TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÀM HÀNG CHO TÀU CONTAINER FORTUNE FREIGHTER

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
KHOA: VIỆN HÀNG HẢI

BÁO CÁO MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN II
TÍNH TỐN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÀM HÀNG CHO TÀU
CONTAINER FORTUNE FREIGHTER

TP.HCM tháng 5, 2020

MỤC LỤC



GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.
Giới thiệu về tàu Container Fortune Frieghter

1.

- Tàu container Fortune Freighter được sản xuất vào năm 1997, được
đóng tại nhà máy đóng tàu Watanabe Zosen K.K., Nhật Bản.
3.
- Con tàu này do hãng tàu VOSCO sở hữu và khai thác, chủ yếu trên
tuyến nội địa Bắc Nam.
4.
- Fortune Freighter là loại tàu chở container với công suất máy chính
là 5979kW và với sức chở 8900 tấn.
5.
- Sau đây là các hình ảnh về tàu container và thơng số của tàu:
6.

2.

7.

8.

Hình 1: Hình ảnh tàu container Fortune Freighter
9.
10.
11.
12.

13.
14.
15.
16.
3


17.

- Thông số tàu Container Fortune Freighter:
+ Chiều dài lớn nhất:
LOA = 123,57 m
+ Chiều rộng thiết kế:
B = 18,5 m
+ Chiều cao mạn:
D = 11,4 m
+ Chiều chìm tồn tải:
T=8m

+ Lượng nước chiếm toàn tải: ∆ = 12760,8
+ Tốc độ tàu:
v = 16 hải lý/h
+ Trọng tải:
W = 8937,8
+ Thơng số cẩu:
2 x 36T
+ Cơng suất máy chính:
5979kW

Giới thiệu về thiết bị làm hàng
- Thiết bị làm hàng được xếp vào nhóm phụ tải trên boong tàu, nó là
thiết bị quan trọng trên tàu thủy, nó có chức năng bốc xếp hàng hóa lên tàu,
xuống tàu, năng suất của thiết bị làm hàng phải đảm bảo khả năng tàu chờ
nên có thể giảm được giá thành vận tải.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.

34.
35.
36.
Hình 2: Thiết bị làm hàng trên tàu thủy
37.
38.
39.
40.
- Đặc điểm chung của nhóm phụ tải này là loại tải thế năng, vì thế sẽ
có một giai đoạn làm việc ở chế độ hãm.
17.1.
18.

4


- Thiết bị làm hàng có ba cơ cấu bao gồm cơ cấu nâng hạ hàng, cơ
cấu quay mâm, cơ cấu nâng hạ cần.
42.
- Các thiết bị làm hàng chủ yếu trên tàu thủy như sau:
43.
41.

44.

Hình 3: Các thiết bị làm hàng
46.
- Hệ thống điều khiển thiết bị làm hàng có những bảo vệ sau:
+ Bảo vệ quá tải: dùng rơ le nhiệt , rơ le dòng hoặc các bộ cảm biến
45.

47.
48.

nhiệt
+ Bảo vệ ngắn mạch: dùng các cầu chì, CB
49.
+ Bảo vệ 0
50.
+ Bảo vệ nâng hàng quá cao, hạ hàng quá thấp, trùng cáp, sức căng
cáp quá lớn, góc quay quá lớn
51.
+ Bảo vệ cuộn hút phanh và má phanh.
5


- Chu kì làm hàng của thiết bị làm hàng: được tính từ khi móc hàng
vào móc, nâng hàng lên, đưa hàng sang ngang, hạ hàng xuống, tháo hàng ra,
nâng móc khơng lên, đưa móc khơng sang ngang, hạ móc khơng xuống, móc
hàng vào cho một chu kỳ tiếp.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
52.

59.

Hình 4: Đồ thị phụ tải của cơ cấu nâng hạ hàng của cần trục và tời
đơn
61.
62. TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG
62.1. Lựa chọn thông số cần trục, tang trống, móc khơng
63.
- Ta chọn thiết bị làm hàng là cần trục.
64.
- Chọn thông số của cần trục
65.
60.

6


66.

Hình 5: Hình ảnh cần trục
68.
69.
Thơng số của cần trục
+ Trọng tải: 36 tấn
+ Tầm với max: 26m
70.
+ Tầm với min: 4,5m
71.
+ Tốc độ nâng hàng: 18,5 m/p ứng với tải trọng 36 tấn
72.
+ Tốc độ hạ hàng: 55m/p ứng với tải trọng 36 tấn
73.

67.

74.

7


75.

76.

Hình 6: Thơng số cần trục

77.
78.
79.
80.
81.
82.
83.
84.
85.
86.

- Chọn thơng số tang trống:

87.

88.
89.

Hình 7: Hình ảnh tang trống
90.
91.
92.
93.
8


94.

95.

Hình 6: Thơng số tang trống

96.
97.
98.
99.
100.
101.
102.
103.
104.
105.
106.

- Chọn móc khơng:

107.

9


108.

109.

Hình 7: Thơng số móc khơng
110.
111.
112.
113.

114.
115.
116.
117.
118.
119.
120.
121.
122.
123.
124.
125.
126.
126.1.

Tính tốn moment cản trên trục động cơ theo từng giai đoạn

10


126.1.1.
127.

Đồ thị phụ tải của cơ cấu nâng hạ hàng của cần trục
- Đồ thị phụ tải cơ cấu nâng hạ hàng của tời đơn như sau:

128.
129.

130.

Hình 8: Đồ thị phụ tải của cơ cấu nâng hạ hàng tời đơn

131.
Nhìn vào đồ thị, ta thấy có 4 giai đoạn:
+ Giai đoạn nâng hàng
+ Giai đoạn hạ hàng
+ Giai đoạn nâng móc khơng
+ Giai đoạn hạ móc khơng
133.1.1.
Moment cản ở từng giai đoạn
134.
- Biểu thức tổng quát tính moment cản như sau:
135.
132.
133.

136.

(Nm)

Trong đó:
138.
+ : là trọng lượng của hàng hóa (N)
139.
= .g = 35000 . 9,8 = 343000 (N)
140.
+ : là trọng lượng của móc khơng (N)
141.
= .g = 4508 (N)
142.
+ : là bán kính trống tời (m)
= 0,4 (m)
+ : là hiệu suất truyền động
= 0,95
+ i: là tỷ số truyền của bộ truyền động
i = 30
143.
144.
145.
146. - Tính moment cản trong các giai đoạn:
147. + Giai đoạn nâng hàng:
137.

11

= = 4877,3 (Nm)

148.
149.

+ Giai đoạn hạ hàng:

150.
151.
152.
153.

4389,6 (Nm)

+ Giai đoạn nâng hàng móc khơng:
154.

155.
155.1.
156.

= = 63,27 (Nm)

+ Giai đoạn hạ móc khơng:

= 63,27 (Nm)

Tính tốn thời gian của các giai đoạn
- Công thức tổng quát:

=
157.
158.
159.
160.

Với h = + 1,5 = 7 + 1,5 = 8,5 : là chiều cao nâng hạ hàng
: là chiều cao từ mạn hầm hàng xuống đáy hầm hàng
- Thời gian của các giai đoạn:
+ Thời gian giai đoạn nâng hàng: = 18,5 (m/p) = 0,3 (m/s)
161.

162.
163.
164.
165.
166.

= = = 28,3 s

+ Thời gian giai đoạn hạ hàng:
= (1,4 = 1,5 . 0,3 = 0,45 (m/s)

= = = 12,6 s
+ Thời gian nâng, hạ giai đoạn móc khơng:
= (2 = 2,5 . 0,3 = 0,75 (m/s)

= = = 5,6 s

167.

168.
Tính tốn moment quay theo phương pháp các đại lượng đẳng trị
- Dựa vào đồ thị phụ tải của cơ cấu nâng hạ hàng, ta xác định được
moment tương đương của động cơ quay cơ cấu nâng hàng như sau:
170.
= = 4193,1 (Nm)
171.
Khi đó ta chọn moment quay của động cơ điện là:
172.
(Nm)
172.1. Tính chọn cơng suất và tốc độ quay động cơ điện trong cơ cấu
nâng hạ hàng
172.1.1.
Tính tốc độ quay và cơng suất động cơ điện
173. - Tốc độ quay của động cơ điện:
168.1.
169.

12


174.
175.

ndmtt = = = 215 (v/p)
- Công suất của động cơ điện:

176.
176.1.1.
177. - Ta

Pđm = = = 94,3 kW

Chọn động cơ điện
chọn động cơ có mã là Y2-315L1-6 thơng số như sau
+ Điện áp định mức: 380V
178.
+ Công suất định mức: 110kW
179.

180.

Hình 9: Thơng số động cơ
182.
182.1. Nghiệm lại động cơ điện quay cơ cấu nâng hạ hàng
183. - Để nghiệm lại động cơ điện chúng ta phải xây dựng được đồ thị tải
của động cơ điện lai cơ cấu nâng hạ hàng.
184.
181.

13


185.

Hình 10: Đồ thị tải của động cơ điện lai cơ cấu nâng hạ hàng
187. - Để xây dựng đồ thị tải của động cơ điện lai cơ cấu nâng hạ hàng, ta
phải tính các đại lượng như sau:
188.
+ Moment và thời gian của các giai đoạn làm hàng

189.
+ Moment khởi động ở các giai đoạn quá độ
190.
+ Thời gian khởi động ở các giai đoạn quá độ, thời gian các giai
đoạn không làm việc
190.1.1.
Moment khởi động ở các quá trình quá độ
191. - Moment khởi động ở các giai đoạn quá độ bao gồm moment khởi
động khi nâng hàng và hạ hàng.
192. - Để xác định moment khởi động của các quá trình quá độ ta dựa vào
phương trình chuyển động của truyền động điện, đồng thời phải chú ý
rằng giá trị của moment khởi động bị hạn chế bởi khả năng quá tải theo
moment của động cơ khi khởi động .
193. Vậy
 Moment khởi động khi nâng hàng:
194. - Moment khởi động khi nâng hàng có thể chọn trong khoảng
195. = (22,5) = 2,5 . 4193,1 = 10482,75 (Nm).
196.
197.
198.
199.
 Moment khởi động khi hạ hàng:
200.
- Moment khởi động khi hạ hàng chính là moment hãm.
201.
- Khi thực hiện hãm, moment hãm của động cơ phải thắng được
moment cản tĩnh, quán tính quay của các phần tử trong hệ thống và năng
lượng động của tải. Giá trị của moment hãm củng được xác định tương
tự như moment khởi động:
186.

14


202.
203.
204.

Với là khả năng qúa tải theo moment của động cơ ở chế độ quay
Dựa vào thông số của động cơ ta chọn, ta có
205. = 2 . 4193,1 = 8386,2 (Nm)

206.
206.1.1.
Thời
 Thời gian

gian các giai đoạn quá độ và không làm việc
các giai đoạn quá độ
207. - Thời gian các giai đoạn quá độ bao gồm thời gian khởi động động
khi nâng hàng và hạ hàng.
208. - Trong thực tế, thời gian khởi động nâng hàng nằm trong khoảng
209.
= (1,5 . (Truyền Động Điện Tàu Thủy của Lưu Đình Hiếu)
210. Để thỏa mãn hai yêu cầu là thời gian khởi động ngắn và an tồn cho
thiết bị thì ta chọn = 3s.
211.
- Thời gian khởi động khi hạ hàng phụ thuộc vào trạng thái hãm
khi hạ hàng, ta có = 0,5 = 1,5s (Truyền Động Điện Tàu Thủy của Lưu
Đình Hiếu)

 Thời gian các giai đoạn khơng làm việc
212.
- Thời gian các giai đoạn không làm việc bao gồm thời gian
tháo và móc hàng hóa, thời gian đưa móc và hàng sang ngang.
213.
- Thời gian móc và tháo hàng hóa:
214.
+ Thời gian này phụ thuộc vào trình độ tổ chức quản lí bốc
xếp hàng hóa tại cảng, đồng thời phụ thuộc vào loại hàng hóa xếp dỡ. Để
tính tốn ta có thể dựa vào bảng sau:
215.
216.
217.
218.
219.
220.
221.

222.
223.

Hình 11: Bảng chu kỳ làm hàng
15


224.

Đối với đa số các thiết bị làm hàng trên tàu thủy có tải trọng khơng
lớn. Tổng thời gian móc hàng và tháo móc có thể chọn trong khoảng
226.

= (80 110)s (Truyền Động Điện Tàu Thủy của Lưu Đình Hiếu), ta
chọn = 100 (s)
227.
- Thời gian đưa móc và hàng sang ngang: thời gian này chính bằng
thời gian cơ cấu quay mâm làm việc.
228.
Thời gian này được tính như sau:
229.
+ Thời gian đưa hàng sang ngang:
230.
= 1,25B + 5 = 1,25 x 18,5 + 5 = 28,125 (s)
231.
+ Thời gian đưa móc khơng:
232.
= 0,75B + 5 = 0,75 x 18,5 + 5 = 18,875 (s)
233.
(Các cơng thức này có trong sách Truyền Động Điện Tàu Thủy của
Lưu Đình Hiếu)
233.1.1.
Nghiệm động cơ
234.
- Để nghiệm động cơ ta dùng phương pháp tải trung bình bình phương
như sau:
225.

235.

236.
237.
238.

239.

Từ đó ta tính được = 3097,12
- Điều kiện kiểm nghiệm là:
Ta có:
Từ đó động cơ ta chọn thỏa điều kiện

240.
241.
TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG CƠ CẤU NÂNG HẠ

242.

CẦN
Các lực tác động trong cơ cấu nâng hạ cần
- Cơ cấu nâng hạ cần của cần trục và tời hàng là thiết bị dùng để thay
đổi tầm với trong quá trình làm hàng. Động cơ điện thực hiện trong cơ cấu
nâng hạ cần làm việc ở chế độ ngắn hạn. Trong tính tốn chúng ta chỉ cần
tính cho chế độ nâng hạ cần với tải định mức. Khi nâng hạ cần, các lực tạo
nên moment cản trên trục động cơ điện bao gồm các thành phần sau:
244.
+ Lực cản do trọng lượng của hàng hóa

242.1.
243.

16


+ Lực cản do trọng lượng của cần

+ Lực cản do ma sát trên các puly và ổ đỡ
+ Lực cản do gió (lực này khá nhỏ nên có thể bỏ qua)
246.1. Moment do trọng lượng của hàng hóa và trọng lượng của cẩu
247.
- Dựa vào sơ đồ mô tả các lực tác dụng lên cơ cấu nâng hạ cần, ta có
thể tính được các thơng số tạo nên tải của cơ cấu. Để đơn giản trong tính
tốn chúng ta coi tải trọng của cần phân bố đều dọc theo cần.
248.
245.
246.

249.
250.

Hình 12: Sơ đồ lực tác dụng trong cơ cấu nâng hạ cần
251.
252.

253.
- Khi nâng cần momen cản do trọng lựơng của hàng hóa và trọng
lượng của cần được tính như sau:
254.

255.

=

- Khi hạ cần mô men cản do trọng lựơng của hàng hóa và trọng lựơng
của cần được tính như sau:
256.

257.

= (2 )

Trong đó : T là sức căng trên dây cáp, sức căng trên dây cáp phụ
thuộc vào góc nghiêng của cần và được tính bằng cách giải các phương trình
258.

17


cân bằng lực theo các trục x, y và phương trình cân bằng momen tại gốc cần
như sau:
Phương trình cân bằng momen :

259.
260.

=> T =

261.
262.

Trong đó được xác định dựa vào góc nghiêng cần α

263.

Với :
+ : trọng lượng của hàng hóa và móc khơng

264.

= 343000 + 4508 = 347508 (N)

265.
266.

+ : trọng lượng của cần = 36000 . 9,8 = 352800 (N)

267.

+ , ,,: là các khoảng cách như hình vẽ
= lsin , =

268.

=

269.

Ta có: l: là chiều dài của cần trục

270.

8,5 (m)
271.
•

Khi = 60 thì:

272.

= lcos60 = 28,24 . cos6014,12 (m)

273.

= lsin60 = 28,24 . sin6024,46 (m)

274.

= = = 12,23 (m)

275. Từ

đó ta suy ra = = 463kN

276. Ta

tính được moment cản như sau :

277.

= = = 6,5 kNm

= (2 ) = kNm

278.
•

Khi = 15 thì:

279.

= lcos15 = 28,24 . cos15 = 27,3 (m)
18

l = D = 28,24 (m), h =


280.

= lsin15 = 28,24 . sin15 = 7,3 (m)

281.

= = = 3,65 (m)

282. Từ

đó ta suy ra = = 457,92kN

283. Ta

tính được moment cản như sau :
= = = 6,4kNm

284.

= (2 ) = kNm

285.

286.
287.

288.
289.
290.
291.
292.
292.1.
293.

Moment cản do ma sát trên các puly và ổ đỡ
- Moment do ma sát gây nên là:

294.
295.
296.

297.
298.
299.

•

Với: + N: là lực dọc theo cần N = (Gh + Gk) cosα
+ f: là hệ số ma sát
f = (0,080,15), ta chọn f = 0,15
+ T : là lực căng dây
+ : là bán kính ổ đỡ
= 0,7 m

+ : là bán kính pu li
= 0,4 m
+ Góc ôm của cáp trên puly là 90o (1/4)

Khi α =
= 463kN
= (Gh + Gk) cosα = (347508 + 352800).cos = 350154 (N)
= 50656,17 (Nm)
Khi α =
303.
= 457,92kN

300.
301.
302.
•

19


304.
= (Gh + Gk) cosα = (347508
305.
= 84764,4 (Nm)
305.1. Thời gian nâng hạ cần
306. - Giới hạn trên và giới hạn dưới:
307.
= 14,1m
308.
= 27,3 m

309. - Thời gian nâng cần:
310.
= = 44s
311. - Thời gian hạ cần:
312.
= = 29,3s
313. Với = 18,5 (m/p) = 0,3 (m/s)

+ 352800).cos = 676445,6 (N)

314.
315.
316.
317.
318.
319.
320.
320.1.
321.

Đồ thị của cơ cấu nâng hạ cần
- Moment tải khi nâng cần là:
Mnd =+ Mmsd = 6,5 . + 50656,17 = 57156,17Nm

322.

Mnc = + Mmsc = 6,4 . + 84764,4 = 91164,4 Nm

323.

324.
325.

326. Hình

326.1.

13: Đồ thị tải
Tính tốn và chọn động cơ điện trong cơ cấu nâng hạ cần
20


- Dựa vào đồ thị phụ tải trên hình 13, ta xác định được moment tương
ứng của động cơ quay cơ cấu nâng hạ cần như sau:

327.

328.

Từ đó ta tính được = 6195,91 (Nm)
Chọn = = 6195,91 (Nm)

329.
330.
331.

- Tốc độ động cơ:

= 215 (v/p)
- Công suất của

332.

động cơ:

Pdmtt =

333.

= = 139,34kW
334.
335.
336.
337.
338.
339.
340.

- Dựa vào catalog của động cơ, ta chọn động cơ như sau:
+ Công suất : 160kW
+ Tốc độ: 156 vòng/ phút
+ Điện áp định mức: 380V

21


341.

342. Hình

343.1.
344.

14: Thơng số động cơ nâng hạ cần
343.
Nghiệm động cơ trong cơ cấu nâng hạ cần
- Phương pháp kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng gián

tiếp:
345.
346.
347.
348.
349.

Ta có :
Mômen định mức của động cơ:
= 24640 (Nm)
: thỏa mãn điều kiện phát nóng.
350.
351.
352.

354.
354.1.

353.
TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG CƠ CẤU QUAY MÂM
Các lực tác động trong cơ cấu quay mâm
22

- Cơ cấu quay mâm của cần trục hoặc tạt cần của tời hàng là thiết bị
dùng để đưa hàng sang ngang trong quá trình làm hàng. Động cơ điện thực
hiện trong cơ cấu nâng hạ cần làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Một chu kỳ
công tác của cơ cấu quay có thể phân thành hai giai đoạn: giai đoạn quay
thuận có tải và giai đoạnquay ngược chỉ có móc khơng. Trong q trình quay
cần các lực tác động tạo nên mô men cản trên tục động cơ điện bao gồm các
thành phần sau:
355.

356.

+ Lực cản do trọng lựơng của hàng hóa và cần khi tàu bị nghiệng.

357.

+ Lực cản do ma sát trên các ổ đỡ.

358.

+ Lực cản do gió.

+ Mơ men cản do qn tính (vì do tầm với khá xa nên mơ men qn
tính là đáng kể nên khi tính tốn phải đưa vào).
359.

360.

361.

Hình 15 : Các lực tác động lên cơ cấu quay mâm
362.

363.
364.
365.

Thông số của cần trục :
23


366.
367.
368.
369.

+ Trọng lượng hàng hóa : 343000 (N)
+ Trọng lượng cần cẩu: 352800 (N)
+ Tốc độ quay cần: 0,55 vòng/phút.
+ Khối lượng cụm móc: 460 kg

370.
370.1.

Moment cản do ma sát ổ đỡ
- Phương trình cân bằng moment tại điểm A:

371.

372.

Trong đó:

373.

374.

+ là góc nghiêng lớn nhất (khơng q 5 độ)

375.

+ : là trọng lượng của hàng hóa, cần cẩu

376.

(N)

377.

= 352800 (N)
378.

+ 24,46 (m)

379.

+ = = = 12,23 (m)

380.

+ 14,12 (m), = 7,06 m , = = 7,06 m

381.
382.

Từ đó suy ra X = 1883197,364 (N)
- Phương trình cân bằng lực theo trục x:
= X )sin = 1822554,4 (N)

383.

- Phương trình cân bằng lực

384.

theo trục y:
Y = )cos = 693152,3 (N)

385.

386.
24


387.
388.
Moment ma sát tại các gối đỡ:

389.

390.

+ Ở gối đỡ trên: (Nm)

391.

+ Ở gối đỡ dưới: (Nm)

392.

+ = 48520,661 (Nm)
Với = = 0,7 (m): là bán kính ổ đỡ trên, dưới.

393.

Tổng moment ma sát:

394.
394.1.
395.
396.
397.

= 431257,081(Nm)

Moment cản do gió
- Lực cản do gió được xác định như sau:
=
trong đó:

398.
399.

+ : là áp lực của gió
= 40
+ : là diện tích chắn gió của hàng (m2), diện tích này phụ thuộc

một cách tương đối theo trọng tải của hàng, dựa vào bảng, ta chọn = 13
400.

401.
402.
403.
404.

Hình 16: Bảng diện tích chắn gió của hàng
+ là diện tích chắn gió của cần = 2,7 m
+ : góc cửa cần (ở đây lấy góc khi cần có tầm với xa

nhất) = 25
405.
Từ đó ta suy ra: = 565,64 (N)
406.
- Moment cản do gió sinh ra là:
407.
= . = 2912,4 (Nm)
408.
408.1. Moment cản do trọng lượng hàng hóa gây ra khi tàu bị nghiêng
409. - Moment cản do trọng lượng hàng hóa gây ra khi tàu bị nghiêng được
xác định theo công thức:

410.
= 467953,46 (Nm)
25