Thiết kế kết cấu thép cần của cần trục tháp kiểu tháp quay

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm qua ngành xây dựng Việt Nam đã co những bước tiến mạnh mẽ .
Tổng công ty xây dựng Việt Nam đã tập trung cho việc phát triển cơ sở hạ tầng là tối
quan trọng với mục tiêu phấn đấu trở thành nước phát triển về công nghiệp , đồng thời
cải tổ lại cơ cấu tổ chức hành chính , kỹ thuật cũng được quan tâm và thực hiện tốt .
Mục đích lớn nhất trong công cuộc xây dựng nền kinh tế quốc dân,việc cơ giới hố là
tối cần thiết vì nó có đủ khả năng giải phóng gần như hồn tồn sức lao động của nhân
dân, nó là cứu cánh để hồn thiện các qui trình sản xuất,tăng năng suất lao động xã hội.
Bên cạnh đó ngành xây dựng tăng cường hợp tác quan hệ, trao đổi với các nước công
nghiệp phát triển khác trên thế giới để hồ nhập vào xu hướng phát triển chung của
ngành xây dựng .
Vì lẽ đó mà ngành máy trục hiện nay được sử dụng khá rộng rãi với nhiều loại
khác nhau tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta thiết kế các loại máy chuyên dùng
khác nhau để phục vụ cho những mục đích khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế
trong công cuộc đổi mới trong việc phát triển xây dựng nền công nghiệp của nước
nhà .
Xuất phát từ những nhu cầu trên , đề tài này đi vào nghiên cứu về một loại máy
trục sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng hiện nay đó là cần trục tháp xây dựng .
Khi đi vào tính tốn thiết kế cần trục tháp không phải mặc nhiên mà tự thiết kế
hồn tồn cho nên từ nhiều tài liệu tham khảo,các loại sách hướng dẫn thiết kế môn
học.Nhưng vấn đề cần đưa ra ở đây là việc hữu ích và tầm quan trọng của cần trục tháp
trong phục vụ sản xuất và xây dựng công nghiệp.
Đây là bản thiết kế kết cấu thép cần của cần trục tháp kiểu tháp quay.Là một
sinh viên ,với kiến thức còn hạn chế bản thiết kế này không thể tránh những thiếu sót .
Em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô để có thể hồn thiện hơn . Em xin
chân thành cảm ơn quý thầy cô.
Tp.HCM- ngày 30 tháng 5 năm 2008
Sinh viên thực hiện.
HỒNG GIA ANH
Chương 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẦN

TRỤC


.1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC THIẾT BỊ NÂNG
HẠ PHỤC VỤ XÂY DỰNG
1.1.1 Giới thiệu chung:
− Cần trục tháp là loại cần trục có một thân tháp thường cao từ 30 ÷ 50,
hoặc cao hơn nữa (có thể đến 100 ÷ 120 m). Phía trên gần đỉnh tháp có gắn
cần dài từ 12 ÷ 50 m đôi khi đến 70m, được kết nối bằng chốt bản lề. Một
đầu cần còn lại được treo bằng cáp hoặc thanh kéo đi qua đỉnh tháp. Kết cấu
chung của cần trục tháp chủ yếu gồm 2 phần: phần quay và phần không
quay). Trên phần quay bố trí các cơ cấu công tác như: tời nâng vật, tời nâng
cần, tời kéo xe con, cơ cấu quay, đối trọng, trang thiết bị điện và các thiết bị
an tồn.
− Phần không quay có thể được đặt cố định trên nền hoặc có khả năng
di chuyển trên đường ray nhờ cơ cấu di chuyển. Tất cả các cơ cấu của cần
trụ được điều khiển bởi cabin treo trên cao gần đỉnh tháp phổ biến là loại
cabin được treo ở phần liên kết giữa cần tháp và cột tháp.
− Do có chiều cao nâng và tầm với lớn, có không gian phục vụ nâng
nhờ các chuyển động nâng hạ vật, thay đổi tầm với, quay tồn vòng và dịch
chuyển tồn bộ máy mà cần trục tháp được sử dụng rộng rãi trong các công
trình xây dựng dân dụng, xây dựng công nghiệp hoặc dùng để bốc dỡ, vận
chuyển hàng hóa, cấu kiện, vật liệu trên các kho bãi.
− Tuy nhiên do kết cấu phức tạp, tháp cao và nặng, tốn kém nhiều chi
phí trong quá trình tháo dỡ và lắp ráp, di chuyển, chuẩn bị mặt bằng nếu cần
tháp được yêu cần chỉ sử dụng ở nơi có khối lượng xây lắp tương đối lớn và
khi sử dụng cần trục tự hành là không đem lại hiệu quả kinh tế cao hoặc khả
năng đáp ứng yêu cầu về công việc thấp. Do tính chất làm việc của cần trục
tháp là luôn thay đổi địa điểm nên chúng thường được thiết kế sao cho dễ
tháo dỡ, dựng lắp và vận chuyển hoặc có khả năng tự dựng và được di

