nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ hàng. xây dựng chương trình tính toán động lực học của cơ cấu nâng có kể đến sự biến dạng của tay cần

KHOA ĐIệN -ĐIệN Tử TầU BIểN
Bộ MÔN: ĐIệN Tự ĐộNG CÔNG NGHIệP
Thiết kế môn học
Tên đề tài: Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ hàng. Xây
dựng chơng trình tính toán động lực học của cơ cấu nâng có kể đến sự biến dạng
của tay cần

Giáo viên hớng dẫn: Hoàng Xuân Bình
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thái Bình
- 1 -
Chơng1:
Tổng quan về cơ cấu nâng hạ hàng
1.1 Vài nét về sự phát triển của hệ thống nâng hạ và
những ứng dụng hiện nay
Sự phát triển kinh tế của mỗi nớc phụ thuộc nhiều vào mức độ cơ giới hoá
và tự động hoa quá trình sản xuất công nghiệp. Trong quá trình sản xuất máy
nâng vận chuyển nói chung, cần trục- cầu trục cảng nói riêng là cầu nối giữa các
hạng mục sản xuất riêng biệt giữa các phân xởng trong một nhà máy, giữa các
máy công tác trong quá trình sản xuất
Các cảng biển ở Việt Nam và trên thế giới, cần trục-cầu trục cảng có vị
trí hết sức quan trọng trong công nghiệp bốc xếp hàng hoá, là nhóm thiết bị nâng
vận chuyển chủ lực trong qua trình vận chuyển và lu thông hàng hoá xuất nhập
khẩu cảng biển. Công nghiệp bốc xếp và vận chuyển hàng hoá bao gồm nhiều
công đoạn nh bốc xếp hàng hóa từ tàu thuỷ lên bãi kho, lên phơng tiện vận tải đ-
ờng bộ và bốc xếp hàng hoá theo chiều ngợc lại tàu thuỷ vận chuyển bằng đờng
thuỷ. Trên các cảng, lợng hàng hóa trung chuyể qua các cảng đợc lu kho bãi rất
lớn, khối lợng bốc xếp trong cảng cũng đợc cần trục- cầu trục đảm nhiệm.
Các cẩu trục sử dụng bốc xếp hàng hoá trong các kho hàng, trong các xí
nghiệp cơ khí cảng biển, các phân xởng sửa chữa, lắp ráp thiết bị đóng vai trò
quan trọng vào công tá dịch vụ kĩ thuật góp phần hiện đại hoá cảng biển.
Khi đánh giá mức độ hiện địa hoá cảng biển đầu tiên phải kể đến cơ sở

hạ tầng của cảng nh luồng vào ra cho tầu biển, cầu cảng và bộ máy quản lí cảng.
Sau đó phải kể đến nhóm thiết bị bốc xếp hàng hoá chính là cầu trục-cần trục
cảng. Năng suất, tốc độ luân chuyển hàng hoá hàng năm của cảng thờng phụ
thuộc vào số lợng và trọng tải nâng của cần trục- cầu trục cảng.
Các cảng biển nớc ta đang đòi hỏi ngày càng mở rộng và phát triển, năng
lực bốc xếp các cảng ngày càng tăng để đáp ứng yêu cầu hàng hoá xuất nhập của
- 2 -
nghành kinh tế. Trong điều kiện thiết bốc xếp chủ yếu đợc nhập ngoại chủng loại
rất đa dạng, mức độ tự động hoá ngày càng cao.
Việc khai thác vận hành, bảo dỡng kĩ thuật cho cần trục cầu trục cảng
biển đòi hỏi thực hiện nghiêm ngặt các quy định cho tong loại nhằm đảm bảo an
toàn cho ngờn vận hành và hàng hoá trong quá trình hoạt động . Đồng thời công
tác bảo dỡng kĩ thuật cần trục cầu trục phục vụ cho cảng biển sẽ kéo dài tuổi
thọ cho nhóm thiết bị này mạng lại hiệu quả to lớn về kinh tế kĩ thuật.
Xu thế phát triển của cần trục- cầu trục cảng trong những năm gần đây đã
ứng dụng thành tựu của nghành điện tử tin học. Các cần trục thế hệ trớc khi kết
cấu cơ khí còng đủ độ bền vững đợc hiện đại hoá hệ thống điều khiển, các cầu
trục cần trục đợc thiết kế mới đòi hỏi mức độ tự hoá cao.
1.2 Một số đặc điểm của hệ thống nâng hạ hàng
Hệ thống nâng hạ hàng bao gồm các khâu
-Động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ hàng
- Bộ truyền cơ khí
-Trống tời và hệ thống cáp
- Quạt làm mát cho động cơ truyền động
Động cơ truyền động thông qua hệ thống các bánh răng truyền chuyển
động tới trống tời. Trống tời quay quấn hoặc nhả dây cáp theo chiều của ngời
điều khiển
Tại cabin ngời vận hành có thể thực hiện đợc tất cả các thao tác điều khiển
cũng nh biết đợc các chế độ hoạt động của thiết bị cới sự trợ giúp của các nhóm
đèn Led, nó sẽ giúp cho ngời vận hành biết đợc trình làm việc của các cơ cấu khi

hoạt động bình thờng cũng nh khi xảy ra sự cố hỏng hóc.
Tại đây ngời ta có thể quan sát đợc tất cả không gian xung quanh cần trục
thông qua của sổ cabin kết hợp với các tấm gơng cầu treo xung quanh, điều này
làm cho việc vận hành đợc an toàn hơn đối với cả ngời và thiết bị
- 3 -
Chơng 2: Xây dựng mô hình toán cho cơ
cấu nâng hạ có tính đến sự biến dạng của
tay cần
2.1. Tính toán cơ cấu nâng hạ hàng:
2.1.1. Tính toán các đại lợng trong cơ cấu
Đặc điểm quan trọng của cơ cấu nâng hạ hàng là trọng tải hàng hoá Q
(KG), tốc độ chuyển động của hàng hóa là V
G
(m/s ) theo đó khi biết đợc tỉ số
truyền i
n
của palăng có thể xác định đợc. Sức căng của cáp trên trống tời là S

(KG), tốc độ dài trên trống tời là V
K
= V
G
.i
n
(m/s), đờng kính của cáp là d
K
và đ-
ờng kính của tang quấn cáp của tời nâng là D

(m), thì công suất cần thiết của

động cơ phải có là:
M
K
M
G
DC
VSVQ
N




102
.
.102
.
==
Trong đó:
M
là hiệu suất truyền của bộ cơ khí

n
là hiệu suất truyền của palăng (ròng rọc)
Từ đó có thể tra cứu trong sổ tay cơ khí, động cơ cụ thể với tốc độ định
mức là n
ĐC
(vòng/phút).
Nếu trên tang quấn cáp đợc quấn nhiều lớp, thì đờng kính của tang quấn
đợc tính nh sau:
Trong đó: D

là đờng kính của tang cáp m số lớp
Nếu trên tang đợc quấn một lớp (m=1) thì:
0
DD
T
=

Trong đó D
0
đờng kính theo tâm của lớp cáp.
Mômen quay trên tang cáp đợc tính:
- 4 -
)12( += mdDD
K
T


T
DSM

.
=
(KGm)
Số vòng quay của tang đợc tính thông qua tốc độ dài của tang nh sau:
T
K
D
V
n

.
60
=
(VG/ph)
Khi trên tang đợc quấn nhiều lớp thì tốc độ nâng đợc tính theo tốc độ
trung bình. Các thông số khởi động của động cơ và thông số của bộ hãm phải đ-
ợc kiểm tra theo mômen tơng ứng với lớp cáp lớn nhất.
Tỷ số truyền của bộ truyền cơ khí đợc xác định nh sau:

n
n
i
DC
G
M
=
Để xác định mômen cần thiết đợc tạo ra từ cơ cấu hãm, khi tính toán nhất
thiết phải kể đến tổn hao ma sát và đa thêm hệ số dự trữ K
H
. Hệ số dự trữ thờng
đợc chọn khoảng 1,5; 1,75; 2,0 tuỳ thuộc vào chế độ làm việc của cần trục
Mômen hãm cần thiết đợc tính nh sau:
H
M
M
H
K
i

M
M .
'
'2


=
Trong đó: i
M
và
M
là tỉ số truyền và hiệu suất truyền giữa tang quấn cáp
của tời nâng và trục quả cơ cấu hãm. Sự tính toán động học ở trên giúp ta xác
định đợc tất cả các thông số cơ bản của cơ cấu và tiến hành dự tính độ bền vứng
các bộ phận của nó, các tính toán này là cần thiết để xác định kích thớc của
chúng.
Để xác định các thông số động của cơ cáu nâng hạ, cần phải xác định lực
cản tĩnh trong cơ cấu, mômen quán tính quy đổi các phần chuyển động của nó kể
cả tải trọng và ảnh hởng của nó tới sự làm việc của truyền đọng khi khởi động và
khi hãm. Khi biết đợc tốc độ trên trục truyền động, hặc tốc độ hãm n
0
(vòng/phút), tỷ số truyền của bộ cơ khí i
M
, tỷ số truyền của các palăng i
n
, đơng
kính tang quấn cáp, tốc độ nâng hạ hàng thì việc xác định quãn đờng chuyển
động của hàng hoá nh sau:
- 5 -
Quãng đờng khi khởi động:

Mn
TT
T
n
TT
ii
tD
s
120


=
(m) hay
TT
G
TT
t
V
s .
2
=
(m)
Quãng đờng khi hãm:
Mn
H
T
H
ii
tDn
s

120
.
0


=
(m) hay
H
G
H
t
V
s
2
=
(m)
Gia tốc củat tải trọng đợc xác định nh sau (K=1)
Khi khởi động:
TTMn
T
tii
Dn
j
120
.2
0


=
(m/s

2
) hay
TT
G
t
V
j
=
(m/s
2
)
Khi hãm:
HMn
T
tii
Dn
j
120
.2
0


=
(m/s
2
) hay
H
G
t
V

j
=
(m/s
2
)
2.1.2 Hệ thống truyền động điện bằng động cơ không đồng bộ rotor
lồng sóc cho cơ cấu

Hinh a)
Điều chỉnh tốc độ trong các hệ thống truyền động điện cho cơ cấu điều
khiển nâng hạ hàng sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc rất phổ biến.
- 6 -
Phơng pháp điều khiển tốc độ thông thờng đợc thực hiện bằng cách đổi
nối cuộn dây phần ứng để thay đổi số đôi cực p. Đảo chiều quay của động cơ
truyền động đợc thực hiện bằng cách thay đổi chiều từ trờng quay. Sơ đồ điện
nguyên lí đổi nối cuộn dây stato đựoc trình bày ỏ hình vẽ, đặc tính cơ tĩnh của
động ơc truyền động cho cơ cấu nâng hạ hàng.
Trên hình a, khi cuộn dây phần ứng của động cơ không đồng bộ không
đồng bộ đấu Y, và YY; Trên hình b, cơ tĩnh củađộng cơ không đồng bộ khi
điều chỉnh tốc độ bằng cách đổi nối cuộn dây để thay đổi số đôi cực p cho cơ cấu
nâng hạ cần. Vùng điều chỉnh tốc độ cho phía nâng cho cơ cấu nâng hạ hàng,
độngcơ điện làm việc ở chế độ động cơ. Vùng điều chỉnh tốc độ phía hạ cho cơ
cấu hạ hàng, động cơ làm việc ở chế độ hãm.
Hinh b)
- 7 -
2.2. Động học của cơ cấu nâng có tính đến sự biến dạng
của tay cần
Để phân tích đợc quá trình dao động xảy ra khi nâng hạ tải trọng có tính
đến kết cấu thép của cần trục, đến sự biến dạng có thể xét hệ thống cấu thành từ
3 khối lợng. Sơ đồ tổng kết cấu tổng quát nh hình vẽ. Các tải trọng :

m
G
là trọng lợng của tải trọng
m
K
là trọng lợng cần
m
TT
là trọng lợng rotor của động cơ và các phần tử trong cơ cấu nâng nối
cứng với nhau
k
G
là hệ cứng của cáp nâng
k
K
là hệ cứng của cần bằng kim loại
Có thể đơng giản hoá bài toán vì lí do rằng đối với cơ cấu nâng hạ khối l-
ợng m
TT
lớn hơn rất nhiều so với m
G
và m
k
đã quy đổi về trục động cơ. Do đó
ngay khi có dao động mạnh của cần và tải trọng cũng không ảnh hởng nhiều
đênd sự làm việc của động cơ. Momen quán tính trên trục động cơ truyền động
đợc tính :
)
//
(

2
0
2
2
0
0
xi
rm
xi
j
j
xxx
+=
Khi quy đổi khối lợng hàng hoá, khối lợng cần về trục động cơ thì giá trị
của chúng cần chia cho bình phơng của tỉ số truyền 1000
Hệ thống nh hình vẽ, bao gồm hai bậc tự do, vì vậy để khảo sát đơn giản
và thuận tiện ta coi khối lợng của tải trọng m
G
, của cần m
k
thống nhất nh khối l-
ợng m. Thực nghiệm chỉ ra rằng việc đơn giản hoá này gây ra sai số không lớn
bởi vì trên palăng tời dao động tắt dần tắt dần rất nhanh.
- 8 -
Chúng ta khảo sát qua trình nâng tải cho phép. Các bớc nh sau:
Thứ nhất từ sau khi đóng động cơ cho đến khi căng cáp.Thứ hai tất cả các
có cấu tham, gia hoạt động cho đến khi lực trên móc tăng từ 0 đế Q = m
G
.g. Giai
đoạn thứ ba là giai đoạn nâng tải.

Để tìm các thông số của qua trình dao động, phơng trình động học của hệ
thông có thể đợc viết dới dạng phơng trình Lagranger có vế trái bằng 0, ta xác
định các dao động tự do của hệ thống, còn khi vế trái bằng lực (mômen) thì xác
định đợc dao động cỡng bức
Để viết phơng trình Lagranger:
0)(
=


+





=
xx
K
d
x
K
d
d
j
t
t
Cần phải biết động năng K và thế năng của hệ thống.
Phơng trình trên đợc viết trong hệ toạ độ chung x cho cơ cấu nâng có các
dich jchuyển x
k

của trongk lợng cần m
K
với hệ số cứng k
x
Động năng của khối lợng m
K
đợc tính nh sau :
2
2








=
t
x
K
d
d
m
K
K
- 9 -
Thế năng xác định nh sau:
2
2

K
x
x
k
=
Khi đó:
2
2
;
t
x
K
ttt
x
t
K
d
d
m
d
x
K
d
d
d
d
m
d
x
K

k
K
=














=


Kx
xx
K
xk=


=

;0
Phơngtrình Lagranger đợc viết nh sau:
0
2
=+
Kx
x
K
xk
d
m
K
hoặc
0
2
2
2
=+=
K
t
x
xp
d
d
j
k

Đây là các phơng trình dao động tự do điều hoà. Nghiệm chung của phơng
trình có dạng nh sau:
);sin(sincos

21
0

+=+=
ptAptCptCx
K
Trong đó:
A Biên độ
K
K
m
k
p =
- là tần số góc của dao động tự do
- là góc pha đầu
Hằng số tích phân C
1
và C
2
hoặc A xác định theo điều kiện đầu:
t = 0 ; x
K
= 0;
0
=
t
x
d
d
K

Để xác định đợc dao động cỡng bức do lực P gây nên cần xét đến giá trị
khác nhau của nó đối với các giai đoạn khác nhau trong quá trình nâng.
Phơng trình chuyển động (Lagranger) trong trờng hợp này đợc viết nh sau:
- 10 -
Pxk
d
d
m
Kx
t
x
K
K
=+
2
2
Lực P có thể tìm đợc nh sau: ở mọi thời điểm 1 trong giai đoạn thứ hai khi
tốc độ nâng là V

;.tVx
K
=

V
d
d
t
x
K
=

;
0
2
2
=
t
x
d
d
K
Dạng của phơng trình chuyển động nh sau:
P = k
x
x
K
= k
K
.V.t
ở thời điểm hang nhấc lên khỏi mặt đất ( t= t
1
) P = k
K
.V.t
1
.
Trong thời gián đó P = m
G
.g = Q, với m
G
là tải trọng, Q là trọng lực

Từ những phơng trình đó có thể xác định thời gian cho giai đoạn thứ hai:
Vk
gm
t
K
G
.
.
1
=
Đoạn dịch chuyển của cơ cấu:
CT
KK
gG
K
y
k
Q
k
m
Vtx
====
.
1
Trong đó :
Y
CT
là sự uốn cong do phụ tải tĩnh.
Trong giai đoạn thứ ba:
P=Q=m

G
.g
Khi coi cần và tỉa trọng là một trọng lợng động nhất m = m
G
+ m
K
chuyển
động cùng với nhau thì phơng trình vi phân mô tả chuyển động đợc viết nh sau:
gmxk
d
d
m
GKK
t
x
K
=+
2
2
hoặc
qxp
d
d
K
t
x
K
=+
2
2

2
Với
- 11 -
;
2
m
k
p
K
=

g
mm
m
g
m
m
q
KG
GG
==

NghiÖm chung cña phong tr×nh ( chó ý x
K
= q/p
2
)
;sincos
2
21

p
q
ptCptCx
K
++=
ptpCptC
d
d
t
x
K
cossin
21
+−=
TiÕn hµnh x¸c ®Þnh c¸c h»ng sè theo ®iÒu kiÖn ®Çu: Khi t = 0, sù dÞch
chuyÓn x
K
= y
CT
vµ tèc ®é chuyÓn dÞch dx
K
/dt = V
Thay c¸c gi¸ trÞ vµo ta ®îc:
,
2
1
p
q
Cyx
CTK

+==
Suy ra :
;
2
1
p
q
yC
CT
−=
,
2
pCV
d
d
t
x
K
==
suy ra
p
V
C
=
2
Do ®ã:
;sincos
22
p
q

pt
p
V
pt
p
q
yx
CTK
++








−=
Víi p lµ tÊnè gãc cña dao ®éng tù do.
TiÕn hµnh biÕn ®æi ta cã:

( )
,sincos1cos
2
pt
p
V
pt
p
q

ptyx
CTK
+−+=


( )
.sincos1cos
2
pt
p
V
pt
yp
q
pty
CT
CT
+






−+=
V×:
- 12 -

,sin
2

pt
p
V
yp
q
CT
+
Còn
,sin
2
2
ptVp
d
d
t
x
K
=
Vì tải ở trên bằng tổng tải tĩnh và tải động, còng giá trị sin thay đổi từ +1
đến -1 nên:
,sin
.
1.
2
2

=+=
pt
g
pV
Q
d
d
g
Q
QP
t
x
d
K
Còn khi sinpt = -1
'
1
.
1
d
K
K
d
Max
QK
mGm
k

g
V
Q
g
pV
QP
=








+
+=








+=
Tải trên cần :

+
+=








+==
ptpV
k
mm
k
gm
kpt
p
V
ykxkT
K
GK
K
G
KCTKKK
sin.sin
,sin

.
11sin1.














++=






+
+=
pt
g
pV
m
m

Qpt
g
Vp
m
mm
gm
G
K
G
GK
G














++=
g
Vp
m
m

QT
G
K
Max
11
,11
''
d
GK
K
G
K
QK
mm
k
m
m
g
V
Q
=

+
++=
Các hệ số:
Cho móc:
- 13 -
GK
K
d
mm
k
g
V
K
+
+=
1
'
Cho cần:

+
+
+=
G
K
GK
K
d
m
m
mm
k
g
V
K 11
''
Các hệ số này xác định khả năng động của quá trình nâng cho trờng hợp
quá trình nâng bắt đầu từ thời điểm khi động cơ đã quay đủ tốc độ.
Phơng pháp điều khiển cần trục kiểu này cơ thể luôn đợc áp dụng mặc dù
theo nguyên tắc vận hành cần phải căng cáp nâng trớc sau đó mới nâng hàng
trong khi tốc dộ động cơ tăng đàn đến định mức. Các phản ứng động năng khi đó
sẽ giảm đáng kể.
- 14 -
Chơng 3: Thành lập chơng trình tính
toán động lực học
3.1. Nhận xét chung :
Điều khiển hệ thống truyền động điện tự động sử dụng trong cần trục hiện

nay thơng đợc xây dung theo nguyên tắc hệ kín. Tốc độ công nghệ đựoc thiết kế
nhằm mục đích thoả mãn yêu cầu bốc xếp mọi loại hàng hoá. Điều khiển cơ cấu
quay cần trục thuộc dạng hệ thống quán tính, tốc độ biến đổi chem Trớc đây kĩ
thuật điều khiển còn nhiều vấn đề hạn chế, hệ thống điều khiển thờng đợc xây
dung theo dạng SISO, ngày nay kĩ thuật điều khiển với sự trợ giúp của máy tính,
các thiết bị điều khiển khả trình PLC đã đợc ứng dụng phổ biến. Thiét bị biến
đổi công suất phát triển kĩ thuật điều khiể tiên tiến, mô hình toán động cơ không
đồng bộ đợc nhận dạng và ứng dụng tróng các biến tần điều chế theo độ rộng
xung (PWM). Hệ thống điều khiển xây dựng; là hệ thống nhiều đầu vào ra
(MIMO).
Điều chỉnh tốc độ việc tổng hợp tín hiệu điều khiển đợc thực hiện theo yêu
cầu công nghệ bốc xếp hàng hoá. Tín hiệu điều chỉnh mômen cho các hệ thống
truyền động điện tự động trong các hệ thống sử dụng biến tần PWM. Động cơ
không đồng bộ, hệ thống sử dụng phụ tải động- động cơ không dồng bộ rotor
dây quấn hoặc độn cơ điện 1 chiều có cuộng nối tiếp kích từ độc lập nhất thiết
phải tổng hợp tín hiệu điều khiể mômen dựa vào cấu trúc cụ thể của cần trục.
3.2. Mô hình nhận dạng momen cản của cơ cấu nâng hạ
hàng.
Các thông số:
Q = 0.8
K
K
= 1000
m = 18
V = 1,2
- 15 -

3.3. §Æc tÝnh momen c¶n cña c¬ cÊu n©ng h¹ hµng

H×nh vÏ: §Æc tÝnh m«men c¶n c¬ cÊu n©ng h¹ hµng m« pháng

trong thêi gian 2,5s
- 16 -

H×nh vÏ: §Æc tÝnh m«men c¶n c¬ cÊu n©ng h¹ hµng m« pháng
trong thêi gian 10s
- 17 -