THIẾT KẾ CẦU TRỤC HAI DẦM SỨC NÂNG Q=20T, KHẨU ĐỘ L=28M

SVTK: Phạm Đức Quốc GVHD:Nguyễn Danh Chấn
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ
MINH
KHOA CƠ KHÍ
THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP
Đề tài :
.4.1.1.1.1 THIẾT KẾ CẦU TRỤC HAI DẦM SỨC
NÂNG Q=20T, KHẨU ĐỘ L=28M
GVHD : Nguyễn Danh Chấn
SVTH : Phạm Đư
́
c Quô
́
c
Lớp : MX05
Khoa : Cơ Khí
Tp.Hồ Chí Minh, Tháng 05/2008
- 1 -



SVTK: Phạm Đức Quốc GVHD:Nguyễn Danh Chấn
MỤC LỤC
1 Giới thiệu chung kết cấu thép cầu trục............................................1
2 Các thông số cơ bản kết cấu thép....................................................2
3 Đặc trưng hình học cua tiết diện......................................................5
3.1 Dầm chính ...................................................................................5
3.2 Dầu dầm chính và dầm đầu..........................................................5
4 Các Tải Trọng Tính.........................................................................6
4.1 Tải trọng không di động...............................................................7

4.2 Tải trọng di động..........................................................................8
5 Xác Định Nội Lực Trong Kết Cấu Thép.......................................10
6 Kiểm Tra Bền Cho Dầm Chính.....................................................13
7 Kiểm Tra Chân Cầu trục................................................................18
8. Kiểm Tra Ưùng Suất Tiếp…………………………………... …20
9. Kiểm Tra Độ Võng Của Dầm………………………………….21
10. Kiểm Tra Ổn Định…………………………………………….21
11. Tính Mối Ghép Hàn………………………………………….26
12 Tính Độ Bền Của Ray Dưới Xe Lăn………………………….27
13 Thanh Giằng Chân Cầu Trục………………………………….30
14. Tính Ổn Định Của Cầu Trục………………………………….31
TÍNH TỐN KẾT CẤU THÉP
1. Sơ Lược Về Vật Liệu Và Cấu Tạo Kết Cấu Của Cầu Trục
1.1 Giới thiệu chung kết cấu thép:
Kết cấu thép là các kết cấu chịu lực của công trình làm bằng thép hoặc
bằng kim loại khác nói chung. Kết cấu thép ngày càng được sử dụng rộng rãi
trong ngành công nghiệp hiện đại . Chính là nhờ kết cấu thép có những ưu
điểm nổi bật: bền, gọn nhẹ, năng động dễ lắp ráp hoặc vận chuyển, tính công
nghiệp hóa cao, không thấm nước, chất lỏng và không khí. Bên cạnh đó khi
làm việc trong không khí ẩm, hay nhiệt độ cao thì cần quét thêm lớp sơn
chống rỉ, chống cháy hoặc lớp bêtông bảo vệ bên ngồi.
Phạm vi sử dụng của kết cấu thép rất rộng rãi: trong xây dựng nhà cửa,
cầu đường, trong các kết cấu khung tháp cao, dùng làm bể chứa… và đặt
biệt là dùng trong khung sàn, bệ đỡ của các máy nâng chuyển…
Khi sử dụng kết cấu thép phải đáp ứng các yêu cầu về độ bền, độ cứng
khả năng chịu lực. Hình dáng kết cấu phải hợp lí và tính thẩm mỹ cao. Về
mặt kinh tế thì kết cấu thép phải đảm bảo tiết kiệm vật liệu, tính công nghệ
- 2 -
SVTK: Phạm Đức Quốc GVHD:Nguyễn Danh Chấn
khi chế tạo và tính lắp ráp cơ động. Chính vì thế ta phải tính tốn kết cấu thép

để so sánh với máy mẫu và tìm ra kết cấu hợp lí nhất, tiết kiệm nhất.
Các thông số kĩ thuật cơ bản vật liệu chế tạo:
- Khẩu độ : L = 28m
- Sức nâng : Q = 20T
- Chiều cao nâng : H = 10 m
- Trọng lượng cầu :G=22T
- Vận tốc nâng :Vn=20m/phút
- Tốc độ di chuyển cổng : v
dc
= 60 m/ph
- Tốc độ di chuyển xe con : v
*
dc
= 30m/ph
1.2.Chọn vật liệu chế tạo:
- Kết cấu kim loại của máy trục là phần chiếm nhiều kim lọai nhất trong tồn
bộ máy trục. Vì thế để có khối lượng máy trục hợp lý cần phải thiết kế và
tính tốn đúng phần kết cấu kim lọai của nó.
- Khối lượng kim lọai dùng cho kết cấu kim lọai chiếm 60÷80% khối lượng
kim loại của tồn bộ máy trục, có khi còn hơn nữa. Vì vậy việc chọn kim lọai
thích hợp cho kết cấu kim lọai để sử dụng chúng một cách tinh tế nhất là rất
quan trọng. Ngồi việc phải đảm bảo độ bền khi làm việc, kết cấu kim lọai
cần phải dễ gia công, có giá thành thấp, diện tích chịu gió nhỏ, bề mặt ngòai
của kết cấu cần phẳng để dể đánh rỉ và dể sơn.
- Kết cấu kim lọai cổng trục phần lớn dùng thép tấm, có thể liên kết với nhau
bằng hàn hay đinh tán. Vì mối ghép hàn gia công nhanh và rẻ được sử dụng
rộng rãi nên ta chọn cách gia công này.
Vật liệu dùng để chế tạo kết cấu thép rất đa dạng như là thép cácbon
(gồm: thép cácbon thấp, trung bình và cácbon cao) hay thép hợp kim…
Trong chế tạo kết cấu kim loại máy trục người ta sử dụng chủ yếu thép

cácbon trung bình ( CT
3
) có cơ tính như sau:
+ Môđun đàn hồi : E = 2,1.10
6
KG/cm
2
.
+ Môđun đàn hồi trượt : G = 0,81.10
6
KG/cm
2
.
+ Giới hạn chảy : σ
ch
= 2800 KG/cm
2
.
+ Độ giãn dài khi đứt : ε = 21%.
+ Khối lượng riêng : γ = 7,83 T/m
3
.
+ Giới hạn bền : σ
b
= 4200 kG/cm
2
.
+ Độ dai va đập : a
k
= 100 J/cm

2
.
+ Độ bền cơ học đảm bảo.
+ Tính dẻo cao.
+ Tính hàn tốt ( dễ hàn ).
Đối với các thanh phụ không chịu tải, dàn bảo vệ, tay vịn, sàn lát… có
thể dùng thép CT
0
,CT
1
,CT
2
.
- 3 -
SVTK: Phạm Đức Quốc GVHD:Nguyễn Danh Chấn
1.3 Cấu tạo.
Cầu trục gồm 2 dầm ngang kiểu hộp. Dầm được tựa trên các chân đỡ là
các chân của cổng .Ở chân cổng, phía trên có thanh dằng, phía dưới có liên
kết với dầm để đặt hệ thống thủy lực và động cơ diezen.
2. Các Thông Số Kích Thước Cơ Bản Kết Cấu Thép:
- Theo dự kiến thiết kế ban đầu thì cầu sẽ gồm hai dầm hộp. Ray di chuyển
cho xe lăn sẽ bố trí ở thành trên của dầm.
- Mặt trên của cầu sẽ kết hợp làm sàn kiểm tra. Khoảng cách giữa hai dầm
phải tính sao cho cầu đủ ổn định trong mặt phẳng ngang do tác dụng của tải
trọng lệch, vừa phải phù hợp với kích thước của xe lăn và giằng dầm.
- Mục đích cuối cùng là chọn kết cấu nhỏ gọn mà vẫn đủ khả năng làm
việc.
2.1.Các kích thước cơ bản của dầm chính.
- Do hai dầm giống nhau nên ở phần này ta chỉ trình bày kích thước đặc
trưng của một dầm.

- Ta chọn sơ bộ các kích thước sau:
Chiều dài dầm: L = 28m.
Chiều cao của dầm lấy trong giới hạn: h=
28
20
1
10
1
20
1
10
1






÷=






÷
L
Chọn h=1800m
Chiều dày tấm thành:δ
t

=6mm
Chiều dày của thành biên: δ
b
=27mm.
Chiều cao của thành dầm: h
t
=(h-2.δ)=900mm.
Bề rộng tấm biên : B= (0,33
÷
0,5).H=(594
÷
900)
Chọn B = 680mm
Chiều dài đoạn nghiêng : C= ( 0,1
÷
0,2).L=2800
÷
5600
Chọn C=4000mm
- 4 -
SVTK: Phạm Đức Quốc GVHD:Nguyễn Danh Chấn
27
6
10
600
680
1800
Hình 24: Dầm chính.
2.2Các kích thước cơ bản của đầu dầm chính:
27

12
16
460
900
Hình 25: Dầm dưới.
2.3. Các kích thước cơ bản của dầm đầu.
- 5 -
SVTK: Phạm Đức Quốc GVHD:Nguyễn Danh Chấn
27
6
10
1800
600
680
Hình 26: Chân cổng phía trên.
3. Đặc Trưng Hình Học Của Tiết Diện:
3.1 Dầm chính
- Tấm biên trên và biên dưới được chế tạo từ các tấm thép có chiều dày
16mm, chiều dài 7000mm và chiều rộng 1400mm.
- Tấm thành được chế tạo từ các tấm thép có chiều dày 12mm, chiều dài
7000mm và chiều rộng 1800mm.
- Momen quán tính của tiết diện:
12
.1768
.2)
2
680.(.2
12
.
.2

2
3
2
1
1
3
1
δδ
δ
+++=
F
B
J
o
x
J
x
=
( )
( )
12
1768.12
.2892.16.680.2
12
12.680
.2
3
2
3
++

J
x
=2,84.10
10
mm
4
.
12
.
.2)
2
270.(.2
12
.1768
.2
1
3
2
2
2
3
2
δ
δδ
o
y
B
FJ
+++=
J

y
=
( )
( )
( )
12
680.16
.2303.1768.12.2
12
12.1768
.2
3
2
3
++
J
y
=0,47.10
10
mm
4
- Momen chống uốn của tiết diện:
- 6 -
SVTK: Phạm Đức Quốc GVHD:Nguyễn Danh Chấn
W
x
=
1800
10.84,2.2
10

=
H
J
x
W
x
=31,56.10
6
mm
3
W
y
=
680
10.47,0.2
10
=
B
J
y
W
y
=13,8.10
6
mm
3
.
3.1 Đầu dầm chính và dầm đầu
- Dầm đầu có kết cấu hộp giống như dầm chính, chiều dài dầm đầu là
1800mm, chiều cao la 900mm và cũng được chế tạo từ các tấm thép

giống như dầm chính.
- Momen quán tính của tiết diện:
12
.868
.2)
2
900.(.2
12
.
.2
2
3
2
1
1
3
1
δδ
δ
+++=
F
B
J
o
x
J
x
=
( )
( )

12
868.12
.2442.16.500.2
12
16.500
.2
3
2
3
++
J
x
=0,44.10
10
mm
4
.
12
.
.2)
2
270.(.2
12
.868
.2
1
3
2
2
2

3
2
δ
δδ
o
y
B
FJ
+++=
J
y
=
( )
( )
( )
12
500.16
.2236.868.12.2
12
12.868
.2
3
2
3
++
J
y
=0,15.10
10
mm

4
- Momen chống uốn của tiết diện:
W
x
=
900
10.44,0.2
10
=
H
J
x
W
x
=9,8.10
6
mm
3
W
y
=
500
10.15,0.2
9
=
B
J
y
W
y

=6.10
6
mm
3
.
- 7 -
SVTK: Phạm Đức Quốc GVHD:Nguyễn Danh Chấn
4. Các Tải Trọng Tính:
Kết cấu kim lọai của cổng trục chịu các lọai tải trọng: tải trọng không di
động, tải trọng di động, lực quán tính, tải trọng lệch do phân bố tải không
đều.
Bảng 3: Bảng tổ hợp tải trọng.
Loại tải trọng
Tính theo độ bền
mỏi
Tính theo bền và ổn
định.
[σ]
rk
=
I
rk
n
σ
[σ]=
II
c
n
σ
Tổ hợp tải trọng

I
a
I
b
II
a
II
b
II
c
Tải trọng bản thân cấu kiện G G k
'
T
.G G k
T
.G G
Trọng lượng xe con: G
x
G
x
k
'
T
.G
x
G
x
k
T
.G

x
G
x
Trọng lượng hàng kể cả thiết bị
mang hàng
ψ
I
.Q
tđ
k
'
T
.Q
tđ
ψ
II
.Q
k
T
.Q Q
Lực quán tính khi hãm cầu trục và xe
con
P
qt
P
qt
max
P
x
qt

Chú thích:
- Các trường hợp tải trọng tương ứng sự làm việc của cần trục như sau:
• I
a
,II
a
: Cầu trục đứng yên, nâng hàng từ mặt nền hoặc hãm khi đang hạ
hàng với nửa tốc độ(I
a
) và cả tốc độ(II
a
).
• I
b
,II
b
: Cầu trục mang hàng di chuyển tiến hành phanh cầu trục từ từ(I
b
)
và phanh đột ngột (IIb).
• II
c
: Cầu trục đứng yên, khởi động hoặc hãm xe con mang hàng trên
cầu. Trường hợp này dùng để tính dầm đầu.
- Trong trường hợp này ta sẽ tính kết cấu kim loại cầu trục theo độ bền và
ổn định.
- Với các trường hợp cần phải tính là II
a
,II
b

,II
c
4.1. Tải trọng không di động.
- Tải này do trọng lượng bản thân kết cấu kim lọai, của sàn lát,hàng rào kiểm
tra, ray, trục truyền của cơ cấu di chuyển… được xem như phân bố đều dọc
- 8 -
SVTK: Phạm Đức Quốc GVHD:Nguyễn Danh Chấn
theo chiều dài của kết cấu. Còn tải trọng của cơ cấu di chuyển cầu, buồng lái
và các thiết bị điện được xem như tập trung tại điểm đặt của nó.
- Vì có hiện tượng va đập trong quá trình di chuyển trên đường ray có mối
nối, nên tải trọng do trọng lượng bản thân kết cấu kim lọai, của sàn lát, ray
phải tính đến ảnh hưởng của hiện tượng va đập.
- Tải trọng không di động xem như phân bố đều dọc theo chiều dài của dầm
và được xác định như sau:
+ Khối lượng biên trên, biên dưới, bản thành:
m=2.20.7850.(0,6.0,012+1,3.0,008)=5526,4Kg
+ Khối lượng ray: 63,7Kg/m.
+ Trọng lượng phân bố của dầm chính:
q=k
1.






+=







+
7,63
20
2,1*4,5526
1,1
20
2,1*
ray
m
m
q=434,8 kG/m.
Với K
1
=1,1: hệ số điều chỉnh kể đến hiện tượng va đập khi di chuyển theo
trang 96,[1] ứng với V
c
=60m/ph.
Sơ bộ tính trọng lượng bản thân dầm đầu cầu trục:
m
c
=2.5.7850.(0,3.0,012+0,868.0,008)
m
c
=683,2 kG.
=>q
c
=

5
2,683
=136,6 kG/m
4.2. Tải trọng di động.
- Các hệ số tải trọng:
- Hệ số va đập k
t
: theo [2]
k
t
= 1,2
- Hệ số động khi nâng hàng: theo [2]
ψ
II
= 1 + 0,04.v
n

= 1 + 0,04.20= 1,8
- Trọng lượng bản thân:
Trọng lượng bản thân của cầu trục (theo kinh nghiệm)
G = 31600 kG
- Trọng lượng bản thân cầu trục có kể đến hệ số va đập k
t

k
t
.G = 1,2 x 31600 = 37920 kG
- Trọng lượng xe con:
G
x

= 0,4 x Q = 0,4 x 25000 = 10000 kG
Trọng lượng xe con kể đến hệ số va đập k
t
:
k
t
.G
x
= 1,2 x 10000 = 12000 kG
- Trọng lượng hàng nâng có kể đến hệ số động ψ
II
:
ψ
II
.Q = 1,48 x 25000 = 37000 kG
Trọng lượng hàng nâng có kể đến hệ số va đập k
t
:
- 9 -
SVTK: Phạm Đức Quốc GVHD:Nguyễn Danh Chấn
=> k
t
.Q = 1,2 x 25000 = 30000 kG
- Lực quán tính khi di chuyển cầu trục có gia tốc:
Khi cần trục di chuyển có gia tốc ( khởi động , hãm , thay đổi vận tốc ) sẽ
làm phát sinh lực quán tính . Tải trọng quán tính lớn nhất có thể xảy ra trong
trường hợp này có phương trùng với phương chuyển động của cổng trục, có
giá trị được xác định bằng P
qt
max

.
t
v
GQP
c
cg
qt
.
+=
(1)
Trong đó :
v : vận tốc di chuyển cầu trục : v = 60m/ph
t : thời gian phanh cổng trục t = (3÷8 )s , ta chọn t = 4 s
G : trọng lượng cổng trục : 31600kG
Q : trọng lượng hàng: 25000 kG
kGP
cg
qt
14150
4.60
60
).3160025000(
=+=
khi gia tốc đột ngột: P
max
qt
= 2.P
cầu
pt
= 2.14150 = 28300 kG

- Lực quán tính của xe con mang hàng di chuyển trên dầm chính (tính
tương tự):
t
v
QGP
xecon
qt
).(
+=
(2)
Trong đó :
v : vận tốc di chuyển xe con: v = 25m/ph
t: thời gian phanh xe con t = (3÷8 )s , ta chọn t = 4 s
G : trọng lượng xe con : 10000 kG
Q : trọng lượng hàng: 25000 kG
)(3646
4.60
25
).1000025000( kGP
xecon
qt
=+=
P
xe con
qt
: có phương dọc theo dầm chính.
- Lực sườn R:
- Khi cầu trục di chuyển lệch trên đường ray sẽ xuất hiện lực sườn R.
Lực này đặt vào gờ bánh xe theo phương vuông góc với phương di
chuyển của cổng trục. Giá trị R được xác định : theo [5]

R=0,15xN
N: áp lực của một bánh xe cầu: 21400 kG
R=0,15x21400=3210 kG
5.Xác Định Nội Lực Trong Kết Cấu Thép.
- 10 -
SVTK: Phạm Đức Quốc GVHD:Nguyễn Danh Chấn
5.1.Xác định nội lực theo tổ hợp tải trọng IIa.
 Trường hợp xe con đặt ở giữa dầm là trường hợp nguy
hiểm khi tính cho dầm chính:
Các tải trọng tác dụng lên dầm:
q
dầm
= 434,8 kG/m
Q
hàng+xe
=25000.1,48+ 10000 = 47000 kG
R=47000
q=434,8
Hình 28: Các tải trọng tác dụng lên dầm.
Biểu đồ nội lực trong dầm:
Biểu đồ momen do các tải trọng thẳng đứng gây ra:
245800
308711
3253595
245800
308711
M
X
Q
Hình 30: Biểu đồ momen do các tải trọng thẳng đứng gây ra.

Biểu đồ momen do các tải trọng tác dụng ngang gây ra
5.2. Xác định nội lực của cầu trục theo tổ hợp IIb.
 Trường hợp xe con đặt ở giữa dầm là trường hợp nguy hiểm
khi tính cho dầm chính:
Sơ đồ tính:
- 11 -
SVTK: Phạm Đức Quốc GVHD:Nguyễn Danh Chấn

Hình 42: Sơ đồ tính do các tải trọng thẳng đứng gây ra
Xác định các phản lực liên kết do các tải trọng thẳng đứng gây ra:
H
A
=H
B
=
N2,381252
2
56100047,23.8042975,14.426.2
=
++
28200
374872,8
381252,2
M
374872,8
381252,2
N
422295
3423105,1
Q

374872,9
280500
28200
28200
Hình 43: Biểu đồ momen do các tải trọng thẳng đứng gây ra.
Biểu đồ momen do tải trọng tác dụng ngang gây ra trên dầm chính bao
gồm tải trọng gió, tải trọng quán tính do trọng lượng bản thân dầm, tải trọng
quán tính do trọng lượng xe con và vật nâng:
- 12 -
R=561000
q=8042
q=426