THIẾT KẾ CẨU THỦY LỰC

Trong nền kinh tế thị trường, ngoài việc cạnh tranh khốc liệt về giá cả, chất lượng của hàng hóa còn có cả việc cạnh tranh về thời gian cung cấp dịch vụ.Việc áp dụng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật vào quá trình vận chuyển hàng hóa, qua đó làm tăng hiệu quả sản xuất và giải phóng sức lao động của con người. Cẩu thủy lực là thiết bị vô cùng quan trọng trong nghành vận chuyển hàng hóa bằng đường biển. Nó có nhiệm vụ bốc dỡ hàng hóa, thiết bị có trọng lƣợng và kích thước lớn từ tàu lên bờ và ngược lại với tốc độ nhanh. Ngày nay, trên các tàu biển đóng mới hầu như lắp đặt các cẩu để bốc dỡ hàng hóa, nhu cầu ngày càng tăng lên khi các tàu biển vừa và nhỏ càng cạnh tranh nhau thị trường vận chuyển. Trong khi đó, tại các nhà máy đóng tàu ở Việt Nam cũng nhƣ các công ty sửa chữa tàu biển chưa có phòng thiết kế cẩu thủy lực cho tàu biển mà các cẩu thủy lực lắp đặt trên tàu được nhập từ nước ngoài với các thông tin kỹ thuật của nhà sản xuất đưa ra

Mục lục

MỞ ĐẦU

1 Tính bức thiết của đề tài 5

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 5

3 Mục đích của đề tài 5

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 6

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6

6 Giới hạn của đề tài 6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNGTHỦY LỰC THỂ TÍCH 1.1 Khái niệm chung 7

1.1.1 Các thông số làm việc cơ bản của truyền động thủy lực thể tích 8

1.1.2 Yêu cầu của chất lỏng làm việc 9

1.2 Bơm thủy lực 9

1.2.1 Bơm piston rôto hướng kính 10

1.2.2 Bơm piston rôto hướng trục 13

1.3 Động cơ thủy lực 15

1.3.1 Động cơ thủy lực piston hướng kính 16

1.3.2 Động cơ thủy lực piston hướng trục 18

1.4 Các phần tử thủy lực 19

1.4.1 Các van hướng dòng 19

1.4.2 Cơ cấu điều chỉnh lưu lượng 20

1.4.3 Các van điều khiển áp suất 21

1.5 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ thủy lực 23

1.5.1 Phương pháp thể tích 24

1.5.2 Phương pháp tiết lưu 26

Chương 2 XÂY DỰNG CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỦY LỰC CỦA MỘT CẨU CƠ BẢN 2.1 Tổng quan các loại cẩu thủy lực derrick lắp trên tàu thủy 30

2.1.1 Cẩu Derrick đơn 31

2.1.2 Cẩu Derrick đôi 32

2.2 Lựa chọn sơ đồ hệ thống cẩu thủy lực dự kiến 33

2.3 Phương pháp tính chọn các chi tiết của hệ thống thủy lực 35

2.3.1 Động cơ thủy lực 35

2.3.2 Bơm thủy lực 43

2.3.3 Động cơ điện lai bơm thủy lực 45

2.3.4 Đường ống dẫn 45

2.4 Tổn thất thủy lực của hệ thống 46

2.4.1 Tổn thất dọc đường 46

2.4.2 Tổn thất cục bộ 47

Chương 3 LỰA CHỌN LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CẨU THỦY LỰC CHO TÀU APOLLO PACIFIC 3.1 Lựa chọn thông số ban đầu 48

3.2 Thiết kế sơ đồ hệ thống cẩu derrick thủy lực 49

3.3 Tính chọn các thiết bị thủy lực của hệ thống 50

3.3.1 Động cơ thủy lực nâng hạ hàng hóa 50

3.3.2 Động cơ thủy lực nâng hạ cần cẩu 53

3.3.3 Động cơ thủy lực xoay cần 57

3.3.4 Bơm thủy lực 60

3.4 Tích hợp các thiết bị vào hệ thống và hiệu chỉnh 63

3.4.1 Van trượt phân phối 63

3.4.2 Van an toàn 63

3.4.3 Van hãm ngược 64

3.4.4 Van một chiều 65

3.4.5 Van chặn 66

3.5 Loại dầu được sử dụng 67

3.6 Đường ống dẫn dầu 68

3.7 Tính tổn thất thủy lực trên tuyến ống 70

3.8 Mô phỏng hệ thủy lực nâng hàng 72 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 Kết cấu của bơm rôto piston hướng kính 11

Hình 1.2 Đặc tính của bơm rôto piston hướng kính 12

Hình 1.3 Bơm piston hướng trục 13

Hình 1.4 Đặc tính của bơm rôto piston hướng trục 14

Hình 1.5 Động cơ thủy lực piston hướng kính 17

Hình 1.6 Các đường đặc tính làm việc của động cơ thủy lực piston hướng kính 17

Hình 1.7 Kết cấu động cơ thủy lực hướng trục 18

Hình 1.8 Hệ thống thủy lực với van tiết lưu điều chỉnh được đăt ở lối ra 20

Hình 1.9 Hệ thống có đặt van cản ở lối ra khỏi động cơ thủy lực 22

Hình 1.10 Hệ thống có đặt tiết lưu ở lối vào động cơ thủy lực 27

Hình 1.11 Hệ thống có đặt tiết lưu ở lối ra động cơ thủy lực 28

Hình 1.12 Hệ thống có đặt tiết lưu song song với động cơ thủy lực 29

Hình 2.1 Sơ đồ cẩu derrick đơn kiểu quay (cột chữ I) 31

Hình 2.2 Sơ đồ cẩu derrick đơn kiểu Halen (cột chữ T) 32

Hình 2.3 Sơ đồ cẩu derrick đôi 33

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cẩu thủy lực 34

Hình 2.5 Sơ đồ tính lực của cẩu khi nâng hàng 36

Hình 2.6 Sơ đồ tính lực trong palăng nâng cần 38

Hình 2.7 Lực tác dụng lên cần khi quay 41

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống cẩu thủy lực lắp trên tàu Apollo pacific 49

Hình 3.2 Sơ đồ lực kéo nâng hạ hàng hóa 50

Hình 3.3 Đặc tính làm việc của động cơ thủy lực MRH-30 của hãng KYB Hydrostar 53

Hình 3.4 Sơ đồ lực nâng hạ cần cẩu 53

Hình 3.5 Đặc tính làm việc của động cơ thủy lựcMRH-45 của hãng KYB Hydrostar 56

Hình 3.6 Đặc tính làm việc của động cơ thủy lựcMRH-80 của hãng KYB Hydrostar 60

Hình 3.7 Kết cấu của bơm piston hướng trục A7VO107 của hãng Bosch Rexroth 61

Hình 3.8 Đặc tính bơm A7VO107 của hãng Bosch Rexroth 62

Hình 3.9 Biểu đồ chọn vùng độ nhớt công tác tối ưu của dầu, theo hãng Rexroth, số trong ngoặc đơn trên trục đứng là độ nhớt cSt, trên trục ngang là độ C 60

Hình 3.10 Biểu đồ chọn đường kính trong của ống dẫn theo lưu lượng và tốc độ dầu

khuyên dùng (trong hệ mét) 69

Hình 3.11 Bảng dùng để xác định chiều dài tương đương của các đoạn ống gây tổn thất cục bộ (hãng IMO) 70

Hình 3.12 Mô hình hệ thống nâng hạ hàng trong SIMULINK, MATLAB 74

Hình 3.13 Áp suất dầu tại nhánh A sau van 1 chiều hãm ngược và tại bơm 75

Hình 3.14 Lưu lượng thay đổi theo thời gian , đo tại bơm và Đặc tính duy trì công suất gần không đổi của bơm 75

Hình 3.15 Biến thiên theo thời gian của vòng quay động cơ, moment và công suất trên trục động cơ thủy lực nâng hàng 75

Hình 3.16 Tín hiệu điều khiển van hướng dòng (E_A và E_B) và moment tải trên trục động cơ thủy lực 75

Hình 3.17 Tốc độ nâng hạ hàng (m/s) theo thời gian 76

Hình 3.18 Vị trí móc hàng (m) theo thời gian 76

Hình 3.19 Tốc độ kéo cáp tại trống (m/s) theo thời gian 76

Hình 3.20 Chuyển vị cáp nâng hạ hàng (m) theo thời gian 76

MỞ ĐẦU

1 Tính bức thiết của đề tài

Trong nền kinh tế thị trường, ngoài việc cạnh tranh khốc liệt về giá cả, chất lượng của hàng hóa còn có cả việc cạnh tranh về thời gian cung cấp dịch vụ.Việc áp dụng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật vào quá trình vận chuyển hàng hóa, qua đó

làm tăng hiệu quả sản xuất và giải phóng sức lao động của con người

Cẩu thủy lực là thiết bị vô cùng quan trọng trong nghành vận chuyển hàng hóa bằng đường biển Nó có nhiệm vụ bốc dỡ hàng hóa, thiết bị có trọng lượng và kích

thước lớn từ tàu lên bờ và ngược lại với tốc độ nhanh

Ngày nay, trên các tàu biển đóng mới hầu như lắp đặt các cẩu để bốc dỡ hàng hóa, nhu cầu ngày càng tăng lên khi các tàu biển vừa và nhỏ càng cạnh tranh nhau thị trường vận chuyển Trong khi đó, tại các nhà máy đóng tàu ở Việt Nam cũng như các công ty sửa chữa tàu biển chưa có phòng thiết kế cẩu thủy lực cho tàu biển mà các cẩu thủy lực lắp đặt trên tàu được nhập từ nước ngoài với các thông tin kỹ thuật của nhà sản

xuất đưa ra

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về cơ chất lỏng cùng với đặc tính làm việc của các thiết bị thủy lực để nghiên cứu thiết kế cẩu thủy lực loại derrick nhằm đáp ứng nhu

cầu của một nền kinh tế đương đại

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới, các nước có ngành công nghiệp phát triển đã có nhiều nghiên cứu

về các thiết bị truyền dẫn thủy lực Tuy nhiên các tài liệu liên quan đến thiết kế không

nhiều hầu như chỉ có thông tin để bán thiết bị

Còn ở Việt Nam, với thông tin tìm được thì việc thiết kế cẩu thủy lực lắp cho tàu

là hoàn toàn không có Các tàu đóng mới thì các cẩu thủy lực lắp đặt được nhập từ nước

ngoài với các thông tin của nhà sản xuất

3 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu thiết kế hệ thống thủy lực của cẩu để lắp trên tàu Apollo Pacific

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống thủy lực cẩu derrick lắp trên tàu Apollo Pacific Sau khi tiến hành nghiên cứu đặc tính hoạt động của tàu, kết hợp lý

thuyết tính toán để thiết kế một cẩu thủy lực dạng derrick phù hợp cho tàu

Lý thuyết tính toán

- Nghiên cứu quá trình chuyển động của chất lỏng chảy trong ống

- Nghiên cứu các tổn thất thủy lực của chất lỏng

- Xây dựng phương pháp thiết kế cẩu thủy lực cho tàu thủy

Thực nghiệm

- Dựa vào đặc tính làm việc của tàu Apollo Pacific để thiết kế hệ thống cẩu

thủy lực phù hợp cho tàu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đã có rất nhiều tàu trong và ngoài nước sử dụng hệ thống thủy lực

- Dựa trên đặc tính khai thác của tàu Apollo Pacific

6 Giới hạn của đề tài

Đề tài chỉ nghiên cứu thiết kế hệ thống thủy lực của cẩu derrick có trọng tải 3 tấn lắp đặt cho tàu thủy

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNGTHỦY

LỰC THỂ TÍCH

1.1 Khái niệm chung

Để truyền cơ năng từ bộ phận dẫn động đến cơ cấu chấp hành, ngoài cách dùng các loại truyền động điện, cơ khí, điện – khí nén người ta còn dùng truyền động thủy lực Có hai loại truyền động thủy lực là truyền động thủy động và truyền động thể tích Khác với truyền động thủy động, truyền động thể tích dựa vào tính không nén của dòng chất lỏng để truyền áp năng, do đó có thể truyền được xa mà ít tốn năng lượng Truyền động thể tích có ba yếu tố:

- Bơm cung cấp dầu áp suất lớn

- Động cơ thủy lực kiểu thể tích

- Bộ phận biến đổi và điều chỉnh

Ưu điểm:

- Trọng lượng trên một đơn vị công suất nhỏ

- Hiệu suất cao

- Đảo chiều đơn giản, điều chỉnh vô cấp vận tốc cơ cấu chấp hành

- Chuyển động êm

- Độ nhạy và độ chính xác cao, điều khiển nhẹ nhàng

- Tạo lực tác dụng lớn khi cần thiết

Nhược điểm

- Do áp suất làm việc cao nên khó làm kín các bộ phận làm việc

- Độ chính xác cao nên giá thành đắt

- Yêu cầu cao về chất lỏng làm việc

- Vận tốc truyền xung thủy lực khá nhỏ nên gây trể trên các đường ống dài

1.1.1 Các thông số làm việc cơ bản của truyền động thủy lực thể tích

- : diện tích làm việc của piston

- : áp suất chất lỏng do bơm tạo ra

Lực F phải thắng lực cản Fcan của tải trọng (phụ tải) tác dụng lên cần piston Như vậy áp suất chất lỏng do bơm tạo ra phụ thuộc chủ yếu vào phụ tải Do đó, phải chọn bơm sao cho đảm bảo áp suất làm việc lớn nhất với công suất cần thiết

Với v (m/s): vận tốc của piston

Nếu cơ cấu chấp hành có chuyển động quay thì

(1.4) Với : hệ số lưu lượng riêng

1.1.1.3 Công suất

Công suất của cơ cấu chấp hành có thể tính qua công thức sau:

v p (1.5) Vậy công suất có thể tính theo yêu cầu của tải trọng hay thông số làm việc của bơm và động cơ

1.1.2 Yêu cầu của chất lỏng làm việc

Do chất lỏng làm việc trong môi trường có dao động áp suất lớn nên chất lỏng làm việc có yêu cầu như sau:

- Bôi trơn tốt đối với vật liệu của cặp trượt, tức là tạo được màng dầu bôi trơn giữa hai bề mặt trượt

- Tính chất của chất lỏng ít thay đổi trong vùng nhiệt độ làm việc

- Nhiệt độ sôi cao

- Không chứa chất lỏng dễ bay hơi

- Không phá hủy vật liệu

- Độ bền cao đối với sự oxy hóa, thời gian làm việc dài

1.2 Bơm thủy lực

Các bơm thủy lực sử dụng trên tàu phải có yêu cầu cao, trong đó chủ yếu là kích thước và khối lượng trên đơn vị công suất nhỏ, hiệu suất cao, có khả năng điều chỉnh và tin cậy Do vậy, các bơm rô to dạng piston đáp ứng nhu cầu này tốt nhất

Các bơm rô to dạng piston thuộc bơm thể tích có bộ phận công tác chuyển động vừa quay vừa tịnh tiến Quá trình làm việc của bơm là khi rô to quay thì các khoang công tác được chuyển từ buồng hút đến buồng đẩy Chuyển dịch của các khoang công tác cùng chất lỏng làm cho không cần sử dụng các van hút và van đẩy

Các bơm rô to dạng piston thường có ba bộ phận cơ bản: stato (vỏ cố định), roto liên kết cứng với trục bơm và bộ phận nén Quá trình làm việc của bơm gồm ba giai đoạn: điền chất lỏng vào khoang công tác; cách ly khoang công tác và đưa đến buồng đẩy; nén chất lỏng vào ống đẩy

Tính chất cơ bản cần có của bơm thủy lực rô to dạng piston như sau:

- Có tính thuận nghịch, tức là các bơm này có thể dùng làm động cơ thủy lực, tuy nhiên phải có kết cấu khác đi

- Vòng quay tối đa cho phép của bơm lớn, nằm trong phạm vi từ 1000 đến

3000 vòng/phút Trong đó trị số nhỏ ứng với các bơm có kích thước lớn và ngược lại

- Chỉ có khả năng làm việc với chất lỏng sạch (đã được lọc hoặc không chứa các hạt cứng) và có tính bôi trơn

Như vậy, nếu hai tính chất đầu là ưu điểm của bơm rôto dạng piston thì tính chất thứ ba lại là nhược điểm của nó Các bơm thủy lực rôto dạng piston không làm việc với chất lỏng là nước vì nước gây rỉ sét và có độ nhớt thấp (làm mài mòn nhanh các bộ phận công tác)

Bơm thủy lực rôto dạng piston có hai loại chính, bơm piston rôto hướng kính và bơm piston rôto hướng trục

1.2.1 Bơm piston rôto hướng kính

1.2.1.1 Nguyên lý làm việc của bơm

Trong các bơm piston hướng kính, các piston quay cùng với block xylanh và đồng thời chuyển động tịnh tiến theo hướng kính vì chúng tựa lên bề mặt dẫn hướng hình vành tròn của stato Stato nằm lệch tâm so với trục quay của rôto một khoảng bằng e (e gọi là độ lệch tâm) Như vậy hành trình của piston sau nửa vòng quay của rôto là h = 2e

Hình 1.1 Kết cấu của bơm rôto piston hướng kính

Lưu lượng của bơm thủy lực piston hướng kính phụ thuộc vào kích thước xylanh,

số xylanh và số vòng quay của rôto Trong một vòng quay của rôto, lượng chất lỏng đi qua bơm là:

- q : Lưu lượng lý thuyết đơn vị của bơm (m3/phút)

- : Lưu lượng lý thuyết trung bình của bơm (m3/phút)

- d: Đường kính của piston (m)

- Z: Số piston

- e: Độ lệch tâm (m)

- n: Số vòng quay của bơm (vòng/phút)

1.2.1.2 Đặc tính làm việc của bơm piston rôto hướng kính

Bơm piston rôto hướng kính Hình 1.2 là một dạng của bơm thể tích Sản lượng lý

tưởng của bơm được xác định bởi thể tích công tác và vòng quay nên đặc tính lý thuyết của bơm là một đường thẳng nằm trong hệ tọa độ

(1)

(1) (2)

Hình 1.2 Đặc tính của bơm rôto piston hướng kính

(1): Đường đặc tính lý thuyết của bơm

(2): Đường đặc tính thực tế của bơm

(3): Đường công suất của bơm

Sản lượng thực tế kém hơn sản lượng lý thuyết bằng lượng dầu thủy lực rò lọt (rò lọt từ buồng đẩy sang buồng hút, rò lọt ra bên ngoài) Do vậy, đặc tính thực tế của bơm (2) nằm cùng trên một trục tọa độ là một đường thẳng chúc xuống

1.2.2 Bơm piston rôto hướng trục

1.2.2.1 Giới thiệu chung

Xem Hình 1.3, giống như bơm piston hướng kính nhưng khác về kết cấu Tuy

nhiên với cùng một công suất thì bơm piston hướng trục có kết cấu nhỏ nhất do vậy có khối lượng nhỏ nhất Bơm có các bộ phận công tác với kích thước bé nên mômen quán tính nhỏ, chúng có khả năng thay đổi vòng quay nhanh Nhờ những tính chất đặc biệt như trên nên bơm piston hướng trục được sử dụng rộng rãi làm các bơm điều chỉnh và không điều chỉnh cho các phương tiện di động nói chung và cho tàu thủy nói riêng Trên cơ sở kết cấu thì bơm piston hướng trục được phân thành bơm có block xylanh nghiêng và kiểu có đĩa nghiêng

Hình 1.3 Bơm piston hướng trục

a) Bơm dạng kiểu đĩa nghiêng

b) Bơm có block xylanh nghiêng

Từ kết cấu của bơm ta thấy rằng lượng chất lỏng mà bơm vận chuyển được trong một vòng quay của rôto là:

Như vậy, lưu lượng lý thuyết trung bình của bơm là:

(1.9) Trong đó:

- Q: Lưu lượng lý thuyết trung bình (lít/phút)

7 đến 9 xylanh

1.2.2.2 Đặc tính của bơm

Về đặc tính làm việc của bơm piston roto hướng trục giống với bơm piston roto hướng kính, ngoài ra trong bơm piston roto hướng trục có lắp bộ điều chỉnh hạn chế áp suất bao gồm thiết bị thay đổi áp suất (thay đổi tải) và van trượt điều khiển

20

50 60 70

Trên Hình 1.4 thể hiện đặc tính của bơm piston roto hướng trục điều chỉnh được sản lượng có lắp đặt thiết bị điều chỉnh hạn chế áp suất Khi áp suất bơm đạt đủ lớn để thắng lực lò xo thì cơ cấu quay đĩa nghiêng quay về phía giảm góc nghiêng khi đó thể tích công tác và cả sản lượng của bơm đều giảm

Đặc tính của bơm là đường gãy khúc ABC, trên đoạn AB thể tích công tác của bơm là cực đại và lưu lượng là lớn nhất, điểm B là điểm mà tại đó được xác định bởi độ cứng lò xo và diện tích piston của cơ cấu quay đĩa nghiêng Điểm C là điểm mà thể tích công tác của bơm là cực tiểu, đủ bù cho rò lọt và sản lượng rất bé

1.3 Động cơ thủy lực

Động cơ thủy lực là một máy thủy lực nhận năng lượng từ chất lỏng dưới dạng thế năng và động năng, sau đó biến đổi thành cơ năng để lai các thiết bị khác

Trong động cơ thủy lực người ta cũng chia làm hai loại chính:

- Động cơ thủy lực cánh dẫn (thủy động) là động cơ thủy lực mà trong quá trình làm việc của nó năng lượng liên tục biến đổi từ động năng của dòng chất lỏng thành cơ năng để lai các thiết bị khác thông qua cơ cấu chính của máy là các cánh quay với tốc độ lớn

- Động cơ thủy lực thể tích là động cơ mà trong đó việc trao đổi năng lượng giữa chúng với chất lỏng được thực hiện nhờ sự nén chất lỏng trong những thể tích công tác kín và dưới áp lực thủy tỉnh nhất định

Nhờ tính ưu việt và tin cậy của động cơ thủy lực thể tích nên loại này thường được dùng trong các hệ thống thủy lực trên tàu thủy như: cẩu, hệ thống máy lái, hệ thống tời neo, … Các động cơ thủy lực thể tích bao gồm: động cơ thủy lực piston hướng kính và động cơ thủy lực piston hướng trục

1.3.1 Động cơ thủy lực piston hướng kính

1.3.1.1 Giới thiệu chung

Ưu điểm nổi bật của động cơ thủy lực piston hướng kính là mômen lớn Chúng được sử dụng trong các bộ truyền động thủy lực mà phải đảm bảo vòng quay cơ cấu được dẫn động chậm, đều và điều chỉnh được không phụ thuộc vào mômen cản của nó

Để có được mômen lớn mà không tăng kích thước của động cơ (tức là hành trình

và đường kính piston của động cơ thủy lực) Khi đó ta phải tính đến số lần tác dụng của piston dựa trên công thức

(1.10) Trong đó:

- : Mômen động cơ thủy lực

Hình 1.5 Động cơ thủy lực piston hướng kính

Trên Hình 1.5 thể hiện kết cấu của động cơ thủy lực piston hướng kính bao gồm: stato, trục roto, piston và cơ cấu phân phối

1.3.1.2 Đặc tính làm việc của động cơ

50 100 150 200 250 rpm

bar

100 200 300

Hình 1.6 Các đường đặc tính làm việc của động cơ thủy lực piston hướng kính

Lượng chất lỏng (dầu thủy lực) thực tế qua động cơ bao giờ cũng lớn hơn so với

lý tưởng vì có rò lọt dầu theo chiều hướng của dòng chính Do vậy, đối với động cơ thủy lực, người ta quan tâm đến hiệu suất làm việc của chúng Đó chính là các tổn thất thủy lực xảy ra trong động cơ thủy lực chủ yếu do rò lọt chất lỏng trong các chi tiết chuyển động và các khe hở trong các chi tiết lắp ghép Khi áp suất làm việc càng lớn

cùng với nhiệt độ cao thì tổn thất do rò lọt xảy ra càng nhiều, khi đó hiệu suất của động

cơ sẽ giảm

1.3.2 Động cơ thủy lực piston hướng trục

Về kết cấu thì động cơ thủy lực piston hướng trục giống với bơm thủy lực piston hướng trục và được thể hiện trên hình 1.7

e

α 3

1 4

2

5

Hình 1.7 Kết cấu động cơ thủy lực hướng trục

1 Thân động cơ thủy lực

2 Piston

3 Đĩa nghiêng

4 Nắp động cơ thủy lực

5 Rãnh dẫn hướng

Trên Hình 1.7 thể hiện nguyên lý kết cấu của một động cơ piston hướng trục, các

lỗ xylanh phân bố đều trên roto và song song với nhau theo hướng trục của roto Piston (2) trong các xylanh luôn luôn được đẩy tỳ một đầu vào đĩa nghiêng (3) Khi dẫn vào động cơ một dòng chất lỏng có áp suất đủ lớn thông qua các rãnh dẫn hướng (5) làm cho chất lỏng này tác dụng lên đỉnh piston đẩy piston chuyển động tịnh tiến xuống Do một đầu piston luôn tỳ chặt vào đĩa nghiêng nên khi piston chuyển động tịnh tiến trong xylanh thì làm cho roto quay

Động cơ thủy lực piston hướng trục thường được dùng trong các trường hợp cần

có vòng quay cao và mômen thay đổi nhỏ

Van một chiều thường được đặt ở cửa hút của bơm để khi bơm dừng làm việc thì dầu không chảy hết về két, do đó không khí không lọt vào trong hệ thống

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại van một chiều với kết cấu từ đơn giản đến phức tạp

1.4.1.2 Cơ cấu phân phối

Cơ cấu phân phối dùng để đổi nhánh dòng chảy ở các nút của hệ thống đường ống

và phân phối chất lỏng vào các đường ống theo một quy luật nhất định Nhờ đó có thể đảo chiều chuyển động của cơ cấu chấp hành hoặc điều khiển cơ cấu chấp hành chuyển động theo một quy luật nhất định

Chất lỏng từ bơm trước khi vào động cơ thủy lực thường phải đi qua cơ cấu phân phối để đi vào các nhánh khác nhau của hệ thống đường ống Cơ cấu phân phối có hai

bộ phận chính là vỏ và bộ phận đổi nhánh Ở vỏ có khoét các cửa chất lỏng lưu thông

và được nối với các lưới ống của hệ thống Bộ phận đổi nhánh được dịch chuyển trong

vỏ để phân phối chất lỏng đến các cửa lưu thông Bộ phận đổi nhánh có thể là piston bậc, ngăn kéo hoặc núm xoay

Cơ cấu phân phối có các loại như: con trượt phân phối, khóa phân phối và van phân phối

1.4.2 Cơ cấu điều chỉnh lưu lượng

Cơ cấu điều chỉnh lưu lượng dùng để điều chỉnh lưu lượng do đó điều chỉnh được vận tốc của cơ cấu chấp hành

1.4.2.1 Van tiết lưu cố định

Loại van tiết lưu cố định không điều chỉnh được dùng để gây độ chênh áp cần thiết giữa hai khoang làm việc hoặc để hạn chế sự dao động áp suất của chất lỏng do va đập giữa các chi tiết làm việc Do đó còn có tên là lỗ giảm chấn

1.4.2.2 Van tiết lưu điều chỉnh được

Điều chỉnh sức cản của tiết lưu sẽ làm cho lưu lượng chất lỏng qua tiết lưu sẽ thay đổi do đó làm thay đổi vận tốc của cơ cấu chấp hành Việc điều chỉnh tiết lưu chính là việc thay đổi tiết diện lưu thông của chất lỏng

Trong hệ thống thủy lực, van tiết lưu có thể đặt ở đường vào hoặc đường ra của cơ cấu chấp hành Tuy nhiên van tiết lưu thường đặt ở đường ra của cơ cấu chấp hành Xét một sơ đồ hệ thống thủy lực đơn giản như Hình 1.8 như sau Gọi là tiết diện của piston của xylanh lực (cơ cấu chấp hành) và v (m/s) là vận tốc dịch chuyển của piston của xylanh lực

Lưu lượng chất lỏng qua cơ cấu chấp hành là v

p2 p3

p1

Hình 1.8 Hệ thống thủy lực với van tiết lưu điều chỉnh được đăt ở lối ra

Nếu gọi Sx là tiết diện của van tiết lưu và ∆p = p2-p3 là hiệu áp suất qua tiết lưu thì lưu lượng chất lỏng qua van tiết lưu được tính bằng:

√p p (1.11) Nếu bỏ qua tổn thất thủy lực thì vận tốc của cơ cấu chấp hành:

(1.12) Vận tốc của cơ cấu chấp hành được điều chỉnh nhờ việc điều chỉnh tiết diện của van Sx hay điều chỉnh độ chênh áp trước và sau van ∆p

1.4.3 Các van điều khiển áp suất

Nhiệm vụ chính của cơ cấu điều chỉnh áp suất là giữ cho áp suất trong hệ thống không đổi và tránh quá tải cho hệ thống thủy lực

Nguyên lý làm việc của van là sự cân bằng áp lực của chất lỏng với lò xo đối trọng hay áp lực ngược lại của chất lỏng Trong quá trình làm việc các kích thước làm việc của van thay đổi dưới tác dụng của dòng chất lỏng chảy qua cửa

1.4.3.1 Van an toàn – van tràn

Van an toàn có nhiệm vụ là bảo vệ hệ thống thủy lực không bị quá tải và là một loại van thường đóng với các đặc tính như sau:

- Khi áp suất trong hệ thống lớn hơn áp suất định mức thì van an toàn sẽ mở

để đưa bớt chất lỏng về két dầu, do đó chất lỏng trong hệ thống sẽ được giảm

áp suất

- Khi áp suất trong hệ thống giảm đến áp suất định mức, van đóng lại và phục hồi áp suất ban đầu

- Kết cấu van an toàn có hai loại chính: van an toàn tác dụng trực tiếp và van

an toàn tác dụng gián tiếp

Một loại van thường sử dụng trong hệ thống thủy lực ngoài nhiệm vụ bảo vệ hệ thống nó còn có nhiệm vụ giữ cho áp suất không đổi trong quá trình làm việc của hệ thống đó là van tràn Sự khác nhau giữa van tràn và van an toàn là van tràn là một loại

van thường mở và tự động điều chỉnh để giữ áp suất không đổi trong hệ thống trong khi

đó van an toàn chỉ mở khi hệ thống bị quá tải

1.4.3.2 Van cản

Nhiệm vụ chính của van này là tạo ra sức cản trong hệ thống thường lắp ở cửa ra của cơ cấu chấp hành đảm bảo cho hệ thống làm việc êm, nhẹ nhàng và khi hệ thống dừng làm việc thì dầu không chảy hết về két, nhờ đó tránh cơ cấu chấp hành bị va đập khi khởi động

Sơ đồ lắp đặt một van cản như

2

4

15

3

p 2

Hình 1.9 Hệ thống có đặt van cản ở lối ra khỏi động cơ thủy lực

1 Bơm biến lượng

- : diện tích bề mặt piston của van cản

- p : áp suất chất lỏng đi vào van

Phương trình cân bằng tỉnh khi van không làm việc là:

p (1.13)

Khi áp suất chất lỏng đi vào van có giá trị p

thì van sẽ mở ra và đưa chất lỏng chảy về két

Áp suất mở van có thể được thay đổi bằng cách thay đổi lực căn của lò xo

1.4.3.3 Van giảm áp

Là một tiết lưu tác dụng tự động, sức cản của nó ở mỗi thời điểm cho trước bằng hiệu áp suất giữa lối vào p1 const và lối ra p2 = const của van Van này thường dùng

để giảm áp suất trong một đoạn nào đó của đường dẫn và duy trì áp suất này không đổi

và không phụ thuộc vào áp suất của hệ thống

Sử dụng van này khi một nguồn áp suất phải cung cấp cho nhiều cơ cấu chấp hành đòi hỏi nhiều áp suất tiêu thụ khác nhau Khi đó phải cho bơm làm việc với áp suất yêu cầu lớn nhất và dùng van giảm áp đặt trước các cơ cấu chấp hành có áp suất yêu cầu bé hơn để giảm áp suất, đồng thời giữ cho áp suất đó không đổi

1.4.3.4 Rơle áp lực

Dùng trong hệ thống tự động có tác dụng như một cơ cấu đề phòng quá tải Khi áp suất dầu vượt quá giá trị giới hạn rơle sẽ cắt dòng điện làm ngưng hoạt động của bơm dầu, các van hay bộ phận khác

1.5 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ thủy lực

Các thông số cơ bản của truyền động thủy lực có chuyển động tịnh tiến là vận tốc

v và lực đẩy piston F của xylanh lực; còn trong truyền động thủy lực có chuyển động

quay là vận tốc quay ω và mômen M của roto động cơ thủy lực

Có thể điều chỉnh được vận tốc chuyển động của bộ phận chấp hành bằng hai cách:

Điều chỉnh lưu lượng chất lỏng vào động cơ thủy lực

Điều chỉnh thể tích khoang làm việc của động cơ thủy lực

Để điều chỉnh lưu lượng của chất lỏng vào động cơ thủy lực có thể dùng bơm điều chỉnh được lưu lượng (bằng cách thay đổi thể tích làm việc của bơm) hoặc dùng tiết lưu

Như vậy, về mặt nguyên lý có 2 phương pháp điều chỉnh vận tốc của cơ cấu chấp hành khác nhau đó là dùng phương pháp thể tích và phương pháp tiết lưu

- n : vận tốc quay của động cơ thủy lực

- n : vận tốc quay của bơm thủy lực

- q : lưu lượng riêng của bơm

- q : lưu lượng riêng của động cơ thủy lực

Qua công thức trên ta thấy rằng có thể điều chỉnh vận tốc quay của động cơ thủy lực khi vận tốc quay của bơm n onst bằng cách thay đổi lưu lượng riêng của bơm hoặc thay đổi lưu lượng riêng của động cơ thủy lực hoặc có thể thay đổi cả hai

Xét ảnh hưởng của điều chỉnh thể tích đến các thông số khác của truyền động Mômen quay trên trục của động cơ thủy lực

(1.16)

Trong đó:

- : mômen quay trên trục động cơ

- p : áp suất riêng của động cơ thủy lực

- q : lưu lượng riêng của động cơ thủy lực

- : hệ số điều chỉnh

- : độ lệch tâm của roto (bơm hoặc động cơ thủy lực)

- : độ lệch tâm lớn nhất của roto (bơm hoặc động cơ thủy lực)

Khi độ chênh áp ở động cơ thủy lực không đổi thì mômen quay của động cơ thủy lực chỉ phụ thuộc bậc nhất vào lưu lượng riêng của động cơ thủy lực Do vậy, khi điều chỉnh vận tốc quay của động cơ bằng cách thay đổi lưu lượng của bơm thì mômen quay trên trục của động cơ thủy lực sẽ không đổi Tuy nhiên khi lưu lượng bơm không đổi nếu điều chỉnh vận tốc động cơ thủy lực bằng cách thay đổi lưu lượng riêng của động

cơ thì mômen quay trên trục động cơ sẽ thay đổi theo tỉ lệ bậc nhất với lưu lượng riêng của động cơ

Trên thực tế vận tốc quay của động cơ thủy lực bị hạn chế do cần phải đảm bảo mômen quay tối thiểu trên trục động cơ thủy lực để thắng sức cản ma sát trong động cơ

và kéo phụ tải Bởi vậy thường điều chỉnh vận tốc quay của động cơ bằng cách thay đổi lưu lượng bơm

Khi điều chỉnh vận tốc quay của động cơ thủy lực bằng cả bơm và động cơ thủy lực thì lúc đầu cần điều chỉnh cho lưu lượng của bơm là nhỏ nhất và Khi đó vận tốc quay của roto động cơ thủy lực là nhỏ nhất và mômen quay là cực đại Sau đó tiếp tục nâng cao vận tốc quay của roto động cơ thủy lực bằng cách tăng dần lưu lượng của bơm Chỉ sau khi tăng lưu lượng bơm đến giá trị cực đại mới tiếp tục nâng cao vận tốc hơn nữa bằng cách hạ thấp trị số

Vận tốc quay và mômen quay trên trục động cơ thủy lực trên thực tế luôn nhỏ hơn

lý thuyết vì không tránh khỏi tổn thất năng lượng và rò rỉ chất lỏng trong hệ thống Vận tốc quay thực tế của động cơ thủy lực:

n

Mômen quay thực tế của động cơ thủy lực:

(1.19) Trong đó:

- : hiệu suất thể tích của hệ thống

- : hiệu suất cơ khí của động cơ thủy lực

Ưu điểm cơ bản của phương pháp thể tích là tính kinh tế: lưu lượng của bơm luôn luôn biến đổi phù hợp với lưu lượng mà động cơ thủy lực yêu cầu

Tuy nhiên phương pháp này chỉ sử dụng cho các hệ thống có lưu lượng làm việc lớn và không có yêu cầu chính xác về vận tốc chuyển động của cơ cấu chấp hành

1.5.2 Phương pháp tiết lưu

Đây là phương pháp không kinh tế bằng phương pháp thể tích vì phải mất một phần năng lượng do bơm tạo ra để khắc phục sức cản của tiết lưu và thải qua van an toàn

Tuy nhiên đây là phương pháp đơn giản nhất, có độ tin cậy cao Chúng được sử dụng trong trường hợp cần phải điều chỉnh độ nhạy, vô cấp và chính xác vận tốc của bộ phận chấp hành

Có ba cách đặt van tiết lưu trong hệ thống thủy lực, như mô tả sau đây

1.5.2.1 Đặt van tiết lưu ở lối vào động cơ thủy lực

245

13

6

Hình 1.10 Hệ thống có đặt tiết lưu ở lối vào động cơ thủy lực

1 Bơm biến lượng

2 Động cơ

3 Van tràn

4 Van phân phối

5 Van tiết lưu

6 Két chứa

Lưu lượng chất lỏng vào động cơ thủy lực phụ thuộc vào hiệu áp suất và diện tích lưu thông trong tiết lưu (5) Nhờ có van tràn (3) nên áp suất trước van tiết lưu là không đổi, áp suất sau van tiết lưu phụ thuộc vào phụ tải

Khi phụ tải tác dụng lên cơ cấu chấp hành (2) tăng lên làm cho áp suất sau van tiết lưu tăng, hiệu áp suất trước và sau van tiết lưu giảm làm cho lưu lượng qua van tiết lưu giảm dẫn đến vận tốc của cơ cấu chấp hành giảm Ngược lại, khi giảm phụ tải thì vận tốc của cơ cấu chấp hành sẽ tăng lên

Nhược điểm chính của việc điều chỉnh đặt tiết lưu ở lối vào là không đảm bảo cho

cơ cấu chấp hành có vận tốc ổn định khi tải thay đổi Mặc khác khi đi qua tiết lưu, chất lỏng bị nóng lên làm tăng rò rỉ chất lỏng, giảm hiệu suất của hệ thống

1.5.2.2 Đặt van tiết lưu ở lối ra động cơ thủy lực

24

5

13

6

Hình 1.11 Hệ thống có đặt tiết lưu ở lối ra động cơ thủy lực

1 Bơm biến lượng

2 Động cơ

3 Van tràn

4 Van phân phối

5 Van tiết lưu

6 Két chứa

Nhờ có van tràn (3) trong hệ thống mà áp suất chất lỏng vào cơ cấu chấp hành (2)

sẽ không đổi và bằng áp suất do bơm (1) tạo ra

Áp suất chất lỏng từ cơ cấu chấp hành về két chứa (6) sẽ đi qua van tiết lưu (5)

Áp suất này phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên cơ cấu chấp hành Khi tăng tải trọng làm cho áp suất trước van tiết lưu giảm dẫn đến hiệu áp suất trước và sau van tiết lưu giảm làm cho lưu lượng chất lỏng qua van tiết lưu giảm Như vậy vận tốc của cơ cấu chấp hành cũng giảm theo

Việc đặt van tiết lưu ở lối ra của cơ cấu chấp hành sẽ tạo thành đệm giảm chấn làm cho chuyển động của cơ cấu chấp hành sẽ êm hơn Mặc khác, chất lỏng đi qua van tiết lưu sẽ nóng lên nhưng không làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc của hệ thống do chất lỏng đã kịp thời làm mát trong két chứa trước khi tiếp tục làm việc

1.5.2.3 Đặt tiết lưu song song với động cơ thủy lực

2 4

5

1 3

6

Hình 1.12 Hệ thống có đặt tiết lưu song song với động cơ thủy lực

1 Bơm biến lượng

2 Động cơ

3 Van tràn

4 Van phân phối

5 Van tiết lưu

6 Két chứa

Theo hình 1.12 thì chất lỏng sẽ chảy theo 02 hướng:

- Bơm (1) – cơ cấu phân phối (4) – cơ cấu chấp hành (2) – két chứa (6)

- Bơm (1) – van tiết lưu (5) – két chứa (6)

Vận tốc của cơ cấu chấp hành phụ thuộc vào sự kết hợp của tiết lưu Khi tiết lưu đóng hoàn toàn, toàn bộ chất lỏng từ bơm (1) sẽ chảy vào cơ cấu chấp hành thông qua

cơ cấu phân phối Khi đó vận tốc của cơ cấu chấp hành là lớn nhất

Khi mở van tiết lưu, chất lỏng từ bơm không chảy hết vào cơ cấu chấp hành mà một phần theo van tiết lưu chảy về két chứa Điều chỉnh độ mở của van tiết lưu sẽ điều chỉnh được vận tốc của cơ cấu chấp hành

Để điều chỉnh vận tốc của cơ cấu chấp hành một cách hiệu quả thì van tràn (3) trong hệ thống chỉ mở khi hệ thống bị quá tải Áp suất tại cửa ra của cơ cấu chấp hành bằng với áp suất sau van tiết lưu Còn áp suất trước van tiết lưu thì bằng với áp suất chất lỏng đi vào cơ cấu chấp hành Do vậy, lưu lượng chất lỏng qua van tiết lưu phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên cơ cấu chấp hành

Chương 2

XÂY DỰNG CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

THỦY LỰC CỦA MỘT CẨU CƠ BẢN

Để tiến hành thiết kế một cẩu thủy lực đảm bảo khả năng thực hiện các giải pháp

kỹ thuật, nghĩa là phải có sự phù hợp giữa các đặc tính kỹ thuật với thực tế sản xuất thì ngoài việc tham khảo các tài liệu nước ngoài Chúng ta còn phải nghiên cứu đến hàng loạt các vấn đề như: đặc tính vật liệu, tính toán công suất thủy lực, các tổn thất thủy lực

và các vấn đề lưu động của chất lỏng

Như vậy, với các thông tin có được thì ta có thể thiết kế được một hệ thống cẩu thủy lực cơ bản Các thiết bị trong hệ thống được tính toán lựa chọn phù hợp với chức năng và đặc tính làm việc của hệ thống, các thiết bị này đang có trên thị trường trong và ngoài nước

2.1 Tổng quan các loại cẩu thủy lực derrick lắp trên tàu thủy

Cẩu derrick lắp trên tàu biển dùng để bốc dỡ hàng hóa, bao gồm một trụ cẩu gắn trên mặt boong tàu và một thanh cần nằm nghiêng, có thể nâng lên, hạ xuống được Thanh cần này được giữ bởi một dây cáp hay dây xích Hàng hóa được nhấc lên bằng một móc cẩu gắn ở đầu dây cáp Dây cáp được vận hành (kéo vào hay thả ra) bằng một thiết bị gọi là tời Có 2 loại cần cẩu derrick lắp trên tàu là:

- Cần cẩu đôi (union purchase derricks): loại dùng hai thanh cần, một thanh để

ở phía trên hầm hàng, thanh kia đặt phía trên cầu cảng hay trên sà lan; hàng hóa được bốc hay dỡ bằng cách dùng tời kéo và thả dây cáp

- Cần cẩu đơn (swing derrick): loại này chỉ dùng một thanh cần có thể tự xoay giữa tàu và bờ (hay sà lan) và tự nâng lên, hạ xuống

Mỗi loại cần cẩu có phạm vi tải trọng an toàn khác nhau, gọi là “giới hạn làm việc

an toàn” (safety working load), viết tắt là S.W.L Khi sử dụng cần cẩu, không được cẩu hàng có trọng lượng vượt quá giới hạn cho phép

2.1.1 Cẩu Derrick đơn

2.1.1.1 Cẩu derrick đơn loại nhẹ

Cần cẩu loại này có hai palăng vừa nâng cần vừa quay cần, nhưng mỗi palăng chia làm hai nhánh Tời gồm 2 tang độc lập có thể quay đồng bộ để nâng hạ cần hoặc quay trái chiều nhau để quay cần

Với kết cấu đơn giản nên các tàu trang bị các cẩu loại này để nâng các loại hàng

có trọng lượng nhỏ, tốc độ nâng hàng không quan trọng

2.1.1.2 Cẩu derrick đơn kiểu quay (cột chữ I)

Loại này có 4 tời và 3 động cơ: 1 tời nâng hàng, 1 tời nâng cần, 2 tời quay cần Gối đuôi cần thường đặt trên hệ đỡ cần bố trí riêng trên boong Tầm với thường được thay đổi khi có hàng trên móc

Cần loại này thì sức nâng dưới 20T và cần không xẻ rãnh Khi sức nâng trên 20T cần được xẻ rãnh lắp ròng rọc để dẫn dây nâng hàng đi lên ròng rọc trên đỉnh rồi xuống tời

Hình 2.1 Sơ đồ cẩu derrick đơn kiểu quay (cột chữ I)

2.1.1.3 Cẩu derrick đơn kiểu Halen (cột chữ T)

Đặc điểm của cẩu trục loại này là có hai palăng vừa dùng nâng hạ cần vừa dùng quay cần mắc từ đầu cần vào hai đầu của xà ngang đỉnh cột Xà ngang đỉnh cột thường dài để giảm lực quay cần do kết cấu nặng

Hình 2.2 Sơ đồ cẩu derrick đơn kiểu Halen (cột chữ T)

2.1.2 Cẩu Derrick đôi

Là loại cần cẩu có kết cấu đơn giản, chu kỳ hoạt động của móc rất ngắn, hàng không bị lắc, làm việc đựơc khi tàu có độ nghiêng lớn Tuy nhiên, cẩu đôi có nhược điểm cơ bản là:

- Sức nặng thấp: sức nâng khi cẩu đôi chỉ bằng (0.3  0.6) sức nâng một cẩu khi cẩu đơn

- Tính cơ động của cẩu kém do đó năng suất đơn giản của cẩu đôi đơn giản thấp hơn cần trục quay và derrick đơn cơ giới hóa hoàn toàn Thời gian chuẩn bị cần trục làm việc và thời gian xếp cần trục lại trước khi tàu chạy khá dài

- Mức độ an toàn không cao, cần trục có thể bị quá tải đến mức gãy cần đứt dây giằng hoặc bị mất ổn định đến mức lật cần do đặt sai vị trí cần và dây giằng mạn, do người điều khiển thiếu kinh nghiệm, thiếu chú ý để góc giữa hai dây nâng hàng quá 1200 Khi nâng hạ cần nếu không cẩn thận cũng có thể

bị rơi cần

Hình 2.3 Sơ đồ cẩu derrick đôi

2.2 Lựa chọn sơ đồ hệ thống cẩu thủy lực dự kiến

Trong quá trình thiết kế, chế tạo và sử dụng cần cẩu trên tàu phải tuân thủ theo các yêu cầu và quy phạm thiết kế như sau:

- Yêu cầu đầu tiên đối với việc thiết kế một hệ thống thủy lực cho cẩu hàng là

hệ thống phải làm việc ổn định, an toàn và tiện lợi nhất

- Hệ thống thủy lực phải có kết cấu đơn giản, dễ sử dụng và bảo dưỡng Đối với các chi tiết phải được bảo dưỡng thường xuyên của thuyền viên phải được thiết kế sao cho dễ đến gần nhất và dễ bảo dưỡng nhất

- Hệ thống phanh thủy lực có thể ngừng ngay việc nâng hạ hàng hoặc nâng hạ cần ở bất kỳ vị trí nào khi đang bốc dỡ hàng

- Ngoài ra hệ thống phanh phải tự động hãm khi đưa tay trang điều khiển về vị trí dừng hay hệ thống bị mất điện, hoặc trong trường hợp hệ thống đường ống thủy lực bị bục bễ làm mất áp lực dầu đột ngột

Với những điều kiện như thế, trên cơ sở khoa học và thực tế khai thác để phân tích, đánh giá và đưa ra một sơ đồ hệ thống cẩu thủy lực cơ bản như sau:

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cẩu thủy lực

1 Động cơ điện

2 Bơm thủy lực biến lượng

3 Van an toàn

7 Động cơ thủy lực nâng hàng

8 Động cơ thủy lực xoay cần

9 Két chứa

4 Cụm van điều khiển

5 Van hãm ngược

6 Động cơ thủy lực nâng cần

10 Phin lọc

11 Sinh hàn

12 Phanh hãm tang trống dây

Chức năng chính của cẩu thủy lực derrick như sau:

- Động cơ điện lai bơm, bơm thủy lực, van điều khiển, két chứa, phin lọc và hệ thống đường ống tạo thành hệ thống cung cấp dầu thủy lực có áp suất cao

- Van tràn trong hệ thống nhằm duy trì áp suất không đổi trong hệ thống và bảo vệ hệ thống tránh bị quá tải

- Các động cơ thủy lực là các cơ cấu chấp hành được lắp vào trong hệ thống để thực hiện các chức năng khác nhau bao gồm: nâng hàng, quay cần và nâng cần

- Trong đó một động cơ thủy lực có nhiệm vụ là nâng hạ hàng hóa, hai động

cơ (hay ba động cơ thủy lực) còn lại đồng thời thực hiện hai chức năng là nâng và xoay cần

Van hãm ngược trong hệ thống có chức năng tạo ra đối áp theo tải trọng suốt quá trình hạ cần và hàng hóa nhằm tránh rơi tự do Ngoài ra van này còn có chức năng giữ hàng hóa không bị rơi tự do khi hệ thống mất áp

Trong hệ thống còn phải lắp thêm các cơ cấu phanh hãm để tăng tính năng an toàn

2.3.1.1 Động cơ thủy lực nâng hàng

Công việc thường xuyên và liên tục của cẩu là nâng và hạ hàng hóa Khi đó dây cáp quấn trên tang trống thông qua các ròng rọc đổi hướng Lực tác dụng lên dây cáp ở nhánh dây quấn lên tang trống để nâng vật

W 2

Hình 2.5 Sơ đồ tính lực của cẩu khi nâng hàng

Lực căng định mức đƣợc xác định qua công thức sau:

(2.1) Trong đó:

(2.2)

- : lực căng định mức của dây cáp tại tang trống (N)

- : trọng lƣợng danh nghĩa của vật nâng (N)

- : trọng lƣợng vật nâng có tính đến thiết bị mang vật (N)

- : bội suất của palăng

- : hiệu suất của ròng rọc Chọn

- : hệ số dự trữ

Trong điều kiện thực tế thì khi nâng hàng thì phải tính đến tải trọng của gió tác dụng lên hàng hóa đƣợc tính theo công thức:

p (2.3) Trong đó:

- : hệ số cản khí động học

- p : áp lực gió ở trạng thái cẩu làm việc

- : diện tích chịu gió ước lượng của vật nâng

Như vậy lực căng thực thế của dây cáp là:

(2.4) Mômen quay tác dụng lên tang trống quấn dây

r

Trong đó:

- : mômen lực cần thiết để quay tang trống cuốn dây (Nm)

- r: bán kính của tang trống quấn dây (m)

- : Mômen lực của động cơ nâng hạ hàng hóa (Nm)

- p: Chênh áp giữa đầu vào và ra (bar)

- : Thể tích chất lỏng qua động cơ trong một vòng quay (lít/vòng)

- : Hiệu suất cơ khí của động cơ

- Lưu lượng chất lỏng đi qua động cơ được xác định qua công thức:

n

Trong đó:

- : Lưu lượng chất lỏng đi qua động cơ thủy lực khi nâng hạ hàng hóa (lít/phút)

- : Thể tích chất lỏng qua động cơ trong một vòng quay (lít/vòng)

- n: tốc độ động cơ (vòng/phút)

- : hiệu suất thể tích

2.3.1.2 Động cơ thủy lực nâng cần

Trong phần này, chúng ta phải giải quyết hai vấn đề đó là phải tính toán được mômen nâng cần khi có tải lớn nhất Từ đó mới tính chọn được động cơ thủy lực nâng cần

Lực khi nâng cần sẽ xuất hiện lớn nhất khi tầm với xa nhất và khi có vật nâng là lớn nhất

Hình 2.6 Sơ đồ tính lực trong palăng nâng cần

Khi đó, theo hình 2.6 có các tải trọng tác dụng lên cần cẩu như sau:

- G1: tải trọng của cần cẩu (N)

- G2: tải trọng vật nâng và bộ phận nâng vật (N)

- W1: tải trọng của gió tác dụng lên cần (N)

- W2: tải trọng gió tác dụng lên vật nâng chuyển lên đầu cần (N)

Khi đó, lực tác dụng lên dây cáp đƣợc xác định

Trong đó:

- : lực tác dụng lên dây cáp nâng cần (N)

- : lực do trọng lƣợng cần cẩu và trọng lƣợng của hàng hóa cùng thiết bị nâng tác dụng lên cần cẩu (N)

- : lực do gió tạo ra tác dụng lên cần (N)

- : Bội suất của pa lăng

- : hệ số cản khí động học ( =1.2)

- p : áp lực gió ở trạng thái làm việc (p =200 N/m2)