Cần trục quay là loại cần trục kiểu cần, đặt ở một chỗ cố định. Các chuyển động chính của cần trục gồm nâng hạ vật và quay. Cần trục có thể có tầm với không đổi hoặc thay đổi. Trong trƣờng hợp cần trục có tầm với thay đổi thì có thêm cơ cấu thay đổi tầm với.
Cần trục quay đƣợc sử dụng phổ biến để xếp dỡ trên ô tô tải, các toa tầy hỏa, trong các xƣởng cơ khí chế tạo và sửa chữa, trên công trƣờng xây dựng…
Theo kết cấu có hai loại: cần trục cột quay và cần trục cột cố định.
a. Cần trục cột quay
Đặc điểm của loại cần trục này là kết cấu thép của cần trục quay trong các gối tựa cố định trên nền và vào kết cấu của tòa nhà. Để tiết kiệm diện tích làm việc, các gối tựa thƣờng đặt sát tƣờng hoặc sát các cột cố định của nhà xƣởng. Cần trục cột quay có tầm với không đổi (hình 2.26) phục vụ việc nâng hà và vận chuyển hàng trên một cung tròn có bán kính bằng tầm với của cần trục. Diện tích phục vụ của cần trục cột quay có tầm với thay đổi (hình 2.25) là một hình vành khăn giới hạn bởi góc quay của cần trục, các bán kính quay là tầm với lớn nhất và nhỏ nhất của cần trục. Loại cần trục này thƣờng dùng phƣơng pháp thay đổi tầm với bằng xe con di chuyển trên cần nằm ngang. Cần trục cột quay có tầm với thay đổi thƣờng dùng palăng điện có cơ cấu di chuyển chạy trên ray treo chữ I gắn trên cần để thực hiện chuyển động nâng hạ vật và thay đổi tầm với.
Hình 2.25: Cần trục cột quay có tầm với thay đổi
Cần trục cột quay loại nhỏ thƣờng dùng pa lăng xích kéo tay và cơ cấu quay cũng dẫn động bằng tay hoặc không có cơ cấu quay. Trong trƣờng hợp không có cơ cấu quay, cần trục quay đƣợc nhờ công nhân tác động trực tiếp lên vật nâng hoặc dây kéo buộc ở đầu cần.
Cơ cấu quay dẫn động máy của cần trục quay thƣờng đƣợc đặt bên ngoài cần trục và truyền lực bằng các bộ truyền bánh răng (hình 2.26) hoặc bằng ma sát giữa cáp và vòng quay gắn trên cột (hình 2.27).
117
Hình 2.26: Cần trục cột quay có tầm với không đổi 1- gối tựa trên và dưới; 2- cơ cấu nâng; 3- thanh giằng cứng;
4- palăng nâng vật; 5- cần; 6- cơ cấu quay
Cơ cấu nâng của cần trục cột quay là một tời điện đảo chiều và có thể đặt trên kết cấu thép của cần trục hoặc đặt ngoài cần trục.
Hình 2.27: Cơ cấu quay dẫn động bằng dây cáp
1- động cơ điện; 2- hộp giảm tốc; 3- vòng quay trên cột; 4- tang; 5- cáp
Các gối tựa của cần trục cột quay phải đƣợc đặt đồng tâm theo phƣơng thẳng đứng vì nếu có độ lệch lớn thì mô men cản quay sẽ rất lớn. Gối tựa trên thƣờng là ổ đỡ còn gối tựa dƣới là ổ đỡ chặn. Kết cấu này cho phép xác định các phản lực tại các gối tựa một cách dễ dàng theo sơ đồ tĩnh định. Các phản lực này có thể xác định bằng phƣơng pháp giải tích hoặc phƣơng pháp đồ thị.
Nếu cơ cấu nâng đƣợc đặt trên kết cấu thép của cần trục (hình 2.28, a) thì các lực bên ngoài tác dụng lên kết cấu gây ra phản lực ở gối tựa là trọng lƣợng vật nâng Q và trọng lƣợng kết cấu thép cùng các cơ cấu G, mà tổng hợp lực của chúng là R. Vì R và các phản lực gối tựa A và B phải giao nhau tại một điểm nên phản lực ở gối tựa tại gối B phải nằm trên đƣờng thẳng BO với O là điểm giao nhau giữa phƣơng tác dụng của R và HA. Phân tích lực R theo các phƣơng trên ta nhận đƣợc HA và B. Tiếp tục phân tích lực B theo phƣơng ngang và phƣơng thẳng đứng ta nhận đƣợc VB và HB (xem hình 2.28, a). Ta dễ dàng nhận thấy các phản lực ngang HA và HB bằng nhau và ngƣợc chiều nhau khi tổng hợp lực R tác dụng theo phƣơng thẳng đứng.
118
Hình 2.28: Sơ đồ cần trục cột quay
a) Cơ cấu nâng đặt trên cần trục; b) Cơ cấu nâng đặt ngoài cần trục
Trong trƣờng hợp cơ cầu nâng đặt ngoài cần trục mà cụ thể là cáp nâng đƣợc vắt qua puly đổi hƣớng cáp đặt phía trên cần trục (puly này cũng quay đƣợc theo cần trục) thì lực bên ngoài tạo nên các phản lực tại các gối là G, Q, S với S là lực căng của cáp nâng vật (hình 2.28, b). Trong trƣờng hợp này tổng hợp lực R = G + Q + S tác dụng theo một gócnghiêng so với phƣơng thẳng đứng. Phân tích R thành HA và B với HAtác dụng theo phƣơng ngang và B tác dụng theo phƣơng BO và tiếp tục phân tích B thành HB và VB nhƣ ở hình 2.28, b. Ở đây các phản lực ngang HA và HBngƣợc chiều nhƣng không bằng nhau.
Bằng phƣơng pháp giải tích ta cũng dễ dàng xác định đƣợc các phản lực. Trên sơ đồ hình 2.28, a ta có: 0 0 0 A B B A B M Rc H h M Rc H h y R V Vậy: A B Rc H H h và VB = R = Q + G
Gối tựa trên chịu phản lực nằm ngang nên thƣờng là ổ đỡ. Ổ này có thể dùng ma sát trƣợt (hình 2.29, a) hoặc ma sát lăn (hình 2.29, b). Vỏ ngoài của ổ đƣợc gắn cứng vào tƣờng hoặc kết cấu chịu lực của nhà xƣởng.
Để bù trừ độ sai lệch do lắp đặt vỏ ngoài, ổ lăn thƣờng dùng loại lòng cầu tự lựa.
Ổ trên đƣợc tính toán với phản lực HA. Phần đầu cột chịu uốn và đƣợc tính cho các mặt cắt a-a và b-bvới các mô men uốn Ma-a = HA.m và Mb-b = HA.n (hình 2.29).
119
Hình 2.29: Gối tựa trên của cần trục cột quay a) Ổ trượt; b) Ổ lăn
Vỏ ngoài của ổ trên là một kết cấu đúc hàn. Kết cấu hàn của vỏ ổ (hình 2.30) gồm 2 đế liên kết với phần chịu lực của nhà xƣởng bằng bulông 3, các thanh thép góc 1 và 5 có một đầu hàn với đế 2, còn đầu kia hàn với vỏ ổ trên 4. Nội lực trong các thanh thép góc 1, 5 và phản lực tại các bu lông 3 phụ thuộc vào vị trí của cần tức góc quay θ của cần trục.
Hình 2.30: Kết cấu gối đỡ trên
Thực tế các thanh thép góc 1, 5 nối cứng với đế 2 và vỏ 4 tạo thành hệ siêu tĩnh song ta có thể coi chúng nối khớp với nhau, các thanh 1, 5 chỉ chịu lực kéo nén và dễ dàng tính đƣợc nội lực của các thanh 1, 5 dƣới tác dụng của phản lực HAtại một vị trí của cần. Phản lực lớn nhất dùng để tính bulông tại B đƣợc xác định bằng cách lấy mômen tại A và phản lực H’A ở vị trí vuông góc với OA (hình 2.30). Vậy lực để tính bu lông là H' .A lo
P
Gối tựa dƣới của cần trục chịu phản lực ngang HB và phản lực thẳng đứng V nên nó gồm các ổ chặn (hình 2.31). Loại ổ lăn (hình 2.31, b) đƣợc sử dụng phổ biến
120
hơn. Ổ đỡ thƣờng dùng loại lòng cầu tự lựa và phần tựa của ổ chặn cũng có hình cầu để không ảnh hƣởng đến quá trình làm việc của ổ chặn. Ngoài ra phần đỡ hình cầu của ổ chặn có bán kính sao cho tâm của nó trùng với tâm của lòng cầu tự lựa trên ổ đỡ (hình 2.31, b). Vì tốc độ quay của cần trục rất chậm nên ổ đỡ và ổ chặn đƣợc tính với tải trọng tĩnh bằng các phản lực HB và VB. Phần đuôi của cột chịu uốn và nén và đƣợc tính toán cho các mặt cắt a-a và b-b.
Hình 2.31: Gối tựa dưới của cần trục cột quay: a) Ổ trượt; b) Ổ lăn
Tính toán cơ cấu nâng vật, cơ cấu quay, cơ cấu thay đổi tầm với bằng di chuyển xe con trên cần nằm ngang và kết cấu thép của cần trục không có gì đặc biệt.
b. Cần trục cột cố định
121
Cần trục quay có cột cố định cũng đƣợc chế tạo với tầm với không đổi hoặc thay đổi. Cần trục cột cố định có tầm với thay đổi (hình 2.32) thƣờng dùng phƣơng pháp thay đổi tầm với bằng cách nâng hạ cần và các cơ cấu của cần trục thƣờng đặt trên phần quay. Các cơ cấu của cần trục cột cố định cũng tƣơng tự nhƣ của cần trục cột quay và có thể dẫn động bằng tay hoặc bằng máy.
Phần kết cấu chịu lực của cần trục cột cố định (hình 2.33, a) gồm cột 5 đặt cố định trên đế cột 3. Đế cột 3 đƣợt đặt trên nền móng bê tông 1 và liên kết với nền bằng các bu lông 2. Phần kết cấu thép 7 của cần trục tựa trên cột 5 bằng các gối tựa 4 và 6. Gối tựa trên 6 chịu các phản lực ngang và thẳng đứng nên là ổ đỡ chặn. Gối tựa dƣới chỉ chịu phản lực ngang nên kết cấu của nó là một ổ đỡ.
Hình 2.23. Sơ đồ cần trục cột cố định: a) Không có đối trọng; b) Có đối trọng
122
Các phản lực ngang HA, HB và phản lực thẳng đứng V đƣợc xác định bằng phƣơng pháp giải tích hoặc đồ thị giống nhƣ đối với cần trục cột quay
. . A B G b Q a H H h V = Q + G
Trong đó: Q, G – trọng lƣợng vật nâng và trọng lƣợng phần quay của cần trục cùng các cơ cấu trên nó;
h –khoảng cách giữa hai gối tựa; a, b - các cánh tay đòn của lực Q và G.
Hình 2.34: Gối tựa trên cần trục cột cố định: a) Ổ trượt; b) Ổ lăn
Nhƣ vậy phần không quay của cần trục là cột 5, đế 3 cùng các bulông 2 liên kết với móng 1. Móng của cần trục đƣợc tính toán với tải trọng thẳng đứng V và mô men do trọng lƣợng vật nâng và cần trục M = Q.a + G.b.
123
Để giảm mômen tác dụng lên phần không quay của cần trục ngƣời ta dùng đối trọng cân bằng với trọng lƣợng kết cấu và một phần trọng lƣợng vật nâng (hình 2.33, b). Trọng lƣợng đối trọng đƣợc chọn sao cho khi có tải trọng nâng danh nghĩa Q thì mô men tải M1 bằng mô men M2về phía đối trọng không tải (hình 2.33, b):
M1 = Qa + Gb - Gdc; M2 = Gdc – Gb. Với M1 = M2 thì 2 d Qa Gd G c
Gối tựa trên của cần trục cột cố định (chịu phản lực ngang và phản lực thẳng đứng) là ổ đỡ - chặn nên nó có kết cấu tƣơng tự nhƣ gối tựa dƣới của cần trục cột quay. Gối tựa này có thể dùng ma sát trƣợt (hình 2.34, a) hoặc ma sát lăn (hình 2.34, b). Phần vỏ ngoài của gối tựa trên có liên kết cứng với kết cấu thép cần trục và đƣợc thực hiện dƣới dạng một dầm ngang. Có hai phƣơng án liên kết (hình 2.34, a).
Phƣơng án 1 dùng đai ốc ép chặt thành bên của kết cấu thép vào đầu dầm ngang có ngõng trục đƣợc tiện ren. Phƣơng án II dùng bu lông để giữ. Gối tựa trên với các ổ lăn đƣợc dùng phổ biến hơn.
Do gối tựa trên chịu phản lực ngang h và phản lực thẳng V mà vỏ (dầm ngang) chịu uốn trong cả hai mặt phẳng. Do đó phải kiểm tra dầm ngang tiết kiệm giữa dầm với mômen uốn trong mặt phẳng ngang
4
o un
Hl
M và mômen uốn trong mặt phẳng thẳng đứng
4
o ud
Vl
M (xem hình 2.34a). Ứng suất lớn nhất ở tiết diện giữa dầm ngang là ở điểm 1 và 2 (tại điểm 1- ứng suất kéo ζkdvà tại điểm 2 - ứng suất nén ζnn). Giá trị tuyệt đối của ζkd và ζnntại điểm 1 và 2 không bằng nhau vì tiết diện không đối xứng qua trục nằm ngang của nó.
- Điểm 1: kn un 2 y b M J ; ud 1 kd x M h J - Điểm 2: nn un 2 y b M J ; ud 2 nd x M h J
Thông thƣờng, ứng suất nguy hiểm đối với dầm ngang là ứng suất kéo (có giá trị lớn hơn). Tổng ứng suất kéo ở điểm 1 là ζk= ζkn+ ζkd≤ [ζ].
Do gối tựa dƣới chỉ chịu phản lực ngang nên nó đƣợc thực hiện dƣới dạng bánh tựa tỳ lên cột và quay quanh chốt cố định trên các vành thép (hình 2.35, a, b) hoặc dƣới dạng nhiều con lăn chạy trong các vòng ray (hình 2.35, c). Loại gối tựa dƣới với
124
hai bánh tựa (hinh 2.35, a) chỉ dùng cho cần trục cố định không có đối trọng vì loại này có phản lực ngang ở gối tựa dƣới luôn tác dụng theo một chiều không phụ thuộc vào trạng thái có tải hay không có tải của cần trục. Gối tựa dƣới với bốn bánh tựa (hình 2.35, b) đƣợc dùng cho cần trục cột cố định có đối trọng vì phản lực ngang của gối tựa dƣới có thể thay đổi chiều tác dụng khi trọng lƣợng vật nặng thay đổi. Gối tựa dƣới với nhiều con lăn chạy trong các vòng ray phía ngoài và trong (hình 2.35, c) đƣợc dùng cho chần trục cột cố định có tải trọng nâng lớn. Đôi khi trục các con lăn đƣợc liên kết với nhau bằng vòng kẹp để giữ khoảng cách không đổi giữa chúng.
Hình 2.35: Gối tựa dưới của cần trục cột cố định
a) Loại hai bánh tựa; b) Loại bốn bánh tựa; c) Loại nhiều con lăn.
Tải trọng tính toán tác dụng lên một bánh tựa với phản lực ngang tại gối tặ dƣới HB (hình 2.35, b) là: 2cos B H N
Bánh tựa và phần cột tiếp xúc với nó đƣợc tính theo ứng suất tiếp xúc.
Để xác định tải trọng tác dụng lên con lăn của gối tựa dƣới với nhiều con lăn ta phải giải hệ siêu tĩnh nhiều bậc. Để đơn giản ta giả thiết tải trọng tác dụng lên các con lăn phân bố theo quy luật:
1cos
x x
N N
Trong đó: Nx - tải trọng tác dụng lên con lăn thứ x;
N1 – tải trọng tác dụng lên con lăn nằm ở trục đối xứng của mặt căt (xem hình 2.25, c);
αx–góc giữa Nx và N1.
125 2 1 2 os 1 2 1 os B x x x H N N c N N c Vậy: 1 1 2 os2 B x H N c
Tải trọng tính toán tác dụng lên con lăn N’1 = N1.k với k = 1,25 là hệ số kể đến khả năng xô lệch của các con lăn và độ không chínhxác của quy luật phân bố tải trọng mà ta giả thiết ở trên. Theo N’1 ta tính ứng suất tiếp xúc cho con lăn và cột.
Cột của cần trục thƣờng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp rèn từ thép CT4 hoặc bằng thép ống dày, ở trên có hàn ngõng trục rèn. Trị số xuất phát để tính cột là Hmax, Vmaxvà chiều cao cột h. Các tiết diện của cột chịu ứng suất nén và uốn. Tiết diện nguy hiểm I –I của cột có mômen uốn lớn nhất Mmax = Hmax.h. Ngoài tiết diện I –I cần phải kiểm tra tại các tiết diện x - x và tiết diện tại ngõng trục trên II- II (hình 2.36).
Hình 2.36: Cột cố định
Vì mômen uốn của cột giảm dần theo hƣớng lên đỉnh cột nên để cột nhẹ hơn ta thƣờng làm cột có dạng hình nón cụt. Phần chân cột lắp với đế cột cũng là có dạng hình nón cụt với độ nghiên thƣờng lấy là 1
10. Để giảm bớt bề mặt gia công ổ lắp chân cột, trong lỗ ở bệ cần khoét vành rỗng có chiều cao h2 = (0,3 ÷ 0,4)h1 (hình 2.36). Chân cột đƣợc kiểm tra theo ứng suất dập do mô men lật Mo = Hmax.h và phản lực Vmax gây ra.
Đế cột (hình 2.37) là kết cấu đúc hoặc hàn có các chân đế bắt với bulông nền. Tải trọng tính toán tác dụng lên cột là Mo và Hmax.
126
Hình 2.37: Đế cột