THIẾT KẾ CẦU TRỤC HAI DẦM SỨC NÂNG Q=20T, KHẨU ĐỘ L=28M

THIẾT KẾ CẦU TRỤC HAI DẦM SỨC NÂNG Q=20T, KHẨU ĐỘ L=28M

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ

MINH KHOA CƠ KHÍ

Tp.Hồ Chí Minh, Tháng 05/2008

MỤC LỤC

1 Giới thiệu chung kết cấu thép cầu trục 1

2 Các thông số cơ bản kết cấu thép 2

3 Đặc trưng hình học cua tiết diện 5

3.1 Dầm chính 5

3.2 Dầu dầm chính và dầm đầu 5

4 Các Tải Trọng Tính 6

4.1 Tải trọng không di động 7

4.2 Tải trọng di động 8

5 Xác Định Nội Lực Trong Kết Cấu Thép 10

6 Kiểm Tra Bền Cho Dầm Chính 13

7 Kiểm Tra Chân Cầu trục 18

8 Kiểm Tra Ưùng Suất Tiếp……… …20

9 Kiểm Tra Độ Võng Của Dầm……….21

10 Kiểm Tra Ổn Định……….21

11 Tính Mối Ghép Hàn……….26

12 Tính Độ Bền Của Ray Dưới Xe Lăn……….27

13 Thanh Giằng Chân Cầu Trục……….30

14 Tính Ổn Định Của Cầu Trục……….31

TÍNH TỐN KẾT CẤU THÉP

1 Sơ Lược Về Vật Liệu Và Cấu Tạo Kết Cấu Của Cầu Trục

1.1 Giới thiệu chung kết cấu thép:

Kết cấu thép là các kết cấu chịu lực của công trình làm bằng thép hoặc bằng kim loại khác nói chung Kết cấu thép ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hiện đại Chính là nhờ kết cấu thép có những ưu điểm nổi bật: bền, gọn nhẹ, năng động dễ lắp ráp hoặc vận chuyển, tính công nghiệp hóa cao, không thấm nước, chất lỏng và không khí Bên cạnh đó khi làm việc trong không khí ẩm, hay nhiệt độ cao thì cần quét thêm lớp sơn chống rỉ, chống cháy hoặc lớp bêtông bảo vệ bên ngồi

Phạm vi sử dụng của kết cấu thép rất rộng rãi: trong xây dựng nhà cửa, cầu đường, trong các kết cấu khung tháp cao, dùng làm bể chứa… và đặt biệt là dùng trong khung sàn, bệ đỡ của các máy nâng chuyển…

Khi sử dụng kết cấu thép phải đáp ứng các yêu cầu về độ bền, độ cứng khả năng chịu lực Hình dáng kết cấu phải hợp lí và tính thẩm mỹ cao Về

mặt kinh tế thì kết cấu thép phải đảm bảo tiết kiệm vật liệu, tính công nghệkhi chế tạo và tính lắp ráp cơ động Chính vì thế ta phải tính tốn kết cấu thép

để so sánh với máy mẫu và tìm ra kết cấu hợp lí nhất, tiết kiệm nhất

Các thông số kĩ thuật cơ bản vật liệu chế tạo:

- Kết cấu kim loại của máy trục là phần chiếm nhiều kim lọai nhất trong tồn

bộ máy trục Vì thế để có khối lượng máy trục hợp lý cần phải thiết kế vàtính tốn đúng phần kết cấu kim lọai của nó

- Khối lượng kim lọai dùng cho kết cấu kim lọai chiếm 6080% khối lượngkim loại của tồn bộ máy trục, có khi còn hơn nữa Vì vậy việc chọn kim lọaithích hợp cho kết cấu kim lọai để sử dụng chúng một cách tinh tế nhất là rấtquan trọng Ngồi việc phải đảm bảo độ bền khi làm việc, kết cấu kim lọaicần phải dễ gia công, có giá thành thấp, diện tích chịu gió nhỏ, bề mặt ngòaicủa kết cấu cần phẳng để dể đánh rỉ và dể sơn

- Kết cấu kim lọai cổng trục phần lớn dùng thép tấm, có thể liên kết với nhaubằng hàn hay đinh tán Vì mối ghép hàn gia công nhanh và rẻ được sử dụngrộng rãi nên ta chọn cách gia công này

Vật liệu dùng để chế tạo kết cấu thép rất đa dạng như là thép cácbon(gồm: thép cácbon thấp, trung bình và cácbon cao) hay thép hợp kim…Trong chế tạo kết cấu kim loại máy trục người ta sử dụng chủ yếu thépcácbon trung bình ( CT3 ) có cơ tính như sau:

