Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật máy và thiết bị xây dựng, nâng chuyền: Nghiên cứu giảm lắc khung chụp xếp dỡ Container

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu về tình hình nghiên cứu việc giảm lắc khung chụp xếp dỡ container - Phân tích dao động của tải treo dưới xe con, xây dựng phương trình vi phân mô tả chu

GIỚI THIỆU

Tổng quan về thiết bị xếp dỡ container

Lịch sử vận tải container có thể nói bắt đầu từ đầu thế kỉ 19 khi quân đội Mỹ sử dụng các container (chƣa tiêu chuẩn hóa) để vận chuyển hàng quân sự tới các chiến trường châu Âu trong Chiến tranh thế giới thứ nhất Tuy nhiên, sự ra đời của container tiêu chuẩn đƣợc sử dụng phổ biến ngày nay đƣợc cho là bắt đầu từ năm 1937 khi Malcolm McLean, khi đó còn là một lái xe người Mỹ, nghĩ ra cách thức sử dụng các thùng xe tải vận chuyển nhƣ những công cụ chứa hàng trên biển

Cảng container là nơi xếp dỡ hàng container từ các phương tiện vận tải thủy (tàu, sà lan…) lên bãi cảng (Container Yard – CY) hoặc các phương tiện vận tải đường bộ, đường sắt

Các thiết bị xếp dỡ container trong cảng có nhiều loại, một số loại phổ biến thường gặp như cẩu bờ (Container Quay-Crane), Cẩu bãi (Container Stacking-Crane), xe nâng (Forklift, Reach-Stacker) ,…

HVTH: Ks Trần Minh Trung Ms: 10300438

HDKH: Ts Lưu Thanh Tùng 11

Hình 1.1 Cẩu bờ xếp dỡ container (Container Quay-Crane)

Hình 1.2 Cẩu bãi xếp dỡ container (Container Stacking-Crane)

HDKH: Ts Lưu Thanh Tùng 12 Để có thể chụp nhanh và chính xác container người ta sử dụng các khung chụp container tự động(spreader), là thiết bị gắn khớp giữ, lắp đặt cho các cẩu để chụp vào nóc trên của container Khung chụp được treo dưới xe con bởi cáp nâng Khi cần trục làm việc, khung chụp kết hợp chuyển động lên xuống (nâng - hạ) và di chuyển xe con để chụp và xếp container vào vị trí mong muốn

Hình 1.3 Khung chụp container tự động (spreader)

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng khử lắc cho khung chụp container 12 1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Giải pháp khử lắc khung chụp cho các thiết bị xếp dỡ container từ truyền thống cho đến nay chủ yếu là sử dụng sơ đồ mắc cáp chống lắc hoặc cơ cấu nâng-hạ cứng Các nghiên cứu về sơ đồ mắc cáp khử lắc của Yuso Shimizu năm 1993 [13], Masamitsu Enoki năm 2001 [6],… đƣợc áp dụng rất nhiều cho các thiết bị xếp dỡ Container hiện nay nhƣ cẩu khung RTG (Rubber Tyred Gantry) và cẩu bờ Quay-Crane, Tuy nhiên, các phương pháp này chỉ có thể giảm được phần nào và khi chiều dài cáp nâng lớn thì biên độ dao động của hàng vẫn là rất lớn và người vận hành phải kết hợp khử lắc theo kinh nghiệm

Hình 1.4 Sơ đồ mắc cáp cơ cấu nâng của Yuso Shimizu năm 1993[13]

Hình 1.5 Sơ đồ mắc cáp cân bằng của Enoko năm 2001 [6]

Một số thiết bị sử dụng cơ chế nâng hạ cứng để giảm rung lắc Ưu điểm của phương pháp này là khả năng giảm rung lắc hiệu quả, rút ngắn thời gian thao tác chụp container Tuy nhiên, nhược điểm là thiết kế cơ cấu nâng trở nên cồng kềnh và chỉ phù hợp với những trường hợp chiều cao nâng không lớn.

Hình1.6 Nghiên cứu khử lắc cho cẩu bờ Quay-Crane của Shuji

Hình 1.7 Cơ cấu nâng của Rail-Mounted Gantry Cranes

Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, ngày nay hầu hết các thiết bị xếp dỡ container đều đƣợc trang bị một hệ thống điều khiển logic lập trình hiện đại (Programmable Logic Controller-PLC), ứng dụng khoa học kĩ thuật này vào việc điều khiển giảm lắc cho khung chụp xếp dỡ container là một hướng đi mới

Các nghiên cứu của JoukoVirkkunen năm 1992 [4], Michael W Rushmer năm

1995, Alois Recktenwald năm 2010 [1] đã đề xuất phương pháp và giải thuật để xác định và điều khiển giao động lắc của tải treo Theo phương pháp này, một hệ thống các cảm biến đƣợc gắn trên khung chụp và sàn nâng để xác định gia tốc của sàn nâng (first object) và gia tốc của khung chụp (seccond object) từ đó sử dụng các thuật toán để xác định dao động của khung chụp so với sàn công tác Để dập tắt dao động của khung chụp, sàn nâng sẽ thay đổi gia tốc sao cho góc lắc của khung chụp là nhỏ nhất

Hình 1.8 Giải thuật khử lắc cho khung chụp container của

Hình1.9 Phương pháp xác định dao động lắc khung chụp của Alois

Tuy nhiên, các cần trục sử dụng phương pháp giảm lắc hiện đại này có giá thành rất cao, hệ thống điều khiển thường xuyên bị lỗi do sử dụng quá nhiều cảm biến, thêm vào nữa là người vận hành thường bị say, mệt mỏi do xe con phải chuyển động khử lắc Vì vậy phương pháp khử lắc hiện đại này chỉ thích hợp áp dụng cho các thiết bị xếp dỡ không người lái

Luận văn này đi sâu vào nghiên cứu động lực học cơ cấu từ đó xây dựng một phương án giảm lắc dựa vào việc tối ưu các thông số (tốc độ nâng-hạ, vận tốc, gia tốc di chuyển xe con,…) kết hợp với hệ thống cáp giằng khử lắc

Phương pháp khử lắc này sẽ phù hợp với các loại cần trục xếp dỡ container phổ biến hiện nay

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Nâng cao năng suất của các thiết bị xếp dỡ hàng hóa là vấn đề mà các nhà sản xuất cần trục luôn quan tâm hàng đầu.Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến năng xuất xếp dỡ của thiết bị nhƣ tốc độ nâng, hạ, di chuyển,…nhƣng việc dao động (lắc, đu đƣa) của thiết bị kẹp hàng (móc, khung chụp,…) và khối hàng trong quá trình xếp dỡ cũng là một yếu tố hết sức quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp khả năng thao tác chính xác của người vận hành và thời gian để thực hiện việc bốc, xếp mã hàng Hơn nữa, giảm lắc còn tăng độ bền kết cấu và tăng độ an toàn cho người và thiết bị khi vân hành.

Mục tiêu của đề tài

Đề tài này đặt mục tiêu chính là thông qua việc phân tích động lực học của khung chụp khi thao tác xếp dỡ container xây dựng được một phương pháp khử lắc đơn giản, hiệu quả, có thể áp dụng cho các cần trục container hiện có trong nước

Các mục tiêu cụ thể là:

1 Phân tích đặc tính động lực học, chuyển động lắc của khung chụp khi thao tác xếp dỡ container

2 Căn cứ vào đặc tính động lực học đưa ra được phương án giảm lắc hiệu quả cho khung chụp bằng cách tối ứu các thông số

3 Xây dựng đƣợc cơ sở lý thuyết và nguyên lý cho cơ cấu giảm lắc bằng cáp giằng

4 Kiểm nghiệm lại các kết quả đạt đƣợc bằng thí nghiệm và thực nghiệm.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Đề tài là sản phẩm của sự ứng dụng các cơ sở lý thuyết và thực nghiệm khoa học, kết hợp với các phần mềm tính toán hiện đại nhằm đáp ứng các yêu cầu đề ra một cách tin cậy và có ý nghĩa khoa học

- Đề tài sẽ là cơ sở để giúp ích cho việc tính toán động lực học máy trục, tính toán năng xuất xếp dỡ của thiết bị,…

- Đề tài sẽ là cơ sở để ứng dụng “phương pháp khử lắc khung chụp” cho các thiết bị xếp dỡ container hiện đại hiện có trong nước và trong tương lai

- Là cơ sở để nghiên cứu ứng dụng khử lắc cho các thiết bị xếp dỡ container tự động (không người lái)

- Đề tài giúp nâng cao năng xuất xếp dỡ, giảm áp lực cho người vận hành, tăng độ an toàn cho người và thiết bị khi thao tác xếp dỡ hàng hóa

PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA KHUNG CHỤP CONTAINER

Giới thiệu

Cần trục có xe con mang hàng di chuyển đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, xây dựng và đặc biệt là trong các cảng biển để xếp dỡ container Điển hình cho loại cần trục này là cần trục tháp, cầu trục, cổng trục, cẩu bãi container, cẩu bờ container,… Đặc điểm của các loại cần trục này là thay đổi tầm với bằng cách di chuyển xe con Khi xe con di chuyển mang theo vật nâng được treo bên dưới thông qua cáp Tùy thuộc vào đặc tính chuyển động của xe, chế độ nâng vật, ảnh hưởng của các lực cản,… mà vật nâng có chuyển động lắc tương ứng

Hình 2.1 Đặc điểm cấu tạo cần trục xếp dỡ container

Chuyển động lắc của vật nâng bao gồm lắc dọc và lắc ngang Lắc ngang thường có biên độ nhỏ và ít ảnh hưởng nên ta bỏ qua chỉ xét tới lắc dọc theo phương chuyển động của xe con.

Phân tích dao động của khung chụp container treo trên xe con … 20 1 Mô hình con lắc đơn

Để phân tích dao động của khung chụp container treo trên xe con khi thao tác xếp dỡ ta sử dụng các mô hình tính toán nhƣ sau:

2.2.1 Mô hình con lắc đơn: Đối với mô hình này, bỏ qua khối lƣợng của palăng cáp, khung chụp và container đƣợc coi nhƣ là một phần tử có khối lƣợng m treo trên một sợi dây có chiều dài l

Hình 2.2 Vật nâng treo trên xe con

Hình 2.3 Mô hình dao động của tải dạng con lắc đơn Đây là dạng mô hình con lắc đơn có một phần tử với véc tơ vị trí là

Chúng ta cũng có thể biểu diễn vận tốc và gia tốc trong hệ trục tọa độ tổng quát

Lực tác dụng lên vật nâng gồm trọng lực và lực căng T Áp dụng định luật 2 Newton , ta có:

Như vậy chúng ta có hai phương trình:

Cần phải chú ý là chúng ta chỉ có một giá trị góc lệch nhƣng phải cần hai phương trình Đó là bởi vì phương trình cũng có sự ảnh hưởng quan trọng của lực căng là một giá trị chưa biết, vì vậy chúng ta có 2 phương trình cho hai giá trị không biết là

Các phương trình này liên quan đến lương giác Một thuật toán rút gọn là nhân 2 vế của phương trình trên với , nhân 2 vế của phương trình dưới với

Cộng 2 phương trình, sử dụng tính chất , ta được:

Chúng ta không thể giải quyết phương trình theo phép giải tích, nhưng chúng ta có thể giải quyết nó với trường hợp nhỏ

Ta cũng có thể sử dụng phương trình Lagrange để xác định phương trình chuyển động cho Động năng của vật:

2.2.2 Mô hình con lắc đôi:

Trong trường hợp tải nâng và móc (khung chụp) là hai khối tách rời hoặc trong trường hợp chiều dài cáp nâng lớn ta không thể bỏ qua khối lượng của palăng cáp, khi đó ta tách palăng cáp (và móc nếu có) và tải nâng (container) thành hai phần tử khối lƣợng là m1, khối lƣợng quy đổi của toàn bộ palăng cáp và m2, khối lƣợng của tải nâng m1 và m2 kết với nhau bằng thanh cứng có chiều dài l2 Phần tử m1 liên kết với sàn xe con bởi thanh l1.

Hình 2.4 Dao động vật nâng khi chiều dài cáp treo lớn

Hình 2.5 Mô hình dao động của tải dạng con lắc đơn

Mô hình con lắc đôi gồm 2 phần tử dao động có khối lƣợng là m1 và m2, các véc tơ vị trí tương ứng là r1, r2 Ta có thể biểu diễn r1, r2 theo 2 góc nhƣ sau:

Chúng ta cũng có thể biểu diễn vận tốc và gia tốc trong hệ trục tọa độ tổng quát Đối với vật 1: Đối với vật 2:

Lực tác dụng lên vật m1 gồm lực căng trên hai thanh và trọng lực Lực trên thanh phía trên có chiều theo hướng –r1, lực trên thanh bên dưới có chiều r2- r1, do vậy ta có thể viết:

Lực tác dụng lên vật m2 gồm lực căng trên thanh bên trên và trọng lực, lực căng của thanh thì theo chiều của -(r2-r1)

Phương trình định luật 2 Newton cho mỗi vật là:

Bỏ qua dao động theo phương z, chúng ta có 4 giá trị không biết là , vậy chúng ta có 4 phương trình cho 4 giá trị chưa biết này:

Sử dụng các tính chất lƣợng giác

, cộng từng cặp hai phương trình ta thu được các phương trình như sau:

Thay từ 2 phương trình trên vào hai phương trình dưới ta, thực hiện biến đổi ta đƣợc:

Bốn phương trình dao động sẽ là:

Thay vào phương trình phía trên ta được:

HDKH: Ts Lưu Thanh Tùng 29 Để xây dựng phương trình Lagrange ta cần xác định động năng và thế năng của hệ thống: Động năng:

Ta tiến hành tính toán các thành phần cần thiết cho việc lập phương trình Lagrange cho

Phường trình Lagrange cho sẽ là:

Tương tự, ta cũng xác định được phương trình Lagrange cho :

Vậy hai phương trình Lagrange của dao động là:

2.2.3 Mô hình tính toán dao động khi di chuyển xe con có treo hàng trên cáp: Để nghiên cứu hiện tƣợng lắc của hàng treo trên cáp khi xe con di chuyển ta sử dụng một số giả thiết sau:

- Hàng treo trên cáp tương tự con lắc treo tự do

-Khối lƣợng palăng cáp nhỏ so với khối lƣợng hàng nên có thể bỏ qua

- Không tính đến dao động nhỏ của hàng theo phương ngang

- Dao động dọc của hàng (theo phương di chuyển xe con) được xét trong trường hợp góc nghiêng nhỏ, vì vậy có thể tính gần đúng , với là góc nghiêng của vật so với phương thẳng đứng

Thực tế đã chứng tỏ rằng những già thiết nêu trên không ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của bài toán Để đánh giá ảnh hưởng độ mềm của palăng cáp đến tải trọng động của cơ cấu di chuyển chúng ta sử dụng sơ đồ tính hai khối lƣợng nhƣ hình 2.6

Hình 2.6.Sơ đồ tính toán dao động của hàng treo trên cáp khi di chuyển xe con

Với: m1- khối lƣợng của tất cả các bộ phận chuyển động của xe con và cơ cấu di chuyển quy đổi về chuyển vị tịnh tiến của nó tương ứng với x1; m2- khối lƣợng hàng; x2- chuyển vị tương đối của hàng so với khối lượng m1; l- chiều dài của palăng cáp treo hàng;

Pdc- lực chủ động của động cơ tác dụng lên cơ cấu di chuyển

Lực trong palăng nâng sẽ là:

Thành phần lực ngang T2 gây ra do sự lắc hàng:

Khi khởi động, phương trình chuyển động của xe con có dạng:

(2.7) Phương trình chuyển động của của hàng:

(2.8) Ở đây – Lực quán tính do chuyển động theo của khối lƣợng m2 Từ phương trình (2.4) ta có:

Thay vào (2.3) ta đƣợc: hay:

Phương trình (2.5) là phương trình vi phân chuyển động của hàng trong hệ tọa độ có tọa độ ban đầu ở trục thẳng đứng đi qua trọng tâm của hàng khi treo tự do

Nếu coi , nghiệm tổng quát của phương trình (2.9) có dạng:

Trong đó là tần số dao động của hàng: Điều kiện ban đầu khi t = 0, x2 =0, và ;

(2.10) Góc lệch lớn nhất của tải ứng với , khi đó:

Hình 2.7 Đồ thị x 2 (t) khi P du = const

Phân tích kết quả đạt đƣợc ta nhận thấy rằng khi khởi động hoặc hãm cơ cấu di chuyển xe con, hàng bị dao động quanh trục nghiêng với phương thẳng đứng là x tb

2.2.4 Mô hình con lắc đôi bốn khâu phẳng:

Khác với các loại thiết bị xếp dỡ thông thường khác, để giảm lắc ngang cho container khi xe con di chuyển, các thiết bị xếp dỡ container thường sử dụng sơ đồ mắc cáp dạng 4 khâu phẳng Với loại sơ đồ mắc cáp này, một đầu mỗi sợi cáp đƣợc bố trí tại 4 điểm khác nhau trên khung chụp để dễ dàng nâng container, đầu còn lại của cáp đƣợc nối với sàn nâng là một xe con di chuyển (trolley)

Hình 2.8 Cần trục xếp dỡ container với sơ đồ cáp 4 khâu phẳng Để có thể phân tích dao động của tải khi cần trục thao tác xếp dỡ ta đƣa ra sơ đồ con lắc đôi bốn khâu phẳng nhƣ sau:

Hình 2.9 Sơ đồ con lắc đôi bốn khâu phẳng

Chúng ta sử dụng một số giả thiết đơn giản sau:

- Chỉ nghiên cứu dao động lắc ngang của hàng, bỏ qua dao động lắc dọc (rất nhỏ so với dao động lắc ngang)

- Bỏ qua khối lƣợng của cáp vì nó rất nhỏ so với khối lƣợng hàng

- Dao động của hàng đƣợc xét trong phạm vi góc nghiêng nhỏ, nên có thể tính gần đúng , với là góc lệch của hàng so với phương thẳng đứng

Gọi XOY là hệ tọa độ tuyệt đối

- Các tọa độ suy rộng, với:

- Chuyển vị góc của khung chụp quanh tâm O của xe con

- Chuyển vị góc của tải quanh tâm P của khung chụp m- khối lƣợng tải và khung chụp

L- Chiều dài cáp nâng l- Khoảng cách từ tâm xe con đến tâm khung chụp

R- Khoảng cách từ tâm khung chụp đến trọng tâm tải

: Bán kính quy đổi của khung chụp và tải về điểm Q

A, D, B, C- Các điểm mắc cáp trên xe con và khung chụp

O, P lần lƣợt là trung điểm của AD và BC f- Độ dịch chuyển theo phương ngang của xe con

(x, y)- Tọa độ trọng tâm Q của tải ở thời điểm xét

Từ quan hệ hình học ta có:

(2.14) Bình phương 2 vế và cộng (1),(2) và (3), (4) ta được

Véc-tơ vị trí tâm khối tải của mô hình con lắc đôi là:

(2.17) Dựa vào (2.13) ta viết đƣợc động năng và thế năng của con lắc đôi là Động năng:

Thay (2.15), (2.16) vào (2.18) và (2.19) ta loại ra đƣợc trong biểu thức năng lượng Để xây dựng được phương trình dao động của theo thời gian ta sử dụng phương trình Euler-Lagrange:

Thay (2.18), (2.19) vào (2.20) ta được phương trình phi tuyến dao động con lắc đôi [14]

Trong phép biến đổi gần đúng ở trên,ta coi rằng Với góc dao động nhỏ , phép xấp xỉ này cho kết quả sai số 1% của giá trị với các giá trị L, d, w xác định theo tiêu chuẩn của cần trục container

PHƯƠNG ÁN KHỬ LẮC CHO KHUNG CHỤP CONTAINER 40 3.1 Giới thiệu

Giảm lắc khung chụp khi di chuyển xe con

Thông thường, vật nâng bị lắc nhiều nhất trong quá trình khởi động và hãm cơ cấu di chuyển xe con Vì vậy, việc chọn chế độ di chuyển hợp lý cho xe con sẽ có một vai trò đáng kể cho việc giảm lắc

Hình 3.1 Dao động vật nâng trong quá trình khởi động và hãm phanh

Xem xét dao động của vật nâng được treo dưới xe con di chuyển với gia tốc là Như đã trình bày trong chương 2, dao động của vật nâng được mô tả bởi phương trình (2.21)

Nghiệm của phương trình trên có dạng:

Phương trình thỏa mãn với mọi t khi s thỏa mãn:

Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dao động vào càng lớn thì dao động càng nhanh chóng bị dập tắt, điều này có nghĩa là vận tốc và gia tốc nâng phải thật lớn Nhƣng trong thực tế do đặc điểm kết cấu, vận tốc, gia tốc nâng đƣợc giới hạn tới khoảng 1.8 m/s với vận tốc và 1.2 m/s 2 với gia tốc nâng