chuyển trên đường dưới dạng tổ hợp tồn máy. Điều này làm giảm đi được
chi phí và thời gian dựng lắp cần trục.
− Thông thường cần trục tháp được chế tạo có sức nâng từ 1 ÷ 12 (T) ,
cá biệt là có thể đến 75 (T), moment tải của cần trục đạt tới 350 t; m, tầm
với từ 8 ÷ 50, chiều cao nâng đến 100 ÷ 120(m). do có chiều cao nâng là rất
lớn nên tốc độ nâng sẽ bị hạn chế lại và nằm trong khoảng 0,32 ÷ 1m/s và
có thể thay đổi tốc độc theo cấp hoặc vô cấp.
− Tốc độ nâng hạ vật để điều chỉnh hàng thường là ≤ 8m/s, tốc độ quay
của cần từ 0,3 ÷ 1v/pt, thời gian thay đổi tầm với từ 25 ÷ 100 (s), tốc độ di
chuyển của xe con 0,2 ÷ 1m/s và di chuyển cần trục 0,2 ÷ 0,63m/s.


Chương 2 :KẾT CẤU THÉP CẦN CỦA CẦN
TRỤC THÁP
4.1. Giới thiệu:
− Trong quá trình tính tốn, thiết kế cần trục tháp, kết cấu tháp là thành phần
chịu lực lớn nhất chủ yếu khi thiết kế và cần phải đảm bảo các điều kiện sau:
 Kết cấu đủ bền và ổn định.
 Hình dáng phân bố hợp lý để giảm nhẹ trọng lượng cần trục.
− Cụ thể ở cần trục tháp phục vụ trong các công trình xây dựng, khi thiết kế
phải đảm bảo tính bền vững và an tồn. Do cần trục tháp phần lớn làm việc ở
ngồi trời và chiều cao nâng rất lớn nên rất cần thiết phải tính tốn hình dáng kết
cấu để giảm bớt trọng lượng, giảm moment mất cân bằng do trọng lượng cần


giảm khoảng không chắn gió, tính ổn định cao khi hoạt động. Do vậy việc chọn
kết cấu dàn là hợp lý. Để liên kết các thanh dàn sử dụng các thép định hình hàn
lại với nhau, hàn trực tiếp, dùng bản mã và có thể dùng một số mối ghép đinh
tán tại một số vị trí hợp lý.
4.2 . Tính tốn kết cấu tháp cần:

− Chiều cao nâng của cần trục đang được thiết kế là H
max
= 53 (m) và sức
nâng lớn nhất cần trục làm việc ở H
max
là Q
max
= 10 (T).
− Dựa vào máy mẫu đã có kích thước và trọng lượng cần như sau:
 Trọng lượng cần: G
c
= 75500 (N).
 Các thông số kích thước cho dưới:
1600
40000
2100 1400
HÌNH 4.1
Xác định các tải trọng tính tốn và tổ hợp của chúng.
4.2.1. Sơ đồ tính:
− Cần được liên kết với tháp bằng các liên kết bulong (có thể bằng khớp)
cố định và đầu còn lại của cần được treo vào thanh giằng nối đỉnh tháp của cần
trục. Như vậy việc tính tốn cần có thể đưa từ sơ đồ thật thành sơ đồ tính tốn.
− Xem cần là một thanh đơn trùng với trục cần.
− Xem các lực tác dụng đặt trực tiếp vào cần.
− Khi tính tốn các tiết diện thanh thì nên dùng sơ đồ tính tốn lý thuyết.
− Khi đó xem các thanh được biểu diễn như đường thẳng. Trục thanh và
các lực xem như đặt trực tiếp vào trục thanh.
− Trong mặt phẳng thẳng đứng, cần là một dầm consol tựa trên 2 gối:
 Gối cố định: khớp bản lề ở đuôi cần.
 Gối treo: liên kết với thanh giằng ở đầu cần.

− Khi tính tốn cần trục tháp thường tính theo phương pháp trạng thái giới
hạn về độ bền và tính ổn định của chúng, không tính đến độ bền mỏi bời vì cần
trục tháp thường xuyên làm việc ở chế độ nhẹ và trung bình.
− Các thông số kỹ thuật:
 Trọng lượng xe con gồm cả móc treo: 0,39 (T).
 Trọng lượng cần : G
c
= 7,55 (T).
 Trọng lượng hàng : Q = 10 (T).
 Tốc độ quay của cần trục : 0,47 (v/ph).
 Vận tốc di chuyển xe con : v
x
=31.5 (m/ph).
4.2.2. Lập bảng tổ hợp tải trọng :
Các tải trọng tác dụng lên cần trục xác định đối với tất cả các trạng thái có thể
diễn ra của cần trục như : trạng thái không làm việc kí hiệu IIIa ; trạng thái
không làm việc đang tiến hành lắp ráp kí hiệu IIIb ; trạng thái làm việc kí hiệu
II.
STT Tải trọng tác dụng II III
a b c d a b
1 Trọng lượng bản thân các
bộ phận G
1.1G 1.1G 1.1G 1.1G 1.1G 1.5G
2 Trọng lượng hàng và thiết
bị mang hàng có kể đến hệ
số động ϕ
ψQ ψQ ψQ ψQ
- -

3 Tải trọng quán tính khi cơ
cấu làm việc :
 Lực quán tính cơ
cấu nâng
 Quay có hàng
+
-
+
+
+
-
-
+
-
-
-
-
4 Lực ngang do nghiêng cần
trục :
 Trong mp treo hàng
 Vuông góc mp treo
hàng
-
+
-
-
+
-
+
-

+
-
-
-
5 Aùp lực gió nPgII - nPgII nPgII nPgIII

P
gIII


6 Tải trọng lắp ráp và vận
chuyển
- - - - - +
Chú thích:
1. Các tổ hợp tải trọng qui ước dùng cho các bộ phận của kết cấu thép như
sau:IIa,IIb,IIc,cho thanh biên của cần cột,tháp bệ quay:IIc chocác thanh bụng
của cần ; IId cho các thanh bụng của tháp
2. Dấu + chỉ tải trọng có để ý đến ; dấu – chỉ tải trọng không để ý đến.
3. Chiều của áp lực gió lấy tương tự như chiều của lực ngang sinh ra do cần
trục bị nghiêng.
4.2.3. Tính tốn các tải trọng:
− Trọng lượng cần (phần quay) khi tính tới hệ số động:
G = K
t
. G
c
= 1,1 . 7550 = 8305 (Kg).
Với :
K
t

= 1,1 : hệ số động (hệ số điều chỉnh các hiện tượng va đập khi
di chuyển, nâng, quay máy trục.
− Trọng lượng hàng khi kể đến hệ số động ϕ.
Q = ψ. Q
H
= 1,1 . Q
H
(Kg).
ψ = 1,1 : hệ số động phụ thuộc vào chế độ làm việc của máy trục
( chế độ làm việc trung bình).
Q
H
: Trọng lượng hàng.
− Trọng lượng xe tời (gồm cả móc treo) khi kể đến hệ số K
t
.
G = K
t
. G
x
= 1,1 . 390 = 429 (Kg).
K
t
= 1,1 : hệ số động.
− Lực quán tính khi quay cần theo phương tiếp tuyến:
P
tt
qt
= m
c

. ω
2
. R
i
Trong đó:
m
c
= 7550 (kg) : khối lượng cần.
R
i
: bán kính phần quay (m).
ω : vận tốc góc khi quay cần.
ω =
(m/s) 0,0492
30
0,47 . 14,3

30
n .
q
==
π
 P
tt
qt
=
(kg) 0,005.R
3600
.R27550.0,049

i
i
2
=


− Lập bảng:
Vị trí
Thông số
R
max
= 40m R

= 24m R
min
= 8.5m
P
tt
qt
(kg) 0,2 0,12 0,0425
P
tt
qt max
(kg) 0.4 0,24 0,085
− Lực quán tính li tâm:
P
lt