+ Môđun đàn hồi : E = 2,1.106 KG/cm2

+ Môđun đàn hồi trượt : G = 0,81.106 KG/cm2

+ Giới hạn chảy : ch = 2800 KG/cm2

+ Độ giãn dài khi đứt :  = 21%

+ Khối lượng riêng :  = 7,83 T/m3

1.3 Cấu tạo.

Cầu trục gồm 2 dầm ngang kiểu hộp Dầm được tựa trên các chân đỡ làcác chân của cổng Ở chân cổng, phía trên có thanh dằng, phía dưới có liênkết với dầm để đặt hệ thống thủy lực và động cơ diezen

2 Các Thông Số Kích Thước Cơ Bản Kết Cấu Thép:

- Theo dự kiến thiết kế ban đầu thì cầu sẽ gồm hai dầm hộp Ray di chuyểncho xe lăn sẽ bố trí ở thành trên của dầm

- Mặt trên của cầu sẽ kết hợp làm sàn kiểm tra Khoảng cách giữa hai dầmphải tính sao cho cầu đủ ổn định trong mặt phẳng ngang do tác dụng của tảitrọng lệch, vừa phải phù hợp với kích thước của xe lăn và giằng dầm

- Mục đích cuối cùng là chọn kết cấu nhỏ gọn mà vẫn đủ khả năng làmviệc

2.1.Các kích thước cơ bản của dầm chính.

- Do hai dầm giống nhau nên ở phần này ta chỉ trình bày kích thước đặctrưng của một dầm

- Ta chọn sơ bộ các kích thước sau:

Chiều dài dầm: L = 28m

Chiều cao của dầm lấy trong giới hạn: h= 28

20

1 10

1 20

1 10

Chiều dày của thành biên: b=27mm

Chiều cao của thành dầm: ht=(h-2.)=900mm

Bề rộng tấm biên : B= (0,330,5).H=(594900)

Chọn B = 680mm

Chiều dài đoạn nghiêng : C= ( 0,10,2).L=28005600

Chọn C=4000mm

Hình 26: Chân cổng phía trên.

3 Đặc Trưng Hình Học Của Tiết Diện:

2 12

.

3 2

1 1

12 680 2

3 2

2 12

1768

3 2

2 2

12

680 16 2 303 1768 12 2 12

12 1768 2

3 2

3





Jy=0,47.1010mm4

Wx =

1800

10 84 , 2

- Dầm đầu có kết cấu hộp giống như dầm chính, chiều dài dầm đầu là

1800mm, chiều cao la 900mm và cũng được chế tạo từ các tấm thépgiống như dầm chính

- Momen quán tính của tiết diện:

12

868 2 ) 2 900 (

2 12

.

3 2

1 1

16 500 2

3 2

2 12

868

3 2

2 2

12

500 16 2 236 868 12 2 12

12 868 2

3 2

4 Các Tải Trọng Tính:

Kết cấu kim lọai của cổng trục chịu các lọai tải trọng: tải trọng không diđộng, tải trọng di động, lực quán tính, tải trọng lệch do phân bố tải khôngđều

- Các trường hợp tải trọng tương ứng sự làm việc của cần trục như sau:

Ia ,IIa : Cầu trục đứng yên, nâng hàng từ mặt nền hoặc hãm khi đang hạhàng với nửa tốc độ(Ia) và cả tốc độ(IIa)

Ib ,IIb : Cầu trục mang hàng di chuyển tiến hành phanh cầu trục từ từ(Ib)

theo chiều dài của kết cấu Còn tải trọng của cơ cấu di chuyển cầu, buồng lái

và các thiết bị điện được xem như tập trung tại điểm đặt của nó

- Vì có hiện tượng va đập trong quá trình di chuyển trên đường ray có mốinối, nên tải trọng do trọng lượng bản thân kết cấu kim lọai, của sàn lát, rayphải tính đến ảnh hưởng của hiện tượng va đập

- Tải trọng không di động xem như phân bố đều dọc theo chiều dài của dầm

và được xác định như sau:

+ Khối lượng biên trên, biên dưới, bản thành:

m=2.20.7850.(0,6.0,012+1,3.0,008)=5526,4Kg

+ Khối lượng ray: 63,7Kg/m

+ Trọng lượng phân bố của dầm chính:

* 4 , 5526 1 , 1 20

2 , 1

*

ray

m m

=> kt.Q = 1,2 x 25000 = 30000 kG

- Lực quán tính khi di chuyển cầu trục có gia tốc:

Khi cần trục di chuyển có gia tốc ( khởi động , hãm , thay đổi vận tốc ) sẽlàm phát sinh lực quán tính Tải trọng quán tính lớn nhất có thể xảy ra trongtrường hợp này có phương trùng với phương chuyển động của cổng trục, cógiá trị được xác định bằng Pqtmax

t

v G Q

60 ).

31600 25000

60

25 ).

10000 25000

R=0,15xN

N: áp lực của một bánh xe cầu: 21400 kGR=0,15x21400=3210 kG

5.Xác Định Nội Lực Trong Kết Cấu Thép.

5.1.Xác định nội lực theo tổ hợp tải trọng IIa.

 Trường hợp xe con đặt ở giữa dầm là trường hợp nguyhiểm khi tính cho dầm chính:

Biểu đồ nội lực trong dầm:

Biểu đồ momen do các tải trọng thẳng đứng gây ra:

245800

308711 3253595

245800 308711

Hình 30: Biểu đồ momen do các tải trọng thẳng đứng gây ra.

Biểu đồ momen do các tải trọng tác dụng ngang gây ra

5.2 Xác định nội lực của cầu trục theo tổ hợp IIb.

 Trường hợp xe con đặt ở giữa dầm là trường hợp nguy hiểmkhi tính cho dầm chính:

Sơ đồ tính:

Hình 42: Sơ đồ tính do các tải trọng thẳng đứng gây ra

Xác định các phản lực liên kết do các tải trọng thẳng đứng gây ra:

2

561000 47

, 23 8042 975

, 14 426 2

Hình 43: Biểu đồ momen do các tải trọng thẳng đứng gây ra.

Biểu đồ momen do tải trọng tác dụng ngang gây ra trên dầm chính baogồm tải trọng gió, tải trọng quán tính do trọng lượng bản thân dầm, tải trọngquán tính do trọng lượng xe con và vật nâng:

q=426

 Trường hợp tính điều kiện bền cho dầm này do hai đầu dầm chính bị hàncứng với chân cổng nên để đơn giản ta ta coi dầm chính như bị ngàm haiđầu Còn tải trọng gió tác dụng lên chân ta sẽ xét trong trường hợp nguyhiểm cho chân là trường hợp xe con mang hàng ở đầu dầm.

P g =1324

191861,5 P'qt=48750 Pqtdam=804

49347 24375

My

QX

240720,7

Hình 44: Biểu đồ momen do các tải trọng ngang gây ra.

Ngồi ra còn có do lực quán tính dọc khi phanh xe lăn:

6.1 Tổ hợp tải trọng IIa.

6.1.1.Khi xe con ở vị trí giữa dầm.

 Tiết diện nguy hiểm nhất là tiết diện giữa dầm:

Hình 72: Tiết diện giữa dầm khi xe con ở giữa dầm

Phân tố A,C là phân tố nguy hiểm nhất vì chịu nén và kéo lớn nhất

Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 4 , 154 10

31 , 10

10 30388 10

48 , 21

10

W

M W

M

Y

Y X



Do phân tố chịu uốn xiên nên max=min=154,4N/mm2[]=180N/mm2.Với []=180N/mm2 tr144[5]

 Xét tiết diện đầu dầm: do momen uốn tại tiết diện này bằng 0 nên ta

không cần kiểm tra bền cho ứng suất pháp Ứng suất tiếp:

10

2 2

10 557 , 1 2

1450 308711

2

.

mm N J

Các phân tố chịu ứng suất phức tạp, phân tố nguy hiểm nhất là phân tốAvàC.

Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 6 , 26 10

31 , 10

10 30388 10

48 , 21

10 500601 53232

18304

mm N W

M W

3

/ 9 , 25 10 31 , 10

10 30388 10

48 , 21

10 500601 53232

18304

mm N W

M W

Hình 74: Tiết diện tại đầu dầm khi xe con ở đầu dầm

Các phân tố chịu ứng suất phức tạp, phân tố nguy hiểm nhất là phân tốAvàC

Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 3 , 18 10 31 , 10

10 60776 10

48 , 21

10 274101 53232

18308

mm N W

M W

3

/ 19 10 31 , 10

10 60776 10

48 , 21

10 274101 53232

18308

mm N W

M W

6.2.1khi xe con ở vị trí giữa dầm:

 Tiết diện nguy hiểm nhất là tiết diện giữa dầm:

Hình 75: Tiết diện giữa dầm khi xe con ở giữa dầm

Phân tố A,C là phân tố nguy hiểm nhất vì chịu nén và kéo lớn nhất.Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 5 , 178 10

31 , 10

10 5 , 191861 10

48 , 21

10 3423105 53232

28200

mm N W

M W

3

/ 4 , 177 10

31 , 10

10 5 , 191861 10

48 , 21

10 3423105 53232

W

M W

3

/ 53 , 43 10

31 , 10

10 7 , 240720 10

48 , 21

10 422295 53232

28200

mm N W

M W

3

/ 5 , 42 10

31 , 10

10 7 , 240720 10

48 , 21

10 422295 53232

28200

mm N W

M W





  <[]=180N/mm2

6.6.2.1. Khi xe con ở vị trí đầu dầm:

 Tiết diện tại giữa dầm:

Hình 77: Tiết diện giữa dầm khi xe con ở đầu dầm

Các phân tố chịu ứng suất phức tạp, phân tố nguy hiểm nhất là phân tốAvàC

Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 3 , 38 10

31 , 10

10 5 , 191861 10

48 , 21

10 2 , 406625 53232

40730

mm N W

M W

3

/ 8 , 36 10

31 , 10

10 5 , 191861 10

48 , 21

10 2 , 406625 53232

40730

mm N W

M W

3

/ 51 10

31 , 10

10 240720 10

48 , 21

10 8 , 609931 53232

40730

mm N W

M W





 A <[]=180N/mm2

Xét phân tố C:

6

3 6

3

/ 5 , 52 10

31 , 10

10 240720 10

48 , 21

10 8 , 609931 53232

40730

mm N W

M W

6.6.3.1.Khi xe con ở vị trí giữa dầm:

 Tiết diện nguy hiểm nhất là tiết diện giữa dầm:

Hình 79: Tiết diện giữa dầm khi xe con ở giữa dầm

Phân tố A,C là phân tố nguy hiểm nhất vì chịu nén và kéo lớn nhất

6

3 6

3

/ 3 , 122 10

31 , 10

10 30388 10

48 , 21

10 2563577

mm N W

M W

M

Y

Y X



 A =C <[]=180N/mm2

6.6.3.2.Khi xe con ở vị trí đầu dầm:

 Tiết diện giữa dầm:

Hình 80: Tiết diện giữa dầm khi xe con ở đầu dầm

Các phân tố chịu ứng suất phức tạp, phân tố nguy hiểm nhất là phân tốAvàC

Xét phân tố A:

6

3 6

3

/ 24 10

31 , 10

10 30388 10

48 , 21

10 445778 53232

15846

mm N W

M W





 A <[]=180N/mm2

Xét phân tố C:

6

3 6

3

/ 4 , 23 10 31 , 10

10 30388 10

48 , 21

10 445778 53232

15846

mm N W

M W





 c <[]=180N/mm2

7 Kiểm Tra Chân Cầu trục

Trường hợp nguy hiểm nhất cho chân cầu là khi xe con ở vị trí đầu dầm

vì lúc này chân cổng chịu nén và uốn lớn nhất

Chân cầu trục được tính kiểm tra theo điều kiện bền và ổn định với kích thước kết cấu đã chọn trước

 Xét tiết diện phía trên chân cầu trục:

Phân tố A và C là nguy hiểm nhất:

6

3 3

3

/ 5 , 46 10

15 , 8

10 60776 10

84 , 10

10 274101 37920

6 , 519950

mm N W

M W

3

/ 19 10

15 , 8

10 60776 10

84 , 10

10 274101 37920

6 ,

W

M W





 C <[]=180N/mm2

 Xét tiết diện phía dưới chân cầu trục:

Phân tố A và C là nguy hiểm nhất:

A=

6

3 3

3

/ 71 10

86 , 9

10 53982 60776

10 26 , 6

10 274101 33520

5 ,

W

M W

3

/ 8 , 39 10

86 , 9

10 53982 60776

10 26 , 6

10 274101 33520

5 ,

W

M W

 Xét tiết diện phía trên chân cầu trục:

Phân tố A và C là nguy hiểm nhất:

6

3 6

3

/ 102 10

15 , 8

10 240720 10

84 , 10

10 615933 37920

615933

mm N W

M W

3

/ 8 , 69 10

15 , 8

10 240720 10

84 , 10

10 615933 37920

615933

mm N W

M W





 C <[]=180N/mm2

 Xét tiết diện phía dưới chân cầu trục:

Phân tố A và C là nguy hiểm nhất:

3 6

3

10 86 , 9

10 211719 240720

10 26 , 6

10 8 , 609931 33520

4 ,

X

W

M W

3

10 86 , 9

10 211719 240720

10 26 , 6

10 8 , 609931 33520

4 ,

X

W

M W

 Xét tiết diện phía trên chân cầu trục:

Phân tố A và C là nguy hiểm nhất:

6

3 6

3

/ 6 , 39 10

15 , 8

10 60776 10

84 , 10

10 231093 37920

410618

mm N W

M W

3

/ 95 , 17 10

15 , 8

10 60776 10

84 , 10

10 231093 37920

410618

mm N W

M W





 C <[]=180N/mm2

 Xét tiết diện phía dưới chân cầu trục:

Phân tố A và C là nguy hiểm nhất:

6

3 6

3

/ 61 10

86 , 9

10 53982 60776

10 26 , 6

10 231903 33520

414871

mm N W

M W

3

/ 3 , 36 10

86 , 9

10 53982 60776

10 26 , 6

10 231903 33520

414871

mm N W

M W





 C <[]=180N/mm2

Vậy tiết diện đủ bền

8 Kiểm Tra Ưùng Suất Tiếp

Khi xe con ở đầu dầm thì lực cắt lớn nhất ở sát gối tựa Do vậy ta phảikiểm tra ứng suất tiếp tại những tiết diện này:

x c

c x y

J b

S Q

1450 6 , 519950 4

2

10

2 2

mm N J

h Q

1450 615933 4

2

10

2 2

mm N J

h Q

2

mm N F

10 6 , 20840

2

2

3

mm N F

8.3.Tổ hợp tải trọng IIc:

Ứng suất tiếp do lực cắt lớn nhất gây ra khi xe con ở đầu dầm

4 10 557 , 1 2

1450 410618 4

2

10

2 2

mm N J

h Q

x





1 <[  ]  0 , 6 [  ]  108N/mm2

Vậy tiết diện đủ bền

9 Kiểm Tra Độ Võng Của Dầm.

- Độ võng của dầm dưới tác dụng của xe lăn và vật nâng:

f=

10

84 10

557 ,

1 10

1 , 2 48

) 23470 (

280500

2

48

".

10 5

3 3

mm EJ

L P

X





(6-81)[8]

với : P”: Aùp Lực của bánh xe tác dụng lên dầm

L : Khẩu độ của cổng trục

E : Modul đàn hồi của thép CT3

J : Momen quán tính của tiết diện

 :hệ số giảm ứng suất cho phép khi kiểm tra ổn định tổng thể Đối

với dầm tổ hợp ta cĩ cơng thức tính như sau:

 = . 3

2

10 1

Jx,Jy:momen quán tính lớn nhất và nhỏ nhất của tiết diện dầm với trục

quán tính chính trung tâm

h: chiều cao dầm

l :khỏang cách giữa các gân tăng cứng

: là hệ số được tra bảng (7.5)(7.6)[8] phụ thuộc vào 

J

y k

Jk:momen chống xoắn tự do của tiết diện dầm:

12 1434 16

544

1434 544 2 1

2

1 2

2 2

H B

mm4

1450

2000 10 3094

4 ,

10

M=Mx max=6027100KG.cm: Momen uốn lớn nhất trong các trường hợp

tính cho dầm chính xuất hiện tại giữa dầm

W=Wx=11,6.103 cm3: Momen chống uốn tại tiết diện giữa dầm

 =602710011,6.103 519KG/cm2.

.[]=0,44.1714=1508KG/cm2

  < .[]

Vậy dầm thoả điều kiện ổn định về uốn

10.2 Ổn định cục bộ các chi tiết dầm chịu uớn

- Như đã nĩi ở trên để đảm bảo độ ổn định cục bộ của thành đứng ta hànnhững vách tăng cứng theo chiều cao dầm

- Khỏang cách giữa các gân này là 2000mm Tiết diện giữa dầm cĩ ảnh

hưởng chính là mơment uốn, cịn ảnh hưởng của lực cắt cĩ thể bỏ qua

Vách ngăn nhỏ Vách ngăn lớn

2000 1000

Hình 84: Bố trí các gân tăng cứng

10.2.1.Phương pháp bố trí gân tăng cứng:

Bố trí các vách ngăn trong dầm bao gồm vách ngăn kín, vắch ngănngắn

Khoảng cách giữa các vách ngăn kín là: 2000mm

Khoảng cách giữa các vách ngăn kín và các vách ngăn ngắn là:1000mm

Kích thước cơ bản của gân cứng: