nghiên cứu khái quát về truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ. xây dựng chương trình tính toán động lực học của cơ cấu nâng

Đồ án môn học
Chơng I
Tổng quan về cơ cấu nâng hạ
1.1. Sơ lợc về cơ cấu nâng hạ :
(Hình a biểu diễn cơ cấu nâng hạ hàng truyền động bằng động cơ điện).
Trong đó:
1- Móc cẩu; 2- Puli nâng; 3- Blốc đầu cần; 4- Cáp nâng;
5- Trống tời; 6- Bộ truyền; 7- Động cơ điện; 8- Cơ cấu hãm;
1.2. Yêu cầu của thiết bị nâng hạ hàng:
- Chế độ làm việc của thiết bị đợc các đinh từ yêu cầu của quá trình công nghệ.
Hơn nữa cấu tạo và kết cấu của thiết bị nâng hạ hàng rất đa dạng. Do đó khi thiết kế
1
Trang bị điện- Điện tử
và chế tạo hệ điều khiển, hệ truyền động điện phải phù hợp với từng loại thiết bị,
từng chế độ làm việc cụ thể.
- Thiết bị nâng hạ hàng phải làm việc trong chế độ rất nặng nề, tần số đóng cắt
lớn, chế độ quá độ xảy ra liên tục khi mở máy, hãm và đảo chiều.
- Thiết bị nâng hạ hàng còn chịu tác động lớn của môi trờng, nhất là khi thời
tiết xấu, hay không khí có độ ẩm cao nh ở nớc ta.
Do đó thiết bi nâng hạ hàng cần có những yêu cầu cơ bản sau:
1. Năng suất nâng hạ hàng cao:
- Năng suất nâng hạ hàng (Q) đợc tính:

CK
T
G
Q =
(tấn/giờ)
Trong đó:
G: Trọng lợng hàng hoá của mã hàng(tấn).
T

CK
:

Thời gian trong một chu kỳ làm hàng(giờ).
Từ công thức trên để tăng Q ta có thể tăng G mà vẫn đảm bảo đợc cho hệ thống
hoạt động tốt. Hoặc ta có thể giảm T
CK
.
Có: T
CK
= t
1
+ t
2
+ t
3
+ t
4
+ t
5
+ t
6
+ t
7
+ t
8
.
Trong đó:
t
1

: Thời gian nâng hàng lên độ cao cần thiết.
t
2
: Thời gian đa hàng sang ngang.

t
3
: Thời gian hạ hàng.
t
4
: Thời gian dỡ hàng.
t
5
: Thời gian nâng móc không.
t
6
: Thời gian đa móc không sang trái.
t
7
: Thời gian hạ móc không.
t
8
: Thời gian móc hàng.
Ta thấy:
t
4
, t
8
: Không phụ thuộc vào hệ truyền động điện.

t
1
, t
2
, t
3
,

t
5
, t
6
, t
7
, t
8
: Không phụ thuộc vào hệ truyền động điện.
Do vậy để giảm T
CK
ta có thể t
4
, t
8
.
Ngoài ra với bộ truyền động có thể thực hiện các bớc sau:
hệ thống nâng hạ hàng với tốc độ tối u V
đm
(30- 50). Ngoài ra còn phải có một số
cấp tốc độ khác nhau để phù hợp với mức trạng thái của tải và chế độ làm việc của
hệ thống.

+ Nâng hạ móc không: V
0
=(3- 3,5)V
đm
.
2
Đồ án môn học
+ Nâng hạ 1/2 tải định mức: V
1
=(1,5- 1,7)V
đm
.
+ Nâng hạ hàng có trọng lợng nhẹ: V
2
=(2- 2,5)V
đm
.
+ Tốc độ của động cơ phải thấp khi nhấc thử hàng hay khi hạ hàng chạm
đất.
Bảng thống kê về sự an toàn khi nhấc thử hàng hay khi hạ hàng:
Độ cao(m) 0,33 0,5 1,1 3,2 8,2 18 25
Tốc độ(m/phút) 3 6 8 15 24 36 40
2. Rút ngắn thời gian quá độ bằng cách:
+ Chọn động cơ có mô men khởi động lớn.
+ Giảm đờng kính rôto, ta sẽ giảm đợc quán tính.
+ Chọn động cơ có tốc độ nhỏ hơn 1000 vòng/phút thì thời gian dừng động
cơ sẽ đợc rút ngắn.
3. Hệ thống nâng hạ hàng có độ an toàn cao:
- Cần phải đảm bảo an toàn cho ngời vận hành, hàng hoá và thiết bị nâng
hạ hàng.

- Hệ thống cần có các bảo vệ về điện và cơ khí:
+ Có mạch bảo vệ cáp quá căng.
+ Có mạch bảo vệ cáp quá trùng.
+ Có mạch bảo vệ móc chạm đỉnh.
+ Có mạch bảo vệ góc nâng hạ cần quá lớn hay quá nhỏ.
+ Có mạch hãm điện để dừng hoặc hãm để chuyển tốc độ.
+ Mạch bảo vệ không, bảo vệ quá tải, bảo vệ mất pha.
+ Có mạch bảo vệ ngắn mạch và các bảo vệ khác.
4. Các chỉ tiêu kinh tế:
- Hệ thống có giá thành thấp.
- Tuổi thọ cao.
- Chi phí cho khai thác vận hành thấp.
*. Các bảo vệ:
- Bảo vệ tầm với tối thiểu:
+ Đối với cần cẩu KONE: Để tránh hàng hoá va chạm vào thân cần trục công tắc
hành trình Pb3=0 khi tay cần ở vị trí giới hạn nâng cần với góc lớn nhất ngắt điện
động cơ không cho động cơ hoạt động theo chiều nâng cần.
3
Trang bị điện- Điện tử
- Bảo vệ tầm với tối đa 36m:
+ Đối với cần cẩu KONE: Khi tầm với lớn hơn 36m thì hạn vị Pb1 =0 dẫn đến
Pc1=0 ngắt điện động cơ không cho phép động cơ hoạt động theo chiều hạ cần.
- Bảo vệ quá tải của động cơ:
+Đối với cần cẩu KONE: Khi dòng điện lớn hơn 1,2 dòng định mức thì rơ le
nhiệt Pc2=0 ngắt điện mạch stato của động cơ.
- Bảo vệ ngắn mạch:
+ Với cần cẩu KONE: Bảo vệ ngắn mạch cho động cơ bằng cầu chì Pe1(125A).
1.3. Phân loại thiết bị nâng hạ:
1.3.1. Phân loại theo trọng tải nâng chuyển hàng hoá:
* Cần trục-cầu trục có có tải trọng nhỏ: trọng tải nậng chuyển từ 1- 5 (tấn).

* Cần trục-cầu trục có tải trọng trung bình: Trọng tải nâng chuyển từ 10 -
30(tấn).
* Cần trục-cầu trục có tải trọng lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 30 -60(tấn).
* Cần trục-cầu trục có tải trọng rất lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 80 -
1200(tấn).
1.3.2.Phân loại theo đặc điểm công tác và các cơ cấu điều khiển chuyển động
chính:
a. Cần trục chân đế(cần cẩu chân đế):
Cần trục chân đế có các cơ cấu chính: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu nâng hạ
cần; Cơ cấu quay(Cơ cấu quay mâm); Cơ cấu di chuyển chân đế.
Cần trục chân đế có khả năng bốc xếp hàng rời băng gầu ngoạm, bốc xếp
hàng hoá treo trên móc cần trục, bốc xếp container v.v
b. Cần trục lắp đặt trên công tông nổi:
Cần trục loại này thờng có trọng tải lớn, dùng để nâng hạ các cấu kiện, phụ
tùng cho nghành lắp mắy đợc vận chuyển bằng đờng thuỷ mà các cần trục chân đế
không có khả năng bốc xếp. Các cảng biển thờng trang bị loại cần trục này với số l-
ợng không nhiều nhng tính cơ động của nó rất cao để đáp ứng yêu cầu của bốc xếp
hàng hóa siêu trọng mà vẫn đảm bảo tính kinh tế trong công tác khai thác.
c. Cần cẩu - tời hàng trên tàu biển:
Cần cẩu tời hàng trên các tàu biển khi cập cảng cũng tham gia vào bốc xếp
hàng hoá. Cần cẩu trên tàu thuỷ có cấu tạo bao gồm 3 cơ cấu điều khiển chuyển
động chính: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu nâng hạ cần; cơ cấu quay. Sự hoạt động
của cần cẩu trên tàu thuỷ phụ thuộc nhiều vào góc nghiêng của tàu trong quá trình
4
Đồ án môn học
bốc xếp hàng hoá, góc nghiêng trong quá trình hoạt động lớn hơn so với cần cẩu
chân đế lắp đặt ở cảng.
Tời hàng trên tàu thuỷ thờng có 2 loại: Tời đơn và tời kép.
Tời đơn là loại tời chỉ có một cầu. Đặc điểm làm việc của tời đơn trên tàu thuỷ là
đảm bảo đợc tính linh hoạt cao.

Tời kép là loại tời có hai cầu, thờng có hai chuyển động khi bốc xếp hàng hoá là
nâng hạ và kéo bằng tời để dịch chuyển hàng hoá trong khoảng cách giữa hai đỉnh
cần. Đặc điểm của loại tời kép là thời gian đa vào làm việc chậm hơn so với tời
đơn, đòi hỏi công suất đặt nhỏ hơn so với tời kép.
d. Xe nâng - cần cẩu trên ôtô
Nhóm thiết bị bốc xếp hàng hoá này có số lợng lớn ở cảng biển, sự làm việc
của chúng có tính linh hoạt cao, hiệu quả kinh tế trong sử dụng. Đối với các xe
nâng chuyên dụng thờng có các cơ cấu điều khiển chuyển động tơng tự cần cẩu:
Chuyển động nâng hạ hàng, chuyển động nâng hạ cần và chuyển động quay.
Đặc điểm của cần cẩu đặt trên ôtô và xe nâng nguồn năng lợng chủ yếu là
dầu điêzen, hệ thống truyền động có thể bằng động cơ điện hoặc điện thuỷ lực.
e.Cần cẩu ziczắc
Cần cẩu ziczắc là loại cần cẩu trang bị cho cảng biển để thực hiện công tác
dịch vụ nh lắp mới, sửa chữa kho bãi nhà xởng và công tác bảo dỡng hệ thống cung
cấp điện, các cần cẩu chân đế.v.v.
Đặc điểm công tác của loại cần cẩu này là tính linh hoạt cao, gọn nhẹ. Các hệ
thống điều khiển thờng là điện thuỷ lực.
f. Cần cẩu trang bị cho kho bãi nhà xởng
Cần trục loại này có các cơ cấu điều khiển chuyển động chính: Cơ cấu nâng
hạ hàng; Cơ cấu di chuyển xe con; Cơ cấu di chuyển giàn. Các cầu trục này thờng
đợc thiết kế điều khiển tại chỗ và từ xa.
g. Tời nâng cho phân xởng cơ khí cảng
Cơ cấu điều khiển chuyển động của nhóm thiết bị này thờng đợc thiết kế có
thể chỉ có một cơ cấu nâng hạ hoặc có thêm cơ cấu di chuyển ngang. Đặc điểm
công tác của loại này nhằm nâng cao năng suất lao động, giảm nhân công cho các
phân xởng cơ khí.
h. Cần trục khung dầm hộp chạy trên đờng ray
Cần trục loại này đợc trang bị cho cảng biển, các nhà máy đóng tàu biển.
Loại này thờng đợc thiết kế có tải trọng nâng lớn, làm việc trong phạm vi quy định.
5

Trang bị điện- Điện tử
Gồm 3 cơ cấu điều khiển chuyển động: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu di chuyển xe
con; Cơ cấu di chuyển giàn.
k. Cầu trục bốc xếp container
Cần trục loại này chia làm 2 loại:
Cần trục giàn bánh lốp và cần trục chạy trên đờng bốc xếp container.
Các cơ cấu điều khiển chuyển động chính của cần trục giàn bánh lốp bao
gồm: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu di chuyển xe con; Cơ cấu di chuyển giàn; Việc
cấp nguồn điện cho cầu trục hoạt động bằng diezel lai máy phát điện đồng bộ. Đặc
điểm của cần trục giàn bánh lốp có tính cơ động, năng suất cao.
Các cơ cấu điều khiển chuyển động chính của cầu trục giàn bánh lốp bao
gồm: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu di chuyển xe con; Cơ cấu di chuyển giàn và cơ
cấu nâng hạ hàng(nâng hạ công son). Đặc điểm công tác nổi bật của loại này là có
tầm với và tải trọng nâng lớn, năng suất bốc xếp rất cao. Đợc trang bị cho các cầu
cảng chuyên dụng bốc xếp container.
1.3.3. Phân loại cần trục-cầu trục cảng theo cấu trúc điều khiển
Phân loại cần trục-cầu trục theo cấu trúc điều khiển chuyển động cho cơ cấu
chính bằng hệ truyền động điện nh sau:
1. Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng công tắc tơ rơ le,
động cơ điện một chiều.
2. Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng công tắc tơ rơ le,
động cơ điện không đồng bộ rô to lồng sóc.
3. Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng công tắc tơ rơ le,
động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn.
4. Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng PLC - BBĐT -
động cơ điện một chiều.
5. Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng PLC - PWM -
động cơ điện không đồng bộ.
6. Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng PLC - BBĐ - động
cơ điện - phụ tải động.

1.3.4. Phân loại cần trục-cầu trục theo nớc chế tạo
Các cần trục-cầu trục trang bị cho các cảng biển rất đa dạng về chủng loại với
mức độ tự động hoá khác nhau phụ thuộc vào các hãng chế tạo của các nớc khác
nhau trên thế giới. Trong công tác quản lí vật t kĩ thuật, đào tạo nhân lực khai thác
vận hành để đảm bảo tính kinh tế thì phân loại cần trục-cầu trục theo nớc chế tạo sẽ
đem lại nhiều u điểm.
6
Đồ án môn học
1.4. Truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ:
1.4.1. Đặc điểm cơ bản:
Chế độ làm việc của các cơ cấu cần trục đợc xác định từ các yêu cầu của quá
trình công nghệ, chức năng của cần trục trong dây truyền sản xuất. Cấu tạo và kết
cấu của cần trục rất đa dạng. Khi thiết kế và chế tạo hệ thống điều khển và hệ
thống truyền động điện phải phù hợp với từng loại cụ thể.
Cần trục trong phân xởng luyện thép lò máctanh, trong các phân xởng nhiệt
luyện phải đảm bảo các chỉ tiêu kĩ thuật trong chế độ quá độ. Cần trục trong các
phân xởng lắp ráp phải đảm bảo quá trình mở máy êm, dải điều chỉnh tốc độ rộng,
dừng chính xác đúng nơi lấy hàng và hạ hàng
Các cơ cấu của cần trục làm việc trong chế độ cực kì nặng nề: Tần số đóng
cắt lớn, chế độ quá độ xảy ra nhanh khi mở máy, hãm và đảo chiều.
1.4.2. Tính chọn những phần tử trong hệ truyền động điện và trang bị điện cơ
cấu nâng hạ:
a. động cơ truyền động cơ cấu nâng hạ:
Động cơ truyền động cơ cấu nâng hạ giữ vai trò quan trọng trong các máy
nâng- vận chuyển nói chung và trong cần trục nói riêng. Động cơ truyền động cơ
cấu nâng hạ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, nên khi chọn công suất động cơ
phải tính cả phụ tải động.
a
1
. Tính toán phụ tải tĩnh:

Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng hạ chủ yếu là do tải trọng quyết định. Để xác
định phụ tải tĩnh, phải dựa vào sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ cụ thể.
Giả sử có sơ đồ động học nh hình 1
7
Trang bị điện- Điện tử

Hình 1
(Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ dùng móc).
Trong đó:
1- Trục vít; 2- Bánh vít; 3- Truyền động bánh răng;4- Tang nâng;
5- Bộ phận móc hàng; 6- Móc; 7- Động cơ;
A- Điểm cố định;
*, Phụ tải tĩnh khi nâng có tải:
(Nm)
u.i.
)RG(G
M
C
t0
n
+
=
Trong đó:
G: trọng lợng của tải trọng(N).
G
0
: Trọng lợng của bộ lấy tải(N).
R
t
: Bán kính của tang nâng(m).

u: Bội số của hệ thống ròng rọc.
C

: Hiệu suất của cơ cấu.
i: Tỉ số truyền.
8
Đồ án môn học
Tỉ số truyền đợc tính:
v
n2
i
t.
=
(2-2)
Trong đó:
V: Tốc độ nâng tải(m/s).
n: Tốcđộ quay của động cơ(vg/ph).
Trong các công thức trên thì
c

lấy bằng định mức khi tải trọng bằng định mức.
* Phụ tải tĩnh khi nâng không tải là:
c
t0
n
u.i.
RG
M
0
=

[Nm] (2-3).
* Xét ph ti tnh khi h ti:
Có thể có hai chế độ hạ tải: Hạ động lực và hạ hãm.
Hạ động lực thực hiện khi có tải trọng nhỏ, khi đó mômen do tải trọng gây ra
không đủ để thắng mômen ma sát trong cơ cấu, máy điện làm việc ở chế độ động
cơ.
Hạ hãm thực hiện khi hạ tải trọng lớn. Khi đó mômen do tải tọng gây ra rất lớn.
Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng đợc hạ với tốc độ ổn
định.
Để xác định mômen trên trục động cơ khi hạ tải cần thực hiện những phép
biến đổi sau:
Gọi mômen trên trục động cơ do tải trọng gây ra không có tổn thất là M
t
thì:
u.i
G)R(G
M
t0
t
+
=
[Nm]. (2-4)
Khi hạ tải thì năng lợng đợc chuyển từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền động nên:
M
h
= M
t
-

M = M

t
.

h
[Nm] (2-5)
Trong đó:
M
t
: Mômen trên trục động co khi hạ tải [Nm].

M: Tổn thất mômen trong cơ cấu truyền động [Nm].
h

: Hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải.
Nếu: M
t
>

M thì cơ cấu hạ hãm.
M
t
<

M thì cơ cấu hạ động lực.
Coi tổn thất trong cơ cấu nâng hạ khi nâng tải và khi hạ tải nh nhau thì:
1)

1
(MM

M
M
c
tt
c
t
==
(2-6)
9
Trang bị điện- Điện tử
Do đó:
)

1
(2M1)

1
(MMM
c
t
c
tth
==

)

1
(2
u.i
G)R(G

M
c
t0
h

+
=
(2-7)
Từ biểu thức (2-5) và (2-7) ta có:
c
h

1
2 =
(2-8).
Đối với những tải trọng tơng đối lớn(
c

> 0.5) ta có
h

>0, M
h
> 0. Điều đó có nghĩa
là mômen động ngợc bongều với mômen phụ tải. Động cơ làm việc ở chế độ hạ
động lực.
*, Tính toán hệ số tiếp điện tơng đối TĐ%:
Chu kì làm việc của cơ cấu nâng hạ bao gồm các giai đoạn sau:
+ Hạ không tải.
+ Nâng tải.

+Hạ tải và nângkhông tải(giữa các giai đoạn thờng có thời gian nghỉ).
Khi tính toán hệ số tiếp điện tơng đối, chúng ta bỏ qua thời gian hãm máy và mở
máy.
Thời gian toàn bộ một chu kì của cơ cấu nâng hạ có thể tính đợc theo năng suất Q
và tải trọng định mứcG
đm
:
(S)
Q
3600G
T
dm
ck
=
.
TĐ%=
.100%
T
T
ck
lv
(s).
Trong đó:
T
lc
: Thời gian làm việc của một chu kì, xác định theo điều kiện làm việc cụ
thể của cơ cấu.
*, Chọn sơ bộ công suất động cơ:
Chọn sơ bộ công suất động cơ có thể theo phụ tải trung bình M
tb

hoặc theo
phụ tải đẳng

trị M
đt
kết hợp với hệ số tiếp điện tơmg đốiTĐ%.
M
đmĐC


M
tb
M
đmĐC


M
đt
.
10
Đồ án môn học
M
tb
=
ck
n
1i
ii
T
tM

k

=
;
M
đt
=
ck
n
1i
i
2
i
T
tM

=
;
Chơng II
MÔ HìNH TíNH TOáN CHO cơ cấu nâng hạ
2.1. Tính toán cơ cấu nâng hạ:
Đặc điểm quan trọng của cơ cấu nâng hạ hàng là trọng tải hàng hoáQ(KG),
tốc độ chuyển động của hàng hoá làV
G
(m/s) theo đó khi biết đợc tỷ số truyền i
n
của
palăng có thể xác định đợc.
Sức căng của cáp trên trống tời S

(KG) , tốc độ dài trên trống tời là V
K
= V
G
i
n

(m/s), đờng kính của cáp là d
K
là đờng kính của tang quấn cáp của tời nâng là D

(m), thì công suất cần thiết của động cơ phải có là:
M
K
nM
G
DC
102
VS
102
QV
N ==
(KW)
Trong đó:

:
M
Là hiệu suất truyền của bộ truyền 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
n
đc
(vòng/phút).
Nếu trên tang quấn cáp đợc quấn nhiều lớp, thì đờng kính của tang quấn đợc
tính nh sau:
11
Trang bị điện- Điện tử


1)(2mdDD
K
T

+=

Trong đó:
D

: Là đờng kính của tang cáp.
m: Số lớp.
Nếu trên tang đợc quấn 1 lớp(m= 1) thì:


0
T

DD =

Trong đó:
D
0
: Là đờng kính theo tâm của lớp cáp.
Mô men quay trên tang cáp đợc tính:

(KGm)
2
DS
M
T


=
Số vòng quay của tang đợc tính thông qua tốc độ dài của tang:

T

K
D
60V
n

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

dc
G
M
n
n
i =
.
Để xác định mômen cần thiết 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 hãm 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
2
n
H
K
i
M
M =
;
Trong đó:
i

M
và
'
M

là tỷ số truyền và hiệu suất truyền giữa tang quấn cáp của tời nâng
và trục của cơ cấu hãm.
12
Đồ án môn học
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 vững 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 cơ của cơ cấu 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 động khi khởi động và khi
hãm. Khi biết đợc tốc độ trên trục truyền động, hoặc tốc độ khi hãm n
0
(vòng/phút),
tỷ số truyền của bộ truyền cơ khí i
M
, đờng kính tang quấn cáp, tốc độ nâng hạ hàng
thì việc xác định quãng đờng chuyển động của hàng hoá nh sau:
Quãng đờng khi khởi động:

(m)
i120i
tDn
S
Mn
TT

T
0
TT
=
hay
(m)t
2
V
S
TT
G
TT
=
Quãng đờng khi hãm:
(m)
i120i
tD2.
S
Mn
H
T
0
H
=
hay
(m)t
2
V
S
H

G
H
=

Gia tốc của tải trọng đợc xác định nh sau(k=1):
Khi khởi động

)(m/s
ti120i
D2.
j
2
TTMn
T
0
=
hay
)(m/s
t
V
j
2
TT
G
=

Khi hãm

)(m/s
ti120i

D2.
j
2
HMn
T
0
=
hay
)(m/s
t
V
j
2
H
G
=

2.2.Động học của cơ cấu nâng
Xét trờng hợp phụ tải động của cơ cấu nâng khi cần cứng tuyệt đối
Quá trình động chủ yếu phụ thuộc vào cáp nâng. Hệ thống khảo sát đợc biểu
diễn trên hình 2:
13
Trang bị điện- Điện tử
Hình 2: Sơ đồ biểu diễn động học của cơ cấu nâng.
Hệ thống có 2 trọng lợng chính:
m
TT
: là trọng lợng của rôto, các phần tử trong cơ cấu truyền.
m
G

: trọng lợng của tải trọng.
Hệ số K đặc trng cho khả năng nối cứng.
Khi có sự chuyển dịch môt khoảng x
TT
và x
G
thì động năng và thế năng tơng
ứng đợc xác định:

2
GG
2
TTTT
D
)
dt
dx
(
2
m
)
dt
dx
(
2
m
W +=
14
Đồ án môn học

2
GTT
T
2
)x(x
KW

=
Phơng trình chuyển động có thể viết nh sau:

0;)xK(x
dt
xd
m
GTT
2
TT
2
TT
=+

0;)xK(x
dt
xd
m
GTT
2
G
2
G

=
Từ các phơng trình này sẽ xác định đợc dao động tự do của hệ thống.
để tìm đợc các dao động của hệ thống cần phải viết các phơng trình động
lực học.
Lực phát động chuyển động đặt vào rôto là T
đ
.
T
đ
= Q + T
d
;
Trong đó:
Q là lực căng của tải trọng đặt vào m
G
(ở đây Q nhận dấu - ) .
Nh vậy lực phát động lúc này đặt cùng chiều với lực quán tính.
Trờng hợp phổ biến nhất ta xem lực d trong thời gian khởi động và thời gian hãm là
hằng số(T
d
= const). Nên ta có M
kđ d
= M
h d
.
Ta viết đợc:

dudGTT
2
TT

2
TT
TQT)xK(x
dt
xd
m +==+
(1)

Q.)xK(x
dt
xd
m
GTT
2
G
2
G
=
(2)
Nhân phơng trình thứ (1) với m
TT,
, nhân phơng trình thứ hai với m
G
, sau đó trừ (2)
với (1) và chia cho m
TT
, m
G
rồi thay thế

;
dt
xd
dt
xd
dt
xd
2
2
2
G
2
2
TT
2
=
x
TT
- x
G
= x ;


m;
.mm
mm
GTT
GTT
=

+
15
Trang bị điện- Điện tử
Ta đợc:

;
m
T
mQmKx
dt
xd
TT
du
2
2
+=+
(3)
Phơng trình (3 )là phơng trình vi phân mô tả khâu biến dạng đàn hồi. Giải phơng
trình ta sẽ tìm đợc trên khâu đó ứng lực có dạng:

K.x.P
d
=
Nếu thay
2
PmK =
và Mq + T
d
/m
TT

bằng q thì phơng trình có dạng:

qxp
dt
xd
2
2
2
=+
Giải phơng trình ta đợc nghiệm tổng quát:
;
p
q
sinptCcosptCx
2
21
++=
Nếu khi bắt đầu nâng tải cáp ở trạng thái tĩnh có nghĩa là x =Q/K . Tốc độ ban đầu
bằng 0 nghĩa là dx/dt = 0.
Khi đó:
;
p
q
C
K
Q
x
2
1
+==

Thay thế
TT
du
2
m
T
mQq ; mkp +==
thì:

cosptpCsinpt pC
dt
dx
;
kmm
T
p
q
K
Q
C
21
TT
du
2
1
+=
==
Do đó t = 0; C
2
= 0 ta có:

.t);
.mm
)mk(m
cos(1
mm
m
TQcospt)(1
m.m
T
Qx.KP
cospt);(1
km.m
T
k
Q
km.m
T
K
Q
cospt
km.m
T
x
GTT
GTT
TTG
G
du
TT
du

d
TT
du
TT
du
TT
du
+

+
+=+==
+=++=
Giá trị cực đại của
d
P
có đợc khi cospt = 1:
16
Đồ án môn học

TTG
G
du
d
Max
mm
m
2TQP
+
+=
Khi mà T

d
=
.Q
0

thì:
TTG
G
0
d
Max
mm
m
2Q(1P
+
+=

)
Hệ số
TTG
G
0d
mm
m
21K
+
+=

xác định tính động học lớn nhất khi nạp tải của khâu
đàn hồi trong điều kiện này tải bắt đầu tại thời điểm khi dây cáp đã căng hoàn toàn.

Khi cospt -1 lực động học đợc xác định theo bất kì thời gian nào.
Để xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ một cách cụ thể ta có thể xây
dựng bằng cách tính toán cơ cấu cần khi thay đổi tầm với.
2.3.Tính toán động lực học của cơ cấu nâng hạ khi thay đổi tầm với:
Để thay đổi tầm với ngời ta thực hiện bằng hai cách:
1, Thay đổi bằng cách dùng cáp kéo trên palăng đầu cần để di chuyển cơ cấu
mang palăng nâng hạ hàng chuyển động tịnh tiến trên cần.
2, Thay đổi tầm với bằng cánh nâng hạ cần dùng cáp trên palăng đặt cố định
ở đầu cần.
Từ cách thứ hai ta có thể xây dựng đợc mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ.
2.3.1.Xây dựng mô hình toán của cơ cấu nâng:
Hình 3
(scan) hình vẽ 6.1 vào để tính
Các thông số đặc trng:
S
n
: Sức căng trên cáp nâng hạ cần (KG).
T t : Thời gian để thay đổi tầm với từ R
min
(m) đến R
max
(s).
Khi tốc độ quấn của tang cáp không thay đổi thì tốc độ thay đổi tầm với sẽ thay đổi.
Nên trong tính toán thờng chuyển sang xác định thời gian tơng ứng với sự thay đổi
tầm với xét từ R
min
tới R
Max
.
Vận tốc trung bình khi thay đổi tầm với :

)(m/s);sin(sin
t
L
t
RR
V
12
Cmaxmin
TB
C
=

=
Vận tốc dài trung bình của palăng đầu cần:
17
Trang bị điện- Điện tử
(m/s);
t
EE
V
minmax
TB
PL

=
Trong đó:
E
max
, E

min
:

Chiều dài cáp từ trục đến palăng nâng cần ứng với khoảng cách xa
nhất và gần nhất.
;a)xsin(Lh)cos(LE
;a)xsin(Lh)cos(LE
;.sinLR
.sinLR
2
0minC
2
minCmin
2
0maxC
2
maxCmax
minCmin
max;Cmax
+++=
+++=
=
=
Khi bội số palăng là m thì tốc độ của cáp là
.mVV
TB
PLC
=
; (m/s)
Sức căng trên một nhánh cáp của palăng nâng hạ cần là:

(KG)
m.
S
S
c
C
C

=
Trong đó:
S
C
: Sức căng trên palăng(KG).
c

: Hiệu suất chung của các palăng trong cơ cấu nâng cần.
Nếu sức căng trên một sợi cáp là
C

S
ứng với chế độ nâng, thì mômen trên trống tời
đợc xác định:
(KN.m)
2
aDS
M
C

C

C

=
Trong đó:
C

D
: Là đờng kính của trống tời(m)
a: Số lợng các sợi cáp đợc quấn đồng thời trên trống tời của cơ cấu nâng.
Tốc độ cần thiết để quay trống tời là:
(v/ph)
D
60V
n
C

C
C

=
Công suất của động cơ đợc xác định:
(KW)
102
VS
N
M
C
C

DC

=
Trong đó:
M

: Là hiệu suất của cơ cấu truyền.
18
Đồ án môn học
Tỷ số truyền của bộ truyền cơ khí :

C

DC
C
M
n
n
i =
Trong đó:
N n
DC
: Tốc độ của động cơ.
Từ công thức tính toán đối với cơ cấu nâng hạ nói chung ta xác định đợc mômen
gây ra bởi sức căng của cáp.
a.Xác định sức căng S
n
của cáp trên palăng nâng hạ cần :
Trong đó cần đợc quay tại gối đỡ của cần theo X và Y với lực của cần là sức căng
trên palăng S
C
.

Để tìm đợc S
n
ta giải hệ 3 phơng trình cân bằng tĩnh học:






=
=
=
;0Y
0;X
0;M

Gốc của hệ toạ độ 0 là trục quay của gối đỡ cần.
Các phụ tải bên ngoài ảnh hởng đến là:
Trọng tải hàng hoá Q.
Phụ kiện của móc hàng q.
Lực căng trên một nhánh cáp với số sợi là n trên pa lăng nâng hạ hàng(
n
n.
qQ +
)
theo hớng của cần.
Trọng lợng của cần G
C
.
Trọng lợng của palăng đầu cần G

n
. Để đơn giản việc tính roán ngời ta coi
trọng lợng của cần phân bố dọc theo cần.
Phụ tải của gió tác động lên cần
G
g
P
.
Lực quán tính ly tâm
qt
P
xuất hiện khi có sự quay của cần trục. Hay khi hãm
của cần trục.
Lực quán tính của trọng lợng tải trọng và một nửa palăng là:
(KN)
t
V
.
g
2
G
qQ
P
n
n
2
G
qQ
qt
n

++
=
++
Trong đó:
V
n
: Vận tốc chuyển động của cần trục tính bằng m/s;
t: Thời gian quá độ tính toán nhỏ nhất của chuyển động cần cẩu tính bằng s.
19
Trang bị điện- Điện tử
Lực quán tính do trọng lợng cần là:
(KN)
t
V
.
g
G
P
n
C
C
qt
=
;
Lực quán tính này đợc đặt ở trọng tâm của cần.
Đối với loại cần bình thờng thì toạ độ điểm đặt là:
2
sinL
h
C

c
=
Khi đặt tất cả phụ tải lên cần của cần trục và giải tất cả các phơng trình
0 =+
+++++++
+
++=
+
RH sinScosS.HP
hPHP
2
H
PHP.RG
2
R
Gd
n
qQ
q)R(QM
nn
2
n
lt
C
LT
C
LT
qQ
LT
G

g
G
g
2
nC
n
0
(*)
Dấu số hạng cuối cùng tơng ứng với vị trí của cần khi cáp trên palăng có độ dốc ở
phía dới so với mặt phẳng nằm ngang. Dấu trừ ứmg với khi góc nghiêng ngợc lại.
Từ phơng trình (*) ta tìm đợc sức căng S
n
nh sau:
sinL.coscosL
cos)LP
H
h
PP
2
P
(P
n.
q)d(Q
sin)LG
2
G
q(Q
S
CC
C

2
n
LT
C
LT
C
LT
qQ
LT
G
g
G
g
n
C
2
n
C
n
sin
+++++
+
+++
=
+
Trong đó:
cos
H
L
sin

sin
C

=
;

: Góc hợp bởi cơ cấu tầm với(cần) so với phơng thẳng đứng.

: Độ nghiêng của dây cáp so với phơng ngang.
L
c
: Chiều dài cần.
R: Tầm với của cần. R=L
c
. sin

.
b. Mô men cản :
+ Sức căng của cáp trên trống tời là:
m
S
S
n
=

.
+ Mômen trên trống tời là:
(KGm)
2
DS

M
T


=
.
+ Mômen cản cần tìm là:
20
Đồ án môn học
M
C
=
G
M

i
M
(KGm);
Trong đó:
T

D
: Đờng kính tang trống tời.
G
M
i
: Tỷ số truyền của bộ truyền cơ khí.
2.3.2. Mô hình toán của cơ cấu nâng:
Kết quả mô phỏng:
21

Trang bÞ ®iÖn- §iÖn tö
Khi t¶i Q t¨ng thªm 2 lÇn:
KÕt qu¶ m« pháng:
22
§å ¸n m«n häc
Khi t¶i Q t¨ng thªm 4 lÇn:
KÕt qu¶ m« pháng:
23
Trang bị điện- Điện tử
Nhận xét:
+, Tải trọng càng lớn khi nâng mômen cản càng lớn.
+, Càng nâng mômen cản càng tăng.
24
Đồ án môn học
Kết luận
Trong quá trình thực hiện đồ án em đã tìm hiểu về cần trục và nắm bắt đợc
nhiều vấn đề liên quan đến cơ cấu nâng hạ, hiểu đợc kết cấu cơ bản của cơ cấu nâng
hạ. Tuy nhiên do thời gian khảo sát thực còn ít, lại cha có điều kiện tiếp cận nhiều
với cần trục-cầu trục, thêm đó mức độ hiểu biết của bản thân đối với thiết bị nâng
hạ nói riêng và đối với cần trục-cầu trục nói chung còn nhiều hạn chế. Do vậy đồ án
còn nhiều thiếu sót, các số liệu còn xa với thực tế và cha thật sự tối a.
25