NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CẦU TRỤC CHÂN DÊ ĐẬP TRÀN TẢI TRỌNG NÂNG 2X25 TẤN CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN SÊSAN 4

Trờng đại học bách khoa hà nội
Khoa cơ khí
Bộ môn cơ học ứng dụng
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu động lực học cầu trục chân dê
đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn công trình
thuỷ điện SêSan 4
Giáo viên hớng dẫn : TS. Nguyễn Chỉ Sáng
: PGS.TS. Đinh Văn Phong
Sinh viên thực hiện : Vũ Duy Phớc
Lớp : Cơ Điện Tử 1_K47
Hà Nội 2007
Mục Lục
Nhiệm vụ thiết kế đồ án
Bản nhận xét tốt nghiệp
Lời nói đầu
1
Những kí hiệu dùng trong đồ án
2
Chơng I: Giới thiệu về cầu trục chân dê đập tràn và phạm vi đồ án
tốt nghiệp
3
1
1. Tổng quan về cầu trục
3
2. Giới thiệu về cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn
công trình thuỷ điện SêSan 4
4
2.1 ý nghĩa, công dụng của cầu trục chân dê đập tràn
4
2.2 Điều kiện vận hành

4
2.3 Thành phần cấu tạo
4
2.4 Đặc điểm và nguyên lý làm việc
4
2.5 Đặc tính kỹ thuật
5
3. Phạm vi của đồ án tốt nghiệp
6
3.1 Tính toán động lực học cầu trục
6
3.2 Kiểm nghiệm làm việc ổn định của cầu trục
6
3.3 Thiết kế khung dầm cầu trục
6
3.4 Kiểm tra khung dầm bằng phần mềm Cosmos
6
3.5 Mô phỏng chuyển động của cầu trục
7
Chơng II: Tính toán động lực học cầu trục chân dê đập tràn tải
trọng nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện SêSan 4
8
1. Cơ sở tính toán thiết kế cầu trục theo phơng pháp thông thờng
8
1.1 Cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu di chuyển
9
1.2 Cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu nâng
12
2
1.3 Cơ sở tính toán thiết kế và kiểm tra các thiết bị khác của cầu trục

14
2. Tính toán động lực học cầu trục cầu trục chân dê đập tràn tải
trọng nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện SêSan 4
18
2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán động lực học cầu trục
18
2.1.1 Phơng trình Lagrange loại 2
19
2.1.2 Đặc trng động học của cơ cấu
20
2.1.2.1 Mômen quán tính quy dẫn
20
2.1.2.2 Các mômen trong một pha làm việc
24
2.1.2.3 Thời gian mở máy và thời gian phanh 32
2.2 Thiết lập phơng trình chuyển động cho cầu trục
33
2.2.1 Mô hình cơ học của cầu trục
33
2.2.2 Thiết lập phơng trình chuyển động
41
2.2.3 Giải bài toán động lực học cầu trục
50
3. Kiểm nghiệm sự an toàn của dây cáp
56
4. Tính ổn định cho cầu trục
58
4.1. Kiểm tra ổn định của cầu trục khi đang làm việc theo phơng dọc
với đờng ray di chuyển cầu trục

58
4.2. Kiểm tra ổn định của cầu trục khi đang làm việc theo phơng
vuông góc với đờng ray di chuyển cầu trục

60
3
5. Thiết kế khung dầm cho cầu trục
62
5.1 Cơ sở thiết kế kết cấu khung cầu trục
62
5.2 Thiết kế khung dầm cho cầu trục đập tràn SêSan 4
67
5.3 Các thông số để kiểm nghiệm cầu trục trên phần mềm Cosmos
68
6. Kết luận
69
Chơng III: Mô phỏng cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng
2x25 tấn công trình thuỷ điện SêSan 4
71
1. Giới thiệu và kiểm nghiệm bằng phần mềm Cosmos
71
1.1 Giới thiệu về phần mềm Cosmos
71
1.1.1. Khái quát chung về phần mềm CosmosDesignSTAR
71
1.1.2 Một số khả năng phân tích trong số CosmosDesignSTAR 71
1.2 Kiểm nghiệm khi cầu trục làm việc bằng phần mềm Cosmos
75
2. Mô phỏng chuyển động của cầu trục
85

2.1 Giới thiệu th viện đồ hoạ OPENGL
85
2.2 Tạo giao diện cho chơng trình
85
2.3 Vẽ hình
86
2.4 Mô tả chuyển động của cầu trục
86
3. Kết luận
88
Chơng IV : Tổng kết chung
89
4
Tài liệu tham khảo
90
Phụ lục
91
Lời nói đầu
Cầu trục là loại máy trục kiểu cầu có kết cấu giống chiếc cầu có bánh xe
lăn trên đờng ray chuyên dùng nên còn gọi là cầu lăn đợc sử dụng phổ biến
trong các ngành kinh tế và quốc phòng để nâng chuyển vật nặng trong các
phân xởng, nhà kho cũng có thể dùng để xếp dỡ hàng. Chính khả năng làm
việc của cầu trục với các thiết bị có trọng lợng, lu lợng lớn nên đã trở thành
nhân tố chính để nâng cao năng suất lao động.
Khi nghiên cứu thiết kế, chế tạo cầu trục, trong thực tế thờng sử dụng ph-
ơng pháp thông thờng đó là thiết kế cầu trục khi đang làm việc ổn định với
gia tốc bằng không. Xét thấy rằng gia tốc trong chuyển động của cầu trục
cũng là một nhân tố ảnh hởng đến sự làm việc ổn định cũng nh độ bền, độ
cứng của cầu trục, cho nên tôi đã chọn đề tài về nghiên cứu động lực học
cầu trục để làm đồ án tốt nghiệp. Những nội dung chính đợc trình bày trong

