a. Cấu tạo
Cáp thép đƣợc cấu tạo từ những sợi dây thép con có độ bền kéo lên đến 1800N/mm2và có đƣờng kính từ (0,2 ÷ 1) mm. Để chế tạo cáp thép ngƣời ta bện các sợi dây thép con lại thành “tao”, và từ các “tao” bện lại thành cáp. Ngoài ra trong cáp thép còn bố trí một lõi làmbằng xơ sợi tổng hợp hoặc thực vật có tẩm dầu bôi trơn để làm mềm cáp
Hình 1.17: Cấu tạo cáp thép
1. Sợi thép con ; 2, Tao ; 3. Lõi cáp ; Cáp Thép
Số lƣợng sợi thép con và số lƣợng tao cũng ảnh hƣởng đến đặc điểm của cáp thép:
• Nếu cáp có nhiều sợi thép con thì:
- Cáp sẽ mềm (nhƣng độ bền lâu tăng không đáng kể vì các sợi mặt ngoài có ứng suất tiếp lớn).
27
- Chi phí thời gian chế tạo lớn, giá thành cao. • Nếu cáp có nhiều “tao” thì:
- Bề mặt cáp bằng phẳng. - Khả năng chịu nén kém.
b. Phân loại
• Theo phương pháp chế tạo: Có cáp tiếp xúc điểm, đƣờng và cáp tiếp xúc hỗn hợp
Hình 1.18: Hình vẽ minh hoạ Cáp tiếp xúc điểm và tiếp xúc đường. a, Cáp tiếp xúc điểm ; b, Cáp tiếp xúc đường
Hình 1.19: Các loạicáp tiếp xúc đường.
a. Có đường kính các sợi giống nhau ; b. Đường kính sợi giống nhau từng lớp c. Đường kính sợi khác nhau ở lớp ngoài ; e. Đường kính sợi lớp ngoài khác lớp trong
d. Có lớp sợi thép con làm nền giứa các lớp ; f. Chỉ có sợi lớp ngoài cùng khác nhau
• Theo dạng xoắn: Có cáp thƣờng và cáp không tở
Cáp thƣờng là cáp mà các sợi và các cháu không có biến dạng. Cáp không tở là cáp có biến dạng của sợi và cháu, cáp này có đặt điểm sau:
- Độ bền mòn lớn hơn cáp thƣờng. - Lực căng đƣợc phân bố đều đặn. - Có khả năng chống uốn tốt hơn, cứng - Giảm đƣợc sự mài mòn tang và ròng rọc. • Theo hướng xoắn: Có cáp S và cáp Z - Cáp xoắn phải còn gọi là cáp Z
- Cáp xoắn trái: Còn gọi là cáp S
28
Chú ý: Độ bền và tuổi thọ của cáp chịu ảnh hƣởng của mối quan hệ giữa hƣớng xoắn cáp với chiều quay tang cuốn cáp.
Hình 1.21: Hướng xoắn cáp và chiều quay tang
• Theo cách bện: Có cáp bện ngƣợc chiều và cáp bện cùng chiều.
- Cáp bện ngƣợc chiều là loại cáp mà hƣớng xoắn của sợi trong tao và của tao trong cáp là trái chiều nhau.
- Cáp bện cùng chiều là loại cáp mà hƣớng xoắn của sợi trong tao và của tao trong cáp là cùng chiều nhau.
Đặc điểm của cáp bện ngƣợc chiều và cáp bện cùng chiều: + Cáp bện ngƣợc chiều:
- Các sợi thép con luôn luôn bị căng, độ mòn tăng và độ bền lâu giảm. - Khi không mang tải không bị mở đƣờng xoắn.
+ Cáp bện cùng chiều:
- Bề mặt bằng phẳng và diện tích tiết diện đầy hơn. - Mềm dễ uốn và bền hơn.
- Bị mài mòn ít hơn do chỗ bề mặt tiếp xúc tăng. - Dễ bị mở đƣờng xoắn khi không mang tải.
c. Chế độ, điều kiện làm việc và phƣơng pháp tính toán cáp
- Điều kiện làm việc: Chịu ăn mòn, ma sát và mài mòn.
- Chế độ làm việc: bị Kéo - Uốn - Nén - Xoắn dƣới tác dụng của lực căng và tốc độ quay.
Độ lớn các ứng suất trên lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Độ lớn tải trọng tác dụng,
- Kết cấu và đƣờng kính cáp,
- Độ lớn ma sát giữa các sợi và các cháu, - Kích thƣớc và kết cấu của tang hay ròng rọc.
- Mối quan hệ giữa hƣớng xoắn của cáp và chiều quay của tang.
Trạng thái ứng suất trong cáp là phức tạp. Trong thực tế không thể xác định đƣợc mối quan hệ quá phức tạp nói trên, do đó chỉ có thể tính toán cáp một cách gần đúng theo 3 phƣơng pháp tính sau đây:
29 • Phương pháp tính toán theo độ bền mỏi:
Dƣới tác dụng đồng thời các ứng lực nói trên cùng với việc uốn cong và duỗi thẳng liên tục trong quá trình làm việc sẽ làm cho cáp bị mỏi và cuối cùng bị phá huỷ. Do đó, ngƣời ta đƣa về việc xác định giới hạn số lần uốn cáp.
Giá trị giới hạn số lần uốn cáp lại phụ thuộc vào trị số của lực căng và tỉ số giữa đƣờng kính tang (hay ròng rọc) và đƣờng kính cáp ( D0 = C.dc). Theo S.S Torban tỉ số C sẽ nhỏ hơn 10 đối với cáp thực vật và C =15 ÷ 20 đối với cáp thép.
D.C. Dutscop đã tiến hành thí nghiệm và cho thấy với cùng một giá trị tải trọng, nếu C = 6,8 thì cáp chịu đƣợc khoảng 10.103lần uốn sẽ đứt, khi C = 8,6 thì giới hạn số lần uốn là 45.103, khi C = 10,8 thì giới hạn số lần uốn là 100.103, khi C = 12,9 thì giới hạn số lần uốn là 180.103 và khi C = 20,4 thì sau 600.103lần uốn cáp sẽ bị phá huỷ.
Nhƣ vậy nếu tăng C từ 6,8 lên 20,4, nghĩa là tăng 3 lần thì sẽ tăng giới hạn số lần uốn lên 60 lần với cùng một giá trị tải trọng.
Tuy vậy số lần uốn giới hạn khó có thể tính toán chính xác do còn ảnh hƣởng của nhiều yếu tố khó xác định. Vì vậy khi chọn cáp theo phƣơng pháp này chủ yếu dựa vào các biểu đồ phụ thuộc giữa lực căng và giới hạn số lần uốn Ughbằng thực nghiệm.
• Phương pháp tính toán theo độ bền kéo và uốn:
Trên thực tế không thể cùng lúc tính đƣợc tất cả các ứng suất kéo, uốn, nén và xoắn, cho nên chỉ có thể tính cáp theo uốn và kéo, còn các ứng suất xoắn và nén đƣợc bổ sung bằng một hệ số dự trữ (từ thực nghiệm).
Khi cáp chịu lực căng S uốn quanh ròng rọc có đƣờng kính D, cáp thép có z sợi dây thép con mỗi sợi có đƣờng kính ds. Có thể tham khảo công thức sau để tính chọn cáp thép:
• Phương pháp tính toán theo độ bền đứt:
Hiện nay máy nâng nói chung các cơ cấu và chi tiết nói riêng của máy nâng đã đƣợc tiêu chuẩn hóa mạnh. nhờ đó việc tính toán cáp thép cũng sẽ đơn giản rất nhiều.
Tính toán theo độ bền đứt là phƣơng pháp tính chọn cáp đƣợc sử dụng phổ biến nhất. Phƣơng pháp này dựa vào lực căng lớn nhất, hệ số bền dự trữ và tuỳ thuộc chế độ làm việc của máy nâng để xác định lực đứt cáp. Từ lực đứt cáp ta tiến hành tra bảng cáp theo tiêu chuẩn (Do nhà chế tạo cáp thép cung cấp) để chọn cáp.
Bước 1: Tính Smax= Sdmkd(Hệ số kd đƣợc chọn tùy thuộc vào chế độ làm việc của máy nâng)
Bước 2: Tính Sd= Smaxn ( Hệ số an toàn n = 3 ÷ 10)
30
Bảng 6. Cáp thép Liên Xô ΛK - 06 x 19 ( Γ0CT 3077 – 55 )
d. Các biện pháp cải thiện độ bền và tuổi thọ của cáp thép
- Sử dụng đúng tải trọng.
- Phù hợp giữa chiều quay và hƣớng xoắn cáp, giữa đƣờng kính cáp với đƣờng kính trống tang hoặc ròng rọc.
- Cách ly môi trƣờng bằng cách phủ lên trên bề mặt lớp dầu mỡ. - Phủ lên bề mặt sợi thép con lớp vật liệu chống ăn mòn.
- Thƣờng xuyên tra dầu mỡ vào lõi cáp.
e. Nối đầu cáp với các tiết máy khác
Cặp đầu cáp lên trục cần có vòng lót cáp bảo vệ cho cáp khỏi bị chà xát trực tiếp vào trục và tránh ứng suất dập lớn. Vòng lót có tiết diện hình máng (hình 1.22)
Để kẹp chặt đầu cáp thƣờng dùng nhất là cặp bu long (hình 1.22). Có thể dùng cách bện (hình 1.23): tháo tung đầu cáp, luồn các sợi vào thân cáp, rồi dùng sợi thép quấn ngoài trên đoạn dài l. Cách bện này tốn công và không đƣợc chắc chắn nên ít dùng.
Dùng ống côn để cặp đầu cáp cũng rất đảm bảo (hình 1.24) đầu cáp xâu qua lỗ nhỏ ống côn, cắt bổ lõi giữa, bẻ gập các sợi, rút lại rồi đổ chì vào ống.
Khóa chêm (hình 1.25) dùng rất phổ biến và tiện lợi để cặp đầu cáp, có thể nối và tháo rất nhanh bằng tay mà không cần dụng cụ chuyên dùng.
31
Hình 1.22 Hình 1.23
Hình 1.24 Hình 1.25
Các thiết bị để nối và cặp đầu cáp nói trên đều đƣợc quy chuẩn hóa.
1.4.2. Xích hàn a. Đặc điểm cấu tạo
Xích hàn gồm các mắt xích hình ô van đƣợc chế tạo từ thép tròn uốn cong rồi hàn lại bằng phƣơng pháp hàn rèn hoặc hàn điện. Vật liệu chế tạo thƣờng là loại thép ít các bon giới hạn thấp cho nên giới hạn bền kéo thấp vàkhả năng tải của xích thấp.
b. Các kích thƣớc cơ bản - Đƣờng kính xích dx - Bƣớc xích t - Chiều rộng mắt xích B - Chiều dài mắt xích L: L = t + 2d Hình 1.26: Cấu tạo xích hàn c. Phân loại xích hàn
Dựa vào cấu tạo:
32 - Xích có thanh ngáng.
Dựa vào bước xích:
- Xích mắt ngắn: có t < 3dx - Xích mắt dài: có t > 3dx
Dựa vào độ chính xác chế tạo:
- Xích chính xác: t = ± 0,03dx. và b = ±0,05dx. - Xích không chính xác: Sai số của t và B cỡ ± 0,1dx.
Hình 1.27: Xích hàn có thanh ngáng.
d. Đặc điểm, phạm vi ứng dụng
- Dễ uốn theo các hƣớng (mềm hơn cáp thép) - Cấu tạo và chế tạo đơn giản
- Trọng lƣợng riêng lớn và rất nhạy cảm với các va chạm (ồn). - Dễ bị đứt đột ngột.
- Mắt xích thƣờng bị mòn nhiều ở nơi bị cọ xát. - Chỉ cho phép làm việc với tốc độ chậm. - Giới hạn bền kéo thấp và khả năng tải thấp.
Trong máy nâng xích hàn sử dụng không rộng rãi bằng cáp thép vì nặng và độ tin cậy kém.
Thông thƣờng xích mắt ngắn là xích chính xác dùng trong truyền động . Xích chính xác đƣợc dùng với các đĩa xích có số răng Zmin = 5 với vận tốc truyền động không quá 0,5 m/s. Xích không chính xác chỉ dùng với các đĩa xích và tang trơn với vận tốc truyền động không quá 1 ÷ 5m/s
Xích hàn đƣợc dùng hợp lý trong các cơ cấu nâng tải trọng nhỏ nhƣ palăng, dùng truyền động trong môi trƣờng bụi không dùng đƣợc xích bản lề, hoặc để buộc và treo vật nặng. Xích hàn có thanh ngáng đƣợc dùng làm lĩn neo (xích neo).
e. Phƣơng pháp tính chọn
Xích chịu kéo là chủ yếu nhƣng do cấu tạo mắt xích cho nên ngoài chịu kéo xích còn bị uốn cục bộ, ứng suất này khó xác định nên bỏ qua kể cả độ bền mối hàn. Tuy nhiên khi xích đi qua tang hoặc ròng rọc thì cả mắt xích bị uốn.
Giả sử khi xích đi qua puly các mắt xích kề nhau quay một góc α. Khi đó lực căng S đƣợc phân làm hai thành phần: (Xem hình 1.28)
33 Srgây ra ứng suất kéo:
SBgây ra ứng suất uốn với:
Có thể lấy
Do đó
Do đó để giảm ứng suất trên mắt xích cần phải sử dụng xích bƣớc ngắn. Thông thƣờng, ngƣời ta dùng xích có t = (2,7 ÷ 2,8)d cho các loại tang và đĩa xích (Với đƣờng kính tang hay đĩa xích là D = 15dx)
Trong thực tế tính toán, người ta thường chọn xích hàn theo điều kiện bền đứt tương tự như tính chọn cáp thép:
Smax = Sdm kd→ Sd = Smax.n → Tra bảng chọn xích theo tiêu chuẩn.
Giá trị n > 3 tuỳ thuộc vào loại truyền động (tay hoặc máy) và công dụng của xích.
Hình 1.28: Tính xích hàn
1.4.3. Xích tấm
Xích tấm gồm những tấm thép nối với nhau bằng các trục nhỏ (hình 2.29), số tấm trong mắt xích càng nhiều, tải trọng phá hỏng càng lớn. Các chi tiết làm bằng thép 40 và 45 với giới hạn bền kéo 570 – 600 N/m2 .
34
Ƣu điểm so với xích hàn chế tạo từ những tấm nguyên không phải hàn do đó bảo đảm an toàn hơn; các mắt xích bị biến dạng ít hơn, chuyển động điều hòa hơn.
Nhƣợc điểm: nặng hơn và đắt hơn, không uốn cong đƣợc trong mặt phẳng các trục bản lề; các bản lề bị mòn nhiều; làm việc phải có đĩa xích (có răng), với vận tốc thấp, vmax = 0,25 m/s.
Tính toán xích bản lề cũng tƣơng tự nhƣ xích hàn và cáp; hệ số an toàn quy định lấy không dƣới 5.
Hình 1.29: Xích tấm
* So sánh cáp và xích
Các loại dây dùng trong cơ cấu nâng của máy trục nói trên (cáp thép bện, xích hàn, xích tấm) có cơ tính và chất lƣợng sử dụng rất khác nhau, vì vậy chúng đƣợc dung trong những điều kiện khác nhau.
Cáp nhẹ hơn xích rất nhiều, với cùng tải trọng phá hỏng trọng lƣợng 1m cáp nhỏ hơn trọng lƣợng 1m xích khoảng 10 lần. Ngoài ra nó có thể uốn đƣợc theo mọi hƣớng: làm việc điều hòa, không ồn với bất kỳ vận tốc nào nếu bảo quản tốt có thể đảm bảo độ bề lâu: không đứt bất ngờ mà báo hiệu cho biết trƣớc quá trình phá hỏng vì mỏi (đứt dần từng dây), do đó làm việc rất an toàn. Nhƣợc điểm duy nhất của cáp là đòi hỏi tang phải có đƣờng kính lớn, do đó bộ truyền sẽ phức tạp hơn. Tuy vậy, nhờ những ƣu việt của nó, cáp vẫn là loại dây phổ biến nhất trong các máy trục hiện tại.
Xích hàn có nhiều nhƣợc điểm: nặng hơn cáp nhiều, độ an toàn kém hơn, có thể đứt bất ngờ khi nâng vật, điều kiện truyền lực kém (tiếp xúc điểm), tốc độ làm việc với đĩa xích cho phép thấp (0,1 m/s). Ƣu điểm của nó là rất dễ uốn cong theo mọi hƣớng.
Xích tấm chỉ gập đƣợc theo một hƣớng. Độ an toàn cao hơn xích hàn, tốc độ cho phép cũng lớn hơn (0,25 m/s) nhƣng đắt hơn.
Nhƣ vậy, cáp ƣu việt hơn hăn so với xích. Tuy nhiên xích vẫn đƣợc dùng trong những điều kiện tƣơng ứng, yêu cầu kích thƣớc cơ cấu nhỏ gọn (vì có thể dùng đĩa xích rất nhỏ) khi môi trƣờng xung quanh có nhiệt độ cao ảnh hƣởng không tốt tới dây
35
cáp. Xích thƣờng đƣợc dùng trong các palăng xích kéo tay, là những cơ cấu nâng chậm, chiều cao nâng không lớn lắm.
1.5. Bộ phận cuốn và hƣớng dẫn dây
Ròng rọc, Palăng, Tang là những kết cấu đƣợc sử dụng rộng rãi trong máy nâng. Đó là các kết cấu cơ sở để tạo nên các cơ cấu của máy nâng
1.5.1. Tang a. Khái niệm
Trong các máy tời nói chung và máy nâng nói riêng Tang là bộ phận chấp hành dùng để biến chuyển động quay của trục tải thành chuyển động tịnh tiến của phần tử mềm và dùng để kéo hoặc thu chứa cáp.
b. Phân loại
Tang trơn (hình 1.30) Tang xẻ rãnh (hình 1.31)
c. Các thông số cơ bản của tang
Hình 1.30 Tang trơn
36
- Đường kính trống tang: D0 = (18 ÷ 20)dc(mm)
- Chiều dài tang: Lt(mm) Lt = Z.t
Với : t - Bƣớc tang, thƣờng chọn t = 1,1.dcvới tang xẻ rãnh và t = dcvới tang trơn Z = Z3 + Z2+Z1 - Số vòng cuốn cáp trên tang
Trong đó :
Z3 - số vòng cápcố định cáp Z2- số vòng dự trữ.
Z1- số vòng làm việc của tang. Với :
Z1 = a.H/(π.D0) vòng Z2 = Z3 = 1,5 ÷ 2 vòng
Khi cuốn n lớp cáp trên tang có thể lấy : Z ≈ Z1/n
- Bề dày tang: δ . Đƣợc xác định khi tính bền trống tang. Với tang đúc có thể xác định sơ bộ theo: δ= 0,02D + (6 ÷ 10) mm; hoặc δ = 1,2dc
• Tính toán bền tang thu chứa cáp
Trống tang luôn chịu trạng thái ứng suất phức tạp: nén, uốn và xoắn.
Đối với những tang có chiều dài nhỏ hơn 3 lần đƣờng kính trống tang thì ứng suất uốn và xoắn không vƣợt quá 15% ứng suất nén. Do đó việc tính toán bền tang (Để xác định bề dày δcủa trống tang) chủ yếu theo ứng suất nén.
Hình 1.32: Sơ đồ tính bền tang