2.3.1. Cầu trục
a. Công dụng và phân loại
Cầu trục đƣợc dùng chủ yếu trong các phân xƣởng, nhà kho để nâng hạ và vận chuyển hàng hóa với lƣu lƣợng lớn. Cầu trục là mộtkết cấu dầm hộp hoặc dàn, trên đó đặt xe con có cơ cấu nâng. Dầm cầu có thể chạy trên các đƣờng ray đặt trên cao dọc theo nhà xƣởng còn xe con có thể chạy dọc theo dầm cầu. Vì vậy mà cầu trục có thể nâng hạ và vận chuyển hàng theo yêu cầu tại bất kỳ điểm nào trong không gian của nhà xƣởng.
Cầu trục đƣợc sử dụng trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân với các thiết bị mang vật rất đa dạng nhƣ móc treo, thiết bị cặp, nam châm điện, gầu ngoạm,… Đặc biệt, cầu trục đƣợc sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo máy và luyện kim với các thiết bị mang vật chuyên dùng.
Cầu trục đƣợc chế tạo với tải trọng nâng từ 1 đến 500 tấn, khẩu độ dầm cầu đến 32m, chiều cao nâng đến 16m, tốc độ nâng vật từ 2 đến 40 m/ph, tốc độ di chuyển xe con đến 60 m/ph vàtốc độ di chuyển cầu trục đến 125 m/ph. Cầu trục có tải trọng nâng
104
trên 10 tấn thƣờng đƣợc trang bị hai hoặc ba cơ cấu nâng vật: một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ. Tải trọng nâng của loại cầu trục này thƣờng đƣợc ký hiệu bằng một phân số với các tải trọng nâng chính và phụ, ví dụ: 15/3 tấn; 20/5 tấn; 150/20/5 tấn, …
Theo công dụng có các loại cầu trục có công dụng chung và cầu trục chuyên dùng. Cầu trục có công dụng chung chủ yếu dùng với móc treo để xếp dỡ, lắp ráp và sửa chữa máy móc. Loại cầu trục này có tải trọng nâng không lớn và khi cần có thể dùng với gầu ngoạm, nam châm điện hoặc thiết bị cặp để xếp dỡ một loại hàng nhất định. Cầu trục chuyên dùng đƣợc sử dụng chủ yếu trong công nghiệp luyện kim với các thiết bị mang vật chuyên dùng và có chế độ làm việc rất nặng.
Theo kết cấu dầm cầu có các loại cầu trục một dầm (hình 2.16 và 2.17) và cầu trục hai dầm (hình 2.19). Dầm cầu của cầu trục một dầm thƣờng là dầm chữ I hoặc dầm tổ hợp với các dàn thép tăng cứng cho dầm (hình 2.18). Cầu trục một dầm thƣờng dùng palăng điện chạy dọc theo dầm chữ I nhờ cơ cấu di chuyển palăng. Cầu trục hai dầm có các loại dầm hộp và dầm dàn không gian.
Theo cách tựa của dầm cầu lên đƣờng ray di chuyển cầu trục có các loại cầu trục tựa (hình 2.15, 2.16, 2.19) và cầu trục treo (hình 2.17). Loài cầu trục tựa đƣợc sử dụng phổ biến hơn.
Theo cách bố trí cơ cấu di chuyển cầu trục có các loại cầu trục dẫn động chung và cầu trục dẫn động riêng (hình 2.20).
Ngoài ra theo nguồn dẫn động có các loại cầu trục dẫn động tay và cầu trục dẫn động máy. Theo vị trí điều khiển có các loại cầu trục điều khiển từ cabin gắn trên dầm cầu và cầu trục điều khiển từ dƣới nền bằng hộp nút bấm. Điều khiển từ dƣới lên bằng hộp nút bấm thƣờng dùng cho loại cầu trục một dầm có tải trọng nâng nhỏ.
b. Cấu tạo chung của cầu trục
Cầu trục dẫn động bằng tay đƣợc dùng chủ yếu trong sửa chữa, lắp ráp nhỏ và các công việc nâng –chuyển hàng không yêu cầu tốc độ cao. Cơ cấu nâng của loại cầu trục này thƣờng là palăng xích kéo tay. Cơ cấu di chuyển pa lăng xích và cầu trục cũng đƣợc dẫn động bằng cách kéo xích từ dƣới nền. Tuy là thiết bị nâng thô sơ song do giá thành rẻ và dễ sử dụng mà cầu trục dẫn động bằng tay vẫn đƣợc sử dụng có hiệu quả trong các phân xƣởng nhỏ.
Trên hình 2.15, a là hình chung của cầu trục dẫn động bằng tay loại một dầm. Cầu trục gồm dầm cầu 1, cơ cấu di chuyển cầu trục 2 và pa lăng xích 3 có cơ cấu di chuyển palăng. Cả ba chuyển động nâng, di chuyển pa lăng và cầu trục thƣờng đƣợc lắp bằng ổ bi trên trục cố định và bánh xe chủ động ở mỗi bên ray đƣợc dẫn động từ trục truyền chung qua bộ truyền bánh răng hở. Đĩa xích dẫn động cơ cấu di chuyển cầu
105
trục đƣợc đặt ở giữa trục truyền chung để đảm bảo góc quay đều của hai nửa trục truyền.
Hình 2.15: Cầu trục dẫn động bằng tay a) Loại một dầm; b) Loại hai dầm
Cầu trục một dầm dẫn động bằng động cơ gồm hai loại: cầu trục tựa và cầu trục treo. Tủy theo yêu cầu màu cầu trục một dầm có thể đƣợc chế tạo với cabin điều khiển hoặc hộp nút bấm điều khiển từ dƣới nền nhà.
Trên hình 2.16 là hình chung của cầu trục tựa loại một dầm. Phần kết cấu thép của cầu trục gồm dầm cầu 1 có hai đầu tựa lên các dầm cuối 5 với các bánh xe di chuyển dọc theo ray đặt trên vai cột của nhà xƣởng. Cơ cấu di chuyển của cầu trục một dầm thƣờng dùng phƣơng án dẫn động chung. Phía trên dầm chữ I là dàn thép 4 đặt trong mặt phẳng ngang để đảm bảo độ cứng cần thiết theo phƣơng ngang để đảm bảo độ cứng cần thiết theo phƣơng ngang của dầm cầu. Pa lăng điện 3 có thể chạy dọc theo các cánh thép phía dƣới của dầm chữ I nhờ cơ cấu di chuyển palăng. Cabin điều khiển 2 đƣợc treo vào phần kết cấu chịu lực của cầu trục.
106
So với cầu trục tựa, cầu trục treo có ƣu điểm là có thể làm dầm cầu dài hơn do đó nó có thể phục vụ ở cả phần rìa mép của nhà xƣởng, thậm chí có thể chuyển hàng giữa hai nhà xƣởng song song. Tuy nhiên, cầu trục treo có chiều cao nâng thấp hơn so với cầu trục tựa. Dầm cầu của cầu trục treo thƣờng là dầm thép chữ I và dùng pa lăng điện chạy dọc theo dầm cầu để nâng hạ vật. Tùy theo khẩu độ của nhà xƣởng mà cầu trục treo có thể chạy dọc theo nhà xƣởng nhờ hai ray treo (hình 2.17, a) hoặc nhờ nhiều ray treo (hình 2.17, b –loại ba ray treo). Chính vì có thể treo trên nhiều gối mà kết cấu của cầu thép của cầu trục treo nhẹ hơn so với cầu trục tựa và có thể làm dầm cầu có độ dài tƣơng đối lớn (đến 100m). Cơ cấu di chuyển cầu trục treo thƣờng dùng phƣơng án dẫn động riêng: tại mỗi gổi treo có một cơ cấu và kết cấu của nó tƣơng tự nhƣ cơ cấu di chuyển palăng điện.
Hình 2.17: Cầu trục treo
a) Loại hai ray treo; b) Loại ba ray treo
Kích thƣớc dầm thép chữ I của cầu trục một dầm đƣợc chọn từ điều kiện bền theo tải trọng nâng, khẩu độ và điều kiện để pa lăng điện có thể di chuyển dọc theo các cánh dƣới của dầm. Ngoài ra, cần phải đảm bảo độ cứng theo phƣơng ngang của dầm cầu. Các sơ đồ cấu tạo dầm cầu của cầu trục một dầm cho ở hình 2.18.
107
Trong trƣờng hợp cầu trục có khẩu độ nhỏ, phƣơng án đơn giản nhất để đảm bảo độ cứng theo phƣơng ngang của dầm cầu là hàn thêm các thanh giằng ở một bên (hình 2.18, a) hoặc cả hai bên dầm cầu (hình 2.18, b). Khoảng cách α giữa các điểm liên kết thanh giằng không đƣợc vƣợt quá 250. Trong trƣờng hợp thanh giằng không đảm bảo độ cứng do dầm có khẩu độ lớn thì có thể dùng dàn tăng cứng ở một bên (hình 2.18, c) hoặc cả hai bên dầm cầu (hình 2.18, d). Để tăng khả năng mang tải của dầm cầu, có thể hàn thêm các dải thép ở phía trên và dƣới dầm (hình 2.18, e) hoặc hàn thêm thép chữ U (hình 2.18, f). Khi dầm cầu có khẩu độ lớn, ngƣời ta có thể dùng hai tấm chữ I chồng lên nhau và liên kết bằng bulông hoặc đinh tán. Dầm cuối của cầu trục một dầm có thể làm dạng hộp hoặc làm từ hai thanh thép chữ U.
Hình 2.18: Dầm cầu của cầu trục một dầm
Trên hình 2.19 là hình chung của cầu hai dầm. Hai đầu của các dầm chính 11 đƣợc liên kết cứng với các dầm cuối 4 tạo thành một khung cứng trong mặt phẳng ngang, đảm bảo độ cứng cần thiết của kết cấu thép theo phƣơng đứng và phƣơng ngang. Trên dầm cuối có lắp các bánh xe di chuyển 3 chạy tren ray 2 đặt dọc theo nhà xƣởng trên các vai cột. Khoảng chách theo phƣơng ngang giữa tâm các ray 2 đƣợc gọi là khẩu độ của cầu trục.
Chạy dọc theo các đƣờng ray trên dầm chính là xe con 8. Trên xe con đặt cơ cấu nâng 7, cơ cấu di chuyển xe con 12. Tùy theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoặc hai cơ cấu nâng. Trƣờng hợp có hai cơ cấu nâng thì cơ cấu 7 đƣợc gọi là cơ cấu nâng chính còn cơ cấu nâng phụ 6 có tải trọng nhỏ hơn. Cơ cấu di chuyển cầu trục 13 đƣợc đặt trên kết cấu dầm cầu. Ca bin điều khiển 1 đƣợc treo phía dƣới dầm cầu. Nguồn điện cung cấp cho động cơ của các cơ cấu đƣợc lấy từ đƣờng điện chạy dọc theo nhà xƣởng và sàn đứng 10 dùng để phục vụ cho việc kiểm tra, bảo trì đƣờng điện này. Cáp điện 5 đƣợc treo trên dây 9 để cấp điện cho các động cơ đặt trên xe con. Ngoài ra trên phần kết cấu thép của cầu trục còn có phần sàn đứng với lan can để có thể đi lại khi kiểm tra, bảo trì, sửa chữa.
Dầm chính của cầu trục hai dầm đƣợc chế tạo dƣới dạng hộp hoặc dàn không gian. Dầm dàn không gian tuy có nhẹ hơn dầm hộp song khó chế tạo và thƣờng chỉ dùng cho cầu trục có tải trọng nâng và khẩu độ lớn. Dầm cuối của cầu trục hai dầm thƣờng đƣợc làm dƣới dạng hộp và liên kết với các dầm chính bằng bulông hoặc hàn.
108
Hình 2.19: Cầu trục hai dầm
Cơ cấu di chuyển cầu trục có thể thực hiện theo hai phƣơng án: dẫn động chung và dẫn động riêng. Trong phƣơng án dẫn động chung, động cơ dẫn động đƣợc đặt ở khoảng giữa dầm cầu và truyền chuyển động tới các bánh xe chủ động ở hai bên ray nhờ các trục truyền. Trục truyền có thể là trục quay chậm, quay nhanh và quay trung bình (hình 2.20 a, b, c). Ở phƣơng án dẫn động riêng (hình 2.20, d), mỗi bánh xe hoặc cụm bánh xe chủ động đƣợc trang bị một cơ cấu dẫn động.
Cơ cấu di chuyển dẫn động chung với trục truyền quay chậm (hình 2.20, a) gồm động cơ điện 1, hộp giảm tốc 2 và các đạn trục truyền 3 nối với nhau và nối với trục ra của hộp giảm tốc bằng các khớp nối 4. Trục truyền tựa trên các gối đỡ 5 bằng ổ bi. Do phải truyền mô men xoắn lớn nên trục truyền, khớp nối và ổ bị có kích thƣớc rất lớn, đặc biệt khi cầu trục có tảitrọng nâng và khẩu độ dầm lớn. Các đoạn trục truyền có thể là trục đặc hoặc trục rỗng. So với trục đặc tƣơng đƣơng, trục rỗng có trọng lƣợng nhỏ hơn 15 -20%. Phƣơng án này đƣợc sử dụng tƣơng đối phổ biến trong các cầu trục có công dụng chung có khẩu độ không lớn, đặc biệt là các cầu trục có kết cấu hàn không gian có thể bố trí dễ dàng các bộ phận của cơ cấu.
Cơ cấu di chuyển dẫn động chung với trục truyền quay trung bình (hình 2.20, b) có trục truyền 3 truyền chuyển động đến bánh răng hở 4. Vì vậy mà mômen xoắn trên trục truyền nhỏ hơn so với trục truyền chậm và kích thƣớc của nó cũng nhỏ hơn.
109
Cơ cấu di chuyển dẫn động chung với trục truyền quay nhanh (hình 2.20, c) có trục truyền 2 đƣợc nối trực tiếp với trục động cơ và vì vậy nó có đƣờng kính nhỏ hơn 2-3 lần và trọng lƣợng nhỏ hơn 4- 6 lần so với trục truyền quay chậm. Tuy nhiên, do quay nhanh mà nó đòi hỏi chế tạo và lắp ráp chính xác.
Hình 2.20: Các phương án dẫn động cơ cấu di chuyển cầu trục
Cơ cấu di chuyển dẫn động riêng (hình 2.20, d) gồm hai cơ cấu nhƣ nhau dẫn động cho các bánh xe chủ động ở mỗi bên ray riêng biệt. Công suất mỗi động cơ thƣờng lấy bằng 60% tổng công suất yêu cầu. Phƣơng án này tuy có sự xô lệch dầm cầu khi di chuyển do lực cản ở hai bên ray không đều song do gọn nhẹ, dễ lắp đặt, sử dụng và bảo dƣỡng mà ngày càng đƣợc sử dụng phổ biến hơn, đặc biệt là trong những cầu trục có khẩu độ trên 15m. Trên hình 2.21 là hình chung của các cơ cấu di chuyển dẫn động riêng đặt trên kết cầu thép của dầm cầu.
Trên xe con của cầu trục có các cơ cấu nâng vật và cơ cấu di chuyển xe con. Trên hình 2.22 là hình chung xe con của cầu trục với móc treo và gầu ngoạm. Xe con cầu trục với gầu ngoạm khác với loại dùng móc treo ở chỗ nó có tốc độ nâng hạ gầu lớn hơn để lƣỡi gầu có thể ăn sâu vào đống vật liệu và tăng năng suất.
Để đảm bảo cho xe con có thể di chuyển tốt trên dầm cầu, các cơ cấu đặt trên nó phải đƣợc sắp đặt sao cho lực nén lên các bánh xe của nó tƣơng đối đều nhau cả khi có tải và không tải. Độ chênh lực nén bánh xe di chuyển xe con thƣờng không đƣợc
110
vƣợt quá 20%. Cơ cấu nâng của cầu trục thƣờng dùng tang kép có xẻ rãnh với palăng kép. Cơ cấu di chuyển xe con thƣờng dùng hộp giảm tốc đứng và dẫn động chung cho cả hai bên ray đặt trên các dầm cầu. Sơ đồ dẫn động các cơ cấu trên xe con của cầu trục cho ở hình 2.23
Hình 2.21: Cơ cấu di chuyển cầu trục dẫn động riêng
Hình 2.22: Xe con của cầu trục a) Với móc treo; b) Với gầu ngoạm
111
Hình 2.23: Sơ đồ dẫn động các cơ cấu trên xe con a) Cơ cấu nâng với móc treo; b) Cơ cấu nâng với gầu ngoạm;
c) Cơ cấu di chuyển xe con
c. Đặc điểm tính toán cầu trục
* Trình tự tính toán chung cầu trục
Cầu trục đƣợc tính toán, thiết kế theo các bƣớc tính toán chung nhƣ sau:
- Xác định các thông số cơ bản của cầu trục nhƣ tải trọng nâng, chiều cao nâng, khẩu độ dầm cầu, các tốc độ nâng hạ vật, di chuyển cầu trục, di chuyển xe con, chế dộ làm việc và các điều kiện làm việc cụ thể của cầu trục (môi trƣờng làm việc, loại hàng cần bốc dỡ, …). Từ các thông số cơ bản và điều kiện làm việc cụ thể của cầu trục, ta có thể phân tích và chọn phƣơng án thiết kế.
- Xác định các kích thƣớc hình học của các bộ phận trên cầu trục và tải trọng tính toán.
Các kích thƣớc hình học và trọng lƣợng bản thân các bọ phận của cầu trục có thể xác định sơ bộ theo các công thức kinh nghiệm hoặc từ các loại cầu trục đã có tƣơng đƣơng. Các thông số này đƣợc kiểm tra chính xác lại sau khi thiết kế cầu trục.
Ngoài trọng lƣợng bản thân, các tải trọng tác dụng lên cầu trục cần xác định là: trọng lƣợng vật nâng cùng thiết bị mang vật, các tải trọng do dốc, quán tính và các tải trọng đặc biệt khác nhƣ tải trọng lắp dựng, động đất, … Tải trọng gió cần đƣợc tính toán theo các phƣơng pháp khác nhau và với áp lực gió trong điều kiện làm việc bình thƣờng, áp lực gió lớn nhất trong điều kiện làm việc và áp lực gió trong trạng thái không làm việc nếu cầu trục hoạt động ngoài trời.
Xác định lực nén bánh xe của các bánh xe di chuyển cầu trục và di chuyển xe con.
- Xác định các vị trí tính toán và tổ hợp tải trọng. Các vị trí tính toán và tổ hợp tải trọng phải đƣợc xây dựng phù hợp với quá trình làm việc của bộ phận hay chi tiết đƣợc tính.
- Thiết kế các cơ cấu công tác của cầu trục nhƣ cơ cấu nâng cùng thiết bị mang vật, cơ cấu di chuyển xe con và cầu trục.
112
- Tính toán kết cấu thép của cầu trục và các chi tiết liên kết giữa các bộ phận của cầu trục.
- Thiết kế hệ thống điện điều khiển cho các cơ cấu công tác, hệ thống