nghiên cứu phương pháp tính toán hợp lý kết cấu cổng trục dựa trên thành tựu của công nghệ thông tin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
˜&™


KS.LÊ THANH TOÀN


NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
HỢP LÝ KẾT CẤU CỔNG TRỤC DỰA TRÊN
THÀNH TỰU CỦA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN








LUẬN VĂN THẠC SĨ







Nha Trang – 02/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
˜&™


KS.LÊ THANH TOÀN


NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
HỢP LÝ KẾT CẤU CỔNG TRỤC DỰA TRÊN
THÀNH TỰU CỦA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN



Chuyên ngành: K Ỹ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC.
Mã số: 62520116



LUẬN VĂN THẠC SĨ



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN VĂN BA


Nha Trang – 02/2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân. Luận văn được
hình thành trong quá trình nghiên cứu và được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa
học của PGS.TS.Nguyễn Văn Ba. Các thông tin được sử dụng trong luận văn có nguồn
gốc rõ ràng và kết quả ứng dụng được trình bày trong luận văn là trung thực chưa từng
được ai công bố trước đây.
Tác giả luận văn


Lê Thanh Toàn



MỤC LỤC
Trang bìa phụ.
Lời cam đoan.
Mục lục.
Danh mục các ký hiệu.
Danh mục các bảng.
Danh mục các hình vẽ, đồ thị.
ĐẶT VẤN ĐỀ 1
Chương 1 - TỔNG QUAN 2
1.1. Tổng quan về cổng trục 2
1.1.1. Giới thiệu chung . 2
1.1.2. Xu thế sử dụng cổng trục hiện nay 2
1.1.3. Phân loại cổng trục 3
1.2. Kết cấu thép của cổng trục 4
1.3. Liên kết giữa các thành phần cổng trục 7
1.3.1. Liên kết giữa dầm chính với chân cổng 7

1.3.2. Liên kết giữa chân cổng và dầm biên 8
1.4. Yêu cầu chung trong thiết kế 9
1.5. Mục tiêu nghiên cứu 9
1.6. Phạm vi nghiên cứu 9
Chương 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10
2.1. Phương pháp tính toán kết cấu cổng trục truyền thống 10
2.1.1. Các đặc tính kỹ thuật của cổng trục 10
2.1.1.1. Các thông số cơ bản 10
2.1.1.2. Các kích thước cơ bản của kết cấu cổng trục 11
2.1.1.2.1. Sơ đồ kết cấu cổng trục 11
2.1.1.2.2. Kích thước dầm chính 12
2.1.1.2.2.1. Kích thước khi dùng dầm thép hình 12
2.1.1.2.2.2. Kích thước khi dùng dầm tổ hợp 14
2.1.1.2.3. Kích thước chân cổng 17
2.1.1.3. Bảng tổ hợp tải trọng 19
2.1.1.3.1. Hệ số va đập k khi di chuyển 20

2.1.1.3.2. Hệ số tải trọng động Ψ 20
2.1.1.4. Các tải trọng tính toán 21
2.1.1.4.1. Trọng lượng bản thân cổng trục G 21
2.1.1.4.2. Tải trọng nâng Q 21
2.1.1.4.3. Trọng lượng xe nâng G
!
22
2.1.1.4.4. Tính tải trọng bánh xe 22
2.1.1.4.4.1 Tính tải trọng bánh xe ở cổng trục dầm đơn 22
2.1.1.4.4.2 Tính tải trọng bánh xe ở cổng trục dầm đôi 23
2.1.1.4.5. Tính lực quán tính 22
2.1.4.6. Tính tải trọng gió 25
2.1.1.4.7. Tính lực bên (sườn) S 28

2.1.1.4.8. Tính lực xô ngang R 30
2.1.2. Các phương pháp tính toán kết cấu cổng trục 31
2.1.3. Tính toán kết cấu cổng trục 33
2.1.3.1. Xác định các đặc trưng tiết diện 33
2.1.3.1.1. Đối với tiết diện dầm thép hình 33
2.1.3.1.2. Đối với tiết diện dầm tổ hợp 33
2.1.3.2. Xác định nội lực của cổng trục dầm đơn và cổng trục dầm đôi dạng hộp 35
2.1.3.3. Kiểm tra dầm chính 38
2.1.3.3.1. Kiểm tra độ ổn định của dầm 38
2.1.3.3.2. Kiểm tra độ võng của dầm 39
2.1.3.3.3. Kiểm tra độ bền của dầm 40
2.1.3.4. Tính tiết diện gối tựa của dầm chính 42
2.1.3.5. Tính và kiểm tra mối ghép hàn 43
2.1.3.6. Tính chân cổng của cổng trục 46
2.1.3.6.1. Tính chân cổng 46
2.1.3.6.2. Tính dầm biên 47
2.1.3.7. Kiểm tra khung chân cổng 49
2.1.3.7.1. Kiểm tra chân cổng 49
2.1.3.7.2. Kiểm tra dầm biên 50
2.1.3.8. Kiểm tra thời gian tắt dần dao động của dầm chính 50
2.2. Phần mềm SolidWorks. 51

2.2.1. Giới thiệu phần mềm SolidWorks 51
2.2.2. Mô hình tính 54
2.2.3. Tính nội lực kết cấu 55
2.2.4. Tính tối ưu 56
Chương 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 57
3.1. Tính toán kết cấu cổng trục bằng phương pháp truyền thống. 57
3.1.1. Các thông số ban đầu. 57
3.1.2. Vật liệu chế tạo dầm chính. 58

3.1.3. Xác định sơ bộ kích thước cổng trục. 58
3.1.4. Xác định các đặc trưng tiết diện cổng trục. 59
3.1.4.1. Đặc trưng tiết diện dầm chính. 59
3.1.4.2. Đặc trưng tiết diện chân cổng, gối tựa và dầm biên. 61
3.1.5. Tải trọng tính toán. 62
3.1.5.1. Tải trọng tác dụng lên kết cấu cổng trục. 62
3.1.5.2. Tổ hợp tải trọng tính toán. 62
3.1.5.3. Xác định tải trọng tác dụng lên kết cấu dầm chính. 63
3.1.5.3.1. Tải trọng gây ra bởi trọng lượng bản thân dầm chính 63
3.1.5.3.2. Tải trọng bánh xe. 63
3.1.5.3.3. Lực quán tính. 64
3.1.5.3.4. Tải trọng gió. 66
3.1.5.4. Tính kết cấu thép. 66
3.1.5.4.1. Tính nội lực dầm chính. 66
3.1.5.4.2. Tính nội lực gối tựa. 68
3.1.5.4.3. Tính nội lực dầm biên. 69
3.1.5.4.4. Tính nội lực chân cổng. 71
3.2. Tính toán kết cấu cổng trục bằng SolidWorks. 72
3.2.1. Các thông số đầu vào. 72
3.2.2. Phương pháp tính và xây dựng mô hình tính 74
3.2.2.1. Dầm chính. 74
3.2.2.2. Khung chân cổng. 75
3.2.3. Xác định các đặc trưng tiết diện các bộ phận cổng trục. 76
3.2.4. Vật liệu chế tạo 78

3.2.5. Xác định nội lực dầm chính. 78
3.2.5.1. Loại phần tử. 79
3.2.5.2. Điều kiện biên. 79
3.2.5.3. Đặt tải trọng 79
3.2.5.3.1. Simulation Studies thứ nhất. 80

3.2.5.3.2. Simulation Studies thứ hai. 81
3.2.5.3.3. Simulation Studies thứ ba. 81
3.2.5.3.4. Simulation Studies thứ tư. 82
3.2.5.4. Kết quả nội lực của dầm chính. 83
3.2.5.5. Tính tối ưu dầm chính. 86
3.2.5.5.1. Khai báo biến. 86
3.2.5.5.2. Khai báo điều kiện kiểm tra và điều kiện mục tiêu. 87
3.2.5.5.3. Kết quả tối ưu. 88
3.2.5.6. Áp lực của dầm chính lên khung chân cổng. 88
3.2.6. Xác định nội lực khung chân cổng. 90
3.2.6.1. Loại phần tử. 90
3.2.6.2. Điều kiện biên. 90
3.2.6.3. Đặt tải trọng. 91
3.2.6.4. Kết quả nội lực của khung chân cổng. 92
3.2.6.5. Tính tối ưu khung chân cổng. 93
3.2.6.5.1. Khai báo biến. 94
3.2.6.5.2. Khai báo điều kiện kiểm tra và điều kiện mục tiêu. 95
3.2.6.5.3. Kết quả tối ưu. 95
3.3. Thảo luận. 97
3.3.1. Phương pháp tính truyền thống. 97
3.3.2. Phương pháp tính bằng phần mềm SolidWorks. 99
3.3.3. So sánh kết quả của hai phương pháp tính. 101
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ. 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO.


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
* Các ký hiệu thông số ban đầu:
Q Tải trọng nâng định mức.
H Chiều cao nâng.

L Khẩu độ.
"
#

Vận tốc nâng.
$
%

Vận tốc di chuyển xe nâng.
&
'

Vận tốc di chuyển cổng trục.
t Thời gian phanh cổng.
(
)

Trọng lượng xe nâng.
G
d

Trọng lượng cơ cấu di chuyển cổng trục.
l
1

Khoảng cách từ trục các bánh xe nâng đến đầu mút khẩu độ.
*
+

Khoảng cách trục các bánh xe của xe nâng.

,
-

Khoảng cách các vết bánh xe của xe nâng.
A
c

Kích thước bao của dầm biên, chiều rộng cạnh dưới của chân cổng.
B
c
Cở sở của cổng trục.
H
c
Chiều cao chân cổng.
B
d
Chiều rộng cạnh trên của chân cổng.
D
x
Đường kính bánh xe di chuyển của xe nâng.
h
r

Chiều cao của đường ray xe nâng.
G
r

Trọng lượng của đường ray xe nâng.
* Ký hiệu các đặc trưng hình học:
h Chiều cao dầm.

h
1
Chiều cao của đầu dầm chính.
c Chiều dài đoạn nghiêng của dầm chính.
B Chiều rộng tấm biên.
B
0
Khoảng cách nhỏ nhất của hai thành đứng.
b’ Chiều dài phần nhô ra của tấm biến so với tấm thành đứng.
h
t
Chiều cao thành đứng.
δ
1
Chiều dày tấm biên trên.
δ
2
Chiều dày tấm biên dưới.

δ
3
Chiều dày thành đứng.
F
i
Diện tích tiết diện tấm thép.
F , A Tổng diện tích tiết diện.
M
0
Khối lượng trên 1m chiều dài thép hình.
J

x
, J
y
Mômen quán tính của tiết diện đối với trục x và y.
r
x
, r
y
Bán kính quán tính của tiết diện đối với trục x và y.
W
x
, W
y
Mômen cản của tiết diện đối với trục x và y.
S
x
, S
y
Mômen tĩnh của tiết diện đối với trục x và y.
Z
o
Khoảng cách từ trọng tâm xuống cạnh đáy của tiết diện.
λ
x
, λ
y
Độ mảnh của thanh đối với trục x hoặc y.
* Ký hiệu lực:
.
/

Hệ số va đập khi tính theo độ bền và độ ổn định.
k
0
′

Hệ số điều chỉnh kể đến hiện tượng va đập .
1
2
,
3
4
Hệ số tải trọng động.
G
c
Trọng lượng cổng trục.
G
dc
Trọng lượng dầm chính.
G
dch
Trọng lượng dầm dàn chính.
G
df
Trọng lượng dầm dàn phụ.
G
dng
Trọng lượng dầm dàn ngang.
G
cc

Trọng lượng chân cổng.
G
s
Trọng lượng sàn.
G
b
Trọng lượng buồng lái.
k Hệ số kể đến các lỗ trên sàn.
δ Chiều dày sàn.
B
s
Chiều rộng của sàn.
γ Trọng lượng riêng của thép.
q Tải trọng phân bố đều bởi trọng lượng bản thân dầm chính.
q
dch
Tải trọng phân bố đều dọc chiều dài dầm dàn đứng chính.
q
dchng
Tải trọng ngang phân bố đều dọc chiều dài dầm dàn đứng phụ.
q
df
Tải trọng phân bố đều dọc chiều dài dầm dàn đứng phụ.
q
dfng
Tải trọng ngang phân bố đều dọc chiều dài dầm dàn đứng phụ.
q
dng
Tải trọng phân bố đều dọc chiều dài dầm dàn ngang.

q
dngng
Tải trọng ngang phân bố đều dọc chiều dài dầm dàn ngang.
N
d
Tải trọng tập trung do trọng lượng cơ cấu di chuyển cổng trục .
N
b
Tải trọng tập trung do trọng lượng buồng lái và thiết bị điện.
Q Tải trọng nâng.
Q
o
Trọng lượng hàng.
G
m
Trọng lượng bộ phận mang vật.
5
6
đ

Tải trọng tương đương.
7
8
đ

Hệ số tương đương hay hệ số thay đổi theo tải trọng.
9
:;

Tải trọng tính toán.

P
1
, P
2
Áp lực của bánh xe lên dầm chính của cổng trục dầm đơn.
P
b
Tổng áp lực của bánh xe chủ động của xe nâng lên dầm chính.
n Số bánh xe chủ động của xe nâng.
n
0
Tổng số bánh xe của xe nâng.
P
min
Tải trọng ít nhất bánh xe lên dầm chính.
B
x1
, B
x2
Khoảng cách các vết bánh xe nâng đến cáp treo.
L
x1
, L
x2
Khoảng cách trục bánh xe nâng đến cáp treo.
P
d
Tổng tải trọng do trọng lượng vật nâng tác dụng lên bánh dẫn.
P
bd

Tổng tải trọng do trọng lượng vật nâng tác dụng lên bánh bị dẫn.
P
A
, P
B
, P
C
, P
D
Tải trọng tác dụng lên các bánh xe A, B, C, D.
P
Amax
, P
Bmax
,
P
Cmax
, P
Dmax

Tải trọng tác dụng lớn nhất lên các bánh xe A, B, C, D.
P’
A
, P’
B
, P’
C
,
P’
D

Áp lực của bánh xe lên dầm khi có hệ số điều chỉnh.
P”
A
, P”
B
, P”
C
,
P”
D

Áp lực của bánh xe lên dầm khi không có hệ số điều chỉnh.
<
=>
?

Lực quán tính do khối lượng hàng gây ra.
@
AB
CD

Lực quán tính do khối lượng xe nâng gây ra.
E
FG
H

Lực quán tính do khối lượng cổng trục gây ra.
I
JK

LMN

Lực quán tính lớn nhất phát sinh khi hãm cổng trục.
O
P

Hệ số bám của bánh xe và đường ray.
N
b

Áp lực của toàn bộ cổng trục lên các bánh xe chủ động của cổng trục
lên đường ray.

N
c
Áp lực của cổng trục lên các toàn bộ các bánh xe.
P
gc
Tải trọng gió phân bố đều trên theo chiều cao chân cổng.
P
gx
Tải trọng gió tác động lên xe nâng và vật nâng.
S Lực bên (sườn).
N
max

Áp lực lớn nhất lên bánh xe của cổng trục khi xe nâng đang mang
hàng và đang ở vị trí đầu dầm.
N
min

Áp lực nhỏ nhất tác dụng lên bánh xe cổng trục khi xe nâng không có
vật nâng.
N
tđ
Áp lực tương đương lên bánh xe.
R Lực xô ngang.
R
A
, R
B
,… Phản lực tại các điểm A, B
Q
x
, Q
y
Lực cắt theo trục x, trục y.
Q
n,
Q’
n
Áp lực của dầm chính lên khung chân cổng.
N
x,
N
y
, N
z
Áp lực của dầm chính lên khung chân cổng theo phương x, y, z.
M

x
, M
y
, M
z
Mômen uốn theo trục x, trục y và mômen xoắn theo trục z.
σ Ứng suất.
[σ] Ứng suất cho phép.
δ
th
Ứng suất tới hạn.
τ Ứng suất tiếp.
f Độ võng.
[f] Độ võng cho phép.
n Hệ số an toàn.
[n] Hệ số an toàn cho phép.



DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Tải trọng và tổ hợp tải trọng tính kết cấu thép cổng trục có công dụng
chung (bảng 3.1).[9].
Bảng 2.2: Hệ số an toàn n.
Bảng 2.3: Trị số của ứng suất cho phép
[
Q
]
.
Bảng 2.4: Thông số các đặc trưng hình học của cổng trục.

Bảng 2.5: Các thông số ban đầu của một ví dụ dầm chính cổng trục dầm đơn.
Bảng 3.1: Các thông số ban đầu của cổng trục.
Bảng 3.2: Đặc trưng tiết diện của chân cổng, gối tựa, dầm biên.
Bảng 3.3: Các thông số ban đầu của cổng trục.
Bảng 3.4: Các thông số ban đầu và kích thước tiết diện dầm chính.
Bảng 3.5: Bảng tổng hợp kết quả đặc trưng tiết diện của các bộ phận cổng trục.
Bảng 3.6: Một số mác thép tương đương với CT3.
Bảng 3.7: So sánh cơ các đặc trưng cơ tính của A36 với CT3.
Bảng 3.8: Bảng so sánh kết quả tính toán dầm chính bằng 2 phương pháp.
Bảng 3.9: Bảng so sánh kết quả tính toán khung chân cổng bằng 2 phương pháp.






DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Bản vẽ cấu tạo cổng trục.
Hình 1.2: Cổng trục tay đẩy.
Hình 1.3: a) Palăng chạy ở bản cánh dưới, b) Palăng chạy ở bản cánh trên.
Hình 1.4: a) Cổng trục dầm đơn, b) Cổng trục dạng dàn côngxôn một đầu, c) Cổng
trục dạng dàn côngxôn hai đầu.
Hình 1.5: a) Cổng trục dầm đôi, b) Cổng trục dầm đôi côngxôn 1 đầu, c) Cổng trục
dầm đôi côngxôn 2 đầu.
Hình 1.6: Cổng trục có một bên liên kết mềm và một bên liên kết cứng.
Hình 1.7: Cổng trục có một bên liên kết mềm và một bên liên kết khớp cầu.
Hình 1.8: a) Dầm biên đơn, b) Dầm biên lắp song song, c) Dầm biên lắp nối tiếp.
Hình 2.1: Các thông số cơ bản của cổng trục.
Hình 2.2: Sơ đồ kết cấu thép của cổng trục dầm đôi.
Hình 2.3: Thép chữ I và ứng dụng.

Hình 2.4: Thép chữ [ và ứng dụng.
Hình 2.5: Thép góc và ứng dụng.
Hình 2.6: Tiết diện dầm tổ hợp.
Hình 2.7: Dầm chính tổ hợp dạng hộp.
Hình 2.8: Kích thước tấm biên của dầm tổ hợp 1 thành và 2 thành.
Hình 2.9: Sơ đồ kết cấu chân cổng.
Hình 2.10: Bố trí đường ray xe nâng ở cổng trục dầm đôi.
Hình 2.11: Tiết diện đỉnh chân cổng dạng hộp.
Hình 2.12: Tiết diện đáy chân cổng dạng hộp.
Hình 2.13: Biểu đồ phụ thuộc hệ số động R
S
vào tải trọng đối với cần trục ở chế độ
làm việc trung bình.
Hình 2.14: Đồ thị trọng lượng xe nâng và sức nâng cổng trục.
Hình 2.15: a,c) Palăng tay kéo. b) Palăng điện.
Hình 2.16: Sơ đồ lực tác dụng lên dầm chính của cổng trục dầm đơn.
Hình 2.17: a) Sơ đồ xác định tải trọng lên các bánh xe. b) Sơ đồ xác định tải trọng lên
các bánh xe trên một dầm chính.
Hình 2.18: Sơ đồ phân bố lực quán tính lên các dầm chính và xác định tải trọng phụ
khi hàng treo mềm.

Hình 2.19: Sơ đồ xe nâng đang ở vị trí đầu dầm.
Hình 2.20: Sơ đồ cổng trục di chuyển lệch và xác định lực bên sườn S.
Hình 2.21: a) Sơ đồ xác định lực xô ngang R ở kết cấu cổng. b) Chuyển vị δ của cổng
có 2 gối cố định.
Hình 2.22: Các loại thép hình.
Hình 2.23: Tiết diện dầm tổ hợp.
Hình 2.24: Sơ đồ chịu tải trọng của cổng trục. a) cổng trục dầm đơn khi palăng ở giữa
dầm chính. b) cổng trục dầm đôi khi hợp lực xe nâng ở giữa dầm chính.
Hình 2.25: Mặt cặt 1- 1 cắt dầm chính một đoạn AD.

Hình 2.26: Sơ đồ xác định tải trọng phụ do lực quán tính tác dụng lên dầm chính.
Hình 2.27. Phân bố các tấm giằng trên dầm chính.
Hình 2.28: Sơ đồ kiểm tra độ ổn định của thép tấm thành đứng chính.
Hình 2.29: Một số tiết diện ghép của cổng trục dầm đơn.
Hình 2.30: Biến dạng của gờ dưới của dầm do ảnh hưởng của uốn cục bộ.
Hình 2.31: Đồ thị hệ số k
T
, k
U
, k
V
.
Hình 2.32: a) Sơ đồ tính tiết diện gối tựa, xe nâng đang ở vị trí ngoài cùng một đầu
dầm chính, b) Sơ đồ tính tiết diện mối ghép hàn ghép của dầm chính, bánh xe nâng có
tải trọng lớn nhất P
W
X
đang đặt lên mối ghép hàn.
Hình 2.33: Sơ đồ xác định nội lực khung chân cổng
Hình 2.34: Sơ đồ xác định nội lực chân cổng.
Hình 2.35: Dầm biên của chân cổng.
Hình 2.36: Sơ đồ xác định tải trọng bởi lực quán tính lên dầm biên.
Hình 2.37: Cửa sổ của SolidWorks.
Hình 2.38: a) Tab Features. b) Tab Sketch. c) Tab Evaluation, d) Thêm bớt tab trên
CommandManager.
Hình 2.39: a) Cổng trục dầm đơn, b) Cổng trục dầm đôi.
Hình 2.40: Các bước phân tích cơ bản của SolidWorks Simulation.
Hình 3.1: Mô hình tính theo phương pháp truyền thống.
Hình 3.2: Tiết diện sơ bộ các bộ phận cổng trục.
Hình 3.3: a)Sơ đồ tính tải trọng bánh xe, b) Sơ đồ để tính sức bền bánh xe.

Hình 3.4: Sơ đồ xác định ứng suất cho tiết diện giữa dầm chính.
Hình 3.5: Sơ đồ xác định nội lực gối tựa.


Hình 3.6: Sơ đồ xác định nội lực dầm biên.
Hình 3.7: Mô hình cổng trục dầm đôi dạng hộp.
Hình 3.8: Mô hình tính của dầm chính.
Hình 3.9: Mô hình tính của khung chân cổng.
Hình 3.10: a) Kết quả các đặc trưng tiết diện dầm chính. b) Kết quả các đặc trưng tiết
diện đầu chân cổng. c) Kết quả các đặc trưng tiết diện đáy chân cổng. d) Kết quả các
đặc trưng tiết diện gối tựa. e) Kết quả các đặc trưng tiết diện dầm biên.
Hình 3.11: Số lượng phần tử và nút của lệnh Mesh lên dầm chính.
Hình 3.12: Đặt điều kiện biên cho mô hình dầm chính.
Hình 3.13: Tên các Simulation Studies.
Hình 3.14: Đặt tải trọng cho Simulation Studies 1.
Hình 3.15: Đặt tải trọng cho Simulation Studies 2.
Hình 3.16: Đặt tải trọng cho Simulation Studies 3.
Hình 3.17: Đặt tải trọng cho Simulation Studies 4.
Hình 3.18: Kết quả tổng ứng suất và hệ số an toán của Simulation Studies 1.
Hình 3.19: Kết quả tổng ứng suất và hệ số an toán của Simulation Studies 2.
Hình 3.20: Kết quả áp lực dầm chính của Simulation Studies 3.
Hình 3.21: Kết quả áp lực dầm chính của Simulation Studies 4.
Hình 3.22: Danh sách biến.
Hình 3.23: Khai báo biến.
Hình 3.24: Danh sách các sensor.
Hình 3.25: Khai báo điều kiện kiểm tra và điều kiện mục tiêu.
Hình 3.26: Kết quả của Design Study.
Hình 3.27: Kết quả áp lực dầm chính của Simulation Studies 3.
Hình 3.28: Kết quả áp lực dầm chính của Simulation Studies 4.
Hình 3.29: Số lượng phần tử và nút của lệnh Mesh lên khung chân cổng.

Hình 3.30: Đặt điều kiện biên cho mô hình khung chân cổng.
Hình 3.31: Tên của Simulation Studies 5.
Hình 3.32: Đặt tải trọng cho Simulation Studies 5.
Hình 3.33: Kết quả tổng hệ số an toàn của Simulation Studies 5.
Hình 3.34: Chọn lại kích thước tiết diện dầm biên.

Hình 3.35: Kết quả tổng hệ số an toàn của Simulation Studies 5.
Hình 3.36: Danh sách biến.
Hình 3.37: Khai báo biến.
Hình 3.38: Khai báo điều kiện kiểm tra và điều kiện mục tiêu.
Hình 3.39: Kết quả của Design Study.
Hình 3.40: Kết quả tổng hệ số an toàn của Simulation Studies 5.



Trang 1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Cổng trục là một loại thiết bị nâng, có khả năng nâng hạ và di dời vật nặng trong
một không gian nhất định. Nó được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành vận tải, xây
dựng, chế tạo máy, đặc biệt là trong đóng tàu. Để thực hiện chức năng của mình, cổng
trục được trang bị bộ phận nâng và bộ phận di chuyển làm việc trên cơ sở chịu lực của
cổng trục. Kết cấu cổng trục là một kết cấu thép chịu toàn bộ tải trọng của vật nâng và
các tác động khác từ bên ngoài, nó có thể dịch chuyển trên đường ray để mang vật
nâng đến nơi cần đến.
Cùng với sự phát triển của ngành đóng tàu về cả số lượng cũng như độ lớn của từng
con tàu, cổng trục cũng phát triển không ngừng về cả tải trọng nâng, không gian làm
việc và mức độ hiện đại trong vận hành. Vì vậy, việc tính toán thiết kế cổng trục cũng
đòi hỏi phải có nhiều cải tiến, áp dụng được những thành tựu mới trong khoa học tính
toán… nhằm giảm nhẹ công việc tính toán, tăng độ chính xác, tiết kiệm vật liệu và an

toàn cho cổng trục.
Việc phương pháp tính truyền thống chủ yếu là tính gần đúng, dựa trên các số liệu
thống kê thông qua các tiêu chuẩn của các Quốc gia hoặc các Công ty. Việc tính toán
như vậy, đã đáp ứng được yêu cầu cơ bản của quá trình thiết kế, chế tạo và vận hành
cổng trục. Tuy nhiên, nếu nghiên cứu kỹ hơn, chi tiết hơn chúng ta có thể thấy một số
điểm bất cập trong tính toán. Những bất cập này có thể được khắc phục nếu đưa ra
được phương pháp tính toán hợp lý hơn, sử dụng các tiến bộ trong khoa học tính toán
và các phương tiện hiện đại vào công việc tính toán.
Xuất phát từ nhận xét trên, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu phương pháp
tính toán hợp lý kết cấu cổng trục dựa trên thành tựu của công nghệ thông tin”,
gồm các nội dung:
1. Tổng quan về cổng trục và vấn đề nghiên cứu;
2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu;
3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận.
Kết luận và khuyến nghị.



Trang 2

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về cổng trục.
1.1.1. Giới thiệu chung.
Cổng trục là một loại máy trục có kết cấu dạng cổng có khả năng di chuyển nhờ các
hệ thống bánh xe chạy trên đường ray cố định. Chiều cao cổng trục phụ thuộc vào yêu
cầu chiều cao nâng hàng. Thiết bị máy nâng bao gồm palăng hoặc xe nâng và thiết bị
mang vật, thiết bị nâng có khả năng di chuyển dọc theo dầm chính. Vì thế cổng trục có
thể vận chuyển hàng đến bất kỳ điểm nào trong một không gian nhất định của cổng
trục.

Cổng trục là công cụ dùng để cơ giới hóa công tác xếp đỡ, vận chuyển hàng hóa,
tăng năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm. Cổng trục được sử dụng trong nhà
xưởng hoặc ngoài trời. Cổng trục có mặt ở hầu hết các cảng biển, nhà máy đóng tàu,
trên tàu thủy, công ty xây lắp, nhà máy thủy điện, đường sắt, xưởng cơ khí lớn, kho bãi
container, bãi tập kết …
Các thông số kỹ thuật cơ bản của kết cấu cổng trục: khẩu độ (Y), tải trọng nâng (Z)
và chiều cao nâng ([). Khẩu độ của cổng trục là khoảng cách giữa hai hàng bánh xe di
chuyển cổng trục. Tải trọng nâng là khả năng nâng lớn nhất do nhà chế tạo cổng trục
qui định. Chiều cao nâng tính từ mặt đất đến thiết bị mang hàng đang ở vị trí cao nhất.
1.1.2. Xu thế sử dụng cổng trục hiện nay.
Xu hướng sử dụng cổng trục hiện nay của cổng trục là dễ vận hành, dễ sửa chữa, tải
trọng nâng lớn, không gian hoạt động cho phép của cổng trục lớn hay khẩu độ và chiều
cao nâng lớn, có thể làm việc trong mọi điều kiện khí hậu, có đầy đủ các hệ thống an
toàn, chế độ bảo dưỡng đơn giản và tuổi thọ cổng trục dài.
Phạm vi tải nâng của cổng trục hiện nay từ 0,5 ÷ 20000 tấn. Để tăng khả năng nâng
tải trọng, ngoài phương án tăng kết cấu thép người thiết kế còn có các phương án khác
như: tăng số lượng palăng, xe nâng theo phương thức nối tiếp hoặc song song hoặc cả
hai phương thức trên; hoặc thêm máy nâng phụ; hoặc sử dụng nhiều dầm chính trên
một cổng trục; hoặc nhiều cổng trục cùng hoạt động song song với nhau.
Trong nhà xưởng cơ khí, cổng trục là thiết bị nâng chủ yếu được sử dụng để vận
chuyển máy móc nặng, lắp ráp những sản phẩm có trọng lượng lớn. Đối với tải nâng
nhỏ, khẩu độ bé người ta thường chọn loại cổng trục dầm đơn. Đối với tải nâng lớn,
Trang 3

khẩu độ lớn người ta thường chọn loại cổng trục dầm đôi. Ở kho bãi container, bến
cảng, trên tàu thủy người ta sử dụng loại cổng trục được thiết kế sử dụng ngoài trời.
Để giảm trọng lượng cổng trục, giảm tác động của tải trọng gió người ta thường chọn
cổng trục dạng dàn không gian.
Trong tất cả các ngành công nghiệp nặng thì đóng tàu biển là ngành có sản phẩm
với tải trọng lớn nhất, trong đó loại tàu dầu đã có trọng lượng hơn 10000 tấn. Để sản

xuất những tàu cỡ lớn mà vẫn thuận lợi cho việc hạ thủy, hiện nay các nhà máy đóng
tàu không đóng nguyên con tàu mà thực hiện từng phần của con tàu. Trước khi hạ thủy
sử dụng cổng trục có khổ độ lớn và tải nâng lớn, tiến hành lắp ráp các phần của tàu ở
nơi thuận lợi cho việc hạ thủy. Ngay năm đầu tiên của thế kỷ 21, nhà máy đóng tàu
Yên Đài Taisun, ở tỉnh Sơn Đông Trung Quốc, nhận ra một vấn đề lớn của việc xây
dựng tàu dầu ngoài khơi trong tương lai, nền tảng của vấn đề này là thiết bị nâng có
kích thước rất lớn. Để chuẩn bị cho tương lai này họ tiến hành xây dựng một loại cẩu
trục lớn nhất thế giới. Năm 2009, các nhà xây dựng và thiết kế giỏi nhất đã hoàn thành
dàn cổng trục đầm đôi cố định, với sức nâng 20000 tấn, đánh dấu mốc hàng đầu trên
thế giới về thiết bị nâng dạng cổng.
1.1.3. Phân loại cổng trục.
Theo công dụng có thể phân loại cổng trục ra: cổng trục có công dụng chung và
cổng trục chuyên dùng. Cổng trục có công dụng chung hay còn gọi là cổng trục dùng
cho xếp dỡ, lắp ráp trong xây dựng. Cổng trục có công dụng chung có tải trọng nâng
3,2 ÷ 12,5 tấn, khẩu độ dầm chính 10 ÷ 40 m, chiều cao nâng 7 ÷ 16 m. Cổng trục
dùng để lắp ráp trong xây dựng có tải trọng nâng 50 ÷ 400 tấn, khẩu độ dầm đến 80 m
và chiều cao nâng đến 30 m. Đối với cổng trục dùng để lắp ráp (ví dụ lắp ráp các tải
trọng lớn trong nhà máy thủy điện, nhiệt điện) có tốc độ nâng khác nhau. Và đặc biệt
có loại tốc độ di chuyển chậm, dùng khi lắp ghép, nâng hạ vật \
]
=0,05 ÷
0,1 ^/_` và tốc độ di chuyển xe con, cổng trục 0,1m/ph. Cổng trục có công dụng
chung thường dùng để bốc dỡ, vận chuyển hàng thể khối, vật liệu rời trong các kho
bãi, bến cảng hoặc nhà ga đường sắt. Cổng trục dùng chung được dùng trong lắp ráp
thiết bị trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong các công trình năng lượng và lắp ghép các
công trình giao thông. Thiết bị mang hàng của cổng trục chuyên dùng thường là móc
treo, gầu ngoạm hoặc nam châm điện. Cổng trục chuyên dùng thường được sử dụng để
Trang 4

phục vụ trong nhà máy thủy điện, kho bãi hay một công đoạn vận chuyển trong sản

xuất công nghiệp.
Theo kết cấu dầm chính có thể phân ra: cổng trục không có côngxôn (
hình 1.4a,
1.5a
) và cổng trục có côngxôn - trong đó cổng trục có thể có côngxôn một đầu (hình
1.4b, 1.5b) hoặc có côngxôn hai đầu (
hình 1.4c, 1.5c
). Kết cấu thép dầm chính có dạng
thép hình (
hình 1.2
), dạng tổ hợp hàn (
hình 1.4a, hình 1.5a,c
) hoặc dạng dàn không
gian (
hình 1.4b,c
). Loại cổng trục dầm kiểu tổ hợp hàn được sử dụng rất rộng rãi vì dễ
chế tạo và sử dụng được phương pháp hàn tự động. Tuy nhiên đối với các cổng trục có
tầm rộng và tầm cao lớn muốn đảm bảo đủ độ cứng cần thiết phải tăng chiều cao và
chiều rộng của dầm chính. Điều đó làm cho cổng trục dạng hộp có trọng lượng riêng
nặng hơn, chịu ảnh hưởng của ngoại lực và tải trọng tác dụng lên đường ray lớn hơn.
Ngược lại so với kết cấu thép dạng dàn không gian thì trọng lượng riêng, lực tác dụng
lên đường ray đã giảm đi đáng kể và ít chịu ảnh hưởng của tải trọng gió. Nhưng khó
chế tạo và tính toán phức tạp.
Theo cách bố trí dầm chính cổng trục có thể phân ra: cổng trục dầm đơn (
hình 1.4
)
và cổng trục dầm đôi (
hình 1.5
). Cổng trục dầm đơn thường sử dụng palăng điện chạy
dọc dầm chữ I nhờ cơ cấu di chuyển palăng. Cổng trục dầm đôi thường sử dụng hệ

thống xe nâng, xe nâng di chuyển nhờ cáp kéo hoặc có động cơ vận hành trực tiếp.
1.2. Kết cấu thép của cổng trục.

Hình 1.1: Bản vẽ cấu tạo cổng trục: j Dầm biên. k Chân cổng. lDầm chính. m
Thiết bị nâng (xe nâng). n Thiết bị mang hàng. o Vật nâng. p Cabin điều khiển.
q Đường ray.
o
q
m
l
k
p
n
j
M

Trang 5

Kết cấu thép của cổng trục bao gồm dầm chính, khung chân và dầm biên. So với
cầu trục, hệ thống đường ray của cổng trục đặt cố định ở trên mặt nền và có thêm bộ
phận chân cổng để đảm bảo cho dầm chính cóchiều cao xác định so với mặt nền. Dầm
biên là một loại dầm giằng ngang giúp chân cổng cứng vững. Dầm biên có bánh xe và
mang theo động cơ di chuyển cổng trục. Ở một số cổng trục không có dầm biên; chân
cổng trực tiếp có bánh xe và động cơ di chuyển; và có dầm giằng ngang cao khi đó kết
cấu chân cổng có hình chữ A. Dầm biên ngoài chịu tải trọng tĩnh là tải trọng nâng,
trọng lượng hệ thống nâng trọng lượng của dầm chính, trọng lượng phụ khác (thiết bị
mang hàng, cabin điều khiển, ) mà còn chịu thêm tải trọng của khung chân.
Đặc trưng kết cấu dầm chính cũng là đặc trưng của toàn bộ cổng trục. Kết cấu của
chân cổng phụ thuộc vào kết cấu của dầm chính và loại liên kết giữa dầm chính với
chân cổng. Cổng trục dầm đơn tay đẩy (

hình 1.2a,b
) có dầm chính là thép hình I sử
dụng palăng tay kéo (
hình 1.2b
) hoặc palăng điện, khẩu độ dưới
a
10m tải trọng nâng
0,5÷2 tấn, chiều cao nâng
a 5b
, cổng trục di chuyển bằng bánh xe cùm xoay, loại
cổng trục này không sử dụng đường ray. Cổng trục đẩy tay được sử dụng rất rộng rãi
trong các nhà xưởng và kho bãi nhỏ, phạm vi hoạt động nhỏ hẹp. Ưu điểm nổi bật của
cổng trục đẩy tay là tính cơ động cao, dễ thao tác và dễ tháo lắp.

Hình 1.2: Cổng trục tay đẩy.

Cổng trục dầm đơn kết cấu tiêu chuẩn (
hình 1.4a
) là dòng sản phẩm được sử dụng
trong nhà cũng như ngoài trời, có tốc độ cao, có dải tải trọng thay đổi từ 0,5 ÷ 30 tấn,
khẩu độ 3 ÷ 40m, chiều cao nâng 5 ÷ 40m, dầm biên chạy trên đường ray. Nó được
thiết kế với hai kiểu chạy của palăng điện như: chạy trên ray I hoặc chạy trên bản cánh
dưới của dầm chính hay chạy bên bản cánh trên của dầm chính như
hình 1.3
.
Trang 6


Hình 1.3: a)Palăng chạy ở bản cánh dưới. b) Palăng chạy ở bản cánh trên.
Dầm chính có kết cấu dạng dầm tổ hợp (dạng hộp hàn, dạng chữ I hàn ) hoặc

dạng dàn. Chân cổng có kết cấu dạng hộp hàn, dạng dàn không gian hoặc sử dụng thép
định hình. Thông thường với cầu trục có kết cấu dầm chính là dạng dàn không gian thì
chân cổng cũng là dạng dàn không gian. Các loại cổng trục này thường được sử dụng
trong các phân xưởng cơ khí, nhà kho, nhà máy cán thép công trình thủy điện; chúng
được dùng để xếp dỡ, lắp ráp và sửa chữa máy móc

Hình 1.4: a)Cổng trục dầm đơn, b) cổng trục dạng dàn côngxôn một đầu,c) cổng trục
dạng dàn côngxôn hai đầu.

Cổng trục dầm đôi (
hình 1.5
) có kết cấu của hai dầm đơn đặt song song nhau. Cổng
trục là loại cổng trục thường sử dụng ngoài trời; có khẩu độ và chiều cao nâng lớn; có
dải tải trọng thay đổi từ 5 ÷1500 tấn. Được thiết kế chạy trên hệ thống ray cố định trên
mặt đất. Xe nâng có trang bị móc treo tiêu chuẩn. Loại cổng trục này thường được sử
dụng trong nhà máy đóng tàu, nhà máy cấu kiện bêtông đúc sẵn, xưởng, kho bãi, trên
tàu thủy

Hình 1.5: a) Cổng trục dầm đôi, b) Cổng trục dầm đôi côngxôn 1 đầu,
Trang 7

c) Cổng trục dầm đôi côngxôn 2 đầu.
Kết cấu kim loại cổng trục dầm đôi gồm có kiểu dầm chính có tiết diện hình hộp và
kiểu dàn không gian. Kiểu dầm chính có tiết diện hình hộp, tuy nặng hơn kiểu dàn
không gian nhưng vì đơn giản hơn trong chế tạo, có độ cứng trong mặt phẳng đứng tốt
hơn, độ bền khi chịu tải trọng thay đổi tốt hơn nên nó được sử dụng rộng rãi hơn.
1.3. Liên kết giữa các thành phần cổng trục.
1.3.1. Liên kết giữa dầm chính với khung chân.
Liên kết giữa dầm chính với khung chân có các kiểu sau: liên kết cứng, liên kết
mềm, liên kết khớp cầu.

Đối với cổng trục có khẩu độ nhỏ hơn hoặc bằng 20m có thể chế tạo cả hai chân
cổng có liên kết cứng với dầm chính và như vậy sẽ giảm thời gian chế tạo và lắp dựng
cổng trục. Với phương án này, cổng trục thiết kế có kết cấu đơn giản, không gian hoạt
động lớn, giá thành chế tạo cũng rẻ.
Những cổng trục có khẩu độ trên 25m thì cổng trục thường có một chân cổng liên
kết cứng với dầm chính, thường gọi là chân “cứng” và một chân “mềm”, nhờ khớp
xoay hình trụ (nút A, hình 1.5) với trục xoay nằm trong mặt phẳng nằm ngang. Chân
mềm có liên kết khớp với dầm chính để đảm bảo cho kết cấu là một hệ tĩnh định; chân
mềm có thể xoay lắc quanh theo trục thẳng đứng của nó đến 5° để bù trừ các sai lệch
của kết cấu với đường ray. Trong trường hợp này, khi cổng trục bị xô lệch do hai chân
cổng trục có tốc độ không đều nhau làm dầm chính bị uốn ngang. Sự xô lệnh trên còn
bị gây ra bởi hạn chế trong lắp đặt, biến dạng do ảnh hưởng nhiệt độ của môi trường,
do truyền động không đồng đều các bánh xe chủ động ở hai bên chân cổng. Như vậy,
với loại cổng trục chân mềm có khả năng giảm ma sát giữa bánh xe với đường ray,
giảm tải trọng xô lệch và tránh khả năng kẹt bánh xe di chuyển trên đường ray của
cổng trục.

Hình 1.6: Cổng trục có một bên liên kết mềm và một bên liên kết cứng.
A
L
Trang 8


Hình 1.7: Cổng trục có một bên liên kết mềm và một bên liên kết khớp cầu.
Ngoài ra trên cơ sở của cổng trục ở
hình 1.6
, người ta thay thế chân có liên kết
cứng bằng bằng chân có gối trượt, ở nút B như
hình 1.7
, điều này cho phép dầm chính

có thể xoay tương đối quanh vấu cố định thẳng đứng nút C, chân mềm bên phải liên
kết với dầm bằng khớp cầu (nút D) cho phép xoay theo hướng bất kỳ. Do đó nếu cổng
trục có bị xô lệch thì dầm chính cũng không bị uốn và hoàn toàn tránh khả năng bị kẹt
bánh xe.
1.3.2. Liên kết giữa chân cổng và dầm giằng chăn:
Liên kết giữa khung chân và dầm biên là liên kết cứng. Cụm dầm biên là bộ phận
có bánh xe với nhiệm vụ vận chuyển cổng trục dọc theo đường ray, mà truyền động
được dẫn động bằng động cơ giảm tốc. Cụm bánh xe gồm bánh xe, bánh răng, trục,
vòng bi, bạc lót. Dầm biên có kết cấu dạng hộp hàn. Để tăng khả năng chịu tải, người
ta sử dụng dầm biên lắp song song hoặc dầm biên lắp nối tiếp (
hình 1.7
).


Hình 1.8: a) Dầm biên đơn. b) dầm biên lắp song song. c) dầm biên lắp nối tiếp
.
1.4. Yêu cầu chung trong thiết kế
:
Các yêu cầu chung đối với thiết kế:
D
B
C
Trang 9

- Kết cấu thép phải được tính toán với tổ hợp tải trọng bất lợi nhất, kể cả tải trọng
theo thời gian và mọi yếu tố tác động khác. Việc xác định nội lực có thể thực hiện theo
phương pháp phân tích đàn hồi hoặc phân tích dẻo.
- Các cấu kiện thép hình phải được chọn theo tiết diện nhỏ nhất mà vẫn thỏa mãn
các yêu cầu kiểm tra kết cấu. Tiết diện của cấu kiện tổ hợp được thiết lập theo tính
toán sao cho ứng suất không lớn hơn 95% cường độ tính toán của vật liệu.

Các yêu cầu khi thiết kế kết cấu thép cần phải:
- Tiết kiệm vật liệu thép;
- Ưu tiên sử dụng thép do Việt Nam sản xuất;
- Lựa chọn sơ đồ kết cấu hợp lí, tiết kiệm cấu kiện hợp lí về mặt kinh tế kỹ thuật;
- Ưu tiên sử dụng công nghệ chế tạo tiên tiến;
- Chú ý việc công nghiệp hóa cao quá trình sản xuất và dựng lắp, sử dụng những
liên kết dựng lắp liên kết liên tiếp như liên kết mặt bích, liên kết bulông cường độ cao;
cũng có thể dùng liên kết hàn để dụng lắp nếu có căn cứ hợp lí;
- Kết cấu phải có cấu tạo dễ quan sát, dễ làm sạch bụi, dễ sơn, tránh tụ nước. Tiết
diện hình ống phải được bịt kín hai đầu.
1.5. Mục tiêu nghiên cứu.
Đề tài nhằm làm giảm nhẹ công sức trong thiết kế, tăng độ chính xác cũng như
phạm vi xem xét những yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu cổng trục.
1.6. Phạm vi nghiên cứu.
Phạm vi nghiên cứu phương pháp tính toán hợp lý kết cấu cổng trục với:
- Tải nâng 5 tấn ÷ 60 tấn.
- Khẩu độ của cổng trục nhỏ hơn bằng 20m.
- Các loại kết cấu: dầm đơn, dầm đôi.