Bài tập lớn môn học máy nâng chuyển

Yêu cầu : “Thiết kế cơ cấu nâng dẫn động bằng máy” với các số liệu ban đầu :Trọng lượng vật nâng Q = 3500 kg;Chiều cao nâng H = 65 m;Vận tốc nâng v = 0,7 ms;Chế độ làm việc nặng;Loại thiết bị phanh hãm là phanh má điện từ;Điều kiện làm việc ngoài trời.1.Chọn loại dây treo vậtSo sánh về ưu điểm và nhược điểm của xích và cáp thép thì ta nhận thấy cáp thép ưu việt hơn hẳn so với xích. Mặt khác xích thường được dung trong cơ cấu kéo có vận tốc nâng chậm, chiều cao nâng không lớn lắm; theo đề bài yêu cầu thì thiết kế dẫn động bằng máy và cũng không hạn chế về kích thước cơ cấu. Vì vậy phương án lựa chọn dây treo vật là cáp thép là hơn hẳn.

3

2

5

6

7

8

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC MÁY NÂNG CHUYỂN

(Biến đề 03)

Yêu cầu : “Thiết kế cơ cấu nâng dẫn động bằng máy” với các số liệu ban

đầu :

- Trọng lượng vật nâng Q = 3500 kg;

- Chiều cao nâng H = 65 m;

- Vận tốc nâng v = 0,7 m/s;

- Chế độ làm việc nặng;

- Loại thiết bị phanh hãm là phanh má điện từ;

- Điều kiện làm việc ngoài trời

1.Chọn loại dây treo vật

So sánh về ưu điểm và nhược điểm của xích và cáp thép thì ta nhận thấy cáp thép ưu việt hơn hẳn so với xích Mặt khác xích thường được dung trong cơ cấu kéo có vận tốc nâng chậm, chiều cao nâng không lớn lắm; theo đề bài yêu cầu thì thiết kế dẫn động bằng máy và cũng không hạn chế về kích thước cơ cấu Vì vậy phương án lựa chọn dây treo vật là cáp thép là hơn hẳn

2.Chọn sơ đồ treo vật

2.1 Sơ đồ treo vật

1- Bộ phận mang tải;

2- Pa lăng;

3- Dây cáp thép;

4- Tang tời;

5- Bộ phẫn dẫn động (Hộp giảm tốc);

6- Thiết bị hãm ( Phanh má điện từ);

7- Động cơ;

8- Thiết bị hạn chế chiều cao nâng

2.2.Chọn bội suất palăng

Ta chọn loại palăng đơn loại 2 có nhánh cáp ra khỏi tang từ ròng rọc

di động phía dưới , với cần trục kiểu cần, trọng lượng nâng (Q=3500 kg) chọn bội suất palăng (a= 3)

I - I

Do

Vật nâng được nâng lên nhờ có tời cáp và hệ thống palăng cáp, trong palăng cáp có những ròng rọc cố định và ròng rọc di động dây cáp nâng được vắt qua ròng rọc này vật nâng được treo trên đầu móc treo móc treo được nối liền với cụm ròng rọc di động, còn đầu kia được cuộn vào tang tời đặt trên sàn máy

3 Xác định lực căng dây lớn nhất

Hiệu suất của hệ ròng rọc là :















) 95 , 0 1 ( 3

95 , 0 1 ) 1 (

r

a r p



Với r là hiệu suất của một ròng rọc: r = 0,95 bảng 2.4 [1] trang 210

Vậy Smax =

p

a

g Q



.

.

951 , 0 3

8 , 9 3500

12,022 (kN)

4 Tính và chọn dây treo vật

Ta tính và chọn dây treo vật theo lực căng lớn nhất

Lực căng tính toán dùng để chọn cáp là S = Smax.k = 12,022.6= 72,132 (kN) Với: k = 6 hệ số an toàn trong cơ cấu nâng bằng máy

Theo tiêu chuẩn của cáp thép bảng OCT 3070 - 55 chọn loại TK 6

19

 +1có đường kính dây cáp là d = 12,5 (mm) gồm có 6 nhánh và 19 sợi thép trong 1 nhánh 1 lõi mềm b= 150.107 (N/m2) cáp được làm bằng loại thép hợp kim 37 XHA

Kiểm tra điều kiện bền cho sợi cáp:

- Ứng suất kéo trên sợi cáp :

2 / 9 , 209 4

2 , 0 14 , 3 19 6

022 , 12 4

2

mm N i

S



Trong đó: δ – là đường kính của sợi dây cáp

i – Số sợi dây cáp

- Ứng suất uốn trên sợi cáp :

R D

W



cm2

 E = 2,15.103 N/mm2

DR là đường kính ròng rọc

Đường kính nhỏ nhất cho phép của tang và ròng rọc được chọn theo công thức : D = ( 16 ÷ 30 ).dc → 200 mm ≤ D ≤ 375 mm

Chọn đường kính tang và đường kính ròng rọc bằng nhau D = 280 mm

2

280

8 , 0 10 15 ,



Ứng suất tương đương được tính gần đúng theo công thức :

2

/ 04 , 216 14 , 6 9 ,

u



[σK ] = 150.107 (N/m2) = 1500 N/ mm2

Như vậy σ < [ σK ] Sợi cáp đủ bền

5.Xác định các kích thước cơ bản của bộ phận cuộn và dẫn hướng

( tang, ròng rọc, mọc treo)

5.1.Ròng rọc

Ròng rọc di động dùng thay đổi lực căng cáp, với chế độ làm việc nặng ta

chọn loại ròng rọc đúc bằng thép Đường kính ròng rọc nhỏ

Drr < 600 mm, do đó chọn kết cấu ròng rọc đúc liền Do cơ cấu làm việc

ngoài trời và tải trọng lớn nên ta dùng ổ lăn lắp vào moayơ của ròng rọc

Dùng ổ lăn có ưu điểm là lực ma sát nhỏ, việc chăm sóc cũng đơn giản và

đảm bảo làm việc tốt và bền hơn dùng ổ trượt nên dù giá thành có đắt hơn ổ

trượt nhưng chi phí khai thác sẽ ít hơn do khâu chăm sóc đơn giản đồng thời

làm việc có hiệu quả hơn

Kết cấu ròng rọc như sau:

Đáy rãnh ròng rọc là một cung tròn có bán kính

r=(0,530,6)dc  r=(0,530,6)12,5=6,6257,5mm

chọn r = 7 mm

Góc bao 2α = (40600)=500

Chiều sâu rãnh ròng rọc h được chọn tuỳ theo công dụngvà

nơi đặt ròng rọc Trong mọi trường hợp phải đảm bảo h=(2

2,5)dc

Do đây là ròng rọc di động lên để đảm bảo an toàn,

không bị tuột ta chọn chiều sâu rãnh ròng rọc h = 2,5.dc =

2,5.12,5 = 31,25 mm

Đường kính D0 của ròng rọc xác định đảm bảo cáp không uốn nhiều và

không bị mài mòn nhanh nhằm kéo dài tuổi thọ của cáp Đường kính của D0

của ròng rọc được chọn theo đường kính cáp dc của dây cáp như sau:

D0 ≥ (16 ÷ 30 ) dc , chọn D0 = 280 mm

d

e

Ròng rọc được chế tạo từ gang xám có chất lượng không thấp hơn loại GX15-32 ( TCVN1659-75 ) Vật đúc cần phải được ủ, sau đó cần được sơn lót chống gỉ

5.2.Móc treo vật nâng

Móc treo được chọn là móc treo đơn, vật liệu chế tạo móc là thép 20 – là thép ít các bon theo phương pháp dập Móc được nối trực tiếp với dây cáp bằng các lỗ luồn cáp ở phần cuối cáp

5.3 Kết cấu của tang tời

* Xác định kích thước của tang tời

- Chọn tang tời là loại tang hình trụ, bề mặt có rãnh xoắn

- Vật liệu làm tang tời thông thường được đúc bằng gang C415-32

Có giới hạn bền σB = 565 (N/mm2 ) Ứng suất nén cho phép được xác định theo công thức σN =  

5

565

n

B



113 (N/mm2 )

- Kết cấu của tang được thể hiện như hình vẽ :

L

Dt



q

Đường kính tang tời được chọn để các sợi cáp khi cuốn vào tang không chịu ứng suất uốn quá lớn Thường chọn Dt ≥ (16 ÷ 30 )DC

Chọn DT = 280 mm

Bước của rãnh xoắn : t = DC + (2- 3 ) mm chọn t = 15 mm

Bán kính của rãnh xoắn : r = (0,6 ÷ 0,7 ) DC chọn r = 8 mm

Chiều sâu của rãnh xoắn e < r Chọn e = 5 mm

Chiều dài tang phải đủ cuốn đủ đoạn cáp làm việc tương ứng với chiều cao nâng yêu cầu đồng thời phải có các vòng cáp dự trữ

D D

D l

T C

C ( 1 , 5 2 , 0 ) ).

.(.

.









Trong đó : l là chiều lớp cáp cuốn vào tang l = a.H = 3 65 = 185 m

DC là đường kính dây cáp DC = 12,5 mm

DT là đường kính tang DT = 280 mm

.m là số lớp cáp cuốn vào trong tang, chọn m = 1

(1,5 ÷ 2,0 ) DC là đoạn dự trữ an toàn chọn = 2,0.Dc

L = 2 12 , 5 2541 , 55 ( )

) 280 5 , 12 (

14 , 3

5 , 12 10

185 3

mm







Chọn L = 2545 mm

Chiều dày tang rời có thể chọn sơ bộ theo công thức :

.δ = 0,02 DT + (6 ÷ 10 ) mm

11,6 mm ≤ δ ≤ 16,6 mm Chọn δ = 14 mm

- Tính toán sức bền của tang

Trong quá trình làm việc tang chịu lực nén do dây cáp cuốn qua tang khi có tải Ngoài ra tang còn bị uốn và bị xoắn do mômen tạo ra do lực căng của dây cáp và trọng lượng bản thân của tang và dây cáp Do tang có chiều dài làm việc l0  2 D t nên ứng suất nén có ý nghĩa quyết định đến độ bền của tang do đó trong tính toán ta chỉ tính đến ứng suất nén và bỏ qua ứng suất uốn và xoắn Để kiểm tra độ bền của tang theo ứng suất nén ta áp dụng công thức 2.11 [1]:

 n

n

t

S





.

max

Với tang trơn bước mm

c d

t  11 , thay vào công thức trên ta có:

5 , 12 14

12022

mm N

Như vậy tang làm đủ bền để làm việc

Để giữ chặt đầu mút cáp vào tang ta luồn đầu mút của cáp vào tang thông qua rãnh hình nêm.( Có thể ép chặt bởi bu lông vít hoặc kẹp chặt vào thành tang Khi đó cần tính toán để chọn bu lông vít phù hợp để tạo ra lực giữ cáp đủ lớn)

Mômen do vật nâng gây ra trên trục tang được xác định theo công thức:

mm N

D S M

t

95 , 0 2

291 022 , 12

2



 Với:

Smax = 12022 N

D0 – đường kính tang tính đến tâm cáp, cm

D0 = dc + Dt = 11 + 280 = 291 mm

ηt – hiệu suất của tang, chọn ηt = 0,95

7) Tính công suất và chọn động cơ.

Động cơ được chọn phải đảm bảo đủ công suất làm việc khi chuyển động ổn định cũng như khi khởi động, đồng thời phải đảm bảo vận tốc nâng cho trước

Công suất động cơ điện được tính theo điều kiện cơ cấu nâng chuyển động ổn định và được xác định theo công thức:

 102

. n

dc

v Q

N 

Trong đó:

Q – trọng lượng vật nâng Q = 3500 kG

η – hiệu suất của cơ cấu tính đến hiếu suất của pa lăng, tang và của hộp giảm tốc:

η = ηp.ηt.ηhgt

ηp = 0,96 – hiệu suất của pa lăng

ηt = 0,95 – hiệu suất của tang tời

ηhgt = 0,88 – hiệu suất của hộp giảm tốc ( Sơ bộ chọn hộp giảm tốc bánh răng trụ 2 cấp)

Thay vào công thức ta có:

kW dc

88 , 0 95 , 0 96 , 0 102

4 , 0 3500





Chọn động cơ: Tra bảng 4P[2], chọn động cơ có số hiệu AOC2 – 62 –

4, có:

Ndm = 18,5 kW, nđc = 1500 vòng/phút, η = 83%

Khối lượng động cơ mđc = 134 kg

-Kiểm tra điều kiện làm việc của động cơ ta có Nđm = 18,5 Kw < Nlv / η = 17,1/ (0,96.0,95.0,88) = 21,3 Kw

Như vậy ta phải chọn lại động cơ Chọn động cơ AO2-71-4

Nđm = 22 kW, nđc = 1460 vòng/phút, η = 90%

Khối lượng động cơ mđc = 208 kg

8 Xác định tỷ số truyền.

Vì vận tốc của tang nhỏ mà vận tốc ở trục ra của động cơ là lớn do đó

để truyền động từ động cơ đến tang thì phải thông qua hộp giảm tốc Trước hết cần xác định tỷ số truyền cần thiết của hộp giảm tốc Tỷ số truyền được xác định xuất phát từ quan hệ vận tốc ( số vòng quay ) của trục thứ nhất ( trục động cơ ) và trục cuối cùng ( trục tang ), tức là đảm bảo vận tốc nâng cho trước vn

Tỷ số truyền của hộp giảm tốc:

tg n đc n h

i 

Trong đó:

nđc – số vòng quay của trục động cơ

ntg – số vòng quay của tang cần có để đảm bảo vn cho trước:

phút vg D

a v tg

291 14 , 3

3 3 10 7 , 0 60 0 60









89 , 137

1500







tg n đc n h i

Chọn hộp giảm tốc có tỷ số truyền là 10,9 là hộp giảm tốc 2 cấp bánh răng trụ, trong đó cấp thứ nhất( cấp nhanh ) sử dụng bánh răng trụ răng nghiêng, cấp thứ hai ( cấp chậm ) sử dụng bộ truyền bánh trụ răng thẳng với các thông số sơ bộ của bánh răng như sau:

Bộ truyền bánh răng cấp nhanh có tỷ số truyền inh = 4:

Góc ăn khớp α = 200

Góc nghiêng của bánh răng β = 14,840

Chiểu rộng bánh răng b = 75 mm Môđun m = 2

Z1 = 29 ul; Z2 = 116 ul

Bộ truyền bánh răng cấp chậm có tỷ số truyền ich = 2,725

Góc ăn khớp α = 200

Chiều rộng bánh răng: b= 106

Z3 = 24ul; Z4 = 65 ul

Sơ đồ hộp giảm tốc

9.Tính toán kiểm tra quá trình làm việc của cơ cấu nâng.

Trong quá trình làm việc cơ cấu nâng trải qua 3 giai đoạn: Khởi động; Chuyển động ổn định; Phanh và dừng lại Ta kiểm tra trong từng giai đoạn

vì trong mỗi giai đoạn cơ cấu nâng chịu các lực khác nhau

* Giai đoạn khởi động

Ở giai đoạn này, lực cản không chỉ do trọng lượng vật nâng mà còn do lực quán tính sinh ra khi vật nâng chuyển động từ trạng thái tĩnh đến trạng thái làm việc ổn định Do động cơ điện trong cơ cấu nâng được chọn theo công suất khi chuyển động ổn định với tốc nâng vật không đổi nhưng trong giai đoạn khởi động ngoài việc nâng vật động cơ còn tiêu hao năng lượng để tạo ra tốc cho vật nâng và các chi tiết máy trong cơ cấu vì trước đó chúng ở trạng thái tĩnh Vì vậy trong giai đoạn khởi động máy, mômen khởi động trên động cơ bao gồm: Mômen cản tĩnh Mct, mômen quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến Md1 và mômen quán tính của các khối lượng chuyển động quay Md2:

Mkd = Mct + Md1 + Md2 Mômen cản tĩnh khi nâng vật được quy đổi về trục động cơ:

Mct =



2

.

i

D Q

Trong đó: Q = 3500 + 75 = 3575 kG = 35750 N.

D = 291 mm – đường kính tính toán của tang

i = a.ih = 2.10,9 = 21,8 – tỷ số truyền chung của toàn cơ cấu

η = 0 , 96 0 , 95 0 , 88= 0,8 – hiệu suất chung của toàn hệ thống

mm N

8 , 0 8 , 21 2

219 35750





Trong cơ cấu nâng, khối lượng chuyển động tịnh tiến là vật nâng và ụ móc treo, nên mômen lực quán tính của nó đưa về trục động cơ bằng:

Md1 = 2Q.i..Dj.g Trong đó: j là gia tốc của vật nâng, ta có thể coi vật nâng chuyển động nhanh dần đều

kđ t n

v

j 

Sơ bộ chọn thời gian khởi động của cơ cấu nâng tkđ = 4 s

mm N t

i n

v D Q d

M

kđ

2 , 52195 4

8 , 0 8 , 21

2 .291.0,7

35750

2

.

Các khối lượng quay bao gồm các khối lượng trên trục dẫn (trục động cơ) và các khối lượng trên trục trung gian Mômen lực quán tính gây ra trên các trục trung gian đưa về trục động cơ chỉ bằng 10 ÷ 20% giá trị mômen lực quán tính của các khối lượng trên các trục động cơ Do đó, trong thực tế người ta chỉ tính mômen lực quán tính do các khối lượng quay trên trục động

cơ gây ra, rồi nhân với hệ số c = 1,1 ÷ 1,2 để xét ảnh hưởng của các trục trung gian Mômen lực quán tính do các khối lượng quay sinh ra đưa về trục động cơ được tính gần đúng bằng:

M d2= c.J0 ε

Jo – mômen quán tính đối với trục quay của các khối lượng trên trục dẫn

40

2

0  G i D i J

Gi, Di – là khối lượng và đường kính quán tính của khối lượng thứ i trên trục dẫn

Khối lượng và đường kính quán tính của bánh răng đầu tiên của hộp giảm tốc lắp trên trục dẫn:

G1 = 3 kG = 30 N; D1 = 60 mm ( Tính toán sơ bộ sau đó vẽ bằng Inventor, chọn vật liệu là thép hợp kim

ta có được khối lượng của bánh răng )

ε – gia tốc góc, 1/s2

9 , 154 4

30

1500 14 , 3

30

.







kd

đc

t

n



Thay vào công thức ta có:

mm N

M d 154 , 9 502

10 40

60 30 2 ,

2

Mômen khởi động:

Mkđ = 189021 + 52195,2 + 502 = 241718,2 N.mm Mômen mở máy của động cơ:

mm N

1500

22 10 55 , 9 8 ,



Như vậy là động cơ thỏa mãn

* Giai đoạn phanh và dừng lại

Ở giai đoạn này vật nâng sẽ sinh ra lực quán tính do tốc độ vật nâng biến đổi từ tốc độ làm việc đến bằng 0 Quá trình phanh là quá trình ngược lại so với quá trình khởi động, ta cần phải tạo gia cấp âm cho cơ cấu để chuyển cơ cấu từ trạng thái chuyển động sang trạng thái tĩnh Tương tự như tính toán ở trên, phương trình chuyển động của cơ cấu trong thời kỳ phanh dưới dạng chung như sau:

Mp = M’

ct + M’d1 + M’d2

Phanh khi đang hạ vật sẽ bất lợi hơn khi đang nâng, nên ở đây ta để dấu dương cho Mct’ là tương ứng với chiều đang hạ vật

Chọn thời gian phanh là tph = 4 s

Ta đặt phanh trên trục dẫn, do đó mômen phanh sẽ được tính theo công thức:

ph t đc n i D i G c ph t n v D Q i D Q ph

M

375

2

20

2











mm N.

75 , 194204 4860

745 , 359



10) Lựa chọn và tính toán thiết bị phanh hãm.

Tất cả các cơ cấu nâng đều cần phải có thiết bị phanh hãm, nhất là các

cơ cấu có động cơ làm việc với vận tốc cao Phanh dùng để dừng vật và giữ vật ở trạng thái treo hoặc điều chỉnh vận tốc nâng hạ theo đúng yêu cầu, còn trong các cơ cấu khác cần dừng vật đúng vị trí

Có nhiều thiết bị phanh hãm với các chức năng khác nhau và có các đặc điểm và ưu nhược điểm riêng nhưng tất cả chúng đều phải đạt được các yêu cầu chung đối với các thiết bị phanh hãm, đó là:

- Phanh phải có mômen phanh đủ lớn với điều kiện làm việc cho trước của phanh

- Đóng mở phanh nhanh nhậy với độ chính xác cao

- Đảm bảo độ bền các chi tiết của phanh, đặc biệt là bề mặt làm việc ít

bị mòn

- Dễ kiểm tra, điều chỉnh và thay thế các chi tiết bị mòn

- Kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, dễ chế tạo và giá thành hạ

Một số thiết bị phanh hãm như sau:

1- Cơ cấu bánh cóc: Là một thiết bị có tác dụng khóa dừng được dùng phổ biến nhất Nó có đặc điểm là kết cấu đơn giản, an toàn Công dụng của

nó là giữ vật ở trạng thái treo, thực hiện bằng cách hãm một trong các trục của cơ cấu không cho quay theo chiều ngược lại

2- Cơ cấu khóa dừng bi đũa: Khóa dừng bi đũa chỉ quay theo một chiều nhất định Nó thường được sử dụng trong cơ cấu nâng hạ cần của cần trục, máy xúc với mục đích hạn chế tốc độ quay của tời khi hạ cần, đảm bảo tốc độ hạ cần nhỏ, an toàn, kể cả khi phanh giữ cần bị hỏng Thiết bị này đảm bảo cho cần không bị rơi tự do

3- Phanh má điện từ: Là loại phanh thường đóng

Phanh má điện từ có ưu điểm là: hiệu suất cao, đóng mở nhanh nhậy, nhỏ gọn, trọng lượng và quán tính bé

Nó có nhược điểm là: tỉ số truyền của hệ tay đòn không lớn nên khó tạo được mômen phanh lớn và không điều chỉnh được tốc độ hút của nam châm nên quá trình phanh xảy ra không êm dịu

4- Phanh má với con đẩy thủy lực: Là loại phanh thường đóng

Phanh má với con đẩy thủy lực có những nhược điểm của phanh má điện từ đồng thời còn khắc phục được nhược điểm của phanh má điện từ nên quá trình phanh xảy ra êm dịu và không bị giật Loại này ngày càng được sử dụng rộng rãi

5- Phanh đai đơn giản: Chỉ dùng ở cơ cấu có mômen phanh không đổi chiều

6- Phanh đai vi sai: Chỉ dùng được ở cơ cấu có mômen phanh không đổi chiều

7- Phanh đai hai chiều: Chỉ dùng cho cơ cấu có mômen phanh đổi chiều vì đối với cơ cấu có mômen phanh không đổi chiều thì dùng phanh này sẽ không có lợi vì lực điều khiển sẽ lớn gấp 2 lần so với dùng phanh đai đơn giản

8- Phanh áp trục hình nón

9- Phanh áp trục loại đĩa

10- Phanh tự động có bề mặt ma sát không tách rời: Sử dụng trong cơ cấu nâng có truyền động trục vít Nó tự động phanh được dưới tác động của vật nâng, không cần phải điều khiển, ngoài ra còn có khả năng tự động điều chỉnh được mômen phanh và lực làm việc K theo sự thay đổi của trọng