Tối ưu hóa dầm cầu trục

Vương trang giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học ngành : CƠ HọC MáY khoa Cơ khí TốI ƯU HOá DầM CầU TRụC VƯƠNG THANH TRANG 2006 - 2008 Hà Nội 2008 Hà Nội 2008 giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà néi - luận văn thạc sĩ khoa học TốI ƯU HOá DầM CầU TRụC ngành : học máy 04.3898 Vương trang Người hướng dẫn : TS Trịnh Đồng tính Hµ Néi 2008 Vương Thanh Trang Luận Văn Thạc Sỹ KẾT CẤU KIM LOẠI CẦU TRỤC BẢNG THỐNG KÊ CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Q Gq Đơn vị t N Gx N Trọng lượng xe Gd L H R MU A Jx, Jy Jyc Wx, Wy, Wyc l h b d t N Trọng lượng dầm m m N Nm Khẩu độ, tầm với Chiều cao nâng Phản lực Mômen uốn λ [y] σ E m2 m4 S m3 mm mm mm mm mm mm mm N/cm2 Pa Ý nghĩa Trọng tải Trọng lượng vật nâng Diện tích mặt cắt tiết diện Mơmen qn tính tiết diện Mơmen qn tính u cầu tiết diện Mơmen cản uốn Chiều dài Chiều cao tiết diện (hộp, thép hình ) Chiều rộng tiết diện Chiều dày thành Chiều dày cánh Độ mảnh Độ võng cho phép Ứng suất uốn Modun đàn hồi LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần với phát triển kinh tế nước nhà ngành khoa học kỹ thuật tạo bước chuyển biến tích cực vượt bậc, đáng kể đến ngành khí, xây dựng dân dụng cơng nghiệp… Hồ chung phát triển kinh tế, nhà máy, xí nghiệp, nhà kho, nhà xưởng xây dựng ngày nhiểu, để đáp ứng luân chuyển hàng hoá kho, đặc biệt hàng hoá khối lượng lớn cồng kềnh việc lắp ráp thiết bị nâng nhà xưởng điều quan trọng Trong ngành thiết bị nâng, kết cấu kim loại chiếm đến 60-80% khối lượng kim loại toàn thiết bị nâng, Vì việc lựa chọn kết cấu kim loại cho phù hợp với cơng trình đảm bảo đủ điều kiện làm việc giá thành chi phí giảm xuống yêu cầu tất yếu doanh nghiệp Luận văn sâu nghiên cứu vấn đề kết cấu kim loại máy nâng nhằm đưa giải pháp tối ưu hoá làm giảm khối lượng kết cấu kim loại cầu trục cầu trục đáp ứng đủ yêu cầu kỹ thuật làm việc Trong trình làm luận văn em hướng dẫn tận tình TS Trịnh Đồng Tính kinh nghiệm kiến thức cịn nhiều hạn chế nên luận văn em chắn nhiều thiếu xót, em mong có đóng góp ý kiến thầy, cô để luận văn em hoàn thiện tốt Em mong giúp đỡ thầy để em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô! Hà Nội, ngày tháng Học viên thực Vương Thanh Trang năm 2008 Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang Chương I Khái niệm chung cầu trục kết cấu kim loại -1- Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang 1.1 Khái niệm chung cầu trục Cầu trục loại máy cầu trục phổ biến nhất, dùng để phục vụ việc giới hoá nâng chuyển vật nặng phân xưởng kho Cầu trục sử dụng rộng rãi tiện dụng để nâng hạ vật nặng, hàng hoá phân xưởng khí, nhà kho, bến bãi Xét tổng thể cầu trục gồm có phần kết cấu thép (dầm chính, dầm cuối, sàn công tác, lan can), cấu khí (cơ cấu nâng, cấu di chuyển cầu cấu di chuyển xe con) thiết bị điều khiển Phần kết cấu thép bao gồm dầm (dọc), hai dầm, có kết cấu hộp dàn có xe cấu nâng di chuyển qua lại Hai đầu dầm liên kết hàn đinh tán với hai dầm đầu, dầm đầu có hai cụm bánh xe, cụm bánh xe chủ động cụm bánh xe bị động Các bánh xe di chuyển hai đường ray song song đặt vai cột nhà xưởng hay dàn kết cấu thép (hình 1.1) Nhờ cấu nâng, cấu di chuyển cầu cấu di chuyển xe mà cầu trục nâng hạ hàng vị trí khơng gian phía mà cầu trục bao quát -2- Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang Hình 1.1 Cầu trục Dẫn động cầu trục tay hay dẫn động điện Dẫn động tay chủ yếu dùng phân xưởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạ không thường xun, khơng địi hỏi suất tốc độ cao 1.2 Cơng dụng chung, phân loại Có nhiều cách phân loại cầu trục, sau số cách phân loại: - Theo công dụng chung, chuyên dùng - Cầu trục dầm, cầu trục hai dầm - Theo kết cấu kim loại: cầu trục khung dàn, cầu trục dầm hộp - Theo cách điều khiển: điều khiển điện, điều khiển tay 1.3 Các phận 1.3.1 Các cấu - Cơ câu nâng: -3- Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang Cơ cấu nâng cầu trục thường có hai loại chính: loại dùng cho cầu trục dầm palăng điện (hình 1.2) palăng tay Palăng điện palăng tay có khả di chuyển dọc theo dầm để nâng hạ vật Các loại palăng phận máy chế tạo hoàn chỉnh theo tải trọng, tốc độ nâng chế độ làm việc khác Hình 1.2 Cầu trục dầm sử dụng palăng Đối với loại hai dầm thông thường cấu nâng chế tạo đặt xe để di chuyển dọc theo dầm (hình 1.3) Trên xe có từ đến ba cấu nâng, có cấu nâng có đến hai cấu nâng phụ -4- Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang Hình 1.3 Cầu trục dầm sử dụng xe - Cơ cấu di chuyển cầu: Trong cấu trục có hai cấu di chuyển: cấu di chuyển cầu trục chạy dọc theo ray đặt vai cột nhà xưởng cấu di chuyển xe chạy theo dọc dầm Cơ cấu di chuyển thường thực theo hai phương án: dẫn động chung dẫn động riêng Dẫn động chung dùng cho cầu trục có độ nhỏ cho xe Đối với cầu trục có độ lớn 15m, người ta hay sử dụng cấu di chuyển dẫn động riêng Loại gồm hai cấu di chuyển giống đặt hai phía cầu để dẫn động cho cụm bánh xe riêng biệt Kết cấu gọn nhẹ, dễ lắp đặt dễ sử dụng, dễ bảo dưỡng Tuy nhiên, cần ý tới biện pháp đồng tốc hai động lực cản di chuyển không hai bên ray để đảm bảo an tồn, chống xơ lệch dầm cầu trục Đối với việc lắp đặt cấu nâng cấu di chuyển lên xe phải xếp vị trí lắp đặt cấu cho áp lực lên bốn bánh xe tương -5- Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang đối cân có tải khơng có tải nâng Chênh lệch lực nén bánh xe không vượt 20% 1.3.2 Kết cấu kim loại Trong cầu trục phần kết cấu kim loại chiếm 60-80% khối lượng toàn máy Vì việc chọn vật liệu phương pháp tính để kết cấu kim loại đảm bảo đủ bền làm việc đạt tiêu kinh tế điều quan trọng Phần kết cấu kim loại thường có hai dạng chính: dạng hộp dạng dàn, liên kết phận kết cấu với hàn đinh tán Do có nhiều ưu điểm kinh tế công nghệ gia công nên liên kết hàn sử dụng rộng rãi Vật liệu sử dụng cầu trục có dạng thép dạng thép hình Để đảm bảo tính hàn cao nên thường dùng thép cacbon, thép hợp kim thấp hay hợp kim nhơm Đối với loại cầu trục có tải trọng lớn 75T, chịu tải thường chế tạo thép kết cấu hợp kim thấp, có độ bền cao thép cacbon, nhằm mục đích giảm trọng lượng chống ăn mịn làm việc ngồi trời Tuy nhiên dùng thép hợp kim cần ý sử dụng biện pháp cơng nghệ thích hợp để giảm ứng suất tập trung loại có độ nhạy cao tập trung ứng suất tải trọng thay đổi Một nhược điểm dùng thép hợp kim giá thành thường cao Biện pháp để giảm khối lượng kết cấu dùng hợp kim nhôm So với thép cacbon khối lượng hợp kim nhơm nhỏ 2.8-3 lần, có tính chống ăn mịn cao, tính tương đương với thép cacbon, mơdun đàn hồi thấp nửa thép cacbon nên làm tăng biến dạng đàn hồi chu kỳ dao động kết cấu Do sử dụng dạng hộp hay dạng ống lưu ý đến chiều cao dầm phải cao thép cacbon 20-30% 1.3.3 Điện - điều khiển Các cấu cầu trục thường dẫn động động điện Việc cấp điện cho cấu thực qua phương án: phương án dẫn qua dây dẫn móc khuyên trượt dọc cố định (dạng sâu đo) qua quét Ưu điểm phương án sử dụng dây dẫn đơn giản, khơng sợ đánh tia lửa điện q trình làm việc nên việc đảm bảo an toàn cháy nổ thực dễ dàng Tuy nhiên, khoảng không gian sử dụng để dồn dây điện chiếm nhiều làm giảm vùng phục vụ cầu trục Do vậy, trường hợp hành trình làm việc lớn thường sử dụng phương án cấp điện quét -6- Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang Các thông số tiết diện tính sau: A= 43 J yc t 02 ; h= 3A ; t = t ; Ac = A 4t (3.27) c) Để tối ưu theo độ bền độ cứng cần kết hợp hai trường hợp a b Kết tối ưu cần thoả mãn đồng thời điều kiện độ bền độ cứng Gọi diện tích tiết diện tính theo độ bền AW theo độ cứng AJ, tính theo công thức (3.12) (3.22): AW = 36Wyc2 AJ = m(3 − m) λ0 12 J yc λ0 m(3 − 2m) Có thể thấy m = 1, hai giá trị Với m từ 0,25 đến 0,75, tuỳ theo giá trị Wyc Jyc, đồ thị hàm số theo tham số m có vị trí tương ứng hình 3.4 Nếu đường cong phân bố phương án (a) cần tối ưu hố theo độ cứng (J = Jyc) , độ bền đảm bảo (W > Wyc) Kết tối ưu ứng với m = 0,75 Nếu đường cong phân bố theo phương án (b) – kết đạt m = 0,5 tối ưu theo độ bền (W = Wyc) Còn theo phương án (c) – kết tối ưu tương ứng với J = Jyc W = Wyc a) b) A AJ c) A A AJ AJ AW AW AW 0,5 0,75 m 0,5 0,75 m 0,5 0,75 m Hình 3.4 Quan hệ AJ AW theo m Kết hợp với điều kiện khác độ ổn định, tính cơng nghệ trình bày trên, tác giả [2, 5] đưa bước giải toán tối ưu sau: - 75 - Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang j w4 I w4 = VI 2j =j3 j = II w V w = j IV III w Hình 3.5 Biểu đồ phân vùng tối ưu tiết diện dầm Tính thơng số Jyc Wyc – cơng thức (3.2a,b) (3.3) Tính thơng số J1 W1 – công thức (3.23) (3.13) Tính tỷ số w = Wyc / W1 j = Jyc / J1 Dựa vào quan hệ w j, xác định phương pháp tính tối ưu thơng qua miền từ I đến VI (hình 3.5) Cơng thức tính kích thước tiết diện tương ứng với miền cho bảng 3.2 Chọn chiều dày cánh δc ≥ δ0 tính chiều rộng b qua diện tích cánh Ac - 76 - Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang Bảng 3.2 Kích thước tối ưu tiết diện dầm cầu trục (dầm đơn) Vùng I II III Tối ưu theo 4 j ; t j ; A J = λ0t= A j ; h λ= t0= A c 0 t0 m = 0,75 J m = 0,75 W m = 0,75 W IV V m= 2(w + 1) A = λ t 02 j ; h = λ t j ; t = t ; Ac = A A = λ t 02 w ; h = λ t w ; t = t ; Ac = A A = λ t 02 (w + 1) ; h = λ t ; t = t ; Ac = 2w − λ0 t w w = λ02t0 2/3 ; h λ0t0 A 2= ; 2 W m = 0,5 W J VI Kích thước tối ưu m= 2( t = λ0 w ; Ac = A  j A = λ t 02   w  w4  j   ; h = λ 0t0 ; +  j3  w   w4 + 1) j  w4  i3 = t t0= ; Ac − 1 λ0t0 2 w  j3  - 77 - Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang Chương Một số kết tính tốn - 78 - Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang Với việc áp dụng công thức trình bày điều kiện giống để so sánh, sau số kết Chú thích: A - diện tích tiết diện tính theo tối ưu F - diện tích tiết diện tính theo kinh nghiệm K A : hệ ố an tồn tính theo phương pháp tối ưu Kf : h ệ số an tồn tính theo phương pháp kinh nghiệm y A : độ võng tính theo phương pháp tối ưu y f : độ võng tính theo phương pháp kinh nghiệm Nhận xét: Qua hai đồ thị cho ta thấy, diện tích tính theo phương pháp tối ưu nhỏ so với diện tích tính theo kinh nghiệm đảm bảo điều kiện làm việc, điều làm giảm khối lượng kết cấu kim loại đồng nghĩa với việc giảm giá thành cầu trục Tính theo phương pháp kinh nghiệm có nhược điểm, thơng số tính khoảng rộng, điều dễ dẫn đến việc kết cấu thừa nguyên vật liệu, gây lãng phí Với việc tính theo phương pháp tối ưu cho ta kết xác - 79 - Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang Q = (tấn) A F A/F KA Kf yA yf 10 10.032 12.712 0,789 1,8 3,4 14,56 8,4 12,5 11.642 15.632 0,745 1,7 2,59 18,13 8,94 16 13.724 18.552 0,740 1,7 1,8 23,03 11,32 20 15.925 21.932 0,726 1,1 1,34 28,55 13,12 25 20.272 26.932 0,753 0,7 0,94 20,62 13,52 Dien tich L Q = (tấn) 30000 25000 20000 L A 15000 F 10000 5000 L Hình 4.1 Đồ thị diện tích Q = 10 (tấn) - 80 - Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang F (A/F KA Kf yA yf 10 10.032 11.552 0,868 5,1 3,2 14,56 8,4 12,5 11.641 13.872 0,839 2,8 2,45 18,13 17,85 16 13.724 15.352 0,894 1,1 1,8 23,03 11,79 20 16.216 20.532 0,790 0,7 1,32 18,21 13,12 25 20.270 23.632 0,858 0,5 0,99 20,12 12,92 Diện tích L A Q = 10 (tấn) 25.000 20.000 15.000 A F 10.000 5.000 10 15 20 Hình 4.2 Đồ thị diện tích - 81 - 25 30 L Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang Q = 16 (tấn) A 11.484 13.326 15.888 18.230 21.154 F 12.192 15.632 18.132 21.932 26.932 Dien tich L 10 12,5 16 20 25 A/F 0,942 0,852 0,876 0,831 0,785 KA Kf 3,2 1,8 1,5 0,9 0,7 3,7 2,59 1,81 1,34 0,94 yf yA 14,42 17,85 14,67 28,86 35,64 Q = 16 (tấn) 30.000 25.000 20.000 A 15.000 F 10.000 5.000 L 10 20 Hình 4.3 Đồ thị diện tích - 82 - 30 9,37 8,94 11,79 13,12 13,52 Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang Q = 20 (tấn) Diện tích L 10 12,5 16 20 25 A 10.978 14.248 17.565 19.491 22.617 F 13.132 15.922 18.555 23.832 27.632 A/F 0,836 0,895 0,947 0,818 0,819 KA Kf 1,1 1,5 1,4 0,6 0,6 3,45 2,45 1,8 1,32 0,95 yf yA 10,88 17,61 14,28 28,88 35,57 7,46 8,25 11,32 10,26 12,92 Q = 20 (tấn) 30.000 25.000 20.000 A F 15.000 10.000 5.000 10 20 Hình 4.4 Đồ thị diện tích - 83 - 30 L Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang Q =32 (tấn) A F A/F KA Kf yA yf 10 11.173 12.432 0,101 3,4 14,33 8,4 12,5 12.492 15.632 0,201 1,97 2,59 1,97 8,49 16 18.032 20.320 0,113 1,97 1,8 22,85 8,7 20 22.532 25.732 0,124 1,9 1,3 28,56 8,17 25 26.149 29.532 0,115 1,94 0,98 3,75 10,61 Diện tích L Q = 32 (tấn) 30.000 25.000 20.000 A 15.000 F 10.000 5.000 - L 10 15 20 Hình 4.5 Đồ thị so sánh diện tích - 84 - 25 30 Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang KẾT LUẬN Với việc đưa kết tính tốn theo phương pháp tối ưu, học viên nhận thấy rằng, diện tích tiết diện giảm khoảng 8-10%, điều cho thấy khối lượng cầu trục giảm đáng kể Việc tính tốn theo phương pháp tối ưu giúp người thiết kế xác định xác diện tích tiết diện cần thiết đủ yêu cầu làm việc, người thiết kế không cần phải lựa chọn thông số khoảng rộng phương pháp kinh nghiệm trước Tính tốn theo phương pháp kinh nghiệm dễ dẫn đến khối lượng c kết cấu lớn, gây lãng phí nguyên vật liệu nhân công lắp đặt - 85 - Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Văn Hồng, Đào Trọng Thường – Tính tốn máy trục Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà nội, 1975 [2] Коларов И – Метални Конструкции на Подемно-транспортни Машини Техника, София, 1987 (Kolarov I – Kết cấu kim loại máy nâng chuyển Nxb Kỹ thuật, Sofia, 1987, Tiếng Bulgaria) [3] TCVN 2737:1995 - Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế Nxb Xây dựng, Hà nội, 1995 [4] TCXD 229:1999 - Chỉ dẫn tính tốn thành phần động tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 Nxb Xây dựng, Hà nội 1999 [5] Коларов И., М.Проданов, П.Караиванов - Проектиране на Товаро-подемни Машини Техника, София, 1986 (Kolarov I , M Prodanov, P Karaivanov – Thiết kế máy nâng Nxb Kỹ thuật, Sofia, 1986, Tiếng Bulgaria) [6] Александров М П – Подъемно-транспортные Машины Высшая школа, Москва, 1972 (Aleksandrov M.P.– Podemno-transportnye Mashini Vyschaia Schola, Moskva, 1972 Aleksandrov M.P.– Máy nâng chuyển Nxb Đại học, Moskva, 1972) [7] Martin Scheffler, Klaus Feyrer, Karl Matthias – Fửrdermaschinen: Hebezeuge, Aufzỹge, Flurfửrderzeuge Friedr.Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft GmbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1998 [8] Гохберг М М – Метлические Конструкции Подъемно- транспортных Машин Машиностроение, Ленинград, 1976 (Gokhberg M.M – Kết cấu kim loại máy nâng chuyển – Nxb Chế tạo máy, Leningrad, 1976, Tiếng Nga) [9] Справочник по Кранам Под ред А И Дукельского, том 1,2 Машиностроение, Ленинград, 1973 (Cẩm nang cần trục – Chủ biên A.I Dukelsko, tập 1, Nxb Chế tạo máy, Leningrad, 1973, Tiếng Nga) [10] TS Nguyễn Đăng Cường, TS Lê Công Thành, Bùi Văn Xun, Trần Đình Hồ – Máy nâng chuyển thiết bị cửa van, nhà xuất xây dựng [11] Nguyễn Trọng Hiệp – Chi tiết máy – nhà xuất đại học giáo dục chuyên nghiệp [12] GS TS Đoàn Định Kiến - Thiết kế kết cấu thép – nhà xuất xay dựng [13] PGS Đào Trọng Thường – Máy nâng chuyển - 86 - Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang [14] Huỳnh Văn Hoành, Trần Thị Hồng, Lê Hồng Sơn - Kết cấu thép thiết bị nâng, nhà xuất đại học quốc gia TP HCM - 87 - Vương Thanh Trang MỤC LỤC Luận Văn Thạc Sỹ Chương I: Khái niệm chung cầu trục kết cấu kim loại 1.1 Khái niệm chung cầu trục 1.2 Công dụng chung, phân loại 1.3 Các phận 1.3.1 Các cấu 1.3.2 Kết cấu kim loại 1.3.3 Điện - điều khiển 1.4 Kết cấu kim loại cầu trục 1.4.1 Dầm cầu trục dầm 1.4.2 Dầm cầu trục hai dầm 1.4.3 Dầm đầu 11 Chương II: CƠ SỞ TÍNH TỐN KẾT CẤU KIM LOẠI 13 2.1 Tải trọng tác dụng lên kết cấu kim loại 14 2.2 Các tổ hợp tải trọng 17 2.3 Tính tốn dầm 19 2.4 Xác định nội lực phần tử kết cấu kim loại 26 2.4.1) Tải không di động 26 2.4.2) Tải di động 29 2.5 Đường ảnh hưởng 31 2.5.1 Cách dùng đường ảnh hưởng để xác định vị trí nguy hiểm xe lăn 31 2.5.2 Xác định đại lượng cần tìm cực đại dầm 38 2.6 Tính kiểm nghiệm dầm 42 - 88 - Luận Văn Thạc Sỹ Vương Thanh Trang 2.6.1 Kiểm nghiệm độ tĩnh 42 2.6.2 Kiểm nghiệm độ bền mỏi 43 1.6.3 Đường cong mỏi 45 2.6.4 Kiểm nghiệm độ ổn định 49 2.6.5 Kiểm nghiệm độ cứng 54 2.7 Dầm đầu 56 2.7.1 Xác định momen uốn lực cắt 56 2.7.2 Kết hợp tải trọng 63 Chương III: Tối ưu hoá thiết kế dầm cầu trục 65 3.1 Xác định kích thước tối ưu dầm cầu trục 66 3.1.1 Với kết cấu giàn 66 3.1.2 Với kết cấu dầm đơn, 67 Chương IV: Một số kết tính tốn 78 KẾT LUẬN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 - 89 - ... nhiều cách phân loại cầu trục, sau số cách phân loại: - Theo công dụng chung, chuyên dùng - Cầu trục dầm, cầu trục hai dầm - Theo kết cấu kim loại: cầu trục khung dàn, cầu trục dầm hộp - Theo cách... loại cầu trục gồm dầm chính, dầm đầu phận liên quan khác sàn thao tác, lối đi, lan can Dựa vào kết cấu dầm chính, kết cấu kim loại cầu trục chia làm hai loại: cầu trục dầm cầu trục hai dầm 1.4.1... cầu nối đường ray phân xưởng với 1.4.2 Dầm cầu trục hai dầm Đơn giản kết cấu cầu trục hai dầm dùng hai dầm thép I đặt song song gối đầu lên hai dầm đầu, dầm chữ I có đường ray để xe di chuyển