3.1.5.3.1. Tải trọng gây ra bởi trọng lượng bản thân dầm chính:
Đối với tổ hợp dầm đơn, trọng lượng dầm chính phân bố đều trên một đơn vị chiều dài dầm phía bên có cơ cấu di chuyển. Trong đó k là hệ số va đập khi tính theo độ bền mỏi, lấy = = 1; và hệ số va đập khi tính theo độ bền và độ ổn định =
= 1,2 (chế độ làm việc nhẹ):
= + = 1,066000 + 3400020 = 5000 /
Căn cứ vào bảng 3.2, ta chọn sơ bộ các trọng lượng bản thân các bộ phận cổng trục như sau:
G1 = 66000 N – là trọng lượng dầm chính và các trọng lượng phụ khác trên dầm chính (đường ray xe nâng, lối đi, lan can, hệ thống điện...);
G2 = 34000 N – là trọng lượng cơ cấu di chuyển (không kể trọng lượng gối tựa); Ggt = 3000 N – Trọng lượng gối tựa;
Gch = 19000 N – Trọng lượng chân cổng; Gdb = 60000 N – Trọng lượng dầm biên;
Gcc = Ggt + 2.Gch + Gdb = 57000 N – Trọng lượng khung chân cổng. Tải trọng phân bố đều bởi trọng lượng dầm chính phía bên dàn cáp điện
= = 1,06600020 = 3300 /
3.1.5.3.2. Tải trọng bánh xe:
Tải trọng lên bánh xe gồm có trọng lượng bản thân xe nâng Gx và trọng lượng vật nâng Q. Trọng lượng xe xem như phân bố đều cho các bánh xe, khi không có vật nâng các bánh xe chịu tải trọng ít nhất:
Trang 64 Tổng tải trọng do trọng lượng vật nâng
tác dụng lên bánh dẫn: = = 153281
Tổng tải trọng do trọng lượng vật nâng tác
dụng lên bánh bị dẫn: = = 91969 Tải trọng tác dụng lên bánh D: = = 82536 = + = 94799 Tải trọng tác dụng lên bánh A: = − = 70745 = + = 83008 Tải trọng tác dụng lên bánh C: = = 49522 = + = 61784 Tải trọng tác dụng lên bánh B: = − = 42447 = + = 54710 Vậy bánh xe chịu tải trọng lớn nhất: = 94799
Chọn loại bánh xe hình trụ có thành hai bên với kích thước theo ΓOCT 3569 – 60. Đường kính bánh xe sơ bộ chọn Dxb = 400mm, với tải trọng nâng Q = 25t, ta chọn đường kính ngỏng trục d = 90mm (bảng 9.4).[4]. Căn cứ kích thước bánh xe theo
ΓOCT 3569 – 60 tương đương với Dxb = 400mm, ta chọn thép vuông 65x65 để làm đường ray cho xe lăn.
Tải trọng tương đương lên bánh xe:
= . . = 91007 Ứng suất dập được tính theo công thức (2.67).[4]:
Hình 3.3: a)Sơ đồ tính tải trọng bánh xe, b) Sơ đồ để tính sức bền bánh xe.
65 80 400 mm 60 = 49522 = 82536 Q=245250N = 42447 = 70745 C D = 1600 = 2600 B A 600 12 00 1000 1 4 00
Trang 65 = 190 .
= 190 60.200 = 52391007 /
Trong đó: b, - chiều rộng bề mặt làm việc và bán kính bánh xe.
Ứng suất dập cho phép theo (bảng 2.19).[4]: [ ] = 750 > 523 /
Vậy kích thước bánh xe đã chọn là an toàn.
Tải trọng của bánh xe là tải trọng do trọng lượng của xe nâng với vật nâng là tải trọng tập trung và đặt ở điểm tiếp xúc của bánh xe với đường ray. Tải trọng của bánh xe khi có hệ số điều chỉnh tính như sau:
Ở bánh xe D: = . + 4 = 111306
Ở bánh xe C: = . + 4 = 71688
Tải trọng của bánh xe C và D lên dầm khi không kể đến hệ số điều chỉnh:
Ở bánh xe D: = + 4 = 94799
Ở bánh xe C: = + 4 = 61784
3.1.5.3.3. Lực quán tính:
Trị số lực quán tính lớn nhất khi phanh xe nâng và cổng trục bằng:
- Lực quán tính do khối lượng xe nâng và vật nâng khi xe nâng di chuyển tiến hành phanh đột ngột; là lực quán tính ngang tập trung được tính theo công thức (2.77):
= =17. = 13543
- Lực quán tính do khối lượng dầm chính khi di chuyển cổng trục có mang hàng tiến hành phanh đột ngột; là lực quán tính ngang phân bố đều được tính theo công thức (2.79):
= =12.10 = 250 /
- Lực quán tính do khối lượng xe nâng và vật nâng khi di chuyển cổng trục tiến hành phanh đột ngột; là lực quán tính ngang tập trung được tính theo công thức (2.78a):
Trang 66 Trong đó, hệ số ½ tính khi nữa số bánh xe di chuyển của cổng trục là bánh dẫn.
3.1.5.3.4. Tải trọng gió:
Tải trọng gió trong trường hợp xấu nhất khi nó cùng chiều với các lực quá tính. Tải trọng gió lên chân cổng: với gió cấp II, qgió = 250N/m2, vậy với bề rộng chân cổng chắn gió 0,5m thì tải trọng gió phân bố đều trên 1m chiều cao chân cổng:
= 0,5.250 = 125 /
Tải trọng gió lên xe nâng và vật nâng với diện tích chắn gió A = 2m2; hệ số cản khí động học Cr = 1,2; hệ số động lực học kể đến xung động của gió β = 1,25; hệ số kể đến sự tăng áp lực theo chiều cao n = 1; được xác định như sau:
= . ó. . . = 2.250.1,25.1,2.1 = 750
3.1.5.4. Tính kết cấu thép:
3.1.5.4.1. Tính nội lực dầm chính:
Ởhình 3.4a, sơ đồ tải trọng tác dụng lên cổng trục dầm đôi, khi hợp lực của tải trọng các bánh xe của xe nâng cách tiết diện giữa dầm một đoạn (trong đó a là khoảng cách từ hợp lực đến bánh xe chịu tải lớn hơn) thì ứng suất sẽ đạt giá trị lớn nhất.
Phản lực gối tựa A dưới tác dụng của trọng lượng xe nâng và vật nâng: = 2+ + (22 − )= 89224
Mômen uốn:
= −2 = 847626
Hình 3.4: Sơ đồ xác định ứng suất cho tiết diện giữa dầm chính.
= 71688 L=20000 = 1600 A D C 10000 = 113306 a = 600 a/2 = 300 A = 5000 / ) ) B B A = 7829 = 250 / ) B ) )
Trang 67 Phản lực tựa gây ra bởi trọng lượng dầm tại điểm A:
= 2 = 50000 Mômen uốn: = −2 − ( −8 ) = 249775 Mômen uốn tổng: = + = 1097401 Ứng suất lớn nhất ở giữa dầm chính: = = 100,4 < [ ]
Trong đó: ứng suất uốn cho phép [ ] = 160N/mm , theo (bảng 5.2).[4]. Mômen uốn do lực quán tính gây ra bởi xe nâng và vật nâng:
= 4. = 39146
Mômen uốn do lực quán tính của trọng lượng bản thân cổng gây ra:
= 8. = 12500
Mômen uốn tổng:
= + = 51646
Ứng suất uốn phụ:
= = 8,6N/mm
Mômen uốn do lực quán tính dọc dầm khi phanh xe nâng gây ra:
= .ℎ = 7695154
Trong trường hợp này ta chỉ xét ảnh hưởng lên dầm chính nên điểm đặt của lực quán tính là trọng tâm của tiết diện dầm hay ℎ = = 631,8 .
Ứng suất uốn phụ do mômen này gây ra:
=
= 0,6N/mm
Ứng suất tổng ở tiết diện đang xét dưới tác dụng của tải trọng chính và phụ trong trường hợp phối hợp tải trọng thứ hai:
Trang 68 Trong đó: ứng suất uốn cho phép [σ] = 180N/mm , theo (bảng 5.2).[4].
Độ võng của dầm chính cổng trục dưới tác dụng của xe nâng và vật nâng: =( 48+ ) = 18 < [ ]
Trong đó độ võng cho phép: [ ] = = = 28,6 > 18 .
Vậy kích thước tiết diện dầm chính đã chọn là an toàn.
3.1.5.4.2. Tính nội lực gối tựa:
Xét tiết diện dầm chính, tiết diện này được tính theo lực cắt lớn nhất khi xe nâng ở trên gối tựa và mômen uốn do trọng lượng của cơ cấu di động cổng trục gây ra. Lực cắt lớn nhất:
= − + −( + )+ 2 = 218109 Lực cắt nhỏ nhất phía bên không có cơ cấu di chuyển:
= − + −( + )+ 2 = 180282
Mômen tĩnh của nữa tiết diện đối với trục x – x:
= . − 2 + 2. ( − ). .12 − 2 = 1726000
Ứng suất cắt với Jx = 847,4.106mm4 ở bảng 3.2: =2. .. = 22,2 /
Mômen xoắn do cơ cấu di chuyển gây ra (hình 2.30a):
= 2. = 11,9. 10
Trong đó: = = 700 . Ứng suất tiếp:
Hình 3.5: Sơ đồ xác định nội lực gối tựa.
= 71688 L=20000 = 1600 A = 111306 l1 = 1000 = 5000 / ) B 2000
Trang 69
=2. . = 3,9 /
Trong đó F là diện tích hình chữ nhật diện tích hình chữ nhật được giới hạn bởi các trục đi qua đường tâm của các thanh biên và thanh đứng:
= ( + ). ℎ− 2 − 2 = 153400
Tổng ứng suất cắt : τ = τ’ + τ” = 26,1 N/mm2
.
Ứng suất cắt cho phép trong trường hợp phối hợp tải trọng thứ nhất : [τ] = 0,6.[σ] = 0,6.160 = 96 > τ
Trong trường hợp phối hợp tải trọng thứ hai, ứng suất do lực quán tính gây ra quá nhỏ nên ở đây ta bỏ qua.
Vậy kích thước tiết diện gối tựa đã chọn là an toàn.
3.1.5.4.3. Tính nội lực dầm biên:
Xác định nội lực dầm biên ở tiết diện I – I theo trường hợp phối hợp tải trọng thứ nhất, áp lực của dầm chính và chân cổng lên dầm biên, về phía dầm có cơ cấu di động:
= + 2 + = 238609 Về phía dầm có dàn cáp treo điện:
= + 2 + = 200782
Phản lực tác dụng lên gối tựa trái của dầm biên như hình 3.6: = + + = 204564 Phản lực tác dụng lên gối tựa phải của dầm biên:
= + − = 234827
Mômen uốn lớn nhất:
Hình 3.6: Sơ đồ xác định nội lực dầm biên.
= 238609 C = 11858 ) lc1=500 lc2=4000 lc1=500 Bc=5000 = 200782 ) D = 13543 I I
Trang 70 = . = 117,4. 10
Mômen chống uốn của tiết diện ở bảng 3.2: = 8,4. 10 Ứng suất uốn dưới tác dụng của tải trọng chính:
= = 14≤[ ] = 160 /
Ứng suất cho phép [ ] tra (bảng 5-2).[4]. Để đảm bảo cho dầm biên đủ độ cứng, ứng suất uốn cho phép ở đây nên lấy không lớn hơn 80 ÷ 100 / .
* Khi tính dầm biên theo trường hợp phối hợp tải trọng thứ hai thì ta tính ứng suất theo lực quán tính lớn nhất có thể có. Lực quán tính ở bánh xe dẫn bên phải của cổng trục khi phanh xe nâng ở sát gối tựa:
=101 = 7402
Trong đó: – tải trọng bình quân tác dụng lên bánh xe B. = 2. + + 2. + 2.2+2.2+ + 2 = 74017 và – tải trọng tác dụng lên bánh xe dẫn và bị dẫn: = + = 177806 = + = 116494 Tải trọng trên dầm do lực gây ra:
= = 29607 Mômen uốn do tải trọng này tác dụng:
= . = 14,8. 10
Mômen chống uốn của tiết diện đối ở bảng 3.2: = 5,13. 10 Ứng suất uốn:
= = 2,9 /
Tải trọng ngang trên dầm khi phanh xe nâng:
= +7 = 11858 = +7 = 13543 Phản lực ở gối tựa D do các tải trọng này gây ra:
Trang 71 = + + + + 2 = 33874
Mômen uốn ở tiết diện I – I:
= . = 16,94. 10 Ứng suất uốn:
= = 3,3 / Ứng suất uốn phụ do mômen quán tính gây ra:
= + = 6,2 /
Ứng suất uốn tổng tương ứng với trường hợp phối hợp tải trọng thứ hai: = + = 20,2≤[ ] = 180 /
Vậy kích thước tiết diện dầm biên đã chọn là an toàn.
3.1.5.4.4. Tính nội lực chân cổng:
Xét tiết diện giữa chân cổng, trong trường hợp phối hợp tải trọng thứ nhất áp lực của dầm chính và gối tựa lớn nhất lên chân cổng ở bên cơ cấu di động:
= + 2 = 219609 Lực dọc chân cổng bởi áp lực của dầm chính và gối tựa:
=
= 212194 Diện tích tiết diện ở vị trí đang xét:
=12( + ) = 22100
Ứng suất uốn dưới tác dụng của tải trọng chính:
= = 9,6≤[ ] = 160 /
Trong trường hợp phối hợp tải trọng thứ hai thì chân cổng chịu tác động của tải trọng gió:
=12 . = 5,423. 10
Mômen chống uốn của tiết diện đối ở bảng 3.2:
=12( + ) = 4,9. 10
Trang 72 = = 1,1 /
Ứng suất uốn tổng tương ứng với trường hợp phối hợp tải trọng thứ hai:
= + = 10,7≤[ ] = 180 /
Vậy kích thước tiết diện chân cổng đã chọn là an toàn.
3.2. Tính toán kết cấu cổng trục bằng SolidWorks:
Ta lấy các thông số đầu vào cho SolidWorks ở phương pháp tính của phương pháp truyền thống của mục 3.1.
3.2.1. Các thông số đầu vào.
* Các thông số ban đầu:
Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Giá trị Đơn vị
Tải trọng nâng định mức: Q 25 Tấn 245250 N
Chiều cao nâng: H 9 m 9000 mm
Khẩu độ: L 20 m 20000 mm Trọng lượng xe nâng: 5 tấn 49050 N Khoảng cách trục các bánh xe của xe nâng. 1,6 m 1600 mm Khoảng cách vết bánh xe của xe nâng. 2,6 m 2600 mm Khoảng cách từ trục các bánh xe
nâng đến đầu mút khẩu độ. 1 m 1000 mm
Bảng 3.3: Các thông số ban đầu của cổng trục.
* Các thông số các thống số kích thước tiết diện của dầm chính, gối tựa, chân cổng, dầm biên như hình 3.2. Ta có mô hình cổng trục dầm đôi như hình 3.7.
Trang 73 * Các tải trọng tính toán bao gồm:
Tên thông số Ký hiệu Giá trị ở
mục 3.1 Đơn vị
Giá trị vào
SolidWorks Đơn vị
Trọng lượng cơ cấu di động. 34000 N 34000 N
Tải trọng bánh xe lên dầm ở vị trí D 94799 N 94799 N Tải trọng bánh xe lên dầm ở vị trí C 61781 N 61781 N Tải trọng bánh xe lên dầm ở vị trí D khi có hệ số điều chỉnh. 111306 N 111306 N Tải trọng bánh xe lên dầm ở vị trí C khi có hệ số điều chỉnh. 71688 N 71688 N Tải trọng bánh xe lên dầm ở vị trí A khi có hệ số điều chỉnh. 97157 N 97157 N Tải trọng bánh xe lên dầm ở vị trí B khi có hệ số điều chỉnh. 63199 N 63199 N
Lực quán tính do trọng lượng xe nâng và vật nâng khi phanh xe nâng
13543 N 6771 N
Lực quán tính do trọng lượng dầm
chính khi phanh cổng trục 250 N/m 5000 N
Lực quán tính do trọng lượng xe nâng
và vật nâng khi phanh cổng trục 7829 N 3915 N
Tải trọng gió lên chân cổng 125 N/m 582 N
Tải trọng gió lên xe nâng và vật nâng 750 N 187,5 N
Bảng 3.4: Các thông số ban đầu và kích thước tiết diện dầm chính.
Trong đó, vì SolidWorks cập nhật thông số tải trọng với đơn vị là N, cho nên tải trọng phân bố đều trên 1m chiều dài sẽ đổi đơn vị như sau:
= 250. = 5000 =12. 125. = 582
Trong phương pháp tính truyền thống, các lực quán tính và được đặt tại trọng tâm mặt cắt đang xét. Vì các lực quán tính tác động lên dầm chính tại vị trí tiếp
Trang 74 xúc của 2 bánh xe nâng lên dầm qua đường ray (thép đặc vuông 65x65). Nên các lực quán tính và trong SolidWorks có giá trị như sau:
=135432 = 6771 =78292 = 3915
Đối với tải trọng gió tác động lên xe nâng và đặt lên 4 vị trí bánh xe nâng cho nên: =7504 = 187,5
3.2.2. Phương pháp tính và xây dựng mô hình tính.
Vì ưu điểm của Design Study trong việc tối ưu cho từng bộ phận cổng trục đơn giản hơn nhiều so với thực hiện trên toàn kết cấu cổng trục. Cho nên ta tạm tách cổng trục ra làm hai phần như sau: dầm chính và khung chân cổng. Khung chân cổng bao gồm các bộ phận: gối tựa, chân cổng và dầm biên.
Trong đó mỗi một bộ phận trong mô hình tính mô phỏng thêm 2 tấm thép bịt đầu, và ở dầm chính mô phỏng đường ray của xe nâng.
3.2.2.1. Dầm chính:
Ta xét dầm chính phía bên có cơ cấu di động và vị trí xe nâng ở giữa dầm (như hình 3.4):
- Simulation Studies 1: Thực hiện tính tổng ứng suất uốn và hệ số an toàn.
Tổng ứng suất uốn của dầm chính sinh ra bởi các tải trọng ′, ′, tải trọng bản thân dầm chính, và các lực quán tính , , .
- Simulation Studies 2: Thực hiện tính độ võng dầm chính. Độ võng dầm chính sinh ra bởi các tải trọng ′′, ′′.
Để tính áp lực lớn nhất của dầm chính lên khung chân cổng, ta xét dầm chính phía bên có cơ cấu di động và vị trí xe nâng ở đầu múc khẩu độ (như hình 3.5):
- Simulation Studies 3: Thực hiện tính áp lực dầm chính lên khung chân cổng phía bên có cơ cấu di động.
Áp lực lớn nhất sinh ra bởi các tải trọng các tải trọng ′, ′, tải trọng bản thân dầm