Tỉ số d/w cũng đóng vai trò rất quan trọng, nếu tỉ số này lớn thì cũng tăng đáng kể, nhưng điều này cũng đồng nghĩa với việc kích thước sàn nâng của xe con cũng phải tăng theo

Thực tế container đƣợc tiêu chuẩn hóa nên các giá trị của d, w, R, cũng đƣợc xác định để phù hợp với đặc điểm kết cấu

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thộc của vào L với w=1.41m, d=2w=2.82m, R=2.5m, =1m,

Ta thấy rằng với L < L0 (thường L0 = 3 đến 4m) thì giá trị của tăng vọt,

L0 đƣợc coi nhƣ chiều cao thích hợp để di chuyển xe con (trolley) để tải không bị lắc Thêm nữa, trong khi thao tác xếp dỡ, trong trường hợp tải đang dao động nếu thao tác nâng nhanh qua giá trị L0 thì dao động cũng nhanh chóng bị dập tắt

Với chiều dài cáp đủ lớn, L > L0 ,đây là trạng thái làm việc thường xuyên của cơ cấu nâng, khi đó , nghiệm của phương trình (7) có dạng:

(3.5) Điều kiện đầu , C1 và C2 có thể xác định đƣợc:

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn góc lệch của tải theo thời gian

Biên độ dao động giảm dần với tần số giảm chấn , tần số giảm chấn luôn nhỏ hơn tần số riêng, tần số giảm làm tăng lƣợng giảm chấn

Tại thời điểm khoảng cách từ tải tới vị trí cân bằng là nhỏ nhất và vận tốc của tải là bằng không Tại vị trí này nếu ta ngừng gia tốc thì vật nhanh chóng trở về vị trí cân bằng, dao động lắc khi đó sẽ đƣợc triệt tiêu

Trong điều kiện khai thác L là giá trị thay đổi Khoảng an toàn cho việc di chuyển xe con tương ứng với với khoảng đối số (L1, L2), thời gian gia tốc trung bình dƣợc chọn sẽ là:

Việc lựa trọn thời gian gia tốc nhƣ vậy sẽ đảm bảo giữ yên hàng sau khi khởi động hoặc hãm xe con cần trục.Thời gian tgt có thể đƣợc điều chỉnh chính xác bằng cách thay đổi mômen khởi động hoặc mômen hãm của động cơ.

Giảm lắc bằng hệ thống cáp giằng

Trong điều kiện làm việc thực tế, tải trọng nâng còn chịu tác động của các ngoại lực khác nhƣ gió, trọng lƣợng bản thân của cáp nâng, … nên dao động của tải thường là rất phức tạp Vì vậy để giảm lắc cho hàng một cách triệt để, một hướng giải quyết mới đó là ta cung cấp một lực cản đủ lớn cho tải để ngăn chặn việc dao động của vật nâng Lực cản này phải đƣợc duy trì trong suốt quá trình làm việc của cần trục, chiều của lực cản phải ngƣợc với chiều chuyển động lắc Để làm đƣợc điều này ta sử dụng hệ thống cáp giằng đƣợc bố trí nhƣ hình vẽ (3.5)

Hình 3.5 Sơ đồ cơ cấu khử lắc bằng cáp giằng

1, 2- Cáp giằng 3, 3’- Cảm biến chống chùng cáp 4, 4’- Mô tơ điện

5, 5’- Phanh điện 6, 6’- Tang cuốn cáp giằng 7, 7’- Hộp giảm tốc

Trên hình 3.5 thể hiện sơ đồ cơ cấu khử lắc bằng cáp giằng Trong đó:

- Motor cuốn cáp là loại torque motor có khoảng tốc độ thay đổi tùy thuộc vào tải Nhiệm vụ của motor là cuốn và nhả cáp sao cho cáp giằng luôn căng

Khi motor hoạt động thì phanh ở chế độ mở, torque brake luôn đóng để truyền momen từ motor qua tang cuốn cáp

Hình 3.6 Torque motor với tốc độ quay thay đổi theo tải

- Phanh là loại phanh thường đóng, mở bằng điện Cùng với motor điện, phanh có tác dụng giữ cáp giằng không bị nhả trùng khi motor không làm việc

Hình 3.7 cấu tạo phanh điện thường đóng

- Torque brake là loại phanh luôn đóng với momen phanh xác định

Torque brake có tác dụng duy trì lực căng trong cáp giằng Khi lực kéo của cáp lớn hơn lực cài đặt thì sẽ có sự trƣợt của lá ma sát trong Torque brake

Hinh 3.8 Torque brake dùng trong cơ cấu khử lắc

- Cảm biến chống chùng cáp: có rất nhiều loại cảm biến có thể dùng trong trường hợp này, đơn giản và dễ sử dụng là cảm biến tiệm cận (proximity sensor) Cảm biến tiệm cận bao gồm tất cả các loại cảm biến phát hiện vật thể không cần tiếp xúc nhƣ công tắc hành trình mà dựa trên những mối quan hệ vật lý giữa cảm biến và vật thể cần phát hiện Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện

Hình 3.9 Cảm biến tiệm cận phát hiện trùng cáp

Cảm biến tiệm cận đƣợc lắp trên khung chụp tại vị trí mỗi sợi cáp Khi cáp trùng, cảm biến nhận tín hiệu và báo về cho bộ điều khiển PLC điều khiển cho motor cuốn căng cáp trở lại

Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Vật nâng luôn đƣợc giữ ở vị trí cân bằng nhờ vào hệ thống cáp giằng Giả sử ngoại lực có xu hướng làm cho vật nâng lệch về bên trái, khi đó nhánh cáp giằng (1) sẽ giữ ngăn không cho vật nâng chuyển dịch Lực giữ của sợi cáp (1) đƣợc quyết định bởi torque brake (8’) gắn trên motor Trong trường hợp ngoại lực gây lắc đủ lớn (thắng lực cản lắc), vật nâng sẽ lắc qua trái, torque brake sẽ trƣợt và lực kéo trên sợi cáp (1) vẫn luôn đƣợc duy trì để duy trì lực cản làm giảm biên độ dao động Trong khi đó, cảm biến báo trùng cáp (3) nhận tín hiệu do sợi cáp (2) trùng, phanh điện (5) mở, motor (4) quay nhanh để cuốn căng cáp (2) Khi sợi cáp (2) căng, cảm biến (3) mất tín hiệu, motor (4) ngừng quay, phanh điện (5) đóng Lực căng trên sợi cáp (2) đƣợc duy trì bởi torque brake (8) đóng vai trò nhƣ lực cản chuyển động của vật nâng khi chuyển động về vị trí cân bằng

Khi nâng (hạ) vật nâng cả hai phanh điện sẽ mở, motor điện thực hiện cuộn và nhả cáp giằng với tốc độ phù sao cho cáp giằng luôn đƣợc giữ căng

3.3.3 Mô hình toán học tính toán cơ cấu:

Hình 3.10 Mô hình tính toán cơ cấu khử lắc

Giả sử xe con mang hàng di chuyển với gia tốc , lực quán tính làm cho hàng bị dịch chuyển lệch khỏi vị trí cân bằng Để vật nâng không bị dịch chuyển (lắc) khi di chuyển xe con, gia tốc của vật nâng phải bằng gia tốc của xe

Bỏ qua ảnh hưởng của các lực cản môi trường và trọng lượng bản thân cáp, áp dụng định luật II Newtern ta có:

Trong điều kiện lảm việc của cần trục, do ảnh hưởng của môi trường (gió bão, va đập,…) hoặc do thao tác chủ quan của người vận hành, hiện tượng lắc của hàng vẫn sẽ xảy ra nếu ngoại lực gây lắc vƣợt quá giá trị cài đặt của Torque brake Khi vật nâng bị lệch khỏi vị trí cân bằng một góc , ta coi lực căng của cáp giằng nhƣ lực cản trở dao động

Hình 3.11 Sơ đồ tính lực căng cáp giằng

Theo nguyên hoạt động của cơ cấu đã mô tả ở trên, trong suốt quá trình dao động của vật nâng, lực cản lắc do cơ cấu sinh ra liên tục chuyển từ sợi cáp giằng số 1 sang sợi cáp giằng số 2 Để xét tới ảnh hưởng của lực căng cáp giằng, ta coi nhƣ hệ thống khử lắc này luôn cung cấp một mômen cản M c không đổi về độ lớn nhƣng chiều tác dụng thay đổi

Hình 3.12 Sơ đồ tính cơ cấu giảm lắc Đặc tính cản của hệ thống có thể đƣợc mô tả bởi hàm:

HDKH: Ts Lưu Thanh Tùng 54 với C =constant, là vận tốc góc của vật nâng

Cáp giằng có khối lƣợng nhỏ ta có thể bỏ qua, áp dụng định luật II Newtern ta có thể lập phương trình dao động của vật khi có ảnh hưởng của lực cản:

Trong đó: m: Khối lƣợng của vật nâng l: khoảng cách từ vật nâng tới tâm lắc

I: Mômen quán tính của vật nâng,

Với góc lắc nhỏ, ta có , phương trình (3.12) có thể tương đương với:

(3.13) Với điều kiện ban đầu , trong nửa chu kì đầu vật nâng sẽ quét tổng góc là

Hình 3.13 Dao động tắt dần của vật nâng

Năng lƣợng ban đầu của vật nâng là:

(3.14) Năng lƣợng còn lại sau nửa chu kì:

HDKH: Ts Lưu Thanh Tùng 56 Độ tổn hao năng lƣợng này chính là công của lực cản Gọi A là công của lực cản, ta có:

(3.17) Sử dụng công thức Werner, ta có:

Với góc lắc nhỏ ta coi

(3.19) Gọi là độ giảm biên độ dao động, từ (3.19) ta đƣợc:

(3.20) Áp dụng tương tự với nửa chu kì còn lại ta cũng thu được cùng một kết quả Nhƣ vậy với lực cản không đổi trong suốt quá trình dao động, độ giảm của biên độ sau mỗi nửa chu kì là hàng số

Gọi n là số lần dao động qua vị trí cân bằng của vật nâng cho tới lúc dừng lại, ta có:

Hình 3.14 Ảnh hưởng của lực cản tới dao động vật nâng

Lực căng trên cáp giằng:

Như vậy, nếu bỏ qua các tác động khách quan của môi trường, với giá trị lực căng xác định của cáp giằng (đƣợc cài đặt bởi toque brake) ta có thể xác định đƣợc độ giảm biên độ lắc do cáp giằng gây ra, thời gian để vật nâng chở về vị trí cân bằng và số lần dao động qua vị trí cân bằng của vật tới khi dừng lại …