đồ án là: giới thiệu về cầu trục nói chung, cầu trục chân dê đập tràn của
công trình thuỷ điện SêSan 4, tính toán động lực học cầu trục, mô phỏng
5
chuyển động của cầu trục bằng OpenGL và mô phỏng trạng thái tĩnh bằng
phần mềm Cosmos.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Chỉ Sáng, PGS.TS Đinh Văn Phong,
ThS Phan Đăng Phong cùng các thầy cô thuộc bộ môn Cơ Học ứng Dụng
Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội và các anh chị kỹ s phòng Tự Động
Hoá Thiết Kế thuộc Viện Nghiên Cứu Cơ Khí đã tận tình chỉ bảo hớng dẫn
tôi hoàn thành đồ án này. Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên trong đồ
án không tránh khỏi nhiều thiếu sót, tôi mong các thầy cô thông cảm và chỉ
bảo nhiều hơn.
Hà Nội, Ngày.tháng.năm 2007
Sinh viên
Vũ Duy Phớc
Một số kí hiệu dùng trong đồ án
: ứng suất tính toán
[] : ứng suất cho phép của vật liệu
E : Môđun đàn hồi của vật liệu
F : Lực tác dụng
m : Khối lợng
g : Gia tốc trọng trờng
R : Bán kính
: Vận tốc góc
: Hiệu suất
k : Hệ số an toàn
i : Tỉ số truyền động
n : Số vòng quay của vật quay
Q : Tải trọng
G : Trọng lợng

M : Mômen
J, j : Mômen quán tính
S : Lực căng
(2.1) : Công thức 2.1
[10] : Theo tài liệu 10
Cosmos : COSMOSDesignSTAR
6
Chơng I
Giới thiệu về cầu trục chân dê đập tràn
và phạm vi của đồ án tốt nghiệp
1. Tổng quan về cầu trục.
Cầu trục đợc dùng chủ yếu trong các phân xởng, nhà kho, bãi tổ hợp thiết bị
để nâng hạ và vận chuyển hàng hoá với lu lợng và trọng lợng lớn. Kết cấu
của một cầu trục dạng dầm hộp hoặc dàn, trên đó đặt xe con có cơ cấu
nâng. Cầu trục đợc sử dụng trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc
dân với các thiết bị mang vật rất đa dạng nh móc treo, thiết bị cặp, nam
châm điện, gầu ngoạm
Cầu trục đợc chế tạo với tải trọng nâng từ 1 đến 500 tấn, khẩu độ dầm cầu
đến 32 m, chiều cao nâng đến 16 m, tốc độ nâng vật từ 2 đến 40 m/ph, tốc
độ di chuyển xe con đến 60 m/ph và tốc độ di chuyển cầu trục đến 125
m/ph. Cầu trục nâng trên 10 tấn thờng đợc trang bị hai đến ba cơ cấu nâng
vật: một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ. Tải trọng
nâng của loại cầu trục này thờng đợc ký hiệu bằng một phân số với các tải
trọng nâng chính và phụ, ví dụ: 15/3 t; 20/5 t;150/20/5 t
Theo công dụng đợc phân làm hai loại: cầu trục có công dụng chung và cầu
trục chuyên dụng. Cầu trục có công dụng chung chủ yếu dùng với móc treo
để xếp dỡ, lắp ráp và sửa chữa máy móc. Loại cầu trục này có tải trọng
nâng không lớn và khi cần có thể dùng với gầu ngoạm, nam châm điện và
thiết bị cặp để xếp dỡ một loại hàng nhất định. Cầu trục chuyên dụng đợc
sử dụng chủ yếu trong công nghiệp luyện kim, xuất nhập hàng tại cảng với

các thiết bị mang vật chuyên dùng và có chế độ làm việc rất nặng.
Theo kết cấu dầm có các loại cầu trục một dầm và cầu trục hai dầm. Cầu
trục một dầm thờng là dầm chữ I hoặc dầm tổ hợp với các dàn thép tăng
cứng cho dầm. Cầu trục một dầm thờng dùng palăng điện chạy dọc theo
dầm nhờ cơ cấu di chuyển palăng. Cầu trục hai dầm có các loại dầm hộp và
dầm dàn không gian.
7
Ngoài ra theo nguồn dẫn động có các loại dẫn động tay và cầu trục dẫn
động máy. Theo vị trí điều khiển có các loại cầu trục điều khiển từ cabin
gắn trên dầm cầu và cầu trục điều khiển từ dới nền bằng hộp nút bấm. Điều
khiển từ dới nền bằng hộp nút bấm thờng dùng cho loại cầu trục một dầm
có tải trọng nâng nhỏ.
2. Giới thiệu về cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn của
công trình thuỷ điện Sê San 4.
2.1 ý nghĩa, công dụng của cầu trục chân dê đập tràn.
Cầu trục chân dê chuyên dụng, tải trọng nâng 2x25 tấn đợc dùng để nâng
hạ cửa van sửa chữa đập tràn, công trình thuỷ điện Sê San 4, ngoài ra nó còn
đợc sử dụng để sửa chữa, lắp ráp cho các thiết bị thuộc đập tràn.
2.2 Điều kiện vận hành.
Vận tốc gió trong trạng thái làm việc : 20 m/s
Vận tốc gió lớn nhất : 28 m/s
Môi trờng xung quanh : Trong không khí
Nhiệt độ lớn nhất của môi trờng: + 40,5 C
Nhiệt độ nhỏ nhất của môi trờng : + 9,2C
Độ ẩm : 85,7%
2.3 Thành phần cấu tạo.
Thành phần chế tạo của cầu trục chân dê bao gồm: kết cấu kim loại của cầu
trục, kết cấu kim loại của xe con, cơ cấu di chuyển cầu trục, cabin điều
khiển. Trong cabin đợc trang bị điều hoà, các thiết bị điện. Trên xe con lắp
cơ cấu nâng với tải trọng nâng danh nghĩa 2x25 tấn, cơ cấu di chuyển xe

con.
2.4 Đặc điểm và nguyên lý làm việc.
Kết cấu kim loại của cầu trục chân dê là kết cấu hàn tổ hợp, tiết diện các
dầm chịu lực hình hộp. Bên trên khung cầu trục có xe con với cơ cấu nâng
có tải trọng nâng 2x25 tấn và cơ cấu di chuyển xe con. Cơ cấu nâng gồm 2
tang cuốn cáp đờng kính D = 870 mm với 2 đờng rãnh hình xoắn ốc, 2 hệ
thống treo tải trọng 25 tấn và cơ cấu truyền động bao gồm động cơ, phanh,
hộp giảm tốc. Dẫn động cho cơ cấu nâng là kiểu dẫn động chung bằng 1
động cơ. Cơ cấu nâng đợc trang bị các thiết bị hạn chế tải trọng nâng ( với
chế độ vợt tải cho phép lớn nhất là 110% so với tải trọng nâng danh nghĩa).
Cơ cấu di chuyển xe con kiểu dẫn động chung với 2 bánh xe dẫn động và 2
bánh xe bị động đờng kính D = 630 mm. Xe con có hệ thống nhà che bảo
vệ các cơ cấu, bộ máy.
8
Cơ cấu di chuyển cầu trục bao gồm 2 cụm chủ động và 2 cụm bị động. Mỗi
cụm chủ động đợc lắp trên 1 bánh xe dẫn động D=710 mm. Mỗi cụm bị
động đợc lắp trên 1 bánh xe bị động D=710 mm.
Đối với cả cơ cấu di chuyển cầu trục và xe con đều sử dụng phanh guốc
điện có cần đẩy thuỷ lực đảm bảo sự trơn tru trong quá trình làm việc.
Trên cầu trục cũng nh xe con có lắp đặt các cữ hạn vị hành trình nâng, hành
trình di chuyển và các cửa lên xuống sàn thao tác có đặt các cầu dao bán tự
động đảm bảo an toàn. Trên trục tang cuốn cáp có lắp thiết bị điều khiển
đóng mở các hoạt động khi nâng của cửa van sửa chữa đập tràn, và các thiết
bị hạn chế vị trí giới hạn hành trình lên và xuống của hệ thống móc treo.
Phía trên mái che của xe con có thiết bị đo tốc độ tức thời gió và phát tín
hiệu khi vận tốc gió lớn hơn tốc độ gió cho phép.
Để hạn chế sự trôi của cầu trục do gió khi không làm việc, tại 2 cụm di
chuyển bị động đợc lắp 2 thiết bị chống xô ray. Thiết bị này đợc hoạt động
liên động với toàn bộ mọi hoạt động của cầu trục.
2.5 Đặc tính kỹ thuật.

Nguồn điện, tần số (Hz), điện áp (V) Xoay chiều; 50Hz; 380/220V
Điều khiển cầu trục Từ ca bin
Cấp điện cho cầu trục Bằng Trolley
Cấp điện cho xe con Bằng cáp mềm
Tải trọng nâng chính, T 2x25
Chiều cao nâng lớn nhất của móc nâng, m 28
Cao hơn cao trình sàn, m 7,5
Thấp hơn cao trình sàn, m 20,5
Vận tốc nâng móc chính, m/ph 0,8/4
Vận tốc dịch chuyển cầu trục, m/ph 4,5/15
Đờng kính bánh xe, mm 710
Tổng số bánh xe 4
Số bánh xe dẫn động 2
Loại ray di chuyển cầu trục KP80
Vận tốc dịch chuyển xe con, m/ph 4,5
Đờng kính bánh xe, mm 630
Tổng số bánh xe 4
Số bánh xe dẫn động 2
Loại ray di chuyển xe con KP70
3. Phạm vi của đồ án tốt nghiệp.
3.1 Tính toán động lực học cầu trục.
Xây dựng mô hình chuyển động của cầu trục với cơ cấu nâng và cơ cấu di
chuyển xe con, cơ cấu di chuyển cầu trục. Viết phơng trình chuyển động
trong thời gian khởi động của các cơ cấu dới ảnh hởng các lực cản chuyển
động.
9
3.2 Kiểm nghiệm làm việc ổn định của cầu trục.
Trong thời gian chuyển động có gia tốc của cầu trục thì cầu trục phải ổn
định theo phơng vuông góc với đờng ray, ổn định theo phơng dọc đờng ray
và dây cáp đủ vững chắc khi đột ngột nâng vật nặng lên.

3.3 Thiết kế khung dầm cầu trục.
Với các điều kiện đầu vào là khẩu độ cầu trục và trọng lợng nâng danh
nghĩa để thiết kế sơ bộ bộ khung dầm của cầu trục với các dầm chính, chân
cầu trục, giằng trên, giằng dới.
3.4 Kiểm tra khung dầm bằng phần mềm Cosmos.
Trên cơ sở những thiết kế trên ta dựng mô hình 3D của cầu trục trong
SolidWork và kiểm tra sự làm việc an toàn, ổn định của cẩu trục trên phần
mềm Cosmos.
3.5 Mô phỏng chuyển động của cầu trục.
Với khả năng đồ hoạ của th viện OpenGL trong môi trờng Visual C
++
, hình
ảnh mô hình của cầu trục sẽ đợc thể hiện trên màn hình và có thể cho chúng
chuyển động. Phần này sẽ giới thiệu về khả năng của môi trờng đồ hoạ
OpenGL và chơng trình mô phỏng cầu trục.
10
Chơng II
Tính toán động lực học cầu trục chân dê tải trọng
nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện Sê San 4
1. Cơ sở tính toán thiết kế cầu trục theo phơng pháp thông thờng.
Cầu trục thông thờngđợc tính toán thiết kế theo các bớc tính toán chung
sau[1]:
a) Xác định các thông số cơ bản của cầu trục nh tải trọng nâng, chiều cao
nâng, khẩu độ dầm cầu, các tốc độ nâng hạ vật, di chuyển cầu trục, di
chuyển xe con, chế độ làm việc và các điều kiện làm việc cụ thể của cầu
trục (môi trờng làm việc, loại hàng cần bốc dỡ v.v). Từ các thông số cơ
bản và điều kiện làm việc cụ thể của cầu trục, ta có thể phân tích và chọn
phơng án thiết kế.
b) Xác định các kích thớc hình học và các bộ phận trên cầu trục và tải trọng
tính toán.

- Các kích thớc hình học và trọng lợng bản thân các bộ phận của cầu trục có
thể xác định sơ bộ theo các công thức kinh nghiệm hoặc từ các loại cầu trục
đã có tơng đơng. Các thông số này đợc kiểm tra chính xác lại sau khi thiết
kế cầu trục.
- Ngoài trọng lợng bản thân, các tải trọng tác dụng lên cầu trục cần xác
định là: trọng lợng vật nâng cùng thiết bị mang vật, các tải trọng do dốc,
quán tính và các tải trọng đặc biệt khác nh tải trọng lắp dựng, động đất v.v
Tải trọng gió cần đợc tính toán theo các phơng khác nhau và với áp lực gió
trong điều kiện làm việc bình thờng, áp lực gió lớn nhất trong điều kiện làm
việc và áp lực gió trong trạng thái không làm việc nếu cầu trục hoạt động
ngoài trời.
- Xác định lực nén bánh của các bánh xe di chuyển cầu trục và di chuyển xe
con.
c) Xác định các vị trí tính toán và tổ hợp tải trọng. Các vị trí tính toán và tổ
hợp tải trọng phải đợc xây dựng phù hợp với quá trình làm việc của bộ phận
hay chi tiết đợc tính.
d) Thiết kế các cơ cấu công tác của cầu trục nh cơ cấu nâng cùng thiết bị
mang vật, cơ cấu di chuyển xe con và cầu trục.
e) Tính toán kết cấu thép của cầu trục và các chi tiết liên kết giữa các bộ
phận của cầu trục.
f) Thiết kế hệ thống điện điều khiển cho các cơ cấu công tác, hệ thống
chiếu sáng và thiết kế cabin điều khiển (nếu có). Thiết kế các thiết bị an
11
toàn cơ - điện của cầu trục nh thiết bị hạn chế tải trọng nâng, thiết bị hạn
chế chiều cao nâng, các công tắc hạn chế hành trình di chuyển của cầu trục
và xe con, các giảm chấn và thiết bị kẹp ray nếu cầu trục làm việc ngoài
trời.
1.1. Cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu di chuyển.
Cơ cấu di chuyển ở đây là cơ cấu di chuyển cầu trục, cơ cấu di chuyển xe
con dẫn động bằng động cơ điện.

Những số liệu ban đầu cần có để tính toán cơ cấu di chuyển là:
- Sơ đồ hình học của cầu với các kích thớc cơ bản nh khoảng cách vết bánh
xe, khoảng cách trục bánh xe
- Trọng tải máy trục Q (N)
- Trọng lợng bản thân cầu trục kể cả bộ phận mang vật G
0
(N)
- Sơ đồ cấu tạo di chuyển
- Vận tốc di chuyển (m/ph)
- Diện tích chịu gió của phần dịch chuyển trong mặt phẳng thẳng góc với
phơng chuyển động F
0
(m
2
)
- Chế độ làm việc của cơ cấu.
Trình tự tính toán nh sau[4]:
1) Xác định các kích thớc bánh xe. Muốn vậy phải:
- Chọn loại kích thớc, bánh xe và đờng ray.
- Xác định các tải trọng lên bánh xe, gồm:
+ Tải trọng lớn nhất P
max
(khi có vật nâng, vị trí các bộ phận là bất lợi nhất
đối với bánh xe tính toán)
+ Tải trọng nhỏ nhất P
min
(khi không có vật nâng, vị trí các bộ phận là có lợi
nhất đối với bánh xe tính toán), tải trọng tơng đơng để tính bánh xe P
bx
theo

công thức[2]:
maxbxbx
P.k.P =
Trong đó:
P
max
: áp lực lớn nhất của bánh xe lên ray
k
bx
: Hệ số tính đến chế độ làm việc của cơ cấu
: Hệ số tính đến sự thay đổi của tải trọng
- Kiểm tra bánh xe về sức bền dập.
Kiểm tra bánh xe theo ứng suất dập trong trờng hợp bánh xe và ray tiếp xúc
đờng theo công thức[2]:
12
[ ]
d
d
r.b
E.P
.418,0
=
Trong đó:
P : áp lực tơng đơng của bánh xe lên ray
b, r : Bề rộng mặt làm việc và bán kính bánh xe
E : Môđun đàn hồi của vật liệu làm ray và bánh xe [1]
21
21
EE
E.E.2

E
+
=
E
1
, E
2
: Môđun đàn hồi vật liệu bánh xe và vật liệu ray
Đối với bánh xe bằng thép (E = 2,1.10
5
N/mm
2
)[1]:
[ ]
d
d
r.b
P
.190
=
Trong trờng hợp cần thiết thay đổi lại các kích thớc, vật liệu, nhiệt luyện
của bánh xe và ray cho phù hợp.
2) Chọn sơ bộ động cơ điện.
Với cùng cờng độ CĐ% tơng ứng với chế độ làm việc của cơ cấu, động cơ
đợc chọn có công suất danh nghĩa bằng hoặc lớn hơn công suất tĩnh N
t
tính
theo công thức:
dc
t

t
.1000.60
v.W
N

=
Trong đó:
W
t
: Tổng lực cản tĩnh khi chuyển động ổn định
v : Vận tốc di chuyển của xe lăn
dc

: Hiệu suất của động cơ
Động cơ chọn phải bảo đảm khi mở máy trong mọi điều kiện vẫn có hệ số
an toàn bám k
b
1,2
3) Tính tỉ số truyền của bộ truyền
bx
dc
dc
n
n
i =
Trong đó:
n
dc
: Số vòng quay danh nghĩa của động cơ đã chọn vg/ph.
13

n
bx
: Số vòng quay yêu cầu của bánh xe để đảm bảo vận tốc cho tr-
ớc v (vg/ph). Đờng kính bánh xe là D
bx
thì:
bx
bx
D.
v
n

=
4) Kiểm nghiệm động cơ về mômen mở máy.
Từ yêu cầu về đảm bảo hệ số an toàn bám k
b
1,2 ta xác định gia tốc lớn
nhất cho phép trong trờng hợp lực bám ít nhất a
0max
theo công thức:
( )
0
t
bx
d
d
0
max0
W-
D

d
.f.G
2,1
.G
.
G
g
a +




=
Trong đó:
G
0
: Tổng áp lực lên các bánh dẫn khi không có vật nâng
: Hệ số bám của bánh xe vào ray
0
t
W
: Tổng lực cản tĩnh chuyển động xe lăn khi không có vật nâng
g : Gia tốc trọng trờng m/s
2
Tính thời gian mở máy theo công thức:
max0
0
nt
a.60
v

t =
Tính mômen mở máy lớn nhất M
0
m
theo công thức[2]:
0
m
1i
2
ii
dc
0
m
2
m
1
2
bx0
dcdc
bx
0
t
0
m
t.375
n.)D.G(.
.t.i.375
n.D.G
.i.2
D.W

M


+

+

=
Trong đó:

1i
2
ii
n.)D.G(
: Tổng các mômen vô lăng của các trục
Để đảm bảo an toàn bám, so sánh với mômen mở máy của động cơ M
m
(đc),
điều kiện cần có là: M
m
M
0
m
Nếu điều kiện trên đây không đảm bảo cần phải tăng số bánh dẫn hoặc
chọn lại động cơ khác có mômen mở máy nhỏ hơn và nếu công suất danh
nghĩa của động cơ đợc chọn nhỏ hơn công suất tĩnh tính toán (N
t
) thì phải
tiến hành kiểm tra động cơ về nhiệt theo công suất trung bình bình phơng.
5) Tính mômen phanh M

ph
với các điều chú ý để chọn và tính phanh.
6) Theo i
đc
tính đợc công suất cần truyền và các thông số khác tiến hành
tính toán thiết kế (hoặc chọn) bộ truyền
7) Tính các chi tiết còn lại trong cơ cấu di chuyển nh: trục truyền động, ổ
trục bánh xe
14
1.2 Cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu nâng.
Khi thiết kế một cơ cấu máy cần tiến hành qua nhiều bớc:
- Xây dựng, lựa chọn một trong nhiều phơng án về kết cấu
- Chọn loại và các kích thớc của chi tiết và cụm chi tiết theo tiêu chuẩn
hoặc theo dãy
- Tiến hành kiểm tra đặc tính của cơ cấu ở các trạng thái làm việc quan
trọng theo các quy định chung
- Tính và kiểm tra độ bền của các chi tiết
Cơ cấu nâng dùng để nâng hạ vật theo phơng thẳng đứng. Ngoại lực là
trọng lực và lực quán tính tác dụng lên vật nâng. Cơ cấu nâng có thể là một
bộ phận của máy hoặc là một máy làm việc độc lập. Theo cách truyền lực
phân ra:
- Tời cáp và tời xích với tang cuốn cáp hoặc puly ma sát
- Kích thanh răng, kích vít với truyền động bánh răng thanh răng hay truyền
động vít
- Kích thuỷ lực
Cơ cấu nâng quan trọng và đợc dùng phổ biến là tời cáp và tang cuốn cáp
Các số liệu cần biết trớc để tính toán thiết kế một cơ cấu nâng là:
- Tải trọng nâng Q, N
- Chiều cao nâng H, m
- Tốc độ nâng Vn, m/ph

- Chế độ làm việc của cơ cấu.
Trình tự tính toán thiết kế một cơ cấu nâng là[2]:
1) Lựa chọn sơ đồ cơ cấu cùng với những giải pháp về động học và kết cấu
2) Căn cứ vào sơ đồ luồn cáp đã chọn ở bớc 1, xác định bội suất palăng cáp,
lực căng cáp lớn nhất và chọn cáp
3) Xác định các kích thớc cơ bản của tang và puly
4) Tính số vòng quay yêu cầu của tang để đảm bảo tốc độ nâng V
n
vg/ph
T
n
t
d.
a.V
n

=
Trong đó:
a : Bội suất palăng
d
T
: Đờng kính của tang
5) Tính chọn động cơ điện và kiểm tra động cơ điện
Từ công suất cản tĩnh (kW) ta xác định đợc thời gian mở máy. Kiểm tra
động cơ phải thoả mãn điều kiện mở máy và điều kiện nhiệt độ của động cơ
15
Công suất cản tĩnh[2]:
0
n
t

.1000.60
V.Q
N

=
Trong đó:
V
n
: Vận tốc yêu cầu vg/ph
Q : Tải trọng nâng
: Hiệu suất của bộ truyền động
6) Theo công suất, tỷ số truyền chung yêu cầu, số vòng quay trục vào, chế
độ làm việc của cơ cấu, tiến hành thiết kế (hoặc chọn) hệ thống truyền động
Tỷ số truyền chung yêu cầu:
t
dc
n
n
i =
Trong đó:
n
đc
: Số vòng quay dang nghĩa của động cơ vg/ph
n
t
: Số vòng quay của tang vg/ph
7) Tính mômen phanh, chọn phanh và kiểm tra gia tốc phanh
8) Tính toán thiết kế các bộ phận chịu lực còn lại nh cụm móc treo, kẹp đầu
cáp trên tang, trục tang, gối đỡ trục tang vv
1.3 Cơ sở tính toán thiết kế và kiểm tra các thiết bị khác của cầu trục.

Tính toán và kiểm nghiệm bánh xe
- Xác định tải trọng lên bánh xe
- Tải trọng lớn nhất tác động lên bánh xe
Kiểm tra bánh xe theo ứng suất dập[2]:
R.B
E.P
.418,0
o
d
=
Trong đó:
P : áp lực tơng đơng của bánh xe lên ray. (N);
E : Mô đun đàn hồi của vật liệu làm ray và bánh xe.(N/mm
2
);
B
0
,R : Bề rộng mặt làm việc và bán kính bánh xe.(mm);
ứng suất
d
không vợt quá ứng suất cho phép
N
][
Tính toán và kiểm nghiệm bánh răng
Chọn bánh răng sao cho đảm bảo tỉ số truyền và đủ bền
Mô men xoắn trên trục bánh răng M
w
16
ứng suất uốn tại tiết diện nguy hiểm [10]
ybmz

M4.6

2
t1
w
b


=
Trong đó:
M
w
: Mômen tính toán lên bánh răng
z
1
: Số răng của bánh răng
m
t
: Môđun của bánh răng
b : Chiều rộng bánh răng
y : Hệ số hình dạng răng
: Hệ số vận tốc
ứng suất uốn cho phép[10]:

[ ]
nm
cyp
b

c

=
Trong đó:
c : Hệ số chuyển đổi
c

: Hệ số điều kiện làm việc
m

: Hệ số ổn định của vật liệu
n

: Hệ số độ tin cậy làm việc
Ta phải kiểm tra:
[ ]
bb


Sự đứng vững của cầu trục ( sự ổn định của cầu trục)
Để làm việc an toàn phải đảm bảo cho nó đứng vững, cần tránh trớc bất kì
khả năng nào có thể làm cho nó bị lật đổ kể cả trong những điều kiện đặt tải
bất lợi nhất.
Chỉ số chỉ sự đứng vững (ổn định) là tỷ số giữa mômen chống lật M
cl
và
mômen lật M
l

l
cl
1
M
M
k =

k
1
1,15 khi có tính tải trọng phụ
k
1
1,14 khi không tính tải trọng phụ
Khi không mang vật nâng: lật do gió k
g
1,15
Tính chọn hộp giảm tốc
Yêu cầu:
- Đảm bảo tỷ số truyền chung
17
- Mômen xoắn cho phép trên trục quay chậm của hộp giảm tốc [M
or
]
Mô men xoắn tại trục chậm hộp giảm tốc
or
thì [M
or
] >
or
c

t
or
M2
M


=
Tính toán chọn động cơ điện
1) Khi làm việc với chế độ làm việc thực động cơ không bị nóng quá giới
hạn cho phép.
2) Mômen mở máy của động cơ phải đủ để khởi động máy với gia tốc cho
trớc song công suất động cơ cũng không đợc chọn quá lớn sẽ gây gia tốc
lớn ảnh hởng không tốt đến hoạt động của bộ máy.
N
dc
> N
tyc
do thành phần momen cản động có giá trị tơng đối lớn do khối l-
ợng của hệ thống khởi động rất lớn, động cơ phải đủ công suất nhất là phải
có momen mở máy đủ cao để đảm bảo khởi động hệ thống với gia tốc trong
phạm vi cho phép. Vì vậy chọn động cơ cho máy di chuyển với công suất
danh nghĩa xấp xỉ lớn hơn công suất tĩnh yêu cầu là đủ không cần tính công
suất trung bình phơng. Với máy nâng hạ khi ta chọn giá trị N
dc
N
tyc
cũng
có thể chấp nhận đợc.
Công suất tĩnh của động cơ P
st

[2]:
( )
o
1
st

VGQ.g2
P
+
=
Trong đó:
V : Vận tốc làm việc yêu cầu
o

: Hiệu suất của bộ truyền
Q, G
n
: Trọng lợng máy và trọng lợng hàng nâng
Tang tời
Dùng để cuốn cáp, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến để
nâng hạ hoặc kéo, di chuyển vật. Ưu điểm chủ yếu của tang có rãnh xoắn là
dây cáp cuốn theo đờng rãnh xoắn trên tang do đó đợc cuốn rất đều không
bị chồng chéo lên nhau tránh đợc kẹt nối cáp trong lúc làm việc.
Để kiểm tra ứng suất nén thì chiều dày tang tời chiều dày cho phép []

nmax
[
n
]
ứng suất uốn và xoắn có trị số nhỏ hơn nhiều so với ứng suất nén nên thực

tế thờng kiểm tra ứng suất nén.
Dây cáp thép
18
Dây cáp thép đợc chế tạo bằng các sợi thép có thành phần cácbon cao, gia
công bằng phơng pháp kéo nguội chuốt đi chuốt lại nhiều lần do đó giới
hạn bền của các sợi dây thép này có thể đạt tới 250 kG/mm
2
. với các sợi
thép có giới hạn bền thấp cáp mềm, cáp mà cứng khi cuốn qua ròng rọc
hoặc tang sẽ bị uốn lớn dẫn đến giảm tuổi thọ của cáp.
Để chống gỉ, chống lại sự ăn mòn của nớc biển và các hoá chất khác ngời ta
còn tiến hành mạ kẽm cho các sợi thép. Ngời ta còn có thể bọc kín cáp tạo
nhẵn bề mặt ngăn cát bụi giảm ma sát tăng khả năng chịu lực của cáp hoặc
bôi trơn chống gỉ bề mặt.
Tính toán cáp
max
d
S
S
k
k : Hệ số an toàn bền
S
đ
: Lực kéo đứt cáp
S
max
: Lực kéo tối đa khi cáp làm việc [1]
Tuổi thọ của cáp phụ thuộc rất nhiều vào số lần cáp bị uốn khi vòng qua
ròng rọc hay tang trong quá trình sử dụng, phụ thuộc vào độ mòn, phụ
thuộc vào đờng kính của ròng rọc hay tang. Đờng kính của ròng rọc hay

tang càng nhỏ thì dây cáp càng chóng hỏng[2]
D (16 ữ 30).d
c
Dấu hiệu cáp bị hỏng: các sợi thép bị đứt nổ, số sợi cáp bị đứt trên một bớc
bện của cáp vợt quá giá trị số cho phép thì phải thay cáp.
Tính và chọn dây cáp:
Lực căng lớn nhất xuất hiện ở nhánh dây cáp cuốn lên tang khi nâng vật S
[10]:
n
n1
m2
81.9)GQ(
S

+
=
Cáp có u điểm và đợc sử dụng rộng rãi hơn chão, xích. Xích vẫn đợc sử
dụng làm bộ phận kéo cho bộ phận máy nâng trong những trờng hợp thích
hợp. Khi dùng xích, đĩa xích chủ động nhỏ hơn đờng kính tang tời cáp làm
cho mômen tải nhỏ. Tỷ số truyền, kích thớc và trọng lợng của cơ cấu truyền
động nhỏ đi nhiều. Khi nâng, vận chuyển các vật nóng ở nhiệt độ cao của
vật nâng và không khí xung quanh ảnh hởng có hại cho sức bền và tuổi thọ
của cáp thép. Cho nên trong trờng hợp này ngời ta không sử dụng cáp thép
mà sử dụng các loại xích.
19
Nhận xét : Trong tính toán thiết kế cầu trục theo phơng pháp thông thờng
các tải trọng đợc sử dụng để tính toán thiết kế hay để kiểm tra là các tải
trọng tĩnh. Khi xét đến ảnh hởng của tải trọng động thì chỉ xét thông qua
các hệ số thực nghiệm cho nên kết quả tính toán tải trọng động không đợc
chính xác và thuyết phục. Vì vậy tôi đã sử dụng phơng trình Lagrange loại

2 để tính toán đợc chính xác các tải trọng động xuất hiện trong quá trình
chuyển động của cầu trục từ đó có thể kiểm tra hay thiết kế cầu trục.
2. Tính toán động lực học cầu trục cầu trục chân dê đập tràn tải trọng
nâng 2x25 tấn của công trình thuỷ điện Sê San.
2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán động lực học cầu trục.
2.1.1. Phơng trình Lagrange loại 2.
Phơng trình Lagrange loại hai là phơng trình vi phân chuyển động của các
chất điểm và các vật rắn hôlônôm. Số phơng trình đúng bằng số bậc tự do
của hệ.
Xét hệ hôlônôm gồm n chất điểm và có f bậc tự do. Nh thế cơ hệ xác định
bởi f toạ độ suy rộng đủ: q
1
, q2,, q
n
.
Ta có:
)f, ,1i(0Q
q
T
q
T
dt
d
i
ii
==

Trong đó Q
i
là các toạ độ suy rộng. Nếu cơ hệ có các lực thế thì lực suy
rộng Q
i
đợc tính theo công thức [8]:
*
i
i
i
Q
q
Q +


=
Trong đó
*
i
Q

là lực suy rộng ứng với các lực không thế
Trong trờng hợp lực tác dụng lên cơ hệ đều là lực có thế thì
*
i
Q
= 0.
Khi đó phơng trình Lagrange loại hai có dạng
)f, ,1i(
qq
T
q
T
dt
d
iii
=


=

Phơng trình Lagrange loại hai cho các chất điểm chịu lực có thế và lực
không thế là:
)f, ,1i(Q
qq
T
q
T
dt
d
*
i
iii
=+


=

Biểu thức lực suy rộng Q có thể viết [7]:
Q
*
= Q
c
+ Q
d

20
Trong đó:
Q
d
: Lực suy rộng của lực phát động, nếu động cơ có khấu ra là khâu quay
thì : Q
d
= M
d
(M
d
là mômen của động cơ)
Q
c
: Lực suy rộng của các lực tác dụng lên bộ phận cơ gồm các lực cản có
ích, lực cản vô ích và các trọng lợng.
2.1.2. Đặc trng động học của cơ cấu.
2.1.2.1. Mômen quán tính quy dẫn.

Để tiến hành các bớc tính toán ở trên, cần phải xác định các tải trọng tác
dụng lên cơ cấu. Tải trọng lớn nhất tác dụng lên cơ cấu máy nâng xuất hiện
trong thời kỳ làm việc không ổn định (mở máy hoặc phanh). Các máy nâng
làm việc theo chế độ ngắn hạn lặp lại, có nghĩa là đóng mở máy thờng
xuyên. ở thời kỳ này ngoài các tải trọng tĩnh còn có tải trọng động phát
sinh trong cơ cấu.
Các tải trọng tĩnh mà cụ thể là các mômen cản tĩnh trong cơ cấu đợc xác
định từ các ngoại lực Để xác định các mômen động xuất hiện trong thời kỳ
chuyển động không ổn định cần phải thiết lập các sơ đồ tính động lực học
máy, sau đó lập và giải phơng trình của hệ thống.
Một cơ cấu hoạt động cùng với kết cấu kim loại của máy có thể coi nh một
hệ gồm nhiều khối lợng đợc liên kết với nhau bởi các khâu đàn hồi. Ví dụ
có thể xem vật nâng, xe lăn, rôto động cơ điện, bánh xe, là các khối lợng
tập trung còn các liên kết đàn hồi là trục, dây cáp, các thanh dầm vvTrong
trờng hợp này sẽ xuất hiện dao động đàn hồi tơng đối giữa các khối lợng
với nhau, khi này sẽ xuất hiện tải trọng động và ngời ta gọi là tải trọng động
đàn hồi. Đặc tính dao động và đờng biểu diễn sự thay đổi giữa các tải trọng
đàn hồi theo thời gian chịu ảnh hởng rất lớn của ngoại tải cũng nh cách thức
điều khiển động cơ dẫn động cơ cấu. Trong tính toán các cơ cấu máy, để
đơn giản, hiện nay ngời ta sử dụng sơ đồ tính đơn giản nhất là sơ đồ một
khối chịu tác động của tải trọng bên ngoài. Trong sơ đồ không tính đến các
chuyển vị đàn hồi tơng đối giữa các bộ phận với nhau. Với sơ đồ này cho
phép xác định đợc quy luật chuyển động của tâm khối lợng của cơ cấu. Tải
trọng động đợc xác định không tính đến độ đàn hồi của các bộ phận cơ cấu
đợc gọi là tải trọng động quán tính. Khi khảo sát sơ đồ một khối lợng, các
khối lợng tham gia chuyển động tịnh tiến và các khối lợng tham gia chuyển
động quay trong cơ cấu đợc thay thế bằng một khối lợng quy dẫn. Cơ sở
của việc quy dẫn này là động năng của cơ cấu và động năng của hệ quy
dẫn, có tính đến tổn thất do lực ma sát thông qua đại lợng hiệu suất, tơng đ-
ơng bằng nhau[1].

21
Hình 2.1 : Sơ đồ cơ cấu nâng
a) Các khối lợng phân bố trên các trục
b) Quy dẫn khối lợng về trục động cơ
Giả sử cần xác định mômen quán tính quy dẫn về trục động cơ trong quá
trình mở máy cơ cấu nâng hình(2.1), phơng trình cơ bản cân bằng năng l-
ợng sẽ là:

==
+=

=
w
1u
mu
k
1i
ji00
EE
2
.JE

Từ phơng trình trên có mômen quán tính quy dẫn quy về trục quay nhanh 1
(trục động cơ)

==

+

+=

1,u
2
2
u
w
1u
u
k
2i
1
1,u
2
i10
.).(m.)
2
(JJJ


Với
1j,j
1i
1j
1,i
i
1
ii

+

=
==





1j,j
1i
1j
1,i
i
+

=
=
,
1j,j
1u
1j
1,u
i
+

=
=
Trong đó:
E

0
, E
ji
, E
mu
: Năng lợng của hệ, vật quay, vật tịnh tiến.
J
1
, J
i
: Mômen quán tính của các tiết máy quay trên trục 1, trục i
22
21
,

: Tốc độ góc của trục 1 hoặc trục i
1j,j
i
+
: Tỷ số truyền giữa trục j và trục j + 1
k : Tổng số trục trong hệ thống
m
u
: Khối lợng tịnh tiến thứ u
u


: Tốc độ chuyển động của khối u
W : Tổng số các khối lợng chuyển động tịnh tiến trong hệ thống
Dấu của mũ hiệu suất sẽ là:

Dơng khi :
0.M
11
<

Âm khi :
0.M
11
>

Mômen quán tính quy dẫn về trục 1 cơ cấu nâng trên hình(2.1) sẽ là:
Khi mở máy nâng vật:
0
2
0
2
T
1q0
.i
1
.
4
d
.mJJ

+=
Trong đó:
3,22,1
2
3,2

2
2,1
3
2,1
2
2,1
211q
i.i
1
.J
.i
1
.JJJ

+

+=
i
0
= i
1,2
.i
2,3
.a = i
g
.a

0
=
1,2

.
2,3
.
T
.
P
Khi phanh hạ vật:
2
0
0
2
T
1q
_
0
i
.
4
d
.mJJ

+=
Với
2
3,2
2
2,1
3,22,1
3
2

2,1
2,1
211q
i.i
.
.J
i
.JJJ

+

+=
Trong đó:
i
g
,
g
: Tỷ số truyền và hiệu suất truyền động của hộp giảm tốc
d
T
,
T
: Đờng kính, hiệu suất tang
a,
p

: Bội suất palăng cáp và hiệu suất của nó
23
1q1q
J,J

: Mômen quán tính quy dẫn các khối lợng quay của hệ thống
quy về trục 1, thời kỳ mở máy hoặc phanh
Trong J
1
tính cả mômen quán tính của rôto động cơ điện. Ngoài ra để giảm
bớt khối lợng tính toán, thờng khi tính mômen quán tính quy dẫn các khối
lợng quay ngời ta chỉ tính J
1
rồi nhân với hệ số = 1,1 ữ 1,3 [1] để tính đến
quán tính các khối lợng quay đặt sau trục 1. Giá trị tăng khi tỷ số truyền
chung giảm[1]
.JJJ
11q1q
Trong các sổ tay và Catalog, nhiều khi ngời ta không cho giá trị mômen
quán tính J mà cho giá trị mômen đà (mômen vôlăng) của các tiết máy
quay, ký hiệu là GD
2
, N.m
2
. Quan hệ giữa hai đại lợng này là [1] :
g4
GD
J
2
=
Trong đó:
G : Trọng lợng, N
D : Đờng kính quán tính của vật quay, m
G : Gia tốc trọng trờng, m/s
2

Để thuận tiện tính toán, ta có thể dùng đại lợng mômen đà quy dẫn về trục
1 suy ra từ các quan hệ trên [1] :


+=
0
2
0
2
T
1
22
.i
d.Q
)GD(.GD


+=
2
0
0
2
T
1
22
i
.d.Q
)GD(.DG
Trong đó:

1
2
)GD(
: Tổng mômen đà các khối lợng quay trên trục 1 (rôto động cơ
điện, khớp nối, bánh phanh, bánh răng vv).
Trong phép tính động lực học để xác định lực trong dây cáp cơ cấu nâng,
các khối lợng chuyển động đợc quy dẫn về vật nâng và theo chiều chuyển
động tịnh tiến của vật nâng. Từ phơng trình cân bằng năng lợng có thể nhận
đợc những biểu thức tính khối lợng quy dẫn về vật nâng tơng ứng trong các
quá trình mở máy và quá trình phanh nh sau:
24
0
2
T
2
01
2
0
.d.g
i.)GD(.
mm


+=

2
T
0
2
01

2
0
d.g
.i.)GD(.
mm


+=
Các công thức tính mômen đà quy dẫn đối với cơ cấu di chuyển, cơ cấu
quay và cơ cấu nâng có thể xác định tơng tự cơ cấu nâng theo các công
thức tổng quát trên.
2.1.2.2. Các mômen trong một pha làm việc.
Các mômen đợc truyền dẫn trong một cơ cấu có thể xác định một cách
riêng rẽ từng đại lợng một từ các lực tác dụng vào cơ cấu, sau đó sẽ hợp các
mômen lại trong từng pha làm việc. Các mômen này phụ thuộc vào rất
nhiều các tham số ví dụ nh: vị trí trong cơ cấu, thời gian (pha làm việc),
chất tải (loại và độ lớn của ngoại lực cũng nh các khối lợng chuyển động),
hớng của dòng năng lợng (dẫn động hay phanh).
Khi xác định tải tác dụng lên động cơ hoặc phanh, cần quy dẫn các mômen
tải về trục động cơ hoặc trục đặt phanh. Tơng tự để tính một chi tiết hoặc
cụm chi tiết trên trục nào đó cần phải quy dẫn mômen tải về trục đó.
a) Mômen tĩnh.
Mômen cản tĩnh M
t
là mômen do các ngoại lực tác động vào cơ cấu sinh ra.
Các ngoại lực đó là trọng lực, lực ma sát, lực gió v.v Các lực này thờng
phân bố ngẫu nhiên vì vậy để đảm bảo mô tả đúng khi tính toán, chúng đợc
phân ra trong các trờng hợp tải trọng khác nhau. Khi tính toán cơ bản các
cơ cấu, coi các ngoại lực này là hằng số và độ lớn lấy giá trị danh nghĩa.
Các ngoại lực này sinh ra các mômen quay trên các chi tiết của cơ cấu.

Hình 2.2: Lực và mômen quay ở các chi tiết của cơ cấu
25