Báo cáo khoa học: "NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ CẦN TRỤC - PHAO NỔI" ppsx

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC
CỦA HỆ CẦN TRỤC - PHAO NỔI


PGS. TS. NGUYỄN VĂN VỊNH
ThS. NGUYỄN HỮU CHÍ
Bộ môn Máy xây dựng - Xếp dỡ
Khoa Cơ khí
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo trình bày tóm tắt những kết quả nghiên cứu động lực học của cần trục
đặt trên hệ cần trục - phao nổi khi làm việc hệ tỳ đáy xuống lòng sông. Kết quả cứu thu được
có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích để phục vụ cho việc thiết kế, chế tạo hệ này trong
thực tế.
Summary: The paper summarizes the dynamics research results of the floating crane
when the bottom of the floating crane is located on the bottom of river bed. The obtained
research results can be used as useful reference materials to design and manufacture of this
floating crane in practice.


I. ĐẶT VẤN ĐỀ
CT 2
Hiện nay ở khu vực đồng bằng Nam Bộ, để thực hiện công tác xếp dỡ hàng hóa, nạo vét
kênh rạch, phục vụ việc thi công cầu, xây dựng các công trình thủy… trên địa hình sông ngòi,
kênh rạch chằng chịt, người ta thường sử dụng cần trục bộ đặt trên một phao nổi. Hệ này được
gọi là hệ cần trục - phao nổi. Hệ cần trục - phao nổi trong một số trường hợp khi làm việc do
mực nước thủy triều thấp nên tỳ đáy phao xuống lòng sông. Cần trục đặt trên phao (thường là sà
lan) làm việc như ở trên cạn. Lúc này cần phải tính toán cần trục theo quan điểm động lực học
để tính liên kết giữa phao và cần trục nhằm đảm bảo an toàn.
Bài báo này trình bày những kết quả tính toán động lực học của hệ cần trục - phao nổi

trong trường hợp đặc biệt khi làm việc nhưng thường xảy ra trong thực tế như đã nêu ở trên.
II.NỘI DUNG
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ cần trục - phao nổi
a. Cấu tạo: Cấu tạo của hệ được thể hiện trên hình1.
b. Nguyên lý hoạt động: Sự hoạt động của hệ thông qua cần trục đặt trên phao.
Khi làm việc, các bộ máy nâng - hạ hàng, bộ máy thay đổi tầm với, bộ máy quay của cần
trục hoạt động. Người lái sẽ điều khiển các bộ máy này để thao tác các công việc của cần trục.



Nó có thể bốc dỡ hàng theo mọi hướng nhờ bộ máy quay của cần trục.

Hình 1. Hệ cần trục - phao nổi đang nạo vét kênh mương bằng gầu ngoạm
CT 2
2.2. Nghiên cứu động lực học của hệ cần trục – phao nổi
Trong quá trình làm việc của cần trục đặt trên hệ cần trục - phao nổi, nhiều trường hợp do
nước thuỷ triều rút, mực nước thấp nên hệ phao nổi (sà lan) lúc này tỳ xuống lòng sông và như
vậy có thể sử dụng những giả thiết sau đây để xây dựng mô hình động lực học (ĐLH).
2.2.1. Xây dựng mô hình động lực học
a. Các giả thiết
- Phao nổi (sà lan) tỳ đáy xuống lòng sông, giả thiết về cơ chế tiếp xúc đè lên lớp bùn nhão
có nước của đáy phao và đáy sông phẳng, sà lan có vật liệu và kết cấu đủ cứng để có thể coi cần
trục đứng trên nền cứng tuyệt đối (cần trục được liên kết cứng với sà lan và trong trường hợp
này bỏ qua biến dạng của sà lan).
- Dây cáp hàng có độ cứng là S
1
và hệ số dập tắt dao động là K
1
nó được coi như lò xo có
thể co dãn được.

và hệ số dập tắt dao động là K
- Xét đến độ cứng của cáp cần là S
2 2
- Bỏ qua biến dạng của kết cấu thép cần trục.
- Coi vật nâng chỉ dao động trong mặt phẳng của hệ cần trục - phao nổi (mặt phẳng thẳng
đứng chứa cần và toa quay).



- Vật nâng và cụm móc câu được quy dẫn về khối lượng m .
2
- Hàng được nâng lên khi có độ trùng cáp ban đầu δ hoặc không có độ trùng cáp (hàng treo
trong không gian).
- Tải trọng gió tác dụng theo hướng bất lợi cho cần trục.
- Bỏ qua khối lượng ma sát của puly trong hệ thống palăng. Chưa xét đến biến dạng của
các phần tử trong cơ cấu nâng hạ hàng.
.
- Khối lượng của cần được quy dẫn về giữa cần bằng một khối lượng tập trung m
3
b. Mô hình động lực học
- Đặt mô hình tính toán vào hệ toạ độ tuyệt đối OXY với các toạ độ suy rộng tương ứng với
các phần tử chuyển động như sau:
Y
X


X
0

X

3

X
2

y
2

y
3

y
0


φ

ϕ
0

A

B

K
2

S
2

K
1



S
1

Δ
H

D

D
1


L
c

m
3

q
3

f
Q

i

2

m
2

q
2

n
q

q
1

i1

K
1

S
1

M(
q1
)

M
f

D
CT 2

Hình 2. Mô hình động lực học của hệ cần trục - phao nổi
q
1
- Góc quay của trục động cơ, cơ cấu nâng hạ hàng, rad;
q
2
- Độ dịch chuyển của hàng theo phương của cáp nâng hàng, m;
q
3
- Góc lắc của cáp hàng quanh đỉnh cần, rad;
q
d
- Góc quay của tang nâng hàng, rad;
θ
1
- Mômen quán tính quy dẫn của roto động cơ và khớp nối trục;
M(q
1
) - Đường đặc tính ngoài của động cơ cơ cấu nâng hạ hàng;
M
f
- Mômen phanh của cơ cấu nâng hạ hàng;

i
1
- Tỉ số truyền của hộp giảm tốc trong cơ cấu nâng hạ hàng;
i

2
- Bội suất cáp (số nhánh cáp treo) của cáp hàng;
S
2
, K
2
- Tương ứng là độ cứng và hệ số dập tắt dao động của cáp hàng;
L
- Chiều dài của cần của cần trục;
c
D - Đường kính của tang cuốn cáp thuộc cơ cấu nâng hạ hàng;
P
g
- Tải trọng gió tác dụng vào cần trục quy dẫn về điểm G;
q
4
- Chuyển vị góc của cần (góc lắc của cần xung quanh khớp O);
φ
o
- Góc nghiêng của tâm cần so với phương ngang;
f - Chiều dài cáp hàng;
Q
x
o
-y
o
- Toạ độ ban đầu của điểm O.
2.2.2. Thiết lập phương trình chuyển động
Để thiết lập phương trình chuyển động,chúng tôi sử dụng phương trình Lagrănge loại II có

dạng như sau:
i
ii
i
i
dT T T u
( ) Q (i 1, 2,3 n)
dt q q
qq
••
∂∂∂∂
−+ += =
∂∂
∂∂

Trong đó i là số bậc tự do của hệ
a. Xét trường hợp nâng hàng có độ trùng cáp ban đầu δ
Quá trình nâng hàng xảy ra theo ba pha sau đây:
Pha I: Cho động cơ bắt đầu hoạt động, tang bắt đầu cuốn cáp, độ trùng cáp δ Æ 0 (bắt đầu
cáp căng).
Pha II: Tang tiếp tục cuốn cáp, lực căng cáp có giá trị tăng dần F
c
= 0 tăng đến giá trị lực
căng tĩnh
mg
2
F
ct

i
2
=

mg
2
F
ct
i
2
≥
Pha III: Tang tiếp tục cuốn cáp, khi
lúc này hàng thực sự nâng lên khỏi mặt đất
và tiếp tục được nâng lên cao.
Trường hợp này mô hình động lực học có 4 bậc tự do.
Phương trình chuyển động của cơ cấu ở pha 1 như sau:
••
M(q )=θ q
11
•
1

CT 2
Pha II: Hệ có 2 bậc tự do q
1
, q ;
4
Sau khi tiến hành các đạo hàm cần thiết theo phương trình Lagrănge loại II (chi tiết xin
xem ở tài liệu tham khảo [2]).
Biểu diễn phương trình chuyển động dưới dạng ma trận chúng ta có:

•• •
Mq+Kq+Sq=f

Chú ý: pha thứ II kết thúc khi:
mg
2
F
c
i
2
=

mg
2
F
c
i
2
>
Pha III: Pha III bắt đầu khi , hàng đi lên thực sự. Hệ có 4 bậc tự do: q , q
1 2
, q
3
, q
4
Sau khi tiến hành các đạo hàm cần thiết theo phương trình Lagrănge loại II (chi tiết xin
xem ở tài liệu tham khảo [2]).
Biểu diễn phương trình chuyển động dưới dạng ma trận, chúng ta có dạng sau:
•
•• • •

2
Mq+K q +K qq +K q+Sq=f
1233




Trong đó các ma trận cụ thể như sau:


CT 2




••
Mq
=

1
θ




1
q
••


2 2c
m


mLA
−



2
q
••

.

2
m(f -q)
2Q 2
2c Q 2
mL(f q)B
−



••
3
q


2
3
2c
m
(m )L
4
+

2c
2c Q 2
mL(f q)B
−
-m L A

4
q
••


2
1
(q )
•


•
2
Kq =
1


2a 2
-m (f - q )

2c
mLB
−


2
2
(q )
•

.
2
3
(q )
•
2c Q 2
mL(f q)A
−
−





2c Q 2
mL(f q)A−−

2
4
(q )
•



13
qq
••

••

Kqq=
23


23
qq
••

.

2Q 2
2m (f q )−−


33
qq
••


2c
2m L B
−


43
qq
••

22
21
iKR

2
21
iKR−

1
q
•

3
Kq
•
=

2
21
iKR−

2
21
iK


2
q
•

.


3
q
•


4
q
•



CT 2

Lực căng cáp ở pha III xác định như sau:
2
c11
11
Sl
2
mg
FKl
i
•
=+Δ+Δ
;
2
c 1212 1212

2
mg
i(Rqq)Si(Rqq)
i
••
FK
=
+−+−−λ

2.3. Giải phương trình chuyển động
2.3.1. Sơ đồ khối thuật toán
Chúng tôi đã tiến hành giải phương trình chuyển động ở trên trong cả 3 pha với các số liệu
cụ thể như sau:
• Hệ số mômen động cơ: A = 15,35; B = 1630;
1
θ
=1,1414 kg.m .
2
• Bội suất cáp: i
2
= 6
• Gia tốc trọng trường: g = 9.81; (m/s
2
)
• Bán kính quy dẫn: R = 0.0000174 m;
• λ=0,02 m;
• Chiều dài từ đỉnh cần tới hàng nâng: fQ = 35 (m)
• Chiều dài cần: L
c
= 30 (m)

• Góc nghiêng của cần: ϕ
0
= 0.874 (rad)
• Khối lượng hàng nâng: m
2
= 4900(kg)
• Khối lượng cần: m
3
= 4500 (kg)
• Độ cứng của cáp hàng: S
1
= 801090 (N/m)
• Hệ số dập tắt dao động của cáp hàng: K
1
= 4800 (Ns/m)
• Độ cứng cáp cần: S
2
= 1701090 (N/m)
• Hệ số dập tắt dao động của cáp cần: K
2
= 1600 (Ns/m)

22
21
iSR

2
21
iSR−

1
q
Sq =

2
21
iSR−

2
21
iS



2
q
.

3
q

q
4

2
121
M(q ) i S R
•
+λ

2
21 2 3
iS mgcosq−λ−

f =
2Q 2
mg(f q)sinq−−
3


2
2c o4 o4 o4 o 2c o4
22
c
3o42co44
S L [cos( q )sin( q ) sin( q ) cos ] m gL cos( q )
L
m g cos( q ) K L sin ( q )q
2
•
− ϕ− ϕ− − ϕ− ϕ + ϕ− +
ϕ− − ϕ−



CT 2
(Ns/m)
Sơ đồ khối thuật toán t

r
ên Matlab - Simulink như sau:
Hình 3. Sơ đồ khối thuật toán trên Matlab - Simulink



2.4. Các kết quả thu được sau khi chạy chương trình
Các kết quả thu được khi trọng lượng hàng nâng là 4,9 tấn (đây là trọng lượng hàng mà
chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm với nó) được thể hiện trên các đồ thị sau:

b) Gia tốc - vận tốc - chuyển vị của hàng
a) Gia tốc - vận tốc - chuyển vị góc
theo phương của cáp hàng (q )
)
của động cơ (q
2
1

d) Gia tốc - vận tốc - chuyển vị góc lắc
c) Gia tốc - vận tốc - chuyển vị góc
của cần xung quanh khớp (q )
)
của cáp hàng xung quanh đỉnh cần (q
4
3
CT 2
e) Lực căng trên cáp hàng
Hình 4. Các kết quả tính toán trong trường hợp Q = 4,9 tấn
Nhận xét:
- Các đồ thị có dạng đúng như lý thuyết

- Lực tác động lên dây cáp tăng nhanh đến giá trị 7000kG trong khoảng t = 0,3s sau đó dao
động điều hoà giảm dần về giá trị lực căng tĩnh và ổn định ở t = 10s.
Để kiểm chứng độ tin cậy và tính đúng đắn của mô hình động lực học, chúng tôi đã tiến
hành đo đạc thực nghiệm trên hệ cần trục - phao nổi vào tháng 11 năm 2009 tại khu vực đồng



bằng Nam Bộ [1]. Các kết quả thu được bằng tính toán lý thuyết theo mô hình động lực học ở
trên đã được so sánh với kết quả thực nghiệm [2] và có thể thấy, mô hình tính toán đã có độ
chính xác đạt yêu cầu, tin cậy.
III. KẾT LUẬN
Từ những kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm thu được có thể thấy ,mô hình động
lực ở trên hoàn toàn có thể sử dụng để tính toán lực căng động trong cáp hàng của cần trục đặt
trên phao nổi, khi làm việc phao tỳ đáy xuống lòng sông.
Các kết quả thu được có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích cho việc chế tạo hệ này
ngoài thực tế.

Tài liệu tham khảo
[1]. PGS. TS. Nguyễn Văn Vịnh, ThS. Nguyễn Hữu Chí, Ks. Nguyễn Ngọc Trung. Nghiên cứu thực
nghiệm xác định lực căng động trong cáp hàng của cần trục trên hệ cần trục - phao nổi. Tạp chí khoa học
GTVT số 27 tháng 09/2009.
[2]. ThS. Nguyễn Hữu Chí. Nghiên cứu xác định lực căng động trong cáp hàng của cần trục trên hệ cần
trục - phao nổi khi làm việc trên sông nước đồng bằng Nam Bộ. Đề tài NCKH của NCS năm 2009.
MS:T2009 - CK 19.Trường Đại học GTVT♦

CT 2