Ngƣợc lại, với yêu cầu về biên độ dao động cho phép của vật nâng, thời gian khử lắc,… ta sẽ xác định đƣợc độ giảm biên độ cần thiết từ đó xác định đƣợc lực căng cần thiết trên cáp giằng

Biên độ dao động khi có cản

THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA CƠ CẤU KHỬ LẮC MỚI

Giới thiệu

Trong chương trước đã phân tích đặc tính động lực học cũng như đưa ra các phương án để giảm lắc cho khung chụp khi thao tác xếp dỡ container Để đánh giá mức độ chính xác của các kết quả thu đƣợc từ việc phân tích ở trên, trong chương này đi sâu vào việc tiến hành thí nghiệm và khảo sát các đặc tính của cơ cấu mới Để thuận tiện cho việc đo đạc khảo sát các đặc tính khử lắc mới, thí nghiệm đƣợc tiến hành trên cả mô hình cần trục thí nghiệm và cần trục thực tế.

Thí nghiệm giảm lắc khung chụp trên cần trục mô hình

Thí nghiệm giảm lắc cho khung chụp bằng hệ thống cáp giằng đƣợc tiến hành trên mô hình cần trục thí nghiệm, một cẩu khung RTG có cấu tạo nhƣ hình 4.1

Hình 4.1 Mô hình thí nghiệm giảm lắc khung chụp container

1- Cơ cấu căng cáp giằng, 2- Xe con,

3- Tang cuốn cáp cơ cấu nâng, 4- Motor di chuyển xe con, 5- Cáp nâng,

6- Cáp giằng, 7- Khung chụp, 8- Container, 9- Motor căng cáp giằng, 10- Đai truyền động, 11- Tang cuốn cáp giằng, 12- Vít điều chỉnh lực căng cáp giằng

Khung chụp và container có tổng khối lượng 15kg được treo dưới xe con nhờ hệ palăng cáp Để giảm lắc cho khung chụp ta sử dụng hệ thống cáp giằng với lực căng trong cáp giằng đƣợc điều chỉnh bởi các vít chỉnh của tang ma sát, lực căng trên cáp giằng do cơ cấu căng cáp gây ra đƣợc đo bằng lực kế gắn vào một đầu của cáp giằng nối với khung chụp Một mô tơ điện luôn quay để giữ cho cáp giằng không bị chùng trong quá trình tải dao động

Trước tiên, để đảm bảo tính chính xác, việc thu thập số liệu cho cho mỗi bộ thông số của hệ thống sẽ đƣợc thực hiện ba lần lấy số liệu, sau đó kiểm tra và chọn giá trị trung bình làm giá trị để phân tích cho bộ thông số đó Để đánh giá tác động khử lắc của cáp giằng, ta tiến hành thí nghiệm với các giá trị khác nhau của lực căng cáp Hình 4.2 là đồ thị biểu diễn dao động của tải với lực căng cáp là F=0 và F=4N,với khoảng cách từ sàn xe tới khung chụp là l=0.5m, khối

HDKH: Ts Lưu Thanh Tùng 61 lƣợng container và khung chụp là mkg, góc lệch ban đầu của tải là

Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn kết quả thí nghiệm khử lắc bằng cáp giằng

Với trường hợp lực căng cáp giằng bằng không, độ giảm biên độ trung bình sau mỗi chu kì là 2,3 độ, độ giảm này chủ yếu do lực cản môi trường và ma sát gây nên Với trường hợp lực căng cáp được chỉnh là 4N, độ giảm biên độ trung bình là 8 độ, giao động đƣợc dập tắt nhanh sau 3 chu kì.

Thí nghiệm giảm lắc trên cần trục Quay-side

Cần trục sử dụng trong thí nghiệm này là loại cẩu bờ xếp dỡ container chuyên dụng của công ty Tân Cảng Đây là một loại phương tiện xếp dỡ hiện đại có trang bị sẵn hệ thống điều khiển và hiển thị PLC thuận lợi cho việc thực hiện và theo dõi kết quả thí nghiệm

Hình 4.3 Cần trục thí nghiệm của công ty Tân Cảng

Sơ đồ mô tả thí nghiệm đƣợc trình bày trên hình 4.3

Hình 4.4 Sơ đồ mô tả thí nghiệm khử lắc trên cần trục

- Khối thiết bị lập trình của cẩu cho phép ta cài đặt các thông số làm việc của cần trục nhƣ tốc độ nâng hạ hàng, gia tốc nâng hạ, gia tốc di chuyển xe con, thời gian gia tốc, …Các thông số này được bộ nhớ lưu lại và cung cấp cho bộ xử lý để từ đó điều motor theo mong muốn

- Khối dao diện nhập, giao diện xuất là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu nhập là hệ thống các cảm biến nhƣ cảm biến đo góc lắc, cảm biến đo vận tốc, gia tốc xe con,… Các thiết bị xuất là cuộn dây của bộ điều khiển động cơ, là màn hình hiển thị,…

- Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp DC cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao diện nhập và xuất

HDKH: Ts Lưu Thanh Tùng 64 a) b) c) d)

Hình 4.5 Các thiết bị thí nghiệm trên cần trục a) Khối lập trình, b) Màn hình hiển thị, c) cảm biến đo góc dao động, d)cảm biến vị trí, vận tốc, gia tốc

Cần trục sử dụng sơ đồ mắc cáp 4 khâu phẳng nhƣ đã trình bày trong phần 2.2.4 với các thông số cơ bản là:

- Khoảng cách giữa 2 đầu cáp nâng trên xe con là d=2.82m - Khoảng cách giữa 2 đầu cáp dưới khung chụp là w=1.41m - Khoảng cách từ trọng tâm khung chụp đến trọng tâm tải là R=2.5m - Bán kính quy đổi của container và khung chụp về điểm Q là Tiến hành thí nghiệm với các thông số đƣợc cài đặt nhƣ sau:

- Tốc độ nâng- hạ lớn nhất 1.5 m/s - Gia tốc nâng là 1.1 m/s 2

- Khối lƣợng tải nâng 45 tấn Khảo sát thí nghiệm với hai trường hợp sau:

1 Di chuyển xe con có mang tải, thay đổi vận tốc xe con đột ngột sao cho tải dao động mạnh, kéo tải lên cao (ứng với L=L0=3m) để xem xét khả năng khƣ lắc

2 Cần trục tiến hành nâng hàng trong khoảng chiều dài cáp nâng từ L=8m đến Lm, khởi động di chuyển xe con Thời gian gia tốc của xe con đƣợc xác định theo công thức (3.8), tgt=6.48 (s)

Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn thời gian gia tốc xe con

Biên độ dao động của khung chụp container đƣợc đo bằng vùng quét của tấm phản xạ gắn trên khung chụp, góc lắc càng lớn thì diện tích ảnh của tấm phản xạ đƣợc camera (gắn trên sàn xe con) ghi lại càng lớn Tín hiệu ghi đƣợc

HDKH: Ts Lưu Thanh Tùng 66 của camera sẽ truyền về bộ sử lý và xuất ra kết quả dao động khung chụp dưới dạng đồ thị

Hình 4.7 Kết quả thí nghiệm khử lắc trên cần trục Quay-side

Kết luận

Qua các thí nghiệm đƣợc thực hiện, kết quả thu đƣợc đã chứng minh đƣợc hiệu quả khử lắc của các phương pháp khử lắc đã được trình bày trong chương 3 Với sơ đồ mắc cáp 4 khâu phẳng, hiệu quả khử lắc là rất cao, đặc biệt là với chiều dải cáp nâng nhỏ Thí nghiệm cũng chứng minh đƣợc rằng với thời gian gia tốc xe con đƣợc tính theo công thức (3.8), dao động của tải do quán tính gần nhƣ đƣợc triệt tiêu hoàn toàn Tuy nhiên do hạn chế về thiết bị đo (cảm biến đo góc dao động tải có sai số lớn) và thời gian thực hiện luận văn, thí nghiệm chƣa đƣa ra đƣợc các số liệu cụ thể để so sánh với phần lý thuyết đã trình bày so sánh với các phương án khử lắc khác

Thí nghiệm khử lắc bằng hệ thống cáp giằng thực hiện trên cần trục mô hình cũng đã đánh giá được mức độ ảnh hưởng của lực căng cáp giằng tới dao động của tải cũng nhƣ sự phụ thộc của lực căng cáp tới độ giảm biên độ dao động

Tiêu đề	Nghiên cứu giảm lắc khung chụp xếp dỡ container
Tác giả	Trần Minh Trung
Người hướng dẫn	Lưu Thanh Tựng, Tiến sĩ
Trường học	Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách Khoa
Chuyên ngành	Kỹ thuật máy và thiết bị xây dựng- Nâng chuyển
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	80
Dung lượng	3,35 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[2]. Gabriela González, Singgle and Double plane pendulum, http://www.phys.lsu.edu/faculty/gonzalez/Teaching/Phys7221/DoublePendulum.pdf, 12-10-2011	Link
[1] . Alois Recktenwald et al (2010), System and methods for sway control, US Patent 7648036B2, Jan.19, 2010	Khác
[3]. Giacomo Torzo and Paolo Peranzoni (2009), The real pendulum: theory, simulation, experiment, Edvcatio Physicorvm, April 2009	Khác
[4]. Jouko Virkkument (1992), Method of damping the sway of the load of a crane, US Patent 5127533, Jul.7, 1992	Khác
[5]. Lawrence A. Wright (1976), Anti-sway system for a spreader suspended from a crane, US Patent, Mar.23, 1976	Khác
[6]. Masamitsu Enoki (2001), Integrated balancedwire rope reeving system for cargo container handling cranes, US Patent 006250486 B1, Jun.26, 2001	Khác
[7]. Nguyễn Văn Khang (2005), Dao động kĩ thuật, nhà xuất bản khoa học kĩ thuật	Khác
[8]. Recktenwald et al (2008), System and methors for sway control, US Patent 20080027611A1, Jan.31,2008	Khác
[9]. Shuji Hasegawa at el (1996), Variable level lifting platform for a cargo container handling crane, US Patent 005538382, Jul.23, 1996	Khác
[10]. S.G. Kelly (1996), Theory and problems of mechanical vibrations, McGraw Hill, New York	Khác
[11]. Trần Văn Chiến (2005), Động lực học máy trục, nhà xuất bản Hải Phòng, trang 78-82	Khác
[12]. Yoshiaki Okubo and Koichi Inonue (1998), Apparatus for stoping the oscillation of hoisted cargo, US Partent 005819962, Oct.13,1998	Khác
[13]. Yuso Shimizu (1993), Integrated passive sway arrest system for cargo container handling cranes, US Patent 005189342A, Feb. 16, 1993	Khác