Các bước thiết kế cửa van phẳng

 Tính toán các bộ phận chủ yếu của cửa van bản mặt, dầm phụ, dầm ngang, dầm chính, giàn chịu trọng lợng, cột biên, gối tựa, vật chắn nớc.. Xác định sơ bộ vị trí dầm chính Vị trí dầm chí

Hớng dẫn thiết kế Cửa van phẳng

I Phân loại và cấu tạo

Cửa van phẳng đợc chia thành hai loại chính là cửa van ở trên mặt và cửa van

ở dới sâu

Cửa van phẳng có hai bộ phận cơ bản là bộ phận động và bộ phận cố định

Bộ phận động của cửa van gồm các cấu kiện sau đây:

II Tính toán kết cấu van

II.1 Nội dung và yêu cầu thiết kế

Đồ án môn học “Thiết kế cửa van phẳng” yêu cầu đi sâu về mặt thiết kế kỹ thuật bao gồm:

 Một bản thuyết minh về phơng án bố trí chung kết cấu van

 Tính toán các bộ phận chủ yếu của cửa van (bản mặt, dầm phụ, dầm ngang, dầm chính, giàn chịu trọng lợng, cột biên, gối tựa, vật chắn nớc)

 Một bản vẽ gồm các bộ phận kết cấu chủ yếu và các chi tiết liên kết

II.2 Phơng pháp tính toán

Tính toán cửa van theo phơng pháp phân tích kết cấu van thành các hệ thanh riêng biệt, những phân tố thuộc hai hệ phẳng (thanh nằm ở giao tuyến của hai hệ phẳng) có ứng suất bằng tổng ứng suất của cả hai hệ đó

Các cấu kiện của bộ phận động của cửa van đợc tính theo phơng pháp trạng thái giới hạn, cón các cấu kiện của bộ phận cố định và các chi tiết máy (bánh xe, đờng ray) đợc tính theo phơng pháp ứng suất cho phép

Cờng độ tính toán của thép trong các phân tố của các bộ phận động khi kiểm tra cờng độ và ổn định đợc xác định theo công thức sau:

Cờng độ tính toán R của thép CT3 dùng để chế tạo các cấu kiện của bộ phận

động cho trong Bảng 1 phụ lục ứng suất cho phép của tháp rèn và thép cán dùng để chế tạo các chi tiết máy ở cửa van cho ở Bảng 2 phụ lục ứng suất cho phép của thép

đúc dùng để chế tạo bánh xe cho ở Bảng 3 phụ lục ứng suất cho phép của bê tông khi chịu nén cho ở Bảng 4 phụ lục

II.3 Bố trí tổng thể kết cấu van

Trong phần bố trí tổng thể cấn phải xác định sơ bộ các kích thớc và các bộ phận sau khi đã xem xét kết cấu van một cách toàn diện Dới đây sẽ trình bày những vấn đề cần chú ý trong khi bố trí tổng thể

2.3.1 Xác định sơ bộ vị trí dầm chính

Vị trí dầm chính đợc bố trí theo nguyên tắc chịu tải trọng bằng nhau, nghĩa

là vị trí của dầm chính trên và dới phải cách đều phơng của hợp lực của áp lực thuỷ tĩnh W, đồng thời phải thoả mãn các điều kiện sau (hình 2):

 Khoảng cách từ dầm chính trên tới đỉnh van phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,45 H (H là chiều cao của van)

 Khoảng cách từ dầm chính dới tới đáy van phải thoản mãn điều kiện là:

α≥ 30o

Nếu không thoả mãn đợc các điều kiện trên thì có thể điều chỉnh vị trí dầm chính, nhng sau khi điều chỉnh thì tải trọng tác dụng lên mỗi dầm không đợc chênh nhau quá lớn

Nhịp tính toán của dầm chính:

Trong đó:

Lo: khẩu độ khống (bề rộng thông thuỷ của cống)

c: khoảng cách từ mép cống tới trung tâm bánh xe, thờng lấy c = 0,05 Lo.

Chọn chiều cao của dầm chính dựa vào điều kiện kinh tế và điều kiện độ cứng:

yc b

kt k W

∑ ∑

+

+

ì

ì

=

q p

q p

E

RLn h

tc tc

o

24

5

min

Trong đó:

k: hệ số phụ thuộc liên kết, với dầm hàn k = 1,3 ∼ 1,5

160

~ 120

=

=

b

b b

h

δ

R

qL R

M

8

2

=

2

4

1

W

q = = γ E = 2 , 1 10 6daN/cm2

600

1

1 =

o

n

2.3.2 Bố trí dàn ngang

Để đảm bảo độ cứng ngang của cửa van, khoảng cách giữa các giàn ngang không nên lớn hơn 4m Bố trí giàn ngang cần phải tuân theo 3 điều kiện sau đây:

 Bố trí cùng khoảng cách (giàn ngang cách đều nhau)

 Giàn ngang nằm trong đoạn giầm chính không thay đổi tiết diện

 Đặt một giàn ngang ở giữa van để giàn chịu trọng lợng có dạng đối xứng

2.3.3 Bố trí dầm phụ dọc

Tùy theo khoảng cách giữa hai dầm chính, khoảng cách giữa dầm chính trên

và dầm đỉnh, khoảng cách giữa dầm dầm chính dới và dầm đáy mà bố trí một hay hai dầm phụ dọc Nếu khoảng cách này nhỏ có thể không cần bố trí dầm phụ dọc

2.3.4 Trụ biên

Trụ biên (cột biên) của cửa van trên mặt chịu tải trọng không lớn, nên dùng tiết diện chữ I để việc cấu tạo trụ đợc đơn giản

2.3.5 Giàn chịu trọng lợng bản thân

Giàn chịu trọng trong lợng bản thân van thờng dùng giàn có hệ thanh bụng xiên và đợc cấu tạo bởi các thép góc đơn

2.3.6 Gối đỡ động

Bánh xe chịu lực đợc bố trí ở mặt sau trụ biên, bánh xe bên và bánh xe ngợc hớng nên dùng bánh cao su đúc để giảm chấn động

2.3.7 Vật chắn nớc

Vật chắn nớc hai bên bố trí trong khẩu độ cống để tiện việc kiểm tra, còn vật chắn nớc ở đáy làm bằng gỗ

Khi bố trí tổng thể van có thể tham khảo cách bố trí kết cấu van trình bày trong Hình 1

II.4 Tính toán các bộ phận kết cấu

2.4.1 Tính dầm chính

a) Xác định tải trọng lên dầm chính

Vị trí của dầm chính nếu vì xét tới các yêu cầu khác mà phải điều chỉnh nhiều, làm cho vị trí hai dầm chính không còn đối xứng qua phơng tác dụng của hợp lực của áp lực thuỷ tĩnh W nữa, thì dầm chính sẽ chịu tải trọng khác nhau Nh vậy cần phải tìm tải trọng thực tế tác dụng lên mỗi dầm và lấy dầm chịu tải trọng lớn nhất để thiết kế

Gọi W là tổng áp lực thuỷ tĩnh trên một đơn vị chiều dài van, thì tải trọng tác dụng lên mỗi mét dài dầm chính trên và dới lần lợt đợc xác định theo công thức sau:

2 1

1

d d

d W

q t

+

2 1

1

d d

d W

q d

+

Trong đó:

d1: khoảng cách từ dầm chính trên tới phơng của hợp lực W

d2: khoảng cách từ dầm chính dới tới phơng của hợp lực W

Sau khi xác định đợc tải trọng tác dụng lên dầm chính; căn cứ vào sơ đồ tính toán xác định Mmax và Qmax (hình 4)

b) Xác định kích thớc tiết diện dầm chính

Kích thớc tiết diện dầm chính ở giữa nhịp đợc tiến hành tính toán theo trình tự đã đợc trình bày trong Giáo trình kết cấu thép

Nếu dầm chính đặt sát bản mặt và hàn vào bản mặt thì phải xét tới bản mặt cùng tham gia chịu uốn với dầm chính Bề rộng b của bản mặt tham gia chịu uốn với dầm chính phải thoả mãn các điều kiện sau đây:

b ≤ 0,5 (at + ad)

b ≤ bc + 50 δ

b ≤ 0,3L Trong đó:

at, ad: khoảng cách từ dầm chính đang xét tới hai dầm phụ trên và dới nó

bc: bề rộng của bản chính cánh dầm

δ: chiều dày của bản mặt

L: nhịp tính toán của dầm chính

Lúc này tiết diện của dầm chính chỉ có một trục đối xứng (hình 5) Cần xác

định trục trung hoà x-x và tìm khoảng cách từ trục trung hoà tới các mép ngoài cùng của tiết diện là ymax va ymin Xác định mô men quán tính Jx của tiết diện đối với trục

x-x và x-xác định ứng suất pháp lớn nhất trong dầm

u x

R y

J

M

85 , 0

max

max

σ

cánh không trực tiếp đỡ bản mặt) còn làm nhiệm vụ thanh cánh của giàn chịu trọng l-ợng bản thân van

Cho nên về mặt cờng độ cần phải có một dộ dự trữ nhất định Do đó khi chọn kích thớc dầm chính, đầu tiên ta coi nh cha có bản mặt tham gia chịu lực và tiến hành

tính toán bình thờng nh dầm có hai trục đối xứng Sau đó ghép thêm bản mặt và kiểm tra lại cờng độ nh vừa trình bày trên thì có thể thỏa mãn đợc yêu cầu σmax ≤ 0,85.Ru.

c) Thay đổi tiết diện dầm chính

Để tiết kiệm thép và để giảm bớt bề mặt rãnh van, đề nghị dùng dầm chính có chiều cao thay đổi Nói chung điểm đổi tiết diện cách gối dầm một đoạn L/6 là lợi nhất, nhng trong cửa van vì yêu cầu giàn ngang nằm trong phần dầm chính không thay đổi tiết diện, nên điểm đổi tiết diện phải bắt đầu từ vị trí giàn ngang ở hai đầu, hình 6

Chiều cao tiết diện dầm chính tại gối dầm thờng lấy bằng (0,4 ~ 0,6)h, trong

đó h là chiều cao của tiét diện dầm chính tại giữa nhịp

d) Kiểm tra ứng suất tiếp

Kiểm tra ứng suất tiếp tại tiết diện đầu dầm chính theo công thức sau:

c b o

o

R J

S Q

≤

= δ

τ max max

Trong đó:

Jo: mô men quán tính của tiết diện đầu đầm

So: mô men tĩnh điện của tiết diện đầu dầm

e) Kiểm tra độ võng

Khi kiểm tra độ võng cần phải xét tới dầm chính thay đổi tiết diện:

( ) 1 6001 384

=

≤ +

o

tc tc

n EJ

L p q

L

f

α

Trong đó α = 0,8 là hệ số xét tới dầm chính thay đổi tiết diện

f) Tính liên kết giữa bản cánh và bản bụng dầm

b h

g o

o c h

R J

S Q

2

1 4

, 1

1

=

Trong đó:

So

c: mô men tĩnh của bản cánh của tiết diện gối dầm đối với trục trung hoà

Rh : cờng độ của đờng hàn góc cho ở Bảng 1 phụ lục

g) Kiểm tra độ ổn định cục bộ của bản bụng dầm

Thanh cánh của giàn ngang đợc liên kết với bản bụng của dầm chính nên

nó chuyển lực tập trung vào bản bụng dầm, vì thế ở vị trí nối tiếp giữa bản bụng dầm chính và thanh cánh của giàn ngang, bản bụng dầm chính cần đợc tăng cờng bằng các sờn gia cố đứng (hình 6) Nếu khoảng cách giữa các sờn đó lớn hơn 2hb thì còn cần phải đặt thêm một sờn đứng nữa vào khoảng giữa các sờn này

Sau khi đặt sờn gia cố đứng, trong các ô dầm không có lực tập trung nên ta

có thể tiến hành kiểm tra ổn định cục bộ của mỗi ô bản bụng dầm chính theo công thức sau:

th

b th







 +







τ

τ σ

σ

Trong đó:

σb: ứng suất nén tại chỗ tiếp giáp bản bụng và bản cánh dầm

τb: ứng suất tiếp trung bình

σth: ứng suất pháp tới hạn tính theo công thức sau:

3

2

10 100









=

o

b o

th

h

Trong trờng hợp cánh dầm chính đợc hàn chặt vào bản mặt thì giá trị ko

đ-ợc lấy bằng 7,46 và vì trong trờng hợp này (tiết diện dầm chính không đối xứng) lấy

ho bằng hai lần khoảng cách từ trục trung hoà tới mép chịu nén của bản bụng dầm

τth: ứng suất tiếp tới hạn đợc tính theo công thức sau:

3 2

2 100. 10 95

, 0 25 ,

















 +

=

d

b th

δ à

Đối với ô bản bụng thứ nhất và thứ hai (kể từ đầu dầm) có dạng hình thang, khi kiểm tra ổn định xem nh tấm chữ nhật có chiều cao bằng chiều cao tại giữa

ô hình thang

2.4.2 Tính dàn ngang

Hình dạng giàn ngang xem hình 7, góc giữa các thanh giàn vào khoảng từ

30o ~ 60o Giàn ngang chịu áp lực nớc do dầm phụ ngang, dầm đỉnh, dầm đáy và bản mặt chuyển tới rồi truyền lên dầm chính Vậy dầm chính là gối đỡ của giàn ngang, bề rộng tải trọng mà mỗi giàn phải chịu là khoảng cách B giữa hai giàn ngang

Tổng áp lực nớc mà mỗi giàn ngang phải chịu bằng tích số giữa hợp lực của biểu đồ áp lực nớc hình tam giác với bề rộng tải trọng là B (hình 7a)

Tính giàn ngang theo các bớc sau đây:

a) Vẽ sơ đồ giàn ngang và xác định chiều dài hình học của các thanh giàn b) Xác định cờng độ áp lực thuỷ tĩnh tại các mắt giàn P1, P2, P3 … (hình 7b) c) Tìm hợp lực của áp lực thuỷ tĩnh trong phạm vi mỗi thanh giàn (giữa hai mắt giàn) là Wi và các điểm đặt của chúng là zi (hình 7c)

d) Đem các lực W1, W2, W3 … phân phối lên các mắt giàn trên và dới nó theo quy tắc phân lực, rồi cộng tất cả các lực đã phân phối lên mắt giàn lại, ta đợc tải trọng tác dụng lên mắt đó

Ví dụ tải trọng tác dụng lên mắt 1 là P1 đợc xác định nh sau:

2

2 2 1

1 1 1 1

h

Z W h

Z h W

Việc xác định Z1, Z2 … của biểu đồ áp lực nớc là hình thang tuy đã có công thức tính, song cũng không thuận tiện Nên khi biểu đồ áp lực thuỷ tĩnh trong phạm vi mỗi thanh giàn là hình thang thì nên phân biểu đồ này thành hai hình tam giác, hoặc một hình tam giác và một hình chữ nhật thì việc tính toán sẽ đơn giản hơn nhiều Ví

dụ xác định tải trọng tác dụng lên mắt 1 (hình 7c)

3

"

2

'2 2

1

1 1 1 1

W W h

Z h W

e) Kiểm tra tính toán:

B H P

P P

3 2 1

2

1 = γ +

+ +

=

với sai số cho phép ±5%

f) Xác định nội lực trong các thanh giàn ngang:

Nội lực trong các thanh giàn đợc xác định bằng phơng pháp đồ giải (phơng pháp Crêmôna) Để xác định nội lực trong thanh giàn ngang trớc hết phải xác định phản lực gối tựa RA, RB và khi dùng phơng pháp đồ giải cần chú ý vẽ giản đồ giàn

đúng tỷ lệ, chú ý kiểm tra đa giác ngoại lực xem có khép kín hay không rồi mới tiến hành vẽ các đa giác nội lực Tính kiểm tra nội lực một thanh bất kỳ trong giàn bằng phơng pháp giải tích, sai số giữa hai phơng pháp không đợc vợt quá ±1%

g) Chọn tiết diện thanh giàn:

Sau khi tìm đợc nội lực trong các thanh giàn, ghi nội lực đó vào bảng 3, rồi tiến hành chọn tiết diện thanh giàn theo các bớc nh đã trình bày trong giáo trình

Bảng 3: Chọn tiết diện các thanh của giàn ngang

Ký hiệu

thanh giàn Nội lực(daN) thanh (cm)Chiều dài (cm)Lox (cm)Loy Tiết diệnthanh ϕ (daN/cmσ 2) 01

08

Chú thích:

 Thanh cánh giàn ngang giáp bản mặt ngoài chịu lực dọc còn chịu uốn cục bộ,

đợc tiến hành tính toán nh một thanh chịu nén lệch tâm Tiết diện thanh thờng dùng tiết diện chữ I và có xét tới bản mặt tham gia chịu lực

 Thanh cánh phía bản mặt nên dùng thống nhất một loại số hiệu, các thanh còn lại ta chọn hai thanh đại diện, một thanh có nội lực lớn nhất và một thanh có

chiều dài tính toán lớn nhất Tiết diện các thanh đợc chọn không đợc nhỏ hơn thép góc số hiệu L65 x 6

2.4.3 Giàn chịu trọng lợng bản thân

Giàn chịu trọng lợng bản thân của cửa van đặt ở phía hạ lu cửa van, giàn chịu trọng lợng bản thân là một giàn song song có thanh bụng xiên, đợc đặt sát vào cánh sau của dầm chính, do đó thanh cánh hạ lu của dầm chính trên và dầm chính dới

là thanh cánh trên và cánh dới của dầm chịu trọng lợng, thanh cánh dới của giàn ngang là thanh đứng của giàn chịu trọng lợng, do đó ở đây chỉ cần thêm thanh xiên là tạo thành giàn chịu trọng lợng

Nếu dầm chính có chiều cao thay đổi thì giàn chịu trọng lợng là một giàn gãy khúc, nhng để cho việc tính toán đơn giản ta coi là giàn phẳng có nhịp bằng nhịp tính toán của giàn chính, hình 8

Trình tự tính giàn chịu trọng lợng nh sau:

a) Xác định trọng lợng bản thân cửa van theo công thức gần đúng sau:

F F

G= 0 , 55 (kN) trong đó F là diện tích chịu áp lực nớc của cửa van tính bằng m2

b) Giàn chịu trọng lợng đặt ở phía hạ lu van và chịu một tải trọng bằng 0,5G

Đem 0,5G phân phối lên các mắt giàn (hình 8), mỗi mắt chịu một lực tập trung là:

n

G B

L

G

P m = 0,5. = 0,5.

Trong đó n là số khoảng mắt giàn

c) Dùng phơng pháp đồ giải hoặc giải thích để tìm một nội lực trong các thanh giàn

d) Chọn tiết diện thanh xiên có nội lực lớn nhất Dùng thép góc đơn số hiệu không nhỏ hơn L60x6 Các thanh xiên chọn cùng một loại số hiệu

e) Chú ý thanh đứng của giàn chịu trọng lợng cũng là thanh hạ (thanh cánh phía hạ lu) của giàn ngang, nên ứng suất trong thanh đứng bằng tổng ứng suất do áp lực thuỷ tĩnh và do trọng lợng bản thânh sinh ra:

R

bt

n + ≤

= σ σ σ

Trong đó:

σn: ứng suất do áp lực nớc sinh rakhi nó là cánh hạ của giàn ngang

σbt: ứng suất do trọng lợng bản thân van sinh ra khi nó là thanh đứng của giàn chịu trọng lợng

2.4.4 Trụ biên

Trụ biên chịu kéo đồng thời chịu uốn, nên đợc tính nh một thanh chịu kéo lệch tâm Tiết diện trụ biên thờng đợc lấy theo yêu cầu về cấu tạo, chiều cao của bản bụng trụ biên bằng chiều cao của bản bụng dầm chính tại đầu dầm, chiều dày cũng lấy bằng chiều dày bản bụng dầm chính Bề rộng bản cánh trụ biên chọn đủ để bố trí

bánh xe chịu lực, thớng lấy bằng 400mm Chiều dày bản cánh lấy bằng chiều dày bản cánh dầm chính Cần kiểm tra ứng suất trong trụ biên tại tiết diện có mô men và lực cắt lớn nhất

2.4.5 Bộ phận gối đỡ

Bánh xe chịu lực đợc bố trí ở phía sau trụ biên, trên mỗi trụ biên lắp hai bánh

xe chịu lực Vị trí của bánh xe có thể bố trí theo hai cách:

 Cách 1: bánh xe đặt ngay sau dầm chính nh vậy trụ biên có thể chịu mô

men uốn nhỏ, khi đó lực tác dụng lên bánh xe bằng phản lực của dầm chính

 Cách 2: bánh xe đặt đối xứng với tổng áp lực nớc tác dụng lên van mà

không đặt ngay sau dầm chính thì trụ biên chịu uốn lớn, nhng các bánh xe chịu lực bằng nhau, trờng hợp này dùng khi dầm chính chịu tải trọng không đều

Kích thớc của bánh xe chịu lực có thể tham khảo hình 9

Trình tự tính toán bánh xe chịu lực nh sau:

a) Tính bề rộng và đờng kính bánh xe.

Tỷ số giữa đờng kính và bề rộng bánh xe vào khoảng từ 3 ~ 5 Bánh xe

đợc chế tạo bằng thép đúc CT35đ, ứng suất cho phép của thép đúc cho ở bảng 3 Phụ lục

ứng suất trong bánh xe:

[ ]σ

σ = ≤

x x

x

D L P

Trong đó:

Px: lực tác dụng vào bánh xe

Lx: bề rộng của bánh xe, trong hình 9 có Lx = 160 mm

Dx: đờng kính của bánh xe, trong hình 9 có Dx = 800 mm

b) Tính toán kích thớc của trục và ống bọc trục

ống bọc trục làm bằng đồng có [σ]cbt = 250 daN/cm2 Khoảng cách giữa hai đoạn của ống bọc trục cách nhau 20mm, chiều dài của ống bọc trục c = 220mm

Trục bánh xe làm bằng thép CT5có đờng kính d = 100 mm ứng suất cho phép của thép CT5 cho ở bảng 2 Phụ lục

Kiểm tra ứng suất cục bộ do tiếp xúc giữa trục và ống bọc trục:

[ ]cbt

x

c d

P

σ

σ = ≤

. Kiểm tra ứng suất ép cục bộ do tiếp xúc giữu trục và cac bản thép gối tựa của trục ở hai đầu trục

[ ]cbt

x

d

δ

∑

2 Sơ đồ tính toán trục bánh xe cho ở hình 10 Kiểm tra ứng suất của trục theo các công thức sau đây:

- Kiểm tra ứng suất pháp: