CHƯƠNG 5: CÁC CƠ CẤU CƠ KHÍ MÁY NÂNG pps

Nguyên tắc cấu tạo các cơ cấu máy nâng Phơng pháp cơ bản để xây dựng một kết cấu truyền động của máy nâng là phải xác định đợc mục đích chính và những ảnh hởng chính của cơ cấu đó.. phậ

Chơng 5

các cơ cấu cơ khí máy nâng

5.1 Nguyên tắc cấu tạo các cơ cấu máy nâng

Phơng pháp cơ bản để xây dựng một kết cấu truyền động của máy nâng là phải xác

định đợc mục đích chính và những ảnh hởng chính của cơ cấu đó Trớc tiên cần quyết định

về loại truyền động cho loại và kiểu máy nâng nào, năng lợng sử dụng là gì (ví dụ năng lợng

điện, lực cơ bắp, chất lỏng, khí nén ), tiếp theo là lựa chọn phơng pháp công tác, loại truyền động và hàng loạt những thông số kỹ thuật khác nh phơng pháp điều chỉnh tốc độ (cơ khí hoặc điện) và mục tiêu kinh tế phải đạt đợc

Phơng pháp cấu tạo còn phụ thuộc vào mục đích của cơ cấu chủ động Trong máy

cơ cấu di chuyển và cơ cấu quay

Trong một cơ cấu bao giờ cũng có ba phần chính: bộ phận công tác, bộ phận truyền

động và bộ phận dẫn động; ngoài ra còn có hệ thống điều khiển để điều khiển cho toàn hệ thống các cơ cấu hoạt động

phận trớc đó truyền cho để thực hiện mục đích chính, nhiệm vụ chính của cơ cấu, ví dụ bánh xe cơ cấu di chuyển lăn trên đờng ray, bánh răng cuối ăn khớp với vành răng cố định trong cơ cấu quay để quay phần trên của cần trục; hệ thống ròng rọc cáp và móc treo trong cơ cấu nâng để nâng hạ vật.v.v

Bộ phận truyền động là phần trung gian nhận, biến đổi, phân phối và truyền năng

l-ợng từ bộ phận dẫn động đến bộ phận công tác Trong máy nâng chuyển thờng dùng các loại truyền động nh: truyền động cơ khí (bao gồm các khớp nối trục, trục, các cặp bánh răng, ổ đỡ sắp xếp theo một thứ tự nhất định); truyền động điện (bao gồm máy phát điện, đ-ờng dây truyền dẫn, động cơ điện); truyền động thuỷ lực (bao gồm máy bơm, đờng ống dẫn chất lỏng, động cơ thuỷ lực) Truyền động khí nén (bao gồm bộ lọc khí, bơm, bình chứa cao

áp, các đờng ống, van phân phối)

cho bộ công tác thực hiện đợc chức năng công việc Bộ phận dẫn động gồm các loại động cơ điện, thuỷ lực, đốt trong, khí nén, lực cơ bắp của ngời, súc vật, thiết bị phanh hãm cơ,

điện, thuỷ lực, sức gió

Nh vậy, để thực hiện công việc của bộ công tác, ta có thể sử dụng bộ phận dẫn

động và truyền động khác nhau Mỗi loại dẫn động và truyền động có những u nhợc điểm riêng về kĩ thuật, kinh tế và phạm vi ứng dụng Vì vậy khi lựa chọn sơ đồ dẫn động và truyền động cho một cơ cấu để thiết kế cần quan tâm tới các thông số làm việc nh công suất, tốc độ, đặc tính động lực học, phơng pháp điều khiển, môi trờng sinh thái, khả năng quá tải, khả năng tiêu chuẩn hoá và tự động hoá, khả năng lắp đặt, vận hành, an toàn Các

109

chỉ tiêu kinh tế nh giá thành, chi phí sản xuất, khấu hao, chi phí bảo dỡng sửa chữa.v v.5.2 cơ cấu nâng

5.2.1 Kết cấu chung

Theo yêu cầu công nghệ, cơ cấu nâng có thể là một máy nâng độc lập nh tời, pa lăng cố

định hay là một bộ phận của máy nâng nh ở cầu trục, cổng trục, cần trục tháp, cần trục nổi v v

Trong cơ cấu nâng có thể có bộ công tác là dây mềm (cáp, xích) chỉ chịu kéo (hình 5-1) hoặc có bộ công tác là kết cấu cứng nh: thanh răng, vít me, xi lanh thuỷ lực vừa có khả năng chịu kéo khi nâng, vừa chịu nén khi hạ

ngoạm có hai tang: một tang dùng để nâng hạ gầu và một tang dùng để đóng mở gầu (hình 5-2) Các sơ đồ cơ cấu nâng đợc cấu tạo từ: động cơ, khớp nối, phanh, hộp giảm tốc, tang cuốn cáp, dây cáp, móc treo và ròng rọc đỡ cáp Tất cả các bộ phận cơ cấu nâng đ ợc lắp trên một khung hàn và đợc cố định trên sàn bằng bu lông (hình 5-3, hình 5-4) và cũng có thể đợc lắp 4 bánh xe dới khung để di chuyển trên đờng ray

Cáp mắc lên tang có hai cách: kiểu đơn (hình 5-1a), có một đầu cáp đợc cố định trên tang và kiểu kép (hình 5-1b), hai đầu cáp đợc cố định trên hai đầu của tang Trong kiểu

đơn, vật đợc treo trực tiếp vào cáp không qua ròng rọc cân bằng vì vậy vật nâng bị di chuyển ngang trong quá trình nâng hạ Đối với trờng hợp mắc kép, vật nâng đợc chuyển

Hình 5-1 Sơ đồ cơ cấu nâng: 1- Động cơ, 2- Khớp + phanh, 3- Hộp giảm tốc, 4- Tang, 5- Ròng

b)

7

654

2

31

động thẳng đứng và ít gây ra dao động hay lắc ngang Khi tải trọng nâng lớn, ngời ta tăng

này đã trình bày trong chơng 3 Tang trơn đợc dùng khi dung lợng cáp lớn, cuốn nhiều lớp cáp

111

H×nh 5-2 C¬ cÊu n©ng gÇu ngo¹m

52

1

4

3

Tang cuốn cáp đợc lắp với trục

tang, một đầu tựa vào gối đỡ và đầu

thứ hai lắp với trục ra của hộp giảm tốc

bằng khớp nối Do sai số khi chế tạo và

lắp ráp, trục tang và trục ra của hộp

giảm tốc đợc nối bằng khớp nối mềm

Khớp nối mềm có thể là khớp răng,

chốt (hình 5-4) Đối với loại máy nâng

có tải trọng lớn, ngời ta thờng lắp bánh

răng cuối cùng của hệ truyền động vào

cạnh của thành tang và bánh răng ăn

khớp với bánh răng này đợc lắp trên

trục ra của hộp giảm tốc Trục tang đợc

tựa trên hai gối đỡ hai đầu Theo kết

cấu này thì hộp giảm tốc nhỏ gọn

Trục động cơ nối với trục vào hộp

giảm tốc bằng khớp nối có bánh

phanh Phần bánh phanh lắp về phía

hộp giảm tốc để bảo đảm an toàn

Trong máy nâng dùng gầu

ngoạm phải dùng hai tang cho hai cáp

113

Hình 5-3 Hai tang một động cơ

4

74

12

5

63

8

khác nhau và khi vận hành hai tang phải chuyển động độc lập với nhau Tuy nhiên cần phải

có kết cấu thích hợp để có thể điều khiển phối hợp hai tang làm việc khi đóng mở và nâng hạ gầu Ngời ta cũng có thể dùng sơ đồ một động cơ cho gầu ngoạm hai dây (hình 5-3) để

điều khiển hai tang làm việc độc lập, trong trờng hợp này sử dụng kết hợp phanh và ly hợp

để thực hiện

5.2.2 Điều chỉnh tốc độ nâng

Trong các loại máy nâng, đặc biệt là máy trục xây dựng và máy trục dùng trong công nghệ lắp ráp, cần phải điều chỉnh đợc tốc độ nâng hạ khi làm việc ở đây khi có tải nặng thì tốc độ nâng hạ phải chậm và khi không mang tải thì tốc độ hạ móc phải nhanh để rút ngắn

cần tốc độ chậm để có thể điều chỉnh chính xác và an toàn Điều chỉnh tốc độ làm việc của máy nâng có thể bằng cơ khí, bằng điện hoặc kết hợp cả hai phơng pháp trên Điều chỉnh tốc độ nâng bằng cơ khí là dùng các kết cấu cơ khí nh bánh răng, khớp nối, phanh để thay

đổi tốc độ vòng của động cơ Sơ đồ đơn giản nhất là dùng một động cơ với hộp giảm tốc

có hai tốc độ nâng, có hai tỷ số truyền do có các cặp bánh răng khác nhau

về số răng Dùng hai động cơ có công suất và tốc độ quay khác nhau kết hợp hộp giảm tốcphụ có ly hợp (hình 5-5) Cũng có thể dùng hai động cơ liên kết với hộp giảm tốc hành tinh

kết thúc Trên hình 5-7 là biểu đồ mô tả diễn biến theo thời gian của các đại lợng quãng

đ-114

Hình 5-4 Tời điện một tang: 1- Khung, 2- động cơ,

3- Khớp, 4- Hộp giảm tốc, 5- Bình điện thuỷ lực, 6- Tang, 7- Gối đỡ, 8- Công tắc cuối

Hình 5-5 Sơ đồ cơ cấu nâng nhiều tốc độ với ly hợp cơ khí và hôp giảm tốc phụ

n z

z n

M 2

2 z U

M 1

M 1 2

0 n 0 z

M

n22 z

2

z0 0n

ờng nâng s, tốc độ nâng v, gia tốc a, mô men động cơ M, công suất động cơ N theo lý thuyết tính toán và thực tế khảo sát đợc khi nâng của động cơ không đồng bộ theo 3 giai

biến thực của các đại lợng đo đợc khi làm việc khác rất nhiều so với lý thuyết, đặc biệt là giai đoạn chuyển động không ổn định (mở máy và phanh) gia tốc không diễn biến đều đặn

nh lý thuyết Trên hình 5-8 là biểu đồ diễn biến của lực trong dây cáp đo đợc ở một cần trục tháp có chiều dài cần là 20m Diễn biến của lực đo đợc cũng gần giống với lực tính toán nh-

ng với giả thiết là cáp không đàn hồi nghĩa là hệ có một khối lợng

5.2.4 Tính toán lực và tải trọng của cơ cấu nâng.

Trên hình 5-7 biểu diễn một chu kỳ làm việc bao

gồm ba pha chuyển động của cơ cấu nâng: mở máy (gia

tốc dơng), chuyển động đều và giai đoạn phanh (gia tốc

âm) Nh vậy lực quán tính sinh ra chỉ ở giai đoạn đầu và

< 30m/ph) thì trong thực tế không tính lực và mô men

quán tính mà chỉ chọn mô men mở máy của động cơ

lớn hơn một ít Đối với những trờng hợp còn lại cần

phải kiểm tra động cơ và phanh theo lực quán tính

Khi tính toán lực quán tính hay mô men quán

đổi là bất cứ lực quán tính của chi tiết nào của cơ cấu

nhân với tỷ số truyền tơng ứng cho tới móc nâng kể cả

truyền tơng ứng cho tới trục động cơ và có tính cả hiệu

Hình 5-8 Diễn biến lực trong cáp trong thời kỳ khởi động: 1- Đờng cong thực nghiệm,

2- Đờng cong tính theo giả thiết hệ đàn hồi hai khối lợng, 3- Đờng cong tính theo giả thiết hệ

1 Xác định lực và mô men quán tính hệ thực

Lực quán tính của một chi tiết máy của cơ cấu có khối lợng chuyển động thẳng

Pqt = ma =

m

t

Vg

G, N; (5-1)trong đó: G - trọng lợng của tiết máy hay vật thể, N;

m

t375

n, Nm; (5-2)

máy cho trong bảng 5-1

n - tốc độ vòng của trục quay, vg/ph

Đối với thanh nghiêng quay xung quanh trục đứng, biết chiều dài thanh L và tạo với

2 2 0

Q

2- Xác định lực và mômen quán tính hệ quy dẫn

1,0250

Sau khi lựa chọn đợc sơ đồ nguyên lý của cơ cấu, ngời ta tiến hành tính toán xác định các tải trọng tác dụng lên cơ cấu đó Đặc điểm của máy trục là làm việc theo thời gian ngắn hạn lặp đi lặp lai và tải tác dụng lớn nhất lên cơ cấu là thời kỳ mở máy hoặc phanh

Trong máy trục các cơ cấu hoạt động đợc là nhờ liên kết với phần kết cấu thép Ta coi toàn bộ máy là một hệ thống nhiều khối lợng liên kết với nhau nhờ những khâu nối đàn hồi

Ví dụ vật nâng, xe con, bánh xe, động cơ điện và các hộp giảm tốc là các khối lợng tập trung, còn các bộ phận nh dây cáp, các trục, khớp nối, các thanh dầm là các khâu đàn hồi Khi coi hệ là đàn hồi sẽ xuất hiện dao động đàn hồi tơng đối giữa các khối lợng với nhau và xuất hiện tải trọng động đàn hồi trong quá trình hoạt động Sơ đồ tính toán sẽ là hai, ba khối lợng Lời giải sẽ chính xác nhng khá phức tạp Trong tính toán các cơ cấu máy nâng, để đơn giản, ngời ta thờng sử dụng sơ đồ một khối lợng có chịu tác động của ngoại lực Trong sơ đồ không tính đến chuyển vị đàn hồi tơng đối giữa các bộ phận với nhau, không tính đến tải trọng đàn hồi Cách tính này cho phép xác định quy luật chuyển động của tâm khối lợng và xác định đợc tải trọng động quán tính Khi khảo sát sơ đồ một khối lợng, các khối lợng tham gia chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay, mô men quán tính của các bộ phận đó

đợc thay thế bằng các đại lợng quy dẫn tơng đơng về một vị trí nhất định trên cơ cấu đó

Nguyên tắc quy dẫn là tổng động năng của hệ thực, có tính đến tổn thất, tơng đơng động năng của hệ quy dẫn.

a) Mô men quán tính quy dẫn: Trong cơ cấu nâng, khi dùng hệ thống dẫn động từ động

cơ qua các cặp bánh răng của hộp giảm tốc đến tang và dây cáp nâng vật, thì mô men quán

của hệ quy dẫn phải bằng tổng năng lợng của hệ thực và đợc tính nh sau:

Trờng hợp mở máy:

mk

2 k k 2

m

2 2 2 1 m

2 1 1 n

2 n n 2

2 2 2

2 1 1

2 1 m

2

vm

2

vm2

vm2

J

2

J2

J2

J

η+

+η

+η

+η

ω++η

ω+

ω

=ω

tốc quay ω1, ω1 ωn;

m1, m2, mk - các khối lợng chuyển động tịnh tiến với vận tốc tơng ứng v1, v2 vk;

η1, η2, ηn , ηm1, ηm2 ηmk- hiệu suất các bộ truyền từ trục 2 đến trục n và hiệu suất của bộ truyền từ khối lợng m1 mk

Chia hai vế cho

2

2 1

n

1

iω

k 2

1

1 1 m

1 n

2 n

n 2

2 2 2 1

i

1J

i

1JJJ

ωη++ωη

+η++η+

Tơng tự khi phanh:

117

2

1

k mk k 2

1

1 1 m 1 2 n

n n 2

2

2 2 1

iJ

iJJJ

ωη++ωη+

η++

η+

v 3

2 3

3 2

2 2 2 1

i

1Ji

1JJJ

ωη

+η

+η+

=

0

n 1 m v 2 3

3 3 2 2

2 2 1

i

JiJJJ

ωη+

η+

η+

=

sau dấu phẩy là phần mô men quán tính cha tính đến

Mặt khác ta thay

c

t 1 n

ai2

β

c

2 t 1

m

)ai4(

Dg

QJ

ph

)ai4(

Dg

QJ

b )

c

2 t 1

2 i

)ai(

QD)

2

i (ai )

QD)GD

5.2.5 Xác định công suất cần thiết của cơ cấu nâng

Khi nâng có các loại tải trọng tác dụng sau:

- Tải trọng của vật nâng Q (N),

- Các loại lực cản chuyển động của cơ cấu,

- Lực quán tính của các bộ phận cơ cấu,

4

38

12

J 3ε3 n3 J 2ε2

3

J 1ε1 1

n

v

vn

- Lực quán tính của tải trọng nâng.

Các loại tải trọng này gây ra mômen cản ở từng pha trong một chu kỳ làm việc của cơ cấu:

1 Khi vật nâng đang chuyển động với tốc độ v n

Lúc này mô men động cơ chỉ cần thắng mô men cản tĩnh của tải trọng nâng và lực cản

QvN

η

= , KW; (5-13)

2 Mở máy khi nâng tải.

Phơng trình chuyển động của cơ cấu trong thời kỳ mở máy:

này chính là bằng mo men mở máy của động cơ phát ra

c

t Q

ai2

QDM

2 t

tia375

nQD

3 1

3 2

rr

rr3

mJ

r3

m

)rrrr3

m

2 2 1

m

3

mJ

2

r2

2

2 rr2

1 I

2 i i

t375

nDG

i - tỷ số truyền chung của bộ truyền từ trục động cơ đến trục tang;

ηc= ηpηtηgt - hiệu suất chung của toàn cơ cấu: hiệu suất palăng ηp, hiệu suất tang ηt

n

m

t - thời gian mở máy khi nâng vật, s;

β = 1,1 ữ 1,2 - hệ số kể đến ảnh hởng quán tính của các tiết máy quay trên các trục sau trục 1;

vô lăng của các tiết máy tiêu chuẩn cho trong bảng 5-2

Thay các giá trị vào công thức 5 -14 ta đợc:

m

1 I

2 I i c

n m 2 2 1

2 t c

t m

t375

n)DG(t

ia375

nQDai

2

QD

+η

+η

Thời gian mở máy khi nâng vật:

)MM(375

n)DG(i

a)MM(375

nQDt

Q m

1 I

2 I i c

2 2 Q m 1

2 t n

β+η

−

3 Phanh khi nâng tải

Khi nâng tải, ngắt động cơ và mô men phanh đợc xác định theo công thức:

Mph = - Mt’ + M’đ1 + M’đ2 (5-20)Xác định mô men phanh khi đặt phanh ở trục 1

ph

1 I

2 i i n

ph 2 2 c 1

2 t c

t ph

t375

n)DG(t

ia375

nQDai

n)DG(i

a)MM(375

nQDt

Q ph

1 I

2 i i 2

2 Q ph

c 1

2 t n

β++

4 Mở máy khi hạ tải

Mô men mở máy khi hạ tải:

2 i i c

h m 2 2 1

2 t c

t

n)DG(t

ia375

nQDai

2

QD

+η

+η

n)DG(i

a)MM(375

nQDt

Q m

1 I

2 i i c

2 2 Q m 1

2 t h

β+η+

5 Phanh khi hạ tải

Khi hạ tải, tắt máy và phanh đợc xác định theo công thức:

Mph = - MQ’’ + M’’qt1 + M’’qt2 (5-26)Xác định mô men phanh khi đặt phanh ở trục 1

ph

1 I

2 i i h

ph 2 2 c 1

2 t c

t ph

t375

n)DG(t

ia375

nQDai

η

Thời gian phanh khi hạ tải

)MM(375

n)DG(i

a)MM(375

nQDt

Q ph

1 I

2 i i 2

2 Q ph

c 1

2 t h

β+

Mômen phanh đợc xác định từ điều kiện giữ tải trọng treo ở trạng thái tĩnh có kể tới hệ

Bảng 5-3 Hệ số an toàn của phanh khi trên cơ cấu chỉ đặt một phanh

Đối với trờng hợp phanh đặt ở trục động cơ, mô men phanh cần thiết là:

ai2

QDk

ph ph

- Chế độ làm việc của cơ cấu nâng

Từ các số liệu đã biết tiến hành tính toán theo thứ tự:

1 Trớc tiên dựa vào không gian, hình thức kết cấu và những điều kiện cụ thể khác tiến hành lựa chọn sơ đồ cơ cấu nâng, phơng pháp truyền động

2 Xác định bội suất pa lăng

3 Tính lực căng lớn nhất trong dây cáp, chọn loại dây cáp và đờng kính cáp

4 Xác định đờng kính tang và ròng rọc tối thiểu theo TCVN

5 Tính tốc độ quay của tang để phù hợp tốc độ nâng cho trớc

6 Tính công suất tĩnh của động cơ điện và kiểm tra động cơ theo từng bớc

7 Từ công suất động cơ tính toán tiến hành chọn động cơ điện theo catalo để có đợc các thông số kỹ thuật cũng nh kích thớc hình học cơ bản

9 Tiến hành thiết kế hộp giảm tốc hoặc lựa chọn hộp giảm tốc có sẵn theo tỷ số truyền.

10 Tính toán mô men phanh, chọn phanh và kiểm tra gia tốc hoặc thời gian phanh

11 Tính khớp nối

12 Tính kiểm tra các kẹp cáp, móc treo hoặc các bộ phận mang tải khác, các gối đỡ trục

5.3 cơ cấu thay đổi tầm vơn

5.3.1 Những đặc điểm khi thay

nhất của cần đến tâm của trụ quay

trong quá trình làm việc Có nh thế

mới nâng hạ vật nâng ở bất cứ vị trí

nào trong không gian bao quanh cần

trục khi kết hợp các cơ cấu nâng, cơ

cấu quay và thay đổi tầm vơn Có

Loại thứ nhất là dùng một xe

con, có cơ cấu nâng trên đó, di

chuyển trên cần nằm ngang cố

định (hình 5-10) Cơ cấu thay

đổi tầm vơn ở máy trục có cần

nằm ngang chủ yếu là cơ cấu làm

di chuyển xe con qua lại hai đầu

cần Phơng pháp này có thể dùng

cáp kéo (có tời cố định, cáp cuốn

nhả hai chiều) hoặc xe con chạy

độc lập Thực chất thì đây là một

tời kéo và cách tính toán đã đợc

trình bày ở phần cơ cấu di

chuyển

Loại thứ hai là thay đổi góc

nghiêng của cần do một đầu cần

38

4