Thiết kế cần trục tháp kiểu tháp quay sức nâng Q=10T

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm qua ngành xây dựng Việt Nam đã co những bước tiến mạnh
mẽ . Tổng công ty xây dựng Việt Nam đã tập trung cho việc phát triển cơ sở hạ
tầng là tối quan trọng với mục tiêu phấn đấu trở thành nước phát triển về công
nghiệp , đồng thời cải tổ lại cơ cấu tổ chức hành chính , kỹ thuật cũng được quan
tâm và thực hiện tốt . Mục đích lớn nhất trong công cuộc xây dựng nền kinh tế
quốc dân,việc cơ giới hoá là tối cần thiết vì nó có đủ khả năng giải phóng gần như
hoàn toàn sức lao động của nhân dân, nó là cứu cánh để hoàn thiện các qui trình
sản xuất,tăng năng suất lao động xã hội. Bên cạnh đó ngành xây dựng tăng cường
hợp tác quan hệ, trao đổi với các nước công nghiệp phát triển khác trên thế giới
để hoà nhập vào xu hướng phát triển chung của ngành xây dựng .
Vì lẽ đó mà ngành máy trục hiện nay được sử dụng khá rộng rãi với nhiều
loại khác nhau tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta thiết kế các loại máy chuyên
dùng khác nhau để phục vụ cho những mục đích khác nhau nhằm đáp ứng nhu
cầu thực tế trong công cuộc đổi mới trong việc phát triển xây dựng nền công
nghiệp của nước nhà .
Xuất phát từ những nhu cầu trên , đề tài này đi vào nghiên cứu về một loại
máy trục sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng hiện nay đó là cần trục tháp xây
dựng .
Khi đi vào tính toán thiết kế cần trục tháp không phải mặc nhiên mà tự
thiết kế hoàn toàn cho nên từ nhiều tài liệu tham khảo,các loại sách hướng dẫn
thiết kế môn học.Nhưng vấn đề cần đưa ra ở đây là việc hữu ích và tầm quan
trọng của cần trục tháp trong phục vụ sản xuất và xây dựng công nghiệp.
Đây là bản thiết kế kết cấu thép cần của cần trục tháp kiểu tháp quay.Là
một sinh viên ,với kiến thức còn hạn chế bản thiết kế này không thể tránh những
thiếu sót . Em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô để có thể hoàn thiện
hơn . Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô.
Tp.HCM- ngày 30 tháng 5 năm 2008
Sinh viên thực hiện.
HOÀNG GIA ANH

Chương 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẦN
TRỤC
T.1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC THIẾT BỊ NÂNG
HẠ PHỤC VỤ XÂY DỰNG
1.1.1 Giới thiệu chung:
−Cần trục tháp là loại cần trục có một thân tháp thường cao từ 30 ÷
50, hoặc cao hơn nữa (có thể đến 100 ÷ 120 m). Phía trên gần đỉnh tháp
có gắn cần dài từ 12 ÷ 50 m đôi khi đến 70m, được kết nối bằng chốt
bản lề. Một đầu cần còn lại được treo bằng cáp hoặc thanh kéo đi qua
đỉnh tháp. Kết cấu chung của cần trục tháp chủ yếu gồm 2 phần: phần
quay và phần không quay). Trên phần quay bố trí các cơ cấu công tác
như: tời nâng vật, tời nâng cần, tời kéo xe con, cơ cấu quay, đối trọng,
trang thiết bò điện và các thiết bò an toàn.
−Phần không quay có thể được đặt cố đònh trên nền hoặc có khả năng
di chuyển trên đường ray nhờ cơ cấu di chuyển. Tất cả các cơ cấu của
cần trụ được điều khiển bởi cabin treo trên cao gần đỉnh tháp phổ biến là
loại cabin được treo ở phần liên kết giữa cần tháp và cột tháp.
−Do có chiều cao nâng và tầm với lớn, có không gian phục vụ nâng
nhờ các chuyển động nâng hạ vật, thay đổi tầm với, quay toàn vòng và
dòch chuyển toàn bộ máy mà cần trục tháp được sử dụng rộng rãi trong
các công trình xây dựng dân dụng, xây dựng công nghiệp hoặc dùng để
bốc dỡ, vận chuyển hàng hóa, cấu kiện, vật liệu trên các kho bãi.
−Tuy nhiên do kết cấu phức tạp, tháp cao và nặng, tốn kém nhiều chi
phí trong quá trình tháo dỡ và lắp ráp, di chuyển, chuẩn bò mặt bằng nếu
cần tháp được yêu cần chỉ sử dụng ở nơi có khối lượng xây lắp tương đối
lớn và khi sử dụng cần trục tự hành là không đem lại hiệu quả kinh tế
cao hoặc khả năng đáp ứng yêu cầu về công việc thấp. Do tính chất làm
việc của cần trục tháp là luôn thay đổi đòa điểm nên chúng thường được

thiết kế sao cho dễ tháo dỡ, dựng lắp và vận chuyển hoặc có khả năng tự
dựng và được di chuyển trên đường dưới dạng tổ hợp toàn máy. Điều này
làm giảm đi được chi phí và thời gian dựng lắp cần trục.
−Thông thường cần trục tháp được chế tạo có sức nâng từ 1 ÷ 12 (T) ,
cá biệt là có thể đến 75 (T), moment tải của cần trục đạt tới 350 t; m, tầm


với từ 8 ÷ 50, chiều cao nâng đến 100 ÷ 120(m). do có chiều cao nâng là
rất lớn nên tốc độ nâng sẽ bò hạn chế lại và nằm trong khoảng 0,32 ÷ 1m/
s và có thể thay đổi tốc độc theo cấp hoặc vô cấp.
−Tốc độ nâng hạ vật để điều chỉnh hàng thường là ≤ 8m/s, tốc độ quay
của cần từ 0,3 ÷ 1v/pt, thời gian thay đổi tầm với từ 25 ÷ 100 (s), tốc độ
di chuyển của xe con 0,2 ÷ 1m/s và di chuyển cần trục 0,2 ÷ 0,63m/s.


Chương 2 :KẾT CẤU THÉP CẦN CỦA CẦN
TRỤC THÁP
4.1. Giới thiệu:
−Trong quá trình tính toán, thiết kế cần trục tháp, kết cấu tháp là thành
phần chòu lực lớn nhất chủ yếu khi thiết kế và cần phải đảm bảo các điều
kiện sau:
Kết cấu đủ bền và ổn đònh.
Hình dáng phân bố hợp lý để giảm nhẹ trọng lượng cần trục.
−Cụ thể ở cần trục tháp phục vụ trong các công trình xây dựng, khi thiết
kế phải đảm bảo tính bền vững và an toàn. Do cần trục tháp phần lớn làm
việc ở ngoài trời và chiều cao nâng rất lớn nên rất cần thiết phải tính toán
hình dáng kết cấu để giảm bớt trọng lượng, giảm moment mất cân bằng do
trọng lượng cần giảm khoảng không chắn gió, tính ổn đònh cao khi hoạt
động. Do vậy việc chọn kết cấu dàn là hợp lý. Để liên kết các thanh dàn sử
dụng các thép đònh hình hàn lại với nhau, hàn trực tiếp, dùng bản mã và có

thể dùng một số mối ghép đinh tán tại một số vò trí hợp lý.
4.2. Tính toán kết cấu tháp cần:
−Chiều cao nâng của cần trục đang được thiết kế là H
max
= 53 (m) và sức
nâng lớn nhất cần trục làm việc ở H
max
là Q
max
= 10 (T).
−Dựa vào máy mẫu đã có kích thước và trọng lượng cần như sau:
Trọng lượng cần: G
c
= 75500 (N).
Các thông số kích thước cho dưới:
1600
40000
2100 1400
HÌNH 4.1
Xác đònh các tải trọng tính toán và tổ hợp của chúng.


4.2.1. Sơ đồ tính:
−Cần được liên kết với tháp bằng các liên kết bulong (có thể bằng khớp)
cố đònh và đầu còn lại của cần được treo vào thanh giằng nối đỉnh tháp của
cần trục. Như vậy việc tính toán cần có thể đưa từ sơ đồ thật thành sơ đồ tính
toán.
−Xem cần là một thanh đơn trùng với trục cần.
−Xem các lực tác dụng đặt trực tiếp vào cần.
−Khi tính toán các tiết diện thanh thì nên dùng sơ đồ tính toán lý thuyết.

−Khi đó xem các thanh được biểu diễn như đường thẳng. Trục thanh và
các lực xem như đặt trực tiếp vào trục thanh.
−Trong mặt phẳng thẳng đứng, cần là một dầm consol tựa trên 2 gối:
Gối cố đònh: khớp bản lề ở đuôi cần.
Gối treo: liên kết với thanh giằng ở đầu cần.
−Khi tính toán cần trục tháp thường tính theo phương pháp trạng thái giới
hạn về độ bền và tính ổn đònh của chúng, không tính đến độ bền mỏi bời vì
cần trục tháp thường xuyên làm việc ở chế độ nhẹ và trung bình.
−Các thông số kỹ thuật:
Trọng lượng xe con gồm cả móc treo: 0,39 (T).
Trọng lượng cần : G
c
= 7,55 (T).
Trọng lượng hàng : Q = 10 (T).
Tốc độ quay của cần trục : 0,47 (v/ph).
Vận tốc di chuyển xe con : v
x
=31.5 (m/ph).
4.2.2. Lập bảng tổ hợp tải trọng :
Các tải trọng tác dụng lên cần trục xác đònh đối với tất cả các trạng thái có
thể diễn ra của cần trục như : trạng thái không làm việc kí hiệu IIIa ; trạng


thái không làm việc đang tiến hành lắp ráp kí hiệu IIIb ; trạng thái làm việc
kí hiệu II.
STT Tải trọng tác dụng II III
a b c d a b
1 Trọng lượng bản thân các
bộ phận G
1.1G 1.1G 1.1G 1.1G 1.1G 1.5G

2 Trọng lượng hàng và
thiết bò mang hàng có kể
đến hệ số động ϕ
ψQ ψQ ψQ ψQ - -
3 Tải trọng quán tính khi cơ
cấu làm việc :
Lực quán tính cơ cấu
nâng
Quay có hàng
+
-
+
+
+
-
-
+
-
-
-
-
4 Lực ngang do nghiêng
cần trục :
Trong mp treo hàng
Vuông góc mp treo
hàng
-
+
-
-

+
-
+
-
+
-
-
-
5 p lực gió nPgII - nPgII nPgII nPgIII

P
gIII
6 Tải trọng lắp ráp và vận
chuyển
- - - - - +
Chú thích:
1. Các tổ hợp tải trọng qui ước dùng cho các bộ phận của kết cấu thép như
sau:IIa,IIb,IIc,cho thanh biên của cần cột,tháp bệ quay:IIc chocác thanh
bụng của cần ; IId cho các thanh bụng của tháp
2. Dấu + chỉ tải trọng có để ý đến ; dấu – chỉ tải trọng không để ý đến.
3. Chiều của áp lực gió lấy tương tự như chiều của lực ngang sinh ra do cần
trục bò nghiêng.


4.2.3. Tính toán các tải trọng:
−Trọng lượng cần (phần quay) khi tính tới hệ số động:
G = K
t
. G
c

= 1,1 . 7550 = 8305 (Kg).
Với :
K
t
= 1,1 : hệ số động (hệ số điều chỉnh các hiện tượng va đập
khi di chuyển, nâng, quay máy trục.
−Trọng lượng hàng khi kể đến hệ số động ϕ.
Q = ψ. Q
H
= 1,1 . Q
H
(Kg).
ψ = 1,1 : hệ số động phụ thuộc vào chế độ làm việc của máy
trục ( chế độ làm việc trung bình).
Q
H
: Trọng lượng hàng.
−Trọng lượng xe tời (gồm cả móc treo) khi kể đến hệ số K
t
.
G = K
t
. G
x
= 1,1 . 390 = 429 (Kg).
K
t
= 1,1 : hệ số động.
−Lực quán tính khi quay cần theo phương tiếp tuyến:
P

tt
qt
= m
c
. ω
2
. R
i
Trong đó:
m
c
= 7550 (kg) : khối lượng cần.
R
i
: bán kính phần quay (m).
ω : vận tốc góc khi quay cần.
ω =
(m/s) 0,0492
30
0,47 . 14,3

30
n .
q
==
π
P
tt
qt
=

(kg) 0,005.R
3600
.R27550.0,049

i
i
2
=
−Lập bảng:
Vò trí
Thông số
R
max
= 40m R

= 24m R
min
= 8.5m
P
tt
qt
(kg) 0,2 0,12 0,0425
P
tt
qt max
(kg) 0.4 0,24 0,085


−Lực quán tính li tâm:
P

lt
qt
=
t
R ..m
ic
ω
t = 2 (s) : thời gian hãm cơ cấu.
 P
tt
qt
=
360.2
2.R7550.0,049
i
= 0.52.R
i
.
Lập bảng cho các thông số:
Vò trí
Thông số
R
max
= 40m R

= 24m R
min
= 8.5m
P
lt

qt
(kg) 20.8 12.48 4.42
P
lt
qt max
(kg) 41.6 24.96 8.84
−Lực quán tính khi thay đổi tầm với bằng xe con (khi cần trục đứng yên
có lực nằm ngoài đặt tại tâm cần).
P
x
qt
=
v .
t
Q G
x
+

Với:
Q : Trọng lượng của hàng (kg).
t = 2 (s) : thời gian phanh hãm cơ cấu.
G
x
= 390 (kg) : trọng lượng xe con,
v
x
= 31.5 (m/ph) : vận tốc di chuyển xe con.
 P
qt
=

.30
60.2
Q 390 +
(kg).
Lập bảng:
Vò trí
Thông số
R
max
= 40m R

= 24m R
min
= 8.5m
Q (kg) 5500 10000 10000
P
x
qt
(kg) 1472.5 2597.5 2597.5
P
x
qt max
(kg) 2945 5195 5195


−Lực ngang do cáp lắp động:
T = k
t
. Q. tgα
Với:

α = 5
o
: góc nghiêng của cáp.
k
t
= 1,1 : hệ số động (hệ số điều chỉnh)
Q (kg) : trọng lượng hàng mang
 T = 0,1Q (kg)
Lập bảng các thông số và giá trò của T.
Vò trí
Thông số
R
max
= 40m R

= 24m R
min
= 8.5m
Q (kg) 5500 10000 10000
T (kg) 550 1000 1000
−Xác đònh áp lực gió:
−w
1
= w
h
. F
c
. k (CT 1.16 sách tính toán máy nâng chuyển)
Với:
w

h
= q
o
. n. c. η. β (CT – 1.11 sách tính toán máy nâng chuyển)
w
h
: tải trọng gió phân bổ đều
q
o
= 15kg/m
2
: áp suất động của gió.
n = 2 : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào độ cao so với mặt đất
(Tra bảng 1.6 sách tính toán máy nâng chuyển).
c = 1,4 : hệ số khí động học (Bảng 1.7 sách tính toán máy nâng
chuyển).
η = 1 : hệ số quá tải.
β = 1 hệ số động lực.
 w
h
= 15. 2. 1. 1,4. 1 = 42 (kg/m
2
)
F
c
: diện tích bao của cần.
F
c
= F
cn

+ F
cd

F
cn
: diện tích bao của cần trong mặt phẳng nằm ngang.
F
cd
: diện tích bao của cần trong mặt phẳng thẳng đứng.


F
cn
= 40 x 1,4 = 56 m
2
.
F
cd
= 40 x 1,6 = 64 m
2
.
 w
1
= (64 + 56). 0,3. 42 = 1512 (kg)
Tác dụng lên hàng:
w
2
= w
h
. F

h

Với: w
h
= 42 (kg/m
2
)
F
h
: diện tích bao của hàng.
Tra bảng 4.2 của sách KKKLMT với sức nâng đònh mức:
Q
đm
= 10 (T) cho F
h
= 10 (m
2
).
 w
2
= 42 . 10 = 420 (kg)
−Lực quán tính do cơ cấu nâng gây ra:
P
n
qt max
= ψ
π
. Q
Với :
ψ

π
= 1,1 : hệ số động (hệ số điều chỉnh)
P
n
qt max
= 1,1 Q.
Lập bảng:
Vò trí
Thông số
R
max
= 40m R

= 24m R
min
= 8.5m
Q (kg) 5500 10000 10000
P
n
qt max
(kg) 6050 11000 11000
4.3. Tính toán lực tác dụng lên cần:




30000
4.3.1. Tính cần theo tổ hợp IIa:
−Theo tổ hợp tải trọng IIa, cần chòu tác dụng của tải trọng thẳng đứng và
ngang, do đó làm việc theo trạng thái chòu nén có uốn và có sự biến dạng

khi chòu lực. Mặt cắt ngang của cần thường không lớn và thay đổi theo chiều
dài của cần và trong mặt phẳng nằm ngang chỉ có tải trọng phân bố đều trên
cần có giá trò rất nhỏ.
−Trong mặt phẳng nâng hàng gồm có các lực:
Lực quán tính nằm ngang do dao động của cần trục Pq’
Lực quán tính thẳng đứng do các phần dao động của cần trục và do
hàng cùng móc treo hàng :Pq & Pq’’
Trọng lượng hàng mang và xe con
Trọng lượng bản thân cần
0 .30Y- Gc.20Gx).R(Q Pqt.R
B
=+++
−PT cân bằng lực:
MA = Pqt’’.R + Pqt.40 +(Q +Gx).R + Gc.20 -Sk .30=0
Y= Pqt + Pqt’’ + Gc + Q + Gx – Sk.sin 20 – YA
X = Pqt’ – XA – Sk .cos 20 = 0
Trong đó: Gx :Trọng lượng xe con
Q : Trọng lượng hàng mang.
G
c
: Khối lượng cần.
P
qt
’:lực quán tính ngang do các phần dao động của cần
trục


Pqt’’ & P
qt
: lực quán tính thẳng đứng do phần dao động

của cần và do hàng cùng móc treo hàng .
Vò trí
Thông số
R
max
= 40m R

= 24m R
min
= 8.5m
P
q
(kg) 6050 11000 11000
Gx (kg) 429 429 429
G
c
(kg) 8305 8305 8305
Q (kg) 6050 11000 11000
P
qt
‘(kg) 2945 5195 5195
Pqt’’(kg) 2945 5195 5195
Sk (kg) 26168.7 33502.5 24913.5
XA (kg) 21645.5 26287.1 18216
YA (kg) 14828.8 24470.5 27408.1
Tính cần theo tổ hợp IIc:
−Khi tính toán kết cấu thép của cần theo tổ hợp tải trọng IIc, cần chòu tác
dụng của các lực nằm trong mặt phẳng ngang, bao gồm:
Thò trường gió tác dụng lên cần : Pq
c

(kg).
Thò trường gió tác dụng lên hàng : Pq
h
(kg).
Lực quán tính tiếp tuyến khi quay cần có treo hàng : P
qt
Lực ngang do cáp lắc động : T (kg).