Chọn vật liệu làm tháp cẩu bằng thép đóng tàu có ứng suất chảy giới hạn là:

hh

• Chọn mặt cắt cột hình tròn, khi đó kích thước mặt cắt tháp cẩu phải thỏa mãn cácđiều kiện sau:

- Chiều dày mặt cắt tháp cẩu: δ > 15mm

- Đường kính ngoài Dn của tháp cẩu phải thỏa mãn: Dn≤ 100.S ≤ 1500(mm)

- Thông thường Dn = (50 ÷ 80 ).δ

• Vậy ta chọn kích thước đặc trưng mặt cắt tháp cẩu như sau:- Chiều dày mặt cắt tháp cẩu: δ = 20(mm)

- Đường kính ngoài của tháp cẩu Dn = 1400(mm) = 1,4 (m)

- Đường kính trong của tháp cẩu: Dt = Dn – 2.δ = 1360 (mm)- Đường kính trung bình của tháp cẩu: Dtb = (Dn + Dt )/2 = 1380 (mm)• Các đặc trưng hình học của mặt cắt như sau:

- Diện tích mặt cắt : A = π Dtb.δ= 867,08 (cm2)

- Moment quán tính : Ix = 0,393.Dtb3.δ = 2065664,6 (cm4 )- Moment chống uốn: Wx = 0,785.Dtb2.δ = 29899,08(cm3)- Bán kính quán tính: rx = 0,353 Dtb = 48,714 (cm)

5.2 TÍNH ĐỘ BỀN CỘT CẨU:5.2.1.Kiểm tra lại theo điều kiện bền:

Wc≈ 0,785.Dtb2.δ≥10.∑Q l (cm3 ) Trong đó:

- ∑Q l là tổng các tích của sức nâng Q (KN) với chiều dài cần l(m) của tất cả các

5.2.3 Kiểm tra lại điều kiện cứng:

Ix≈ 0,393.Dtb3.δ≥ 24.L

h2 ∑Q l (cm4)Trong đó :

- L là khoảng cách từ gối trên của cột đến điểm treo theo palang nâng cần trên đỉnhcột (m) L= 22(m).

-h – khoảng cách từ gối đuôi cần đến điểm treo palang nâng cần trên đỉnh cột (m).h = 22(m).

Vậy : Ix≈ 0,393.Dtb3.δ≥ 24.L

h2 ∑Q l = 1200 (cm4)

So sánh với moment quán tính ta thấy thỏa mãn điều kiện cứng.

5.2.4 Nội lực tác dụng lên cột cẩu:

:Mô men uốn:

Ma = Qa.e1 (KNm)Trong đó: Qa = 64(KN)

e1 là khoảng cách từ tâm cột cẩu đếncụm mã quay bắt dây nâng cần, cụm mã quay bắtdây nâng cần được hàn lên đỉnh tháp đã lắp cụmròng rọc của palang nâng cần Kết cấu cụm mã

8834-58), các kích thước được tra theo bảng (5.34) sách

“sổ tay thiết bị tàu – PGS.TS Trần Công Nghị”.

Với tải trọng cho phép (Rt)max = 78,34 (KN),

ta chọn tải trọng cho phép là 80(KN) Theo bảng 5.34,sách sổ tay thiết bị tàu thủy- PGS.TS.

Trần Công Nghị ta có các thông số chính như sau:

Tải cho

hình vẽ:

Ta tính được : e1 =(Dn/2 + A + A1 ) – l’ = (1400/2 +90 + 125) – 3 = 912(mm).Vậy : Ma = Qa.e1 = 83,0695.0,8277 = 68,76 (KNm).

Mc = Ta.h + Qa.e2 =1281,876(KNm)Trong đó: Ta = 71,359 (KN)

D D1 D3 D4 d1 ho h1 h2 h3 B B1 A S S1 H H1 d2

120 115 180 175 155

55 115 70 110 100 50

240 165 12 32 423 340 20

Hình vẽ: Ta tính được:

4 Kiểm tra điều kiện bền cột theo Phần Mềm Sap2000:

4.1: Mô men uốn và lực nén ở đầu cột:

TABLE: Element Joint Forces - Frames

11 COMB1Combination504.2220460371.38112 COMB1Combination-504.222050-357.11

Ta có bảng giá trị xuất ra từ phần mềm Sap như sau:

TABLE: Element Forces - Frames

10 COMB1 Combination-371.3805795-504.22000-55.069111-Jan011.25 COMB1 Combination-364.2469667-504.22000575.208441-Jan1.2512.5 COMB1 Combination-357.1133539-504.220001205.4861-Jan2.5

21.5 COMB1 Combination-348.553018542.820001141.2561-Feb1.5

Ta có biểu đồ mô men và biểu đồ lực cắt như hình vẽ: