THIẾT KẾ CẦN TRỤC CONTAINER

Việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế thành công cần trục, đặc biệt là hệ thống điềukhiển cần trục container trên cơ sở ứng dụng công nghệ hiện đại, sử dụng các chương trình tính toán tiên tiến, nhằm chế tạo ra các cần trục xếp dỡ container thay thế cho các thiết bị mà hiện nay đang phải nhập khẩu từ nước ngòai với giá thành rất cao. Ngòai ra việc tính tóan thiết kế thành công cần trục, hệ thống điều khiển còn có thể ứng dụng rất hiệu quả vào việc hóan cải, nâng cấp các thiết bị xếp dỡ thế hệ cũ hiện đang sử dụng ở các cảng container nhằm tăng năng suất xếp dỡ của cần trục container, tăng tính ổn định và mức độ chính xác trong hoạt động khai thác container.Giải pháp đã ứng dụng công nghệ điều khiển mới nhất “Sinamic – Simotion” kếthợp với PLC S7300 để điều khiển các cơ cấu hoạt động của cần trục. Việc ứng dụng công nghệ điều khiển mới giúp các cơ cấu vận hành êm, hiệu suất sử dụng năng lượng cao; tăng năng xuất xếp dỡ hàng hóa, tăng mức độ tin cậy và độ an toàn cho thiết bị đồng thời cũng giúp công tác sửa tìm lỗi của hệ thống đơn giản, nhanh chóng.Sau khi hoàn thiện công tác lắp đặt, cần trục đã được cơ quan kiểm định Kỹ thuậtan toàn cấp giấy chứng nhận đạt tiêu chuẩn Việt Nam, đủ điều kiện hoạt động khai thác làm hàng container

DANH M ỤC CÁC BẢNG 5

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

M Ở ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 1

TÍNH TOÁN THI ẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 1

1.1 BẢN VẼ THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ BẢN VẼ HOÀN CÔNG ĐƯỢC ĐĂNG KIỂM PHÊ DUYỆT 1

1.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 2

1.2.1 Các thông số cơ bản để tính toán kết cấu thép 2

1.2.2 Vật liệu chế tạo cổng trục 2

1.2.3 T ải trọng và tổ hợp tải trọng tính toán kết cấu thép 3

1.3 CÁC CƠ CẤU VÀ THIẾT BỊ 7

1.3.1 Tính toán thi ết kế cơ cấu nâng 7

1.3.2 Tính toán thi ết kế cơ cấu di chuyển cẩu 44

1.3.3 Tính toán thi ết kế cơ cấu di chuyển xe tời 47

CHƯƠNG 2 50

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SINAMICS MICROMASTER SIZER ĐỂ TÍNH TOÁN THI ẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO CẦN TRỤC 50

2.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM SINAMICS MICROMASTER SIZER 50

2.2 TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN 51

2.2.1 Yêu cầu đối với việc lựa chọn các thiết bị điện cho cần trục 51

2.2.2 Tính toán lựa chọn thiết bị cấp nguồn cho các động cơ điện sử dụng SINAMICS MICROMASTER SIZER 56

2.3 XÂY DỰNG BẢN VẼ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG ĐIỆN 69

2.3.1 B ản vẽ hệ thống cấp nguồn điện động lực 69

CHƯƠNG 3 126

S Ử DỤNG PHẦN MỀM SIMATIC S7 VÀ SIMOTION SCOUNT ĐỂ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CẨN TRỤC 126

3.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM SIMATIC S7 VÀ SIMOTION SCOUNT 126 3.1.1 Giới thiệu về phần mềm STEP 7 126

3.1.2 Kỹ thuật lập trình 130

3.2 SIMOTION VÀ SIMOCRANE 130

3.2.1 Simotion 130

3.2.2 Simocrance 132

3.3 LƯU ĐỒ CỦA CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CẦN TRỤC 134

3.3.1 Điều khiển khởi động cần trục 134

3.3.2 Điều khiển tắt cần trục 135

3.3.3 Điều khiển mô tơ dẫn động hệ thống tời nâng 136

3.3.4 Điều khiển xe tời 141

3.3.5 Điều khiển di chuyển cần trục 143

3.3.6 Mã hóa chương trình điều khiển bằng Simatic S7 và Simotion Scount 145

CHƯƠNG 4 146

L ẮP RÁP CẦN TRỤC, CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH, CĂN CHỈNH, THỬ HO ẠT ĐỘNG CỦA CÁC CƠ CẤU, KIỂM ĐỊNH ĐẠT YÊU CẦU VÀ ĐƯA VÀO S Ử DỤNG, KHAI THÁC TẠI CẢNG 146

4.1 QUY TRÌNH LẮP DỰNG VÀ KẾT CẤU 146

4.1.1 Công tác chu ẩn bị 146

4.1.2 L ắp 04 cụm bánh xe 146

4.1.3 L ắp chân cổng phía bờ 147

4.1.4 L ắp chân cổng phía nước (tương tự lắp chân phía bờ) 147

4.1.5 L ắp dầm chính thứ nhất 147

4.2 QUY TRÌNH LẮP RÁP THIẾT BỊ 148

4.2.1 Lắp ráp xe tời 148

4.2.2 Lắp ráp ca bin điều khiển 148

4.2.3 Lắp cáp nâng – khung chụp 148

4.2.4 L ắp ráp hoàn thiện phần cơ khí 148

4.3 LẮP RÁP PHẦN ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN 148

4.4 KIỂM TRA, THỬ TẢI VÀ BÀN GIAO 149

4.4.1 Yêu c ầu chung 149

4.4.2 Ki ểm tra 149

4.5 THỬ TẢI 150

4.6 BÀN GIAO VÀ HUẤN LUYỆN 151

CHƯƠNG 5 152

K ẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 152

5.1 ĐÁNH GIÁ BÀN LUẬN CÁC KẾT QUẢ 152

5.2 KẾT LUẬN 156

5.3 KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 156

5.4 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ 156

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 158

Bảng I.1 – Các thông số cơ bản để tính toán kết cấu thép 2

Hình I.2 – Sơ đồ tính cổng trục 6

Hình I.3 – Biểu đồ moment uốn 7

Hình I.4 – Sơ đồ cơ cấu nâng 8

Bảng I.2 – Các nhóm chế độ làm việc của cơ cấu nâng 9

Hình I.5 – Sơ đồ mắc cáp 12

Hình I.6 – Mặt cắt puly 15

Hình I.7 – M ặt cắt rãnh cáp 16

Hình I.8 – Bu-lông kẹp cáp 19

B ảng I.3 – Các thông số kích thước 21

Hình I.9 – Động cơ dẫn động 22

B ảng I.4 – Thông số kích thước hình học khớp nối (đơn vị mm) 24

Hình I.10 – Mặt cắt khớp nối 24

Hình I.11 – M ặt cắt khớp nối 25

Hình I.12 – Bố trí cáp nâng 28

Hình I.13 – Sơ đồ tính và biểu đồ moment lực 29

Hình I.14 – Bi ểu đồ moment trục 2 33

Hình I.15 – Sơ đồ gia tải 37

Hình I.16 – M ặt cắt ổ bi 38

B ảng I.5 – Bảng thông số kích thước (đơn vị mm) 38

Hình I.17 – Sơ đồ gia tải 40

Hình I.18 – Mặt cắt ổ bi 41

B ảng I.6 – Bảng thông số kích thước (đơn vị mm) 41

Hình I.19 – Phanh BUBENZER 42

Hình I.20 – Hình ảnh cơ cấu nâng sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện 44

Hình I.21 – Cơ cấu nâng di chuyển cần trục 45

Hình I.22 – Hình ảnh cơ cấu di chuyển sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện 46

Hình I.23 – Sơ đồ truyền động cơ cấu di chuyển xe tời 47

Hình I.24 Hình ảnh motor dẫn động xe tời bên trái sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện 48

Hình I.25 – Hình ảnh cơ cấu xe tời sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện 49

Hình I.26 – Ca bin điều khiển lái cẩu 49

Hình II.3 – K ết nối mạng Profibus và DriveCilQ 125

Hình III.1 – Cách quản lý các khối chương trình trong Step 7 129

Hình III.11 – Các thành ph ần của hệ thống Simocrane 133

Hình III.12 – Tuần tự của các tín hiệu điều khiển khởi động cần trục 135

Hình III.13 – Tu ần tự của các tín hiệu điều khiển tắt cần trục 135

Hình III.14 – Gửi / nhận tín hiệu giữa CPU 315 với Simotion D435 để điều khiển motor dẫn động cơ cấu nâng 136

Hình III.15 – Tuần tự tín hiệu giữa CPU 315 với Simotion D435 để khởi động Motor Module cấp ngu ồn cho motor dẫn động cơ cấu nâng 137

Hình III.16 – Tuần tự tín hiệu giữa CPU 315 với Simotion D435 để dựng Motor Module cấp nguồn cho motor d ẫn động cơ cấu nâng 138

Hình III.17 – Tín hiệu điều khiển motor dẫn động cơ cấu nâng 139

Hình III.18 – Các hàm điều khiển motor dẫn động cơ cấu nâng 140

Hình III.19 – Tín hiệu điều khiển motor dẫn động xe tời 141

Hình III.20 – Các hàm điều khiển motor dẫn động xe tời 142

Hình III.21- Tín hiệu điều khiển motor dẫn động cơ cấu di chuyển cần trục 143

Hình III.22 – Các hàm điều khiển motor dẫn động cơ cấu di chuyển cần trục 144

Hình I.1 – Hình ảnh thực tế cần trục sau khi lắp đặt hoàn thiện và đưa vào sử dụng 1

B ảng I.1 – Các thông số cơ bản để tính toán kết cấu thép 2

Hình I.2 – Sơ đồ tính cổng trục 6

Hình I.3 – Bi ểu đồ moment uốn 7

Hình I.4 – Sơ đồ cơ cấu nâng 8

B ảng I.2 – Các nhóm chế độ làm việc của cơ cấu nâng 9

Hình I.5 – Sơ đồ mắc cáp 12

Hình I.6 – M ặt cắt puly 15

Hình I.7 – Mặt cắt rãnh cáp 16

Hình I.8 – Bu-lông k ẹp cáp 19

Bảng I.3 – Các thông số kích thước 21

Hình I.9 – Động cơ dẫn động 22

Bảng I.4 – Thông số kích thước hình học khớp nối (đơn vị mm) 24

Hình I.10 – M ặt cắt khớp nối 24

Hình I.11 – M ặt cắt khớp nối 25

Hình I.12 – Bố trí cáp nâng 28

Hình I.13 – Sơ đồ tính và biểu đồ moment lực 29

Hình I.14 – Biểu đồ moment trục 2 33

Hình I.15 – Sơ đồ gia tải 37

Hình I.16 – Mặt cắt ổ bi 38

B ảng I.5 – Bảng thông số kích thước (đơn vị mm) 38

Hình I.17 – Sơ đồ gia tải 40

Hình I.18 – M ặt cắt ổ bi 41

Bảng I.6 – Bảng thông số kích thước (đơn vị mm) 41

Hình I.19 – Phanh BUBENZER 42

Hình I.20 – Hình ảnh cơ cấu nâng sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện 44

Hình I.21 – Cơ cấu nâng di chuyển cần trục 45

Hình I.22 – Hình ảnh cơ cấu di chuyển sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện 46

Hình I.23 – Sơ đồ truyền động cơ cấu di chuyển xe tời 47

Hình I.24 Hình ảnh motor dẫn động xe tời bên trái sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện 48

Hình I.25 – Hình ảnh cơ cấu xe tời sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện 49

B ảng II.1 –Kết quả tính toán lựa chọn thiết bị điện bằng phần mềm Sizer 57

Hình II.3 – Kết nối mạng Profibus và DriveCilQ 125

Hình III.1 – Cách qu ản lý các khối chương trình trong Step 7 129

Hình III.11 – Các thành phần của hệ thống Simocrane 133

Hình III.12 – Tu ần tự của các tín hiệu điều khiển khởi động cần trục 135

Hình III.13 – Tuần tự của các tín hiệu điều khiển tắt cần trục 135

Hình III.14 – G ửi / nhận tín hiệu giữa CPU 315 với Simotion D435 để điều khiển motor dẫn động cơ cấu nâng 136

Hình III.15 – Tu ần tự tín hiệu giữa CPU 315 với Simotion D435 để khởi động Motor Module cấp nguồn cho motor dẫn động cơ cấu nâng 137

Hình III.16 – Tu ần tự tín hiệu giữa CPU 315 với Simotion D435 để dựng Motor Module cấp nguồn cho motor dẫn động cơ cấu nâng 138

Hình III.17 – Tín hi ệu điều khiển motor dẫn động cơ cấu nâng 139

Hình III.18 – Các hàm điều khiển motor dẫn động cơ cấu nâng 140

Hình III.19 – Tín hi ệu điều khiển motor dẫn động xe tời 141

Hình III.20 – Các hàm điều khiển motor dẫn động xe tời 142

Hình III.21- Tín hi ệu điều khiển motor dẫn động cơ cấu di chuyển cần trục 143

Hình III.22 – Các hàm điều khiển motor dẫn động cơ cấu di chuyển cần trục 144

MỞ ĐẦU

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, do việc hợp tác kinh tế phát triển, khối lượng hàng hóa ngoại thương trao đổi giữa các nước trên thế giới tăng lên với tốc độ đáng kể Đi liền với khối lượng hàng hóa vận chuyển tăng nhanh trên thế giới, các phương tiện vận chuyển hàng hóa bằng đường biển, đường bộ, đường hàng không cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc

Việt Nam trong tiến trình phát triển đất nước theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa cũng không nằm ngoài xu thế đó Chuyên chở hàng hóa bằng container được bắt đầu từ những năm đầu của thập kỷ 80 và những năm gần đây loại hình này đã có những bước tiến đáng kể Nhu cầu về thiết bị xếp dỡ dùng cho các cảng container theo đó cũng tăng cao

Hiện nay, tại các nước công nghiệp phát triển, máy móc và thiết bị xếp dỡ container được nghiên cứu, chế tạo với mức độ hiện đại hóa cao và ngày càng hoàn thiện nhằm tăng năng suất bốc dỡ, tự động hóa quá trình hoạt động , giải phóng tối đa con người

khỏi lao động nặng nhọc Ở nước ta, nhiều đơn vị đã phải bỏ ra lượng ngoại tệ lớn cho

việc nhập đồng bộ các thiết bị này từ nước ngoài

Nghiên cứu, tính toán, thiết kế cần trục, đặc biệt là hệ thống điều khiển các cần trục container trên cơ sở ứng dụng công nghệ hiện đại, sử dụng các chương trình tính toán tiên tiến, nhằm chế tạo ra các cần trục xếp dỡ container thay thế cho các thiết bị mà hiện nay đang phải nhập khẩu từ nước ngòai với giá thành rất cao Ngòai ra việc tính tóan thiết kế thành công hệ thống điều khiển còn ứng dụng rất hiệu quả vào việc hóan cải, nâng cấp các thiết bị xếp dỡ thế hệ cũ hiện đang sử dụng ở các cảng container nhằm tăng năng suất xếp dỡ của cần trục container, tăng tính ổn định và mức độ chính xác trong

hoạt động khai thác container

M ỤC TIÊU ĐỀ TÀI

• Tính toán thiết kế cần trục conatiner, xây dựng các bản vẽ thiết kế, trình đăng

kiểm phê duyệt thiết kế

• Xây dựng các bản vẽ chi tiết về hệ thống điện của cần trục container

• Xây dựng phần mềm điều khiển hoàn chỉnh hệ thống các cơ cấu của cần trục: bao gồm cơ cấu tời nâng hàng, cơ cấu di chuyển xe tời, cơ cấu di chuyển cần

trục

• Thực hiện các công việc lắp đặt cần trục, cài đặt chương trình, căn chỉnh, thử

hoạt động của các cơ cấu; kiểm định đạt yêu cầu và đưa vào sử dụng, khai thác tại cảng

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Từ yêu cầu thực tế sản xuất, lựa chọn và tính toán để thiết kế cẩu trục container bánh ray với các thông số kỹ thuật phù hợp, cụ thể:

• Yêu c ầu sản xuất: đầu tư lắp đặt 01 cần trục trục di chuyển trên ray tại Bến

sà lan phục vụ bốc xếp container cho các sà lan chở container thông dụng với đặc tính kỹ thuật của sà lan như sau:

- Chiều dài thiết kế: 58 m

- Chiều rộng thiết kế: 12,4 m

- Chiều cao mạn: 4,2 m

- Mớn nước đầy tải: 3,45 m

- Lượng chiếm nước đầy tải: 1.895 T

- Trọng tải: 90 TEU (1505 T)

- Năng suất xếp dỡ 30 container/h với ngáng container tự động

• Thông s ố kỹ thuật cần trục yêu cầu:

- Sức nâng lớn nhất dưới khung chụp: 36 tấn

- Khoảng cách hai ray cổng trục: 26 m

- Khoảng cách hai ray xe tời: 12 m

- Tầm với phía nước: 14 m

- Tốc độ nâng (có tải/không tải) 18/36 m/ph

- Tốc độ di chuyển xe tời (có tải/không tải): 50/70 m/ph

- Tốc độ di chuyển cẩu có (tải/không tải): 40/40 m/ph

- Áp lực lớn nhất trên bánh xe 27 tấn

- Đường kính bánh xe: 600 mm

- Tổng số bánh xe di chuyển: 20 chiếc

- Số lượng bánh xe/góc: Phía nước:06 Phiá bờ: 04

- Nguồn điện cung cấp: AC 380V – 50Hz – 3 pha

CHƯƠNG 1

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP

Hình I.1 – Hình ảnh thực tế cần trục sau khi lắp đặt hoàn thiện và đưa vào sử dụng

ĐĂNG KIỂM PHÊ DUYỆT

(Phụ lục 01: Bản vẽ thiết kế cơ khí và bản vẽ hoàn công được đăng kiểm phê duyệt)

1.2 TÍNH TOÁN THI ẾT KẾ KẾT CẤU THÉP

1.2.1 Các thông s ố cơ bản để tính toán kết cấu thép

B ảng I.1 – Các thông số cơ bản để tính toán kết cấu thép

THÔNG SỐ HÌNH HỌC

THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC

1 Vận tốc di chuyển cổng có tải/không tải 40/40 m/ph

2 Vận tốc di chuyển xe tời có tải/không tải 50/70 m/ph

1.2.2 V ật liệu chế tạo cổng trục

Theo như số liệu và hồ sơ thu thập, vật liệu kết cấu thép của là thép có mác thép SS400 theo tiêu chuẩn Nhật JIS

• Môđun đàn hồi khi kéo: E = 2,1.106 kG/cm2

• Môđun đàn hồi trượt: G = 0,81 106 kG/cm2

Trọng lượng bản thân cổng trục bao gồm trọng lượng phần kết cấu thép, nhà tời,

cơ cấu nâng hạ, thiết bị điện, cabin điều khiển… Dựa vào hồ sơ kỹ thuật của các loại

cổng trục thông dụng có cùng sức nâng, hồ sơ và máy mẫu, ta ước tính sơ bộ trọng lượng của cổng trục: Gc (T)

• Khối lượng bản thân dầm chính: 62,54 (T)

• Khối lượng kết cấu thép 2 chân: 66 (T)

• Khối lượng khung chụp: 10 (T)

• Khối lượng mỗi cụm chân: 5 (T)

1.2.3.2 Tr ọng lượng xe con:

Đây là loại cổng trục có kết cấu xe tời cũng khá giống so với những dạng cổng trục thông thường Cụm tời nâng hàng của cổng trục được đặt cố định lên kết cấu thép làm cho trọng lượng của xe tời tăng lên đáng kể Lấy theo máy mẫu, trọng lượng của xe tời chưa kể tới trọng lượng thiết bị nâng: Gx = 27 (T)

1.2.3.3 Tr ọng lượng hàng nâng và khung chụp:

• Trọng lượng hàng nâng: Q=36 (T)

• Khung chụp: Q=10 (T)

• Khối lượng hàng và bộ phận mang: =46 (T):

1.2.3.4 L ực quán tính ngang khi hãm cơ cấu di chuyển xe con:

Trong đó:

• =27 (T): Khối lượng xe con

γ0ε

5 , 1

P qt = ( x + h).

m

• =46 (T): Khối lượng hàng và bộ phận mang

• j=0,515 ( ): Gia tốc khi khởi động (hãm) xe con

Thay vào:

=(27 + 46).10 0,515=37595 (kg)

1.2.3.5 T ải trọng gió tác dụng lên kết cấu:

1.2.3.5.1 Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu ở trạng thái làm việc:

Trong đó:

: Áp lực gió tác dụng lên máy trục, Kg

F =F + =180 (m ): Diện tích chắn gió tính toán của kết cấu và vật nâng (trong trạng thái làm việc), m

Diện tích chắn gió của vật nâng F =20 m ,

Diện tích chắn gió của kết cấu:

=1.160=160(m ) Trong đó:

• =1: Hệ số độ kín đối với thép hộp

• = 160 m : Diện tích bao của kết cấu được tính gần đúng thông qua các

mặt cắt giả định trước và kích thước hình học của cổng trục

Áp lực gió tác dụng lên máy trục:

Trong đó:

• =25 : Áp lực gió trung bình ở trạng thái trung bình đối với cần

0 n c q

• =1,25: Hệ số kể đến tác dụng động của gió lên kết cấu, tra bảng đối với

cần trục có độ cứng vững cao

• =1: Hệ số vượt tải, lấy đối với phương pháp ứng suất cho phép

Thay vào (4.6):

48,75 Thay vào (4.4):

=8775 (KG) 1.2.3.5.2 Tính toán tải trọng gió tác dụng lên cơ cấu ở trạng thái không làm

• =100 : Áp lực gió bão đối với cần trục cảng

• n=1,0 1,32: Hệ số hiệu chỉnh áp lực gió tính đến sự tăng áp lực gió theo chiều cao, tra bảng (4.5)[6]

• c=1,2: Hệ số khí động học của kết cấu, tra bảng (4.6)[6]

• =1,25: hệ số kể đến tác dụng động của gió lên kết cấu, tra bảng đối với

cần trục có độ cứng vững cao

• =1: hệ số vượt tải, lấy đối với phương pháp ứng suất cho phép

Thay vào (4.6):

195 Thay vào (4.4):

=

II g

P

γ

β .

0 n c q

=

II g

P

Lực xô ngang chân cổng xuất hiện khi có tải trọng di động dọc kết cấu của cầu trên, do trọng lượng bản thân chân cổng hoặc các tải trọng khác tác dụng lên cổng khi cổng là kết cấu hai chân cứng

Lực xô ngang chỉ xuất hiện khi cổng đứng yên, khi cổng trục di chuyển lực xô ngang bị triệt tiêu

Hình I.2 – Sơ đồ tính cổng trục

max

Hình I.3 – Bi ểu đồ moment uốn

1.3.1 Tính toán thi ết kế cơ cấu nâng

1.3.1.1 Gi ới thiệu về cơ cấu nâng

Cơ cấu nâng là cơ cấu dùng để nâng hạ vật nâng theo phương thẳng đứng ngoại

lực tác dụng lên cơ cấu là trọng lực và lực quán tính Cơ cấu nâng có thể là một bộ

phận của máy hoặc là một máy làm việc độc lập Theo cách truyền lực lên phần chuyển động phân ra:

• Tời cp v tời xích với tang quấn cp hoặc puly ma sát

• Kích thanh răng, kích vít với truyền động bánh răng bánh răng hay truyền động vít

• Kích thủy lực

• Cơ cấu nâng quan trọng và được dùng phổ biến với tời cáp với tang cuốn cáp Ở thang máy chủ yếu dùng puly ma sát

1.3.1.2 Sơ đồ truyền động cơ cấu nâng

Hình I.4 – Sơ đồ cơ cấu nâng

1 – Tang cu ốn cáp; 2 – Khớp nối; 3 – Hộp giảm tốc; 4 – Trục truyền

1.3.1.3 Nguyên lý ho ạt động

Đây là loại sơ đồ động có kết cấu cơ bản Các liên kết đều được tối ưu hóa nhằm nâng cao khả năng hoạt động của cơ cấu và giảm kích thước, khối lượng của cơ cấu Động cơ 6 có vai trò dẫn động cơ cấu, khi động cơ hoạt động(cơ cấu hoạt động), momet xoắn được truyền tới trục đầu vào của hộp giảm tốc thông qua khớp nối có

gắn đĩa phanh Hộp giảm tốc 3 được cố định xuống phần kết cấu thép của xe tời thông qua các thanh giá đỡ Tại hộp giảm tốc, moment xoắn truyền từ động cơ tới được khuếch đại, momet xoắn này được truyền cho tời nâng 1 thông qua trục truyền cũng

là trục tang Moment xoắn được truyền tới tang giúp tang hoạt động, thực hiện thao tác nâng (hạ) theo yêu cầu

1.3.1.4 Các d ữ liệu ban đầu để tính toán cơ cấu nâng

Sức nâng : Q = 36Tf

• Trọng lượng bộ phận mang hàng (ngáng nâng): Qm = 10T

• Chiều cao nâng : Hn = 11.5 m

• Chiều sâu hạ : Hh = -3 m

• Tốc độ nâng khung chụp có tải và không tải: Vn = 20/40 (m/phút)

• Gia/giảm tốc với tải định mức là: 2s

• Gia/giảm tốc với container rỗng là: 4s

1.3.1.5 Xác định chế độ làm việc của cơ cấu nâng

Đối tượng phục vụ của máy nâng rất đa dạng, điều kiện sử dụng và yêu cầu công

việc không giống nhau Để thống nhất về điều kiện sử dụng mà chủ yếu ở đây là mức

độ sử dụng máy theo thời gian và mức độ chất tải, người ta phân loại các cơ cấu và máy nâng theo các nhóm chế độ làm việc tiêu chuẩn

Theo tiêu chuẩn 5862-1995, các cơ cấu của máy nâng được phân ra 8 nhóm chế

độ làm việc ký hiệu từ M1 ÷M8 ứng với 10 cấp sử dụng T0÷T9 và 4 cấp tải của L1 ÷

L4

B ảng I.2 – Các nhóm chế độ làm việc của cơ cấu nâng

Theo các bảng(0.5) ;(0.6); (0.8)[04] ta chọn chế độ làm việc của cơ cấu nâng như sau:

• T6: tổng thời gian sử dụng cơ cấu 6300 12500h, sử dụng căng và thất thường

• L2 : trạng thái tải vừa, hệ số phổ tải danh nghĩa =0,125 0,25, cơ cấu nhiều khi chịu tải tối đa, thông thường chịu tải vừa

Theo bảng (2.2) thì chế độ làm việc của cơ cấu nâng của cầu chuyển tải ứng với

• Qtb: Trọng lượng trung bình của vật nâng

• Q: Tải trọng danh nghĩa của cơ cấu

Hệ số sử dụng cơ cấu trong ngày:

(hng: Số giờ làm việc trong ngày)

Hệ số sử dụng cơ cấu trong năm:

(hn: Số ngày làm việc trong năm)

Cường độ làm việc của động cơ:

16

24 = =

= ng ng

h k

5 0 365

T To

• T: Toàn bộ (t) hoạt động của cơ cấu trong môt chu kỳ

• tm: Tổng thời gian mở máy

• tv : Tổng thời gian chuyển động với tốc độ ổn định

• tp : Tổng thời gian phanh

• td : Tổng thời gian dừng máy

Nhiệt độ môi trường xung quanh: 0 450C

Tra theo (bảng 1.2)[02] ta được cường độ làm việc của cơ cấu:

CĐ% = 40 (%)

Tức cơ cấu làm việc với các tải trọng nâng khác nhau, hệ số sử dụng cơ cấu theo

tải trọng đạt khoảng 75%, tốc độ làm việc trung bình, cường độ làm việc của động cơ khoảng 40% , số lần mở máy trong 1 giờ đến 120 lần

1.3.1.6 Tính ch ọn cáp nâng hàng

1.3.1.6.1 Pa lăng nâng hàng:

Palăng cáp là một hệ thống bao gồm các puly cố định và di động nối với nhau

bằng cáp nhằm giảm lực căng cáp so với lực kéo của hệ thống hoặc tăng tốc độ kéo

của hệ thống so với tốc độ cáp

= t m t v To

= t m t v t p t d T

÷

Hình I.5 – Sơ đồ mắc cáp

Với sức nâng danh nghĩa 46T là sức nâng tương đối lớn nên để giảm lực căng trong mỗi nhánh cáp nâng hàng, tăng tuổi thọ cho cáp nâng, tang nâng, ta chọn hệ palăng là loại palăng lực(hệ palăng thuận ) lợi về lực

Đại lượng đặc trưng cho palăng cáp là bội suất palăng i Bội suất palăng thể hiện

số lần giảm đi của lực căng cáp đi so với tải trọng nâng Q được xác định bằng công

i =

1.3.1.6.2 Cáp nâng hàng:

Trong máy trục cáp thép được sử dụng rất phổ biến rộng rãi đặc biệt là trong cơ

cấu nâng Có nhiều loại cáp thép như cáp bện kép, cáp bện ba lớp, cáp bện xuôi, cáp

bện chéo, cáp bện hỗn hợp

Để chọn được cáp thép cho cơ cấu ta phải dựa vào giá trị lực kéo đứt của sợi cáp:

Lực trong dây cáp cuộn vào tang:

• z = 4: Số palăng đơn trong cơ cấu

• ηo: Hiệu suất chung của palăng và puly chuyển hướng

• ηo= ηp ηđh=0,98.0,92=0,903 (2.2)[01]

Trong đó:

• ηp: Hiệu suất của palăng

• ηđh: Hiệu suất của puly chuyển hướng chuyển động cáp

• ηp = = = 0,98 (2.3)[01]

• η = 0.96: Hiệu suất của 01 puly Theo bảng (2.1)[01]

• ηđh = ηp =0,984 =0,92 (n là số puly chuyển hướng)

z Q

1 a

2

1

96 , 0 1

96 , 0

1 2

−

−

7 , 6367 903

, 0 2 4

10

• S = St = 6367,7 KG: Lực căng lớn nhất trong dây cáp (không tính tải trọng động)

• k=6: Hệ số an toàn Tra theo bảng (2.3)[01]

÷ d c

α 0 ÷ 0

÷ d c

Dp H.dc Trong đó:

• H=22,4 hệ số đối với puly (nhĩm 6) Bảng 2.3.2.3.1.1[07]

• dc: Đường kính cáp thép

=> Dp≥ 22,4.25,5=541,2 (mm)

Chọn Dp = 550 (mm)

Hình I.6 – M ặt cắt puly

1.3.1.8 Tính toán các kích thước cơ bản của tang

Tang là chi tiết dùng để cuốn cáp biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh

tiến và truyền lực tời cáp và các bộ phận khác

1.3.1.8.1 Tính toán các kích thước cơ bản của tang

Đường kính tang được tính dựa vào điều kiện (2.9)[01]:

D .e=25,5.30=765(mm) (2.9)[01]

=> Chọn đường kính tang D= 850 (mm)

≥

≥ d c

Thiết bị làm việc với tải trọng danh nghĩa Q=36T và kích thước danh nghĩa của tang D=850mm cũng tương đối lớn nên nếu chế tạo bằng phương pháp đúc thông thường thì kích thước sẽ rất cồng kềnh và tải trọng bản thân lớn Do đó, tang sẽ được

chế tạo bằng phương pháp hàn, là loại tang một lớp cáp, có xẻ rãnh; phương pháp này

sẽ làm giảm đáng kể trọng lượng bản thân của tang, rãnh cáp trên tang có tác dụng

cuốn đều cáp lên tang, các vòng cáp không tiếp xúc nhau và diện tích tiếp xúc giữa cáp và tang lớn làm giảm ứng suất tiếp xúc,tăng độ bền của cáp

63677

mm

=

• T=29 (mm): bước cáp, bước rãnh tang

• [σ]n=σch/2=250 (N/mm2): ứng suất nén cho phép của vật liệu làm tang Do

chọn vật liệu làm tang là 40X thường hoá ứng suất chảy:

• σch= 500(N.m)

⇒ Chọn chiều dày thành tang: =25(mm)

Chiều dài cáp cuốn vào tang từ 01 palăng:

• Lc=H.a + D.(z1+z2) (2.10)[01]

Trong đó:

• H: Chiều cao nâng hàng.H=14,5 (m)

• a: Bội suất palăng a =2

• D: Đường kính tang tính đến đường trung bình của lớp cáp cuốn trên tang

• 1,5: vòng cáp để giảm tải trọng trên đầu kẹp cáp

• a=2: Bội suất palăng

• H=14,5: Chiều cao nâng hàng

D

H

a

π 850 1,5).29

10.5,14.2(

3+π

Do đây là loại tang quấn một lớp cáp, có chiều dài tang không lớn hơn 3 lần đường kính của nó (L 3.D ) nên thành phần ứng suất uốn và xoắn rất nhỏ, chỉ bằng

10 15% ứng suất nén Trường hợp này cho phép kiểm tra bền thành tang theo ứng

suất nén còn ứng suất uốn và xoắn được tính đến bằng cách tăng hệ số an toàn bền khi tính ứng suất cho phép

n

t D

δδ

5,9029.25.5,824

251

=σσ

[ ]σ

σn ≤

1.3.1.8.3 Tính chọn và kiểm tra lực kẹp đầu cáp trên tang

Ta áp dụng phương pháp cố định đầu cáp lên tang thông dụng nhất là dùng tấm đệm bên ngoài ép cáp lên bề mặt tang bằng bu lông Do đường kính cáp d=25,5mm nên ta sử dụng 1 tấm đệm kẹp 2 bu lông

e F

π 3 15 , 063677

e

• d1= 30 mm: Đường kính chân ren của bu lông

• l = 20 mm: Khoảng cách từ đầu bu lông đến tang

• = 90 N/mm2: Ứng suất cho phép kéo đứt của vật liệu làm bulông

F

βsin

1

f

f =

040sin

15,0

23 , 0 15 , 0 (

2

7 , 15488

2 15 ,

N k

][.1,0

4

3,1

3 1 2

1

σπ

3 2

30.1,0

20.34,1314.5,1

4

30

52,5714.5,1.3,

=

∑

πσ

[ ]σd

σ1 ≤

1.3.1.9 Tính ch ọn động cơ dẫn động cho cơ cấu nâng

cơ, chế độ làm việc ta chọn động cơ có các thống số sau:

Số Seri: No: 1LG4317- 4AA60-Z (Made in SEC)

Type: SIEMENS

Các thông số cơ bản của động cơ:

B ảng I.3 – Các thông số kích thước

3 / 1 10

46 3

• P = 200 (Kw): Công suất của động cơ

• n = 1486 (v/ph): Số vòng quay ủa động cơ

• U= 400 (V) : Hiệu điện thế

• Hz =50 (hec): Tần số

• J =3,5 (kg.m2): Moment quán tính của động cơ

1.3.1.10 Tính ch ọn bộ truyền cho cơ cấu nâng

= =14,97 (v/p) (2.35)[02]

Tỷ số truyền của bộ truyền:

Theo tỉ số truyền tính toán, và công suất của động cơ đ chọn, ta chọn hộp giảm

tốc với số liệu cụ thể như sau:

D

i V

n t h p

.π

=

85,0

2.20π

141486 =

Serial No: PHD 9115 P4 - BB-100 (Made in SEC)

Type: SUMITOMO

Các thông số cơ bản của hộp giảm tốc:

• P = 312 (Kw): Công suất của hộp giảm tốc

• I = 102,87: Tỉ số truyền chính xác của hộp giảm tốc

• n1= 1500 (v/ph): Số vòng quay trục quay nhanh của hộp giảm tốc

• n2= 15 (V/ph) : Số vòng quay trục quay chậm của hộp giảm tốc

• ç = 95÷98% : Hiệu suất của bộ truyền

1.3.1.11 Tính ch ọn khớp nối cho cơ cấu nâng

Mô men cản tĩnh trên trục động cơ khi khởi động tính cho hai tang cuộn hai nhánh cáp bằng:

Trong đó:

• a=4: Số nhánh cáp kẹp trên tang

• i =102,87: Tỉ số truyền chung từ trục động cơ đến trục tang

• Moment định mức trên trục động cơ:

• Mđm = 975 = 975 = 131,22 (KG.m)

• Moment tính toán để chọn khớp nối giữa động cơ và hộp giảm tốc là:

• Mknđc = Mđmđc.k1.k2 (1.65)[02]

Trong đó:

• Mđm= 131,22 (KG.m): Moment định mức trên trục động cơ

• k1=1,3: Hệ số tính đến mức độ quan trọng của cơ cấu, tra bảng (1.21)[02]

• k2=1,3: Hệ số tính đến chế độ làm việc của cơ cấu, tra bảng (1.21)[02]

• Thay vào:

• Mknđc = 131,22 1,3 1,3 = 221,76 (kGm)

η 2

p

tt t

i

D z F

15,11393,0.87,102.2

85,0.4.7,

Dựa vào trị số moment trên, ta chọn khớp mềm có gắn đĩa phanh, có các thông

• i: Tỉ số truyền chung của hộp giảm tốc

η

.i

M đmđc

• ç: Hiệu suất của bộ truyền

⇒ Moment định mức trên trục đầu ra của hộp giảm tốc:

Do hộp giảm tốc chọn là loại có 2 trục đầu ra, trong khi đó trong quá trình làm

việc, tải trọng và moment cản của cả hai trục là như nhau nên moment trên mỗi trục

ra lấy bằng 0,5 moment tính toán của hộp giảm tốc

Moment tính toán để chọn khớp nối giữa hộp giảm tốc và tang tời:

Mkngt = Mđmgt.k1.k2

⇒Mđmgt=6411,835.1,3.1,3=10836 (kG.m)

Theo yêu cầu của Công ty Tân Cảng Sài Gòn, khớp nối giữa hộp giảm tốc và

trục tang sẽ được chế tạo Yêu cầu đặt ra là phải chế tạo khớp nối có thông số kích thước và các đặc tính kĩ thuật thỏa mãn yêu cầu tính toán trên

Hình I.11 – M ặt cắt khớp nối

1.3.1.12 Ki ểm tra động cơ

Động cơ điện chọn cho cơ cấu máy trục phải thoả mãn hai yêu cầu:

95,0.87,102.22,131

21

Khi làm việc với thời gian dài với chế độ ngắn hạn lặp lại với cường độ cho trước, động cơ không được nóng quá giới hạn cho phép, để không làm hỏng vật liệu cách điện trong động cơ

Công suất động cơ phải đủ để đảm bảo mở máy với gia tốc cho trước

Moment cản tĩnh trên trục động cơ khi khởi động tính cho tang cuộn hai nhánh cáp bằng:

Trong đó:

• a=4: Số nhánh cáp kẹp trên tang

• i =102,87: Tỉ số truyền chung từ trục động cơ đến trục tang

Moment định mức trên trục động cơ:

p

tt t

i

D z F

22,11393,0.87,102.2

85,0.4.7,

2

min max +ψψ

max

maxψmin

ψ

22,131.2

1,125,

2 +

÷

H

H tb =0,8

Vậy điều kiện hoạt động của động cơ dẫn động được đảm bảo vì Ntb Nđm

1.3.1.13 Tính toán và ki ểm tra bền trục tang

Chọn vật liệu làm trục tang: do tang trống có kích thước lớn, là chi tiết quan trọng trong máy trục nên ta chọn vật liệu chế tạo là thép 40X tôi cải thiện để chế tạo trục

với các đặc tính cơ bản sau:

20

6 , 11

50

60 48 8 , 0

t

t M t

M

16,194

35.22,1138.79,

1486 57 , 65 975

.

Kw n

=550

Với chiều dài của tương đối lớn Lt = 1000 (mm) để tiết kiệm vật liệu làm trục, ta thiết kế trục tang là loại bán trục Về phía ăn khớp với hộp giảm tốc, thì trục tang được chế tạo có vai trò là trục truyền lực từ hộp giảm tốc tới tang quấn cáp, và đồng

thời nó cũng có vai trò đỡ và truyền moment xoắn cho tang, ta gọi là trục tang 1

Về phía ngoài của tang, phần không ăn khớp với hộp giảm tốc, thì trục tang được

chế tạo dạng consol, đặt trên ổ đỡ và chỉ có nhiệm vụ đỡ tang, ta gọi là trục tang 2 Moment trên trục đầu ra của hộp giảm tốc truyền động cho tang thông qua khớp

nối, trục truyền, rồi đến mayơ của tang Mayơ của tang được chế tạo có mặt bích để liên kết với tang Từ mayơ moment được truyền lên tang, làm tang quay Như vậy

phần trục tang có vai trò là trục truyền, thì không những chịu moment xoắn mà còn

chịu cả moment uốn

1.3.1.14 Tính toán tr ục tang nối từ hộp giảm tốc tới tang

1.3.1.14.1 Tính toán thiết kế trục:

Hình I.12 – B ố trí cáp nâng

Do đặc tính của cơ cấu bố trí cáp nâng hàng đối xứng nhau qua trục tang, nên các thành phần lực do lực căng cáp gây ra đều triệt tiêu

Tải trọng tính toán tác dụng lên trục tang trong trường hợp này chỉ có moment

xoắn được truyền từ hộp giảm tốc, moment cản được gây ra do trọng lượng hàng và

ch

/ mm

N

thiết bị mang, ngoài ra tại phần nối với tang, trục còn chịu thêm tải trọng bản thân

của tang và cáp quấn trên tang

Ta chọn vật liệu chế tạo trục tang là thép 40X tôi cải thiện có giới hạn bền σb=900 (N/mm2), giới hạn chảy σch=550(N/mm2),

Hình I.13 – Sơ đồ tính và biểu đồ moment lực

Tính gần đúng có xét tác dụng đồng thời cả momen uốn lẫn momen xoắn đến sức

bền của trục, trong trường hợp này chịu đủ cả 2 thành phần là moment uốn và moment

xoắn Đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm được tính theo công thức sau: