Bài tập lớn môn thiết bị tàu thủy - thiết kế cần cẩu Derrick

Chân dây giằng K của cần hầm trên mạn giả thường đặt ở vịtrí KH  O2H để giảm lực trong hệ cần.. * Sau khi vẽ hình chiếu bằng, các vị trí thật của cần, dây giằng, dây nâng hàng trong các

MỤC LỤC 2

1.Chọn trọng lượng mã cẩu 4

2.Chọn tuyến hình tàu và phân khoang 4

2.1.Chọn tuyến hình tàu 4

2.2.Phân khoang 4

2.2.1 Khoảng sườn 4

2.2.2 Phân khoang, két 5

2.2.3.Kích thước miệng khoang hàng 5

3 Xác định các kích thước cơ bản của Derrick 6

3.1 Góc nâng cần: 6

3.2 Khoảng cách từ cột cẩu đến miệng hầm hang 6

3.3 Khoảng cách giữa hai chân cần 6

3.4 Chiều cao chân cần tính từ sàn 6

3.5 Tầm với ngoài mạn 6

3.6 Chiều dài cần 6

3.7 Vị trí giới hạn đầu cần 8

3.8 Chiều cao cột tính từ chân cần đến điểm treo dây nâng cần 8

3.9 Xác định chiều cao cột cẩu 8

4.Tính toán ứng lực phát sinh trên cần và trong các dây 8

4.1 Trọng lượng hàng 8

4.2 Trọng lượng cần 8

4.3 Vị trí tính toán của hệ cần 8

4.4 Xác định lực trong hệ cần đôi 9

5.Thiết kế kết cấu cần cẩu và cột cẩu 11

5.1 Vật liệu chế tạo cần, cột cẩu 11

5.2 Kết cấu của cần 11

5.2.1 Xác định quy cách các dây 11

5.2.2 Xác định tiết diện cần 11

5.2.3 Thiết kế cần theo điều kiện ổn định 12

5.2.4 Kiểm tra ổn định theo nén 13

5.2.5 Kiểm tra cần theo điều kiện bền 14

5.3 Kết cấu tháp cẩu 15

5.3.1 Tính toán lực tác dụng lên tháp cẩu : 15

5.3.2 Tính sơ bộ kích thước tháp cẩu 17

5.3.3 Kiểm tra bền tháp cẩu 18

6.Tính chọn và nghiệm bền các thiết bị khác của hệ cần cẩu-cột cẩu 24

6.1 Chạc đuôi cần 24

6.2 Mã treo hàng đầu cần 25

6.3 Cụm mã quay bắt dây nâng cần 26

6.4 Gối đỡ cần :( lực nén cần P0 = 158 KN ) 28

6.5 Móc treo hàng 32

6.6.Puli nâng hàng đầu cần 33

6.7.Mã quay cần 34

6.8.Tấm tam giác 35

7.Tính truyền động 35

7.1 Tời nâng hàng 35

7.2.Động cơ 36

7.3.Hộp giảm tốc 37

1.Chọn trọng lượng mã cẩu.

Theo yêu cầu thiết kế ,trọng tải của tàu cần thiết kế là 5700 (T).Tra bảng STTBTTtập 2, ta chọn Derrick đôi có sức nâng P = 3,2 T và số lượng là một Derrick đôi trênmỗi miệng hầm

2.Chọn tuyến hình tàu và phân khoang.

2.1.Chọn tuyến hình tàu.

Chọn tuyến hình tàu có kích thước :

Chiều dài tàu : L = 90,36 ( m )

 Khoảng sườn chuẩn S = 2L+ 450 = 2*90,36+450=630,72 mm

 Khoảng cách chuẩn của cơ cấu dọc 2L+ 550 = 2*90,36+550=730,72 mm

 Khoảng sườn khoang mũi, khoang đuôi Sf và Sa  610 mm

 Khoảng sườn trong đoạn cách đường vuông góc mũi 0,2L tới vách mũi  700mm

 Chọn khoảng sườn sai khác với khoảng sườn chuẩn không quá 250 mm

Chọn khoảng sườn thoả mãn yêu cầu :

 Khoảng sườn từ vách đuôi đến vách mũi S = 650 mm

(điều 11.1 và 11.2) Yêu cầu: 720 mm

2.2.2 Phân khoang, két.

Vị trí vách chống va cách đường vuông góc mũi khoảng từ min(5%Lf, 10m) tới8%Lf ,(9,56m)

Khoảng cách từ vách đuôi đường vuông góc đuôi theo bố trí máy lái và két dằn lái

 Theo bảng 2A/11.1:Số lượng vách ngang kín nước tối thiểu ứng chiều dài tàu L =115,7 m có 6 vách

Chiều dài khoang máy chọn theo kích thước máy và tuyến hình theo kinh nghiệmtrong khoảng (12~15)%L

Chiều dài tối đa một khoang 30m và các khoang hàng có thể tích xấp xỉ nhau

Chiều cao đáy đôi h0

STT Tính toán chiều dài

Chiều dài sơ bộ Chọn % xấp xỉ Số K/s Kết quả

2 Khoang máy 12% L ~ 15% L 13,5 20 13m

3 Khoang mũi Min(5%L, 10m)~8%L 5,2 8,3 5,0m

4 Buồng máy ~ Vách mũi =90,36-4,8-13-5,2%.90,36 104 67,6 m

5 Khoang hàng 1 (Khoang giáp vách mũi) 35 22,75m

8 Khoang hàng 3 (Khoang giáp buồng máy) 35 22,75m

9 Chiều cao đáy đôi h0 lớn hơn 1,073125 chọn 1,2mĐáy đôi được bố trí từ vách đuôi đến vách mũi, từ mạn trái sang mạn phải

Vị trí vách sườn8, sườn28, sườn63, sườn98, sườn98

Sơ bộ Kết quả chính xác

2.2.3.Kích thước miệng khoang hàng.

Kích thước miệng khoang hàng càng lớn càng tốt nhưng để đảm bảo ổn định và độbền dàn boong thì ta chọn như sau:

Chiều rộng không lớn hơn 0.7B = 12,019 (m)

Chọn chiều rộng là : Bk = 11.52 (m)

Chiều dài chọn là : Lk = 16.25 (m)

Như vậy ta có :

* Kích thước khoang hàng : Lh x Bh = 22,75 x 17,17 (m).

* Kích thước miệng khoang hàng : Lk x Bk x Hk = 17,5 x 12 x 1,2 (m)

3 Xác định các kích thước cơ bản của Derrick.

3.1 Góc nâng cần:

- Góc nâng cần : min = 15 , max = 60.( ứng với cẩu nhẹ )

- Góc nâng cần khi hoạt động:  = (35 - 40)

-Góc quay cần  70

3.2 Khoảng cách từ cột cẩu đến miệng hầm hang

Khoảng cách từ cột cẩu đến miệng hầm hàng : a = ( Lh - Lk )/ 2 = 2,625 (m)

3.3 Khoảng cách giữa hai chân cần.

Với cần cẩu có cột cẩu kiểu một thân thì khoảng cách giữa hai chân cần thoả mãnđiều kiện: c ≤ ( 4,5  5 ) (m)

Chọn khoảng cách giữa hai chân cần c = 4 (m)

3.4 Chiều cao chân cần tính từ sàn.

Chiều cao chân cần phải đảm bảo cho người đi lại phía dưới thuận tiện

hc = (2,25  2,5) ,m

Chọn hc = 2,4 m

3.5 Tầm với ngoài mạn.

Tầm với ngoài mạn phải đủ để xếp dỡ hàng lên cầu tàu Trị số Ro tối thiểu để xếp

dỡ hàng hoá lên cầu tàu là 2,0  2,5 (m)

Chọn tầm với ngoài mạn là : R0 = 4 (m)

3.6 Chiều dài cần.

Chiều dài cần phải thoả mãn 2 điều kiện là bốc hết hàng trong khoang và đưahàng ra mạn : l0 = max ( l01 , l02 )

 Theo điều kiện bốc hết hàng trong khoang

l01.cosmin.cos1  a + 3/4 lk (1)Trong đó:

Lk = 16,25 (m) - chiều dài miệng khoang hàng

a = 2,625 (m) - khoảng cách từ cột cẩu đến miệng hầm hàng

min = 15o - góc giới hạn dưới nâng hàng

Ta có h1 = (hc - hk) + l0sin = (2,4 - 1,2) + 17.sin40o = 12,127 (m).

6 + 0,3W = 11,95 (m)

0 2

O A tg



' 1

Vậy vị trí giới hạn đầu cần thoả mãn điều kiện : h1 > 6 + 0,3W.

3.8 Chiều cao cột tính từ chân cần đến điểm treo dây nâng cần.

Đối với cần nhẹ tỷ số h/ lo = 0,8  1,2 , ta chọn h/ lo = 0,8

=> h = 0,8.18 = 13,6 (m)

3.9 Xác định chiều cao cột cẩu.

Chiều cao cột cẩu được xác định :

H = h + hc =13,6 + 2,4 = 16 (m)

Vậy cần cẩu Derrick đôi thiết kế có : Chiều dài cần lo = 17 (m)

Chiều cao cột cẩu H = 16 (m)

4.Tính toán ứng lực phát sinh trên cần và trong các dây.

Vị trí tính toán lực của hệ cần đôi xác định như sau :

*Trên hình chiếu bằng, đầu cần hầm H cách mép dọc miệng hầm hàng 2m và cách

mép ngang phía cột cẩu c/ 2 = 6,563 m ( c = 3/4LK = 13,125 m : chiều dài diện tíchphục vụ của hệ cần đôi ) Chân dây giằng K của cần hầm trên mạn giả thường đặt ở vịtrí KH  O2H để giảm lực trong hệ cần Đầu cần mạn M cách mép ngang miệng hầmhàng phía cột cẩu một đoạn c/3 = 4,375 m và cách mạn tàu chỗ rộng nhất một đoạnbằng tầm với cần thiết R0  4,0 m Chân dây giằng L của cần mạn đặt ngang đườngchân cần O1O2

* Sau khi vẽ hình chiếu bằng, các vị trí thật của cần, dây giằng, dây nâng hàng

trong các mặt phẳng vuông góc với mặt boong và chứa dây giằng cần, dây nâng hàng :+ Vẽ hình chiếu đứng của cột AB

+Từ tâm chốt đuôi cần O vẽ đoạn nằm ngang OH’= O2H, qua H’ dựng đườngthẳng đứng, cung tròn tâm O bán kính l = 17m ( chiều dài cần ) cắt đường thẳng đứngnày tại H, đoạn OH là vị trí thật của cần hầm trong mặt phẳng cần Đặt dọc mạn giả

đoạn H”K’ = HK (H” : chân đường thẳng đứng HH’ trên mạn giả ) Đoạn HK’ là vị tríthật của dây giằng cần hầm trong mặt phẳng dây.Làm tương tự cho cần mạn.

+ Qua H, M trên hình chiếu đứng kẻ các đường nằm ngang, ta xác định được H1,

M1 cách nhau một đoạn a đo được trên hình chiếu bằng H1, M1 là vị trí đầu cần trongmặt phẳng dây treo hàng Vẽ đường nằm ngang bb cách đỉnh mạn giả đoạn h’ > 6m( do Q = 3,2T > 2T) Vẽ cung tròn đi qua H1, M1 và tiếp xúc với bb tại T Điểm T làđiểm treo móc do 2 dây nâng hàng H1T và M1T nối với nhau Góc giữa 2 dây nânghàng y0 = H1TM1 ta xét cho trường hợp nguy hiểm nhất y0 = 120o Khi đó khoảngcách từ bb tới miệng hầm h’ = 10,516 m > 6m

Dựa vào sơ đồ bố trí ta lần lượt xác định được , , ,

+ Xét mặt cắt (D-D) đi qua dây chằng mạn và vuông góc với mặt boong

Từ họa đồ này ta xác định được N1

và N1z

.+Xét mặt phẳng (C-C) đi qua cần và vuông góc với boong

Lực nén thực vào cần, kể cả sức căng trong dây nâng hàng chạy dọc cần là :

vào cần mạn P02 P02 k P 2 107,85 142,04 157,8

118,90

Lực nén P02 đạt cực đại tại vị trí tính toán 5 , ta lấy để tính chọn cần

5.Thiết kế kết cấu cần cẩu và cột cẩu.

5.1 Vật liệu chế tạo cần, cột cẩu.

- Vật liệu chế tạo cần cẩu và cột cẩu là thép CT3c

- Giới hạn chẩy của vật liệu: sch = 2400 , KG/cm2

5.2 Kết cấu của cần.

5.2.1 Xác định quy cách các dây.

Đường kính các loại dây cáp được chọn dựa trên cơ sở lực căng lớn nhất phát sinhtrong dây được ghi trong bảng trên với hệ số an toàn n = 5 Cáp được chọn là cáp thépcấp N0.4 (6x24) - Bảng 7B /4.3 “QCVN 2010” :

Lùc c¨ng lín nhÊt

Từ kết quả đo được ta thấy lực nén lớn nhất vào cần là P0 = 190,64 (KN)

Từ Po và l0 theo bảng 5.26 / 233- STTBTT ta chọn cần loại III Cần gồm 1

đoạn ống trụ và 2 đoạn ống côn

5.2.3 Thiết kế cần theo điều kiện ổn định

0 2 

i D

2 0

2 1



 0

5.2.4 Kiểm tra ổn định theo nén.

Để tính ổn định theo nén ta coi cần như 1 thanh hình vành khăn có tiết diện khôngđổi đường kính trung bình là :

Dtb = ( D + d ) / 2 = ( 377+245 )/ 2 = 311 (mm)

 = .l / imin

 : Hệ số phụ thuộc điều kiện liên kết 2 đầu cần (cần là 1 thanh chịu nén mộtđầu là gối đỡ một đầu là liên kết tựa)   = 1

l : chiều dài cần ; l =17 (m )= 1700 (cm)

imin : Bán kính quán tính của mặt cắt = 0,353.Dtb = 10,98 (cm)

 = 154,827 < 175 ( thoả mãn yêu cầu về độ mảnh đối với Derrick có lực nén lớnhơn 20 kN - Bảng 5.9 STTBTT 2 )

Vậy cần đủ điều kiện ổn định

5.2.5 Kiểm tra cần theo điều kiện bền.

Ta coi cần như một dầm tựa trên 2 gối tự do chịu các tải trọng: Mô men uốn dotrọng lượng bản thân , chịu nén do lực nén dọc cần , chịu uốn và xoắn do lựcđặt lệch tâm

-Dưới tác dụng của p cần có mômen uốn lớn nhất tại giữa của nhịp có trị số : 02

4123, 07

q l m c

Trong đó: c = 7.5 do cần có tiết diện thay đổi trên suốt chiều dài

q : Tải trọng bản thân,

-Mô men uốn do lực Po đặt lệch tâm gây ra

Trong đó: e _ Khoảng cách từ điểm đặt đến đường tâm trục của cần

Ta có :

Tại trạng thái làm việc thứ 5 :

Góc giữa và cần hầm :53 độ 0,925 rad giá trị của = 47,58 kNGóc giữa và cần hầm :61 độ 1,064 rad giá trị của = 24,67 kNGóc giữa và cần hầm :36 độ 0,628 rad giá trị của = 24,45kN

Góc giữa và cần hầm :56 độ 0,977 rad giá trị của = 23,70 kNGóc giữa và cần hầm :36 độ 0,628 rad giá trị của = 60,96kN

* (kN.cm).Ứng suất lớn nhất tại mặt cắt giữa dầm do uốn nén và xoắn đồng thời gây ra :

Vậy cần thiết kế thỏa mãn điều kiện bền

F =  2

2

η 1 4

πDD

 = 837,3 (cm3)

5.3 Kết cấu tháp cẩu.

5.3.1 Tính toán lực tác dụng lên tháp cẩu :

Ngoại lực của 1 cần làm việc đơn tác dụng lên tháp cẩu gồm có :

* Lực T của palăng nâng cần tác dụng lên cụm ròng rọc đầu cột

* Lực nén dọc cần P0 tác dụng vào gối đỡ cần

* Sức căng dây hàng chạy dọc cần

* Sức căng dây hàng vào tời S’’

* Sức căng trong nhánh dây nâng cần chạy dọc cột T1

T T Q

T

T C

a

1 a

t c

Độ lớn của các lực được xác định bằng phương pháp vẽ hoạ đồ lực tại các gócnâng cần min = 15 , max = 60 và được ghi trong các bảng ở trang sau.

Từ kết quả đo ta thấy lực tác dụng vào cần lớn nhất khi góc nâng cần nhỏ nhất

*Sức căng trong dây nâng hàng : ' 33,044

pl

P S

pl

S S



Quá trình tính toán được thể ở bảng sau :

STT Đại lượng tính toán Đơn vị 15 60

Tt = Qt = 0,707.S” = 24,59 (KN)

Trong đó :  =15o : góc nghiêng cần

 = 29o: góc nghiêng của dây nâng cần

5.3.2 Tính sơ bộ kích thước tháp cẩu.

- Ta chọn tháp cẩu là 2 cột tiết diện tròn không đổi trên suốt chiều dài cột và xàngang đỉnh cột là một dầm hộp có mặt cắt ngang là hình chữ nhật

* Theo điều kiện bền :

n D

Với các thông số kích thước như trên cột cẩu thoả mãn điều kiện bền và điều kiệncứng

5.3.3 Kiểm tra bền tháp cẩu.

k = Ic/Ix = 10,97

Ic = 23,39.104 (cm4) : mômen quán tính cột

Ix = I’x = 2,133.104 ,(cm4) :mômen quán tính xà ngang tính với các trụcchính tâm vuông góc với mặt phẳng tháp cẩu

c a N Ma

L

h

'6)''(

'6)''(

c Ca

L

h

' '

.

I G

I



Với : E = 2.106 KG/cm2 : môđun đàn hồi kéo nén

G = 8.105 (KG/cm2 ) : môđun đàn hồi trượt của vật liệu

IT = Iz’ = 7467 (cm4) mômen quán tính của xà ngang ứng với trục hình tâm

thẳng 46,774.104 (cm4) mômen quán tính cực của cột

* Tính các lực thành phần phân phối giữa 2 cột theo hướng dọc tàu :

2 3

3

.

.

6

3

.

2

"

i L k

L

L T

2 1

2 T L h

C

C L

h C

L T







2 ( 2. )

2

.

1

1

Ma Ca

c a

M Ey   a  Ca c = -212,5 (kN.m)

h M

L

h M

Ey

c Dy

NAy = Qa + 0,5.Gx = 87,58 (kN)

Cy By

i

L T i

M M

N    .    0 , 5 = -599,8 (kN)

NBy = NCy + Qc + Qt + q.hc = 91,58 (kN)

NEy = q.L = 42,66 (kN)

Với : Gx = A’.l  = 301 (kg) = 2,96 (kN): trọng lượng xà ngang

l = 4 (m) : chiều dài xà ngang

2 1

(

"

i i

Với lực tác dụng vào đỉnh cột RT =95,39 (KN) dựa vào bảng 5.34 STTBTTtập II tacó:

e = Dn/2 + A +A1 = 0,6 (m)

* Mômen uốn và lực nén tác dụng lên các cột :

Tại cột có cần đặt dọc tàu Tại cột có cần quay ra mạn

My' =M Dy 176.37 -178.792

51.230 0.000 87.580 0.000 -2.422 87.580

715.716 0.000 123.838 0.000 -106.666 -599.804

789.361 0.000 167.911 0.000 -106.892 91.580

M z ' = M x ' + M x "

M z ' = M xn ' M z ' = M xn "

Cả 2 cần quay ra mạn

Cả 2 cần quay ra mạn

Mômen uốn và lực nén

22.642

Mx" = 0 N" = N Ay My" = M Ay

1 cần quay ra mạn

1 cần đặt dọc tàu

-6.356 16.286

N' =N" = N Bx Mx' = Mx" = 0 My' =My" = M By +M Ey N' =N" = N By

Mx' = M Bx My' = M Ey N' =N Bx

Mx" = M Ex My" =M By N" = N By

N' =N" = N Cx Mx' = Mx" = 0 My' =My" = M Cy +M Ky N' =N" = N Cy

Mx" = M Kx My" = M Cy N" = N Cy

N' =N" = N Ay Mx' = M Cx

My' = M Ky N' = N Cx

Mx' = Mx" = M Cx + M Kx My' =My" = 0

Giá trị,kN Công thức

Giá trị (kN) Công thức

Mx' = Mx" = M Ax My' =My" = 0

4

Mômen

xoắn cột

Cả 2 cần đặt dọc tàu

1 cần quay ra mạn

1 cần đặt dọc tàu

Cả 2 cần quay ra mạn

Cả 2 cần quay ra mạn

1 cần quay ra mạn

1 cần đặt dọc tàu

Trường hợp tải trọng

Cả 2 cần đặt dọc tàu

* Kiểm tra bền theo thuyết bền 3 :

Cột thoả mãn điều kiện bền

* Mômen uốn và lực nén tác dụng lên thanh xà ngang :

Xà bị uốn trong mặt phẳng tháp bởi mômen MAy và MDy, bị uốn trong mặt phẳngvuông góc với tháp bởi mômen M’xn và M’’xn , bị xoắn bởi mômen MAx

Tại chỗ nối với cột có 1 cần đặt dọc tàu :

M M

* Kiểm tra bền theo thuyết bền 3(cho xà ngang):

t

      < 0,5.ch 12(kN cm/ 2).Vậy xà ngang thoả mãn điều kiện bền

6.Tính chọn và nghiệm bền các thiết bị khác của hệ cần cẩu-cột cẩu.

2 d S

P

= 3,38(KN/cm2)  = 0,6 T =14,4 ( KN/ cm2)Vậy chạc đuôi cần đủ bền

6.2 Mã treo hàng đầu cần.

a)Kích thước mã treo hàng đầu cần được xác định theo lực nén cần , với lực nén = 158

kN ta chọn cần có qui cách như sau :

(mm )

b(mm)

b1(mm)

d1( mm)

R(mm)

R1( mm)

r( mm )

l(mm)

S( mm )

S'2

1

 = 1,2 (kN/cm2)   = 0,4T  = 9,6(kN/cm2) c)Kiểm tra mã nâng cần ở đầu cần :

Lực tác dụng : H = 47,85 (kN)

Kiểm tra theo điều kiện chịu cắt :

2

d S(R

H 1

 = 1,52(KN/cm2)   = 9,6(KN/cm2) Vậy mã treo hàng đã chọn thoả mãn điệu kiện bền

6.3 Cụm mã quay bắt dây nâng cần.

Cụm mã quay bắt dây nâng cần được hàn lên đỉnh tháp đã lắp cụm ròng rọc củapalăng nâng cần để đổi hướng dây nâng cần Lực tác dụng vào cụm mã được tính theophương pháp vẽ hoạ đồ lực RT = 95,39 (kN)