Bài viết là sự kế thừa các nghiên cứu đã có để xây dựng mô hình tính, phương pháp giải và cả công cụ tính toán. Thuật toán được xây dựng cho phép thiết lập các chương trình máy tính cho các tính toán khác nhau.
BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN CẦN HỘP ỐNG LỒNG TRÊN CẦN TRỤC Dương Trường Giang1 Tóm tắt: Tính tốn kết cấu cần hộp ống lồng phức tạp, mơ hình phương pháp giải cần phù hợp với đặc điểm làm việc yêu cầu ứng dụng thực tế Chính việc nghiên cứu tính tốn cần thiết thực tế Bài báo kế thừa nghiên cứu có để xây dựng mơ hình tính, phương pháp giải cơng cụ tính tốn Thuật tốn xây dựng cho phép thiết lập chương trình máy tính cho tính tốn khác Qua ví dụ trình bày báo cho thấy phương pháp tính tốn áp dụng khả thi cho toán kỹ thuật thực tế thiết kế, cải tạo, sửa chữa kết cấu cần hộp ống lồng cần trục Từ khoá: Cần hộp ống lồng, cần trục, trường hợp tải, lực tác dụng ĐẶT VẤN ĐỀ* Cần trục tự hành có cần dạng hộp ống lồng sử dụng nhiều có kết cấu nhỏ gọn linh hoạt, loại phổ biến thực tế Ở Việt Nam có nghiên cứu liên quan đến hệ cần hộp ống lồng cần trục tự hành, có số tài liệu chuyên ngành chung (TCVN 4244-2005), (Trương Quốc Thành, nnk 2004), tối ưu kết cấu tháp cần trục tháp (Dương Trường Giang, nnk 2010) Về đặc điểm tính tốn, mơ hình (Navneet K, et al 2012) coi đoạn cần dầm công xôn, đoạn cần tuyệt đối cứng để xây dựng phương pháp phân phối lực mơ men Ngồi có nghiên cứu liên quan như: sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tác dụng tải trọng tĩnh (Bakr N.K 2013); nghiên cứu động lực học cần hộp ống lồng tách thành đoạn dầm tương đương (Ioannis R, 2013); nghiên cứu dạng tiết diện cần hộp ống lồng theo lý thuyết đồng dạng (R.Teng, et al 2013); nghiên cứu ổn định thành mỏng cần hộp ống lồng cần trục tự hành (Lars H, et al 1991) Tác giả (Towarek, 1998) nghiên cứu ổn định động cần trục tựa quay, (Lawrence K Shapiro et al, 2011) trình bày dạng toán ổn định lật đổ với cần trục nói chung cần trục tự hành nói riêng Trong nghiên cứu kể chưa phân tích lực theo đặc điểm cần trục, phương pháp thuật tốn tính toán đáp ứng yêu cầu toán kỹ thuật thực tế Khoa Cơ khí Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Việc tính tốn kết cấu cần hộp ống lồng phức tạp, giới hạn phạm vi báo nêu phương pháp tính tốn kết cấu cần hộp ống lồng coi khung bệ tuyệt đối cứng Phương pháp tính phục vụ tính kết cấu thép, chọn vật liệu, chọn xi lanh thủy lực triển khai áp dụng tốn kỹ thuật thực tế MƠ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 2.1 Tải trọng mơ hình tính Tải trọng tác dụng lên cần phân tích theo mặt phẳng tương ứng góc nghiêng cần i sơ đồ hình Cần trục tự hành nâng hạ cần, tải trọng nâng thay đổi theo tầm với tương ứng với chiều dài cần L góc nghiêng cần Như trạng thái tay cần có đường đặc tính tải trọng riêng, tính tốn đường đặc tính tải trọng thơng số cho trước Bài tốn phân tích lực tổng qt cho vị trí đường đặc tính tải trọng tương ứng Các thành phần tải trọng phân tích, tính tốn tương ứng theo góc nghiêng , phân tích tính tốn hai số trường hợp lực tác động ngang bất lợi (TCVN 42442005, FEM 1.001) Các thành phần tải trọng tác động (hình 1) báo phân tích có thành phần: tải trọng nâng hợp lực căng cáp nâng theo đường đặc tính tải trọng (Qi,Si); trọng lượng thân đoạn cần (G1,G2,G3,G4); lực gió tác động vng góc với cần mặt phẳng cần (W1đ, W1n, W2đ, W2n, W3đ, W3n, W4đ, W4n, W4đ, W4n); lực quán tính ly tâm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 213 d W4 S d Flt4 Q Fr4 G4 W3 d FltQ WQ FrQ Flt3 G3 Fr3 d W2 Flt2 G2 quay (Flt1, F lt2, F lt3, F lt4, F ltQi); lực tính tiếp tuyến quay (Ftt1, Ftt2, Ftt3, Ftt4, FQi); lực quán tính nâng hạ cần (Fr1, Fr2, Fr3, Fr4, FrQ) Kết cấu cần hộp kết cấu chịu biến dạng lớn làm việc, để đảm bảo điều kiện tính tốn cách khuyếch đại tải trọng biến đổi với hệ số tương ứng (TCVN 4244-2005, FEM 1.001) Giả thiết xây dựng mơ hình tính tốn: hệ khung bệ cần trục tuyệt đối cứng, mơ hình tính đoạn cần không biến dạng, chia làm đoạn kế tiếp, việc xét tới biến dạng khuyếch đại tải trọng biến đổi, tải trọng quy đổi mặt phẳng Mơ hình tính sử dụng ngun tắc phân phối lực mô men (Navneet K, et al 2012), quy đổi cho mặt phẳng tác dụng Mơ hình tính tốn cho cần có đoạn cần mơ tả hình hình với tải trọng quy đổi theo phương Trong đó: vị trí 2,3,4 vị trí liên kết đoạn cần, vị trí theo mặt phẳng có liên kết ràng buộc khác nhau, thành phần lực quy đổi theo phương vng góc dọc theo trục dọc cần Fr2 d W1 Flt1 G1 z Fr1 x o a) y n n W1 W2 n n WQ W4 n W3 n W4 Ftt4 Ftt3 Ftt2 Ftt1 FttQ b) Hình Sơ đồ lực tác dụng lên cần hộp dạng ống lồng a) Sơ đồ mặt phẳng tải trọng; b) Sơ đồ mặt phẳng ngang 2 Flt1x d G1x W1x G1z Flt1z Gr1 d W1z Flt2x d W2x G2x G2z Flt2z Gr2 d W2z G3x Flt3x d W3x S Flt4x d G4x W4x G4z Flt4z Gr4 Qix WQx FltQx d W4z GQz G3z Flt3z Gr3 d W3z W4y Ftt4 W3y Ftt3 W2y Ftt2 W1y Ftt1 n n n n d FttQ WQy GrQ d WQz Flt4x S d G4x W4x G4z Flt4z d WQx FltQx Gr4 Qz4 d W4z Qix GQz GrQ d My4 WQz My4 Nx4 My3 My2 Nx3 Qz3 G2x Nx2 G1x Flt 1x d W1x 1' G1z Flt 1z Gr1 d W1z R1x R1z Flt2x d W2x G2z Flt2z Gr2 d W2z Q z2 G3x G3z Flt3z Gr3 d W3z My3 Nx3 Flt 3x d W3x Nx4 Mz3 Nx2 Qy2 Nx2 Qz2 R1'z 2.2 Phương pháp thuật tốn tính tốn Thuật tốn chung phương pháp tính tốn cần hộp ơng lồng cần trục tự hành nghiên cứu mơ tả hình Các liệu cho trước đặc tính kỹ thuật cần trục, tiết diện cần, vật liệu …Thuật toán thiết lập gồm mơ đun: Mơ hình hóa phân tích tải trọng, Ghép trường hợp tải trọng, Kiểm tra xuất kết quả, khảo sát Bảng tính báo xây dựng Microsoft Office Excel, cho phép nâng cấp giao diện ngơn ngữ lập trình khác Nx1 Qy1 n W3y Ftt3 Nx4 Qy4 n W2y Ftt2 Qy Nx2 n W1y Ftt1 n Mz2 1' Mz1 Ftt4 W4y WQy FttQ Mz Nx3 Mz2 My2 Mz4 Nx3 Qy 3 Qz3 Nx4 Qy4 Qz4 Hình Mơ hình tính mặt phẳng tải trọng nâng 214 Mz4 Qy2 Hình Mơ hình tính mặt phẳng ngang Mơ hình hóa phân tích tải trọng, xác định theo mơ hình 3, tải trọng theo đường đặc tính tải tương ứng Ghép trường hợp tải trọng với nội lực tổ hợp tải trọng xác định theo nguyên lý cộng tác dụng Theo nguyên lý tính nội lực cho tổ hợp tải trọng trường hợp tải trọng - tải trọng làm việc khơng có gió, trường hợp tải trọng - tải trọng làm việc có gió, trường hợp tải trọng - tải trọng bất thường bao KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC gồm xét biến dạng không biến dạng (TCVN 4244-2005) Kiểm tra xuất kết quả, bao gồm kiểm tra ứng suất, ổn định yêu cầu khác giới hạn đàn hồi Trên đoạn cần, ứng suất pháp tiếp phụ thuộc vào thành phần tải trọng trường hợp tải trọng xét Trong mặt phẳng chứa tải trọng nâng bỏ qua mô men xoắn: i = (Myi, Nxi); i = (Qzi) (3) Trong mặt phẳng ngang bỏ qua mô men xoắn: i = (Mxi, Nxi); i = (Qyi) (4) Điều kiện ổn định cục tính theo lý thuyết thành mỏng (TCVN 4244-2005, Lars H et al 1991) thỏa mãn điều kiện: [cp] ; Hình Sơ đồ thuật tốn mơ tả tính tốn cần hộp ống lồng cần trục tự hành Nội lực đoạn cần vị trí thứ i thành phần tải trọng gây ra: Ii = Ii(Mi, Q i, Ni, T i) = f(Mi+1, Qi+1, Ni+1, T i+1, Q i, FltQ, WQd, Gi, F lti, Wid…) j (1) Trong đó: Mi, Qi, Ni, Ti mô men, lực cắt, lực dọc, mơ men xoắn vị trí thứ i ngoại lực lực vị trí i+1 tác dụng; Mi+1, Qi+1, Ni+1, Ti+1 phản lực vị trí i+1, đoạn cần xét ngoại lực tác dụng (Navneet K, et al 2012) Phản lực lại vị trí 1’ R1’z xác định xy lanh nâng cần, cịn bạc trượt hay lăn tì hai đoạn cần lồng vị trí i lực đẩy cần thò thụt bỏ qua lực cản ma sát là: ; R ixl = Nxi (2) Trong đó: Ri phản lực lăn tì hay bạc trượt; Lci khoảng cách lăn hay bạc trượt; Rixl lực đẩy xy lanh Q trình tính tương tự cho vị trí mơ hình hình [cp] = (5) Trong đó: ứng suất uốn tiết diện (N/m2); [cp] ứng suất uốn ngang tới hạn cho phép (N/m2); v hệ số an toàn uốn ngang Trong trường hợp nén cắt: cp = K RF ; cp = K RF (6) F Ứng suất Ơ le R : (7) Trong đó: Các hệ số K σ , K τ hệ số uốn ngang phụ thuộc vào α= a , với a,b chiều dài xét b (m); e chiều dày xét (m); E mô đun đàn hồi (N/mm2); hệ số Poat xông; Vật liệu làm cần trục thép nên có E=210000N/mm2 =0,3; thứ nguyên cp (N/m2) VÍ DỤ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN 3.1 Số liệu cho trước yêu cầu tốn Các số liệu cho trước kích thước hình học cần hộp ống lồng lấy theo cần trục tự hành TADANO GTE 600EX, hệ số nhóm chế độ làm việc = 1,16 Đường đặc tính tải trọng tính tốn lấy theo hình 5, gồm đường A,B,C tương ứng trình làm việc đoạn cần Các thông số động học: vận tốc nâng vật = 10m/ph; vận tốc góc quay ωq = rad/s, thời gian chuyển động không ổn định quay tq = 12s, vận tốc góc nâng hạ cần để cần thay đổi tầm với n = 0,04rad/s, thời gian chuyển động không KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 215 ổn định nâng hạ cần tn = 8s u cầu tốn tính tốn, khảo sát ứng suất lớn tiết diện cần nguy hiểm để chọn vật liệu có tính phù hợp phục vụ thiết kế hay cải tạo sửa chữa Q(t) 60 50 C 40 30 Rx1 20 B Ry1 A 10 1' 10 20 30 R(m) 1' R y1' Hình Đặc tính tải trọng cần trục Hình Các mặt cắt nguy hiểm cần a) b) c) d) e) h) Hình Ứng suất lớn vị trí tiết diện cần trường hợp tải trọng 216 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 3.2 Kết tính tốn thảo luận Hình giá trị ứng suất lớn tiết diện Trong đó: Hình 7a- Ứng suất lớn tiết diện cần trường hợp tải trọng theo đường đặc tính A chưa xét tới biến dạng lớn; Hình 7b - Ứng suất lớn tiết diện cần trường hợp tải trọng theo đường đặc tính A xét tới biến dạng lớn; Hình 7c - Ứng suất lớn tiết diện cần trường hợp tải trọng theo đường đặc tính B chưa xét tới biến dạng lớn; Hình 7d- Ứng suất lớn tiết diện cần trường hợp tải trọng theo đường đặc tính B xét tới biến dạng lớn; Hình7e - Ứng suất lớn tiết diện cần trường hợp tải trọng theo đường đặc tính C chưa xét tới biến dạng lớn; Hình 7h - Ứng suất lớn tiết diện cần trường hợp tải trọng theo đường đặc tính C chưa xét tới biến dạng lớn Trong trường hợp ứng suất lớn σ = 43,6 (KN/cm2), thiết kế nhân với hệ số an toàn 1,33 (trường hợp tải trọng 2) giá trị ứng suất lớn tính tốn σ=1,33*43,6=57,988 (KN/cm2) Vậy vật liệu để chế tạo cần cần trục có giới hạn chảy tối thiểu 57,988 (KN/cm2), ví dụ loại S690/S700 (EN 10025-6) phải tăng chiều dày tiết diện hộp ống lồng Trong hai trường hợp thử tải, ứng suất lớn thử tải động lớn ứng suất lớn thử tải tĩnh Nguyên nhân thử tải động cần trục thực nhiều chuyển động có quán tính lớn Do với cần trục tính tốn ta cần thử tải động mà đảm bảo yêu cầu thử tải Khi kiểm tra cần trục làm việc theo đường đặc tính tải trọng C đảm bảo yêu cầu cho đường đặc tính A B KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp tính tốn kết cấu thép cần hộp ống lồng cần trục tự để hành triển khai áp dụng toán kỹ thuật thực tế Dựa theo số liệu kỹ thuật cần trục TADANO GTE 600EX tính tốn thử nghiệm cho cần hộp đoạn cần theo trường hợp tải trọng quy định Qua ví dụ tính xác định tính vật liệu chế tạo cần thiết, đường đặc tính tải trọng cần trục đạt trạng thái nguy hiểm đường đặc tính làm việc TÀI LIỆU THAM KHẢO Dương Trường Giang, Phạm Quang Dũng, Trần Nhất Dũng (2010), Xác định tiết diện hợp lý cho kết cấu thép cần trục tháp, Tạp chí khoa cơng nghệ xây dựng, (số 8), trang 57-65 Trương Quốc Thành, Phạm Quang Dũng (2004), Máy thiết bị nâng, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bộ Khoa học Công Nghệ (2006), TCVN 4244-2005, Thiết bị nâng, thiết kế chế tạo kiểm tra kỹ thuật, Hà Nội Bakr.N.K (2013), “Finite element anlaysis of the boom of the crane loaded statically”, Eng&Tech, Jounal Vol 3, pp 1629 -1639 Navneet K, Mohd (2012), “Force distribution on telescopic boom of crane”, International Jounal of Machanical Engineering and Robotics Research, Vol (2), pp 96-104 Ioannis G R, Georget M (2013), “Dynamic Behavior of telescopic crane boom”, International Jounal of Structural Stability and Dynamics, Vol 13 (1), (DOI: 10.1142/S0219455413500107) Rumin Teng, Fuzheng Qu, Yanwei Teng, Xuyang Cao, Hao He, Chao Zhao (2013), “Reseach on the section type for the telescopic boom of 100 AWP based on similaryti theore”, Journal of Convergence Information Technology (JCIT), Vol (3), (DOI:10.4156/jcit.vol8.issue3.96) Lars.H, Lars.S, Jerzy Z (1991), “Overall Stability of Thin-Walled Mobile Crane Booms Operating in the Postbuckling Range”, J Construct Steel Research, Elsevier Science Publishers Ltd, pp 321-329 Lawrence K Shapiro, Jay P Shapiro (2011) Cranes and Derricks The McGraw-Hill Companies, Inc Towarek, Z (1998) "The Dynamic Stability Of a Crane Standing On Soil During The Rotation Of The Boom" Lnt J Mech Sci., 40(6), pp 557–574 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 217 Abstract: RESEARCH ON THE CALCULATION METHOD FOR THE TELESCOPIC BOOM OF THE CRANE The calculation for the telescopic boom of the crane is complicated, the model and solution method should be suitable for the working characteristics and practical application requirements Therefore, the research on calculation for the telescopic boom of the crane is very necessary in practice This paper is the inheritance of existing studies in building computational models, solutions and calculation tools for the telescopic boom of the crane The algorithm is built to allow setting up computer programs for calculation The example presented in the paper shows that the calculation method to apply for practical problems of the telescopic boom Keywords: Telescopic boom, crane, load combine, force Ngày nhận bài: 15/7/2019 Ngày chấp nhận đăng: 23/8/2019 218 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC ... R1'z 2.2 Phương pháp thuật tốn tính tốn Thuật tốn chung phương pháp tính tốn cần hộp ơng lồng cần trục tự hành nghiên cứu mô tả hình Các liệu cho trước đặc tính kỹ thuật cần trục, tiết diện cần, ... đường đặc tính A B KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp tính tốn kết cấu thép cần hộp ống lồng cần trục tự để hành triển khai áp dụng toán kỹ thuật thực tế Dựa theo số liệu kỹ thuật cần trục TADANO... thử tải động cần trục thực nhiều chuyển động có qn tính lớn Do với cần trục tính tốn ta cần thử tải động mà đảm bảo yêu cầu thử tải Khi kiểm tra cần trục làm việc theo đường đặc tính tải trọng