PHẦN 2: THIẾT KẾ KỸ THUẬT CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CƠ CẤU NÂNG

Giới thiệu về cáp thép: Cáp thép là chi tiết rất quan trọng, được sử dụng trong hầu hết các máy nâng.. Thông thường, cáp đượcbện từ các sợi thép có giới hạn bền tính toán theo kéo 1600 đ

PHẦN 2: THIẾT KẾ KỸ THUẬT

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CƠ CẤU NÂNG

3.1 Các thông số ban đầu để tính toán cơ cấu nâng:

STT Tên thông số Kí hiệu Trị số Đơn vị

3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

3.2.1 Cấu tạo:

Chọn tang cuốn cáp là loại tang kép, xẻ rãnh Cáp được treo trên 4 puli diđộngvà 3 puli cố định

3.2.2 Nguyên lý hoạt động:

Động cơ điện 1 nối với hộp giảm tốc 3 thông qua khớp 2 có gắn bánh phanh.Hộp giảm tốc 3 được nối với tang 5 thông qua khớp 6 Khi động cơ quay nó sẽ truyềnmomen xoắn sang hộp giảm tốc thông qua khớp nối Hộp giảm tốc sẽ truyền momen

19

Hình 3.1 Sơ đồ truyền động;

1- Động cơ; 2- Khớp nối bánh phanh; 3- Phanh; 4- Hộp giảm tốc;

5-Khớp răng; 6- Tang cuốn cáp; Gối đỡ trục

xoắn cho tang thông qua khớp răng và tang sẽ thực hiện công việc nâng hoặc hạhàng.

3.3 Tính chọn và kiểm nghiệm móc treo:

3.3.1 Tính chọn móc treo:

Móc và thiết bị treo móc được chọn theo sức nâng định mức Qh = 25 (T), chế độlàm việc trung bình ta chọn móc có các thông số sau :

+ Nước sản xuất : Nga theo tiêu chuẩn ΓΟCΤ 6628-63

+ Vật liệu làm móc : thép 20

+ Giới hạn chảy : σch = 250 (N/mm 2)

3.3.2 Kiểm nghiệm móc:

– Xác định kích thước và hệ số hình học của móc :

Tại tiết diện 1-2:

+ Diện tích tiết điện hình thang :

8890140

.2

8542

1

1 1 1

h b b

b b e

140.4285

42.2

42

1 = ++ =

e2 = h – e1 = 140 – 46,3 = 93,7 (mm)– Bán kính cong của đường trục đi qua trọng tâm tiết diện [5]:

+ a = 145 (mm): Đường kính miệng móc

+ e1 = 46,3 (mm): Trọng tâm tiết diện

8 , 118 3 , 46 2

145

= +

=

Chọn r = 120 (mm)

Tại tiết diện 3-4:

+ Chiều dài tiết diện 3-4:

) ( 155 25

cos

140 cos

.2

8542'.2

1

1 1 3

h b b

b b e

155.4285

42.2

42

3 = ++ =

e4 = h’ – e3 = 155 – 51,26 = 103,74 (mm)– Lực căng dây cáp treo mỗi bên móc, lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến tại các tiếtdiện :

+ Lực căng dây cáp treo mỗi bên móc (3-7) [2]:

γ

cos.2

1

Q c

trong đó :

+ Q = 25 (T) : Tải trọng nâng danh nghĩa của móc

+ c = 1,2: Hệ số tính đến sự phân bố lực không đều giữa 2 bên của móc kép + γ = 15° : Góc nghiêng của cáp so với phương thẳng đứng

14,1552915

cos.2

25000

2,1

.sin14,15529.sin

cos.14,15529cos

Q4 = Q1 sin(α + γ) (3.9)trong đó :

+ α = 25° : Góc nghiêng mặt cắt so với phương thẳng đứng

⇒ Q4 = 15529,14 sin40° = 9981,94 (kgf) + Lực tiếp tuyến [2]:

trong đó : α = 25° : Góc nghiêng mặt cắt so với phương thẳng đứng

⇒ Q5 = 62117 cos40° = 11896,011 (kgf)– Tại mặt cắt 5-6 :

+ Lực pháp tuyến [2]:

β

cos.2

cos.2

.sin2

25000

– Kiểm tra bền tại các tiết diện của móc :

– Ứng suất cho phép (1-6) [2]:

[ ] [ ]n ch

σ

trong đó :

+ σch = 25 (kG/mm 2): Giới hạn nguy hiểm của vật liệu dẻo

+ [n] = 1,2 : Hệ số an toàn, lấy theo bảng (2-1) [5].Ž

[ ] 20,83

2,1

– Mặt cắt 1-2 chịu ứng suất kéo, uốn và cắt Tại tiết diện 1-2 :

+ Ứng suất pháp [2]:

a

e k F

1

2 1

.2 ⋅

=

)2/(89,2145

3,46.2.1,0.8890

238,

15000

1

3 2

1− =Q F = =

+ Điều kiện bền (3-8)[2]:

[ ]στ

σ

2 1

Tiết diện 1-2 thỏa điều kiện

– Mặt cắt 3-4 là mặt cắt đi qua tâm vòng trong một bên móc và qua điểm giữacủa mặt dưới móc Mặt này nghiêng một góc α so với phương thẳng đứng.Tại tiếtdiện 3-4 :

+ Ứng suất pháp [2]:

a

e k F

3

2

2 ⋅

=

17,7145

26,51.2.1,0.5,9842

94,

011,11896

2

5 4

σ

σ = + 2− ≤

4 3

Tiết diện 3-4 thỏa điều kiện

– Mặt cắt 5-6 chỉ chịu kéo với lực kéo tính toán bằng tải trọng nâng danh nghĩa

Q Trong thực tế khi nâng vật nhẹ, người ta có thể chỉ treo một bên móc và đây là

24

trường hợp nguy hiểm khi tính toán mặt cắt 5-6 Lực tính toán cho trường hợp này làQ/2, mặt cắt 5-6 chịu kéo, uốn và cắt

+ Mômen uốn và ứng suất pháp lớn nhất do mômen uốn [2]:

5 , 1665913 2

125 145 1 , 12340 2

) (

3 6

d a Q W

4 , 0

) 125 145 (

1 , 12340 4

4

2 2

=

π π

2179 4

4

2 2

7 6

5− = = =

π π

τ

d

Q

(kgf/mm2) + Điều kiện bền (3-10) [2]:

(σ σ ) τ [ ]σ

σ = + + 2− ≤

6 5

2 3

k u

3.4 Tính toán chọn cáp nâng:

3.4.1 Giới thiệu về cáp thép:

Cáp thép là chi tiết rất quan trọng, được sử dụng trong hầu hết các máy nâng

Ta chọn sử dụng cáp thép vì cáp thép có một số ưu điểm như:

– An toàn trong sử dụng

– Độ mềm cao, dễ uốn cong

– Làm việc êm dịu, khộng gây ồn

– Trọng lượng riêng nhỏ, giá thành thấp

– Độ bền cao, thời hạn sử dụng lớn

Cáp thép được chế tạo từ những sợi thép cacbon tốt (ít lưu huỳnh, photpho) Cácsợi thép được chế tạo bằng công nghệ kéo nguội, có đường kính từ 0,5 đến 3mm, và

25

giới hạn bền tính toán theo kéo từ 1400 đến 2000 N/mm2 Thông thường, cáp đượcbện từ các sợi thép có giới hạn bền tính toán theo kéo 1600 đến 1800 N/mm2, vì khisử dụng các sợi thép có độ bền tính toán theo kéo nhỏ để bện cáp sẽ dẫn đến cáp cóđường kính lớn, còn dùng sợi thép có độ bền lớn thì cáp sẽ có độ cứng lớn, làm giảmthời hạn sử dụng của cáp.

Trong tính toán và sử dụng cáp, độ bền lâu là một chỉ tiêu quan trọng, do trongquá trình làm việc, cáp không bị đứt đột ngột mà bị mòn nhiều hay đứt từng sợi thép.Người ta lấy số lần uốn giới hạn Z của cáp khi uốn qua puli hoặc tang một góc 180

0

cho tới khi sợi thép đứt do mỏi làm chỉ tiêu để đánh giá độ bền lâu của cáp Có haiyếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ bền và độ bền lâu của cáp thép là lực căngcáp lớn nhất khi làm việc và bán kính uốn cong cáp Lực căng cáp trong quá trìnhlàm việc càng lớn thì số lần uốn giới hạn càng nhỏ Bán kính uốn cong cáp càng lớnthì số lần uốn giới hạn của cáp càng lớn Ngoài ra, còn có nhiều yếu tố khác ảnhhưởng đến độ bền mỏi của cáp như cách bện, vật liệu chế tạo tang và puli, góc ômcủa cáp lên tang hoăc puli, điều kiện sử dụng và bảo quản cáp…

3.4.2 Tính chọn cáp nâng:

– Sơ đồ mắc cáp:

26

Hình 3.5 Sơ đồ mắc cáp;

1- Tang cuốn cáp; 2- Dây cáp 3- Puly cố định; 4- Móc treo hàng; 5- Puly di động

– Xác định bội suất của palăng:

trong đó:

– a: Bội số palăng lực

– m: Số nhánh cáp treo vật

– k: Số nhánh cáp cuốn lên tang

Vậy: a = 28 = 4

– Lực căng cáp lớn nhất (1.14) [2]:

Smax= r

h p

a

Q

η

η

trong đó:

– Smax: Lực căng cáp lớn nhất để chọn cáp

– Q : Tải trọng nâng

– ηp : Hiệu suất của palăng cáp

– r

h

η : Hiệu suất của palăng đổi hướng cáp

– r : Số puly đổi hướng cáp

Trong hệ thống không có puly đổi hướng nên (2.3) [1]: r

Vậy: Smax=2.250004.0,975 = 3205,128 (kgf)

– Cáp được tính chọn theo điều kiện (2.6) [1]:

27

trong đó:

– Sd: Tải trọng phá hủy cáp do nhà chế tạo xác định

– k : Hệ số an toàn Theo bảng (2.3) [1] với chế độ làm việc trung bìnhchọn k = 5,5

3.5 Tính toán thiết kế tang:

3.5.1 Xác định kích thước của tang:

– Đường kính danh nghĩa của tang và puly (1.2) [2]:

Đường kính tiếp xúc của cáp với tang: Dt= 700 (mm)

– Chiều dài làm việc của tay kép được tính theo công thức:

28

Hình 3.6 Cáp thép

trong đó L1 = 4t dùng để kẹp đầu cáp trên tang

Theo bảng (2.8) [1] kích thước biên dạng rãnh tang theo quy chuẩn MH 5365 –

44 với đường kính cáp d=18 mm Ta có:

– Z: Số vòng cuốn cáp lên tang

– L3 : Phần tang không tiện rãnh đảm bảo cho góc kẹp cáp với puly trongpalăng khi móc treo ở vị trí cao nhất

Theo bảng III.18 [1] cùng với sức nâng ta chọn loại giá treo móc loại III cókhoảng cách giữa mặt trong tâm của các puly trên khung treo móc: b = 306 mm

Chọn sơ bộ L3 = 300 mm

Như vậy chiều dài tang (1.17) [2]:

Lt = 2.(

t

D

H a

– Xác định chiều dày thành tang:

Chiều dày thành tang được xác định theo công thức kinh nghiệm:

δ = 22 (mm)

Chọn δ = 22 mm

Chiều dày thành tang được kiểm tra theo nén (2.15) [5]:

[ ]n n

t

S k

σ δ

+ ϕ : Hệ số giảm ứng suất, ta có ϕ = 0,8

+ t : Bước của vòng cáp trên tang; t = 20 (mm)

+ δ : Bề dày thành tang (mm); δ = 22 (mm)

+ Smax : Lực căng lớn nhất của dây cáp; Smax = 3205,128 kgf = 32051,28 N+ [σ ]n: Ứng suất nén cho phép của vật liệu làm tang

⇒ σn = 320522,128.20.0,8= 5,83 (kgf/mm2) = 58,3 (N/ mm2)

Tang được đúc bằng gang Cц 15 – 32 là loại vật liệu thông thường phổ biếnnhất, có giới hạn bền nén là σbn = 565N/mm2 Ưùng suất cho phép xác định theo giớihạn bền nén với hệ số an toàn k = 5

Vậy σ < [σ ]

3.5.2 Tính toán trục tang:

Trục tang có tầm quan trọng trong quá trình làm việc của cơ cấu Nó quyết địnhđến độ làm việc ổn định của tang Vì vậy việc tính toán kích thước của trục tang làđiều cần thiết

30

Vì ta sử dụng tang kép nên vị trí của hợp lực căng dây trên tang sẽ không thayđổi và nằm ở điểm giữa tang.

Trị số của hợp lực này :

R =2 Smax = 2.3205,128 = 6210,26 (kgf)

– Sơ đồ trục

Việc xác định hai phản lực này dựa vào tỉ lệ các cánh tay đòn như hình vẽ trên

2000

980 26 , 6210 2000

980

⇒RC = R – RD = 16447,36 – 7832 = 3167,23 (kgf)

– Xác định phản lực tại hai gối A và B

Lấy mômen tại gối B ta có :

03 ,

Mômen uốn tại điểm C

MC = RB.150 = 3286,26.150 = 492939 (kgf.mm)

Vì trục tang không truyền mômen xoắn, chỉ chịu uốn Đồng thời trục quay cùngvới tang khi làm việc, nên nó sẽ chịu ứng suất uốn theo chu kỳ đối xứng

Ta chọn vật liệu trục tang là loại thép 45 tôi cải thiện có:

– ứng suất bền kéo σbk = 650 (N/mm 2) = 65 (KG/mm2)

– giới hạn mỏi σ-1’=270 (N/mm 2) = 27 (KG/mm2)

⇒ Ứng suất uốn với chu kỳ mạch động xác định theo công thức (1.12) [5]:

[σ] = 1[,4.]. '1'

k n

−σ

(N/mm2) (3.33) trong đó :

– [n] : Hệ số an toàn ; theo bảng 1-8 [5] ta có [n] = 1,6

– k’ : Hệ số tính đến mức tập trung ứng suất; theo bảng 1-5 [5] ta có k’ = 2Thay các thông số trên vào ta có :

2.6,1

27.4,1']

[

'.4,

1 ,

731000

Chọn d = 90 (mm)

Để an toàn và đơn giản trong công việc chế tạo ta chọn đường kính trục tại tiết

C bằng đường kính trục tại tiết diện D

Xác định đường kính trục tại những nơi khác [4]:

d = d’.kσ (3.35)trong đó kσ : Hệ số tập trung ứng suất thực tế

Đối với thép 45 tôi cải thiện có ứng suất bền kéo σbk = 650 (N/mm 2) ta chọn kσ =1,2 (tra bảng 7-6[4])

32

⇒ d’= 75

2 , 1

90 = (mm)Chọn d’ = 80 (mm)

3.6 Chọn động cơ điện:

Công suất tĩnh khi nâng vật được xác định theo công thức (2.78) [5]:

3.8 Chọn khớp nối:

– Chọn khớp nối giữa trục động cơ và hộp giảm tốc:

Momen định mức trên trục động cơ:

Mdm= 975.N n = 975510.28= 535,29 (N.m) (3.38)Momen tính toán để chọn khớp nối (1.65) [1]:

D (mm) D1 (mm) D2 (mm) B (mm) L (mm)

3.9 Kiểm tra động cơ điện:

Momen cản tĩnh trên trục động cơ khi khởi động tính cho tang cuốn 2 nhánh cáp(1.18) [1]:

Mt =

c

t t

i

D a S

η

2

.

trong đó:

– St: lực trong dây cáp đi vào tang; St = 32051,28 (N)

– a: số nhánh cáp kẹp lên tang; a = 2

– i: tỉ số truyền của bộ truyền; i = 54,66

85 , 0 66 , 54 2

7 , 0 2 28 ,

Mkd= ψ max 2+ ψ min

trong đó: ψ max: Hệ số momen mở máy max của động cơ; ψ max=2,5

ψ min: Hệ số momen mở máy min của động cơ; ψ min=1,1

−

δ

+ .(0,975. . 2).η

t tbkd M M

n

V Q

35

2

η

Trong đó: a là bội suất của pa lăng; a = 4

5 , 26562 4

2

85 , 0

=

h t

S (N) Momen khi hạ hàng (1.19) [1]:

+

δ

+ .(0,975. . 2).η

t tbkd M M

n

V Q

+

tkd=375(96,3528,943.510+28,914) + 602.(960,,975352.2500028,914.5 ).0,85

2 + = 0,1 (s) Những trị số nhận được tkđ và a gần thích ứng với chỉ dẫn của bảng 1.11 và 1.15[1]

Vì không cho trước đồ thị tải trọng thực của cơ cấu nâng, có thể sử dụng đồ thịgia tải trung bình của cơ cấu nâng theo sức nâng hình 1.1a được xây dựng trên cơ sởthí nghiệm thực tế của cần trục

Tương tự như những tính toán trên xác định những mômen phát triển của động

cơ, thời gian khởi động khi nâng và hạ hàng trong những thời kỳ công việc khác nhaucủa cơ cấu Theo đồ thị đó, trong thời gian chu kỳ (nâng và hạ hàng) cơ cấu sẽ làmviệc

Với tải trọng định mức Q = 25000 kG - 1 lần

Với hàng 0,5.Q = 12500 kG – 5 lần

Với hàng 0,1.Q = 2500 kG – 4 lần

36

Trên đây là ứng với trường hợp tải trọng định mức Q = 25000 kG Các kết quảứng với các trường hợp 0,5.Q và 0,1.Q sẽ được tính tương tự như trên Ta có bảngkết quả sau:

Lực căng cáp

Mômen khi

Thời gian khởi

Thời gian khởi

Coi chiều cao trung bình nâng và hạ hàng bằng 0,5 ÷ 0,8 của chiều cao địnhmức H = 22 m, lấy :

Htb = 0,6.H = 0,6.22 = 13,2 (m) Khi đó thời gian chuyển động ổn định là (2.21) [1]:

4 , 158 5

60 2 , 13

M

∑ +

∑

37

( )

758 , 3170

9 , 2 4 46 , 14 5 914 , 28 82 , 4 4 145 , 24 5 89 , 42 758 , 2 352

510 21 , 10 975

– Công suất động cơ: 28 kW

– Số vòng quay của động cơ: 510 vòng/ phút

– Chế độ làm việc: trung bình

Ta chọn loại động cơ л2- 650 có các thông số:

– Tỉ số truyền: i = 50,94

– Công suất: 34,3 kW

– Tốc độ trục quay nhanh: 600 vòng/phút

3.11 Tính toán chọn phanh:

Phanh là một bộ phận quan trọng của máy trục, mọi hoạt động bình thường củamáy cũng như an toàn trong cơ cấu nâng, hạ đều phụ thuộc vào khả năng làm việccủa phanh

Mômen cần thiết của phanh (2.38) [1]:

Mc = S t a i D

2

.

với :

+ St : Lực căng trong dây cáp; S = 3205,128 (KG)

+ a : Số nhánh cáp kẹp vào tang; a = 2

+ D : Đường kính tang; D = 700 (mm) = 0,7(m)

+ η : Hiệu suất từ trục tang đến phanh Tra bảng1.9 [1]; η = 0,85

+ i :Tỉ số truyền chung; i = 50,94

Mômen cản tĩnh trên trục phanh khi hãm (mômen phanh):

Mc = S t a D i

2

.

94 , 50 2

85 , 0 7 , 0 2 128 ,

Mômen cần thiết của phanh:

Mph = Mc kph = 37,44 1,75 = 65,5 (kG.m)Khi chọn phanh, ta nên chọn phanh có kích thước nhỏ, gọn, làm việc tốt và đượcsử dụng rộng rãi

Theo bảng III.29.2 ta chọn phanh có các thông số:

– Loại phanh: TT320

– Đường kính bánh phanh: 320 mm

– Momen phanh lớn nhất: 800 kG.m

– Chiều rộng bánh phanh: 105 mm

V Q

3 , 3 084 , 0 5 , 0

14 , 0

5 ,

=

h h

V

S

39

Giảm tốc khi phanh:

19 , 0 60 44 , 0

Như vậy gần tương ứng với giá trị cho trong bảng 1.11 và 1.15

3.12 Các bộ phận khác của cơ cấu nâng:

3.12.1 Tính chọn puly cáp:

Cụm puly cáp của cầu trục gồm có:

+ 3 puly cố định cân bằng cáp

+ 4 puly di động ở giá treo móc

Vì chế độ làm việc cơ cấu nâng của cần trục là trung bình nên ta chọn vật liệulàm puly cáp được đúc bằng gang xám để tăng độ bền lâu của cáp

– Bán kính rãnh puly [2]:

trong đó :

dc = 18 (mm) : Đường kính cáp

⇒ r = (0,53 ÷ 0,6).18 ⇒ r = (9,54 ÷ 10,8) (mm)

Chọn r = 10 (mm)

– Góc nghiêng của 2 thành bên rãnh puly :

2α = 40° ÷ 60oChọn 2α = 45°

– Chiều sâu rãnh puly [2]:

40

Hình 3.7 Puly cáp

h = (2 ÷ 2,5) dc trong đó :

dc = 18 (mm) : Đường kính cáp

⇒ h = (36 ÷ 45) (mm)Chọn h = 40 (mm)

– Đường kính puly :

Ta chọn tất cả puly của cần trục có cùng đường kính để thuận lợi về chế tạo, giacông và sửa chữa giảm được chi phí chế tạo mang tính công nghệ cao Dựa theo điềukiện (1-2) [2] để đảm bảo độ bền lâu của cáp :

DP ≥ (e –1 ) dc (3.54) trong đó :

– Góc lệch cho phép của cáp (1-6) [2]:

h D

tg tg

+

<

1

α γ

(3.55)

trong đó :

+ D = 450 (mm): Đường kính puly

+ h = 40 (mm): Chiều sâu rãnh puly

+ γ = 6°: Góc lệch cho phép của cáp

+ α = 22,5°: Góc nghiêng của 2 thành bên rãnh puly

⇒ tg6° = 0,1 0,118

40

450 1

5 ,

+

< tg 

Vậy thỏa mãn điều kiện

– Chọn ổ trục puly :

41

Ta chọn ổ bi đỡ lòng cầu 2 dãy vì nó có hiệu suất cao và dễ bảo dưỡng, có độtin cậy cao được bôi trơn bằng mỡ Theo tiêu chuẩn ΓOCTˆ5720-51 bảng (15P) [8]: + Kí hiệu : 1618.

+ Hệ số khả năng làm việc: C = 145000

+ Bảng thông số kĩ thuật của ổ: (mm)

3.12.2 Đầu kẹp cáp lên tang:

Phương pháp cố định đầu cáp trên tang thông dụng nhất là dùng tấn đệm bênngoài ép cáp lên bề mặt tang bằng bulông Tấm đệm với rãnh hình thang là tốt nhấtvà thông dụng nhất Vì đường kính cáp d =18 mm nên ta chọn một tấm kẹp có haibulông để cố định đầu cáp

– Lực căng dây cáp tại chỗ kẹp cáp (2.19) [1]:

+ Smax: lực căng cáp lớn nhất Smax = 30251,28 (N)

+ f: hệ số ma sát giữa dây cáp và tang (µ = 0,1 ÷ 0,16).ta chọn µ= 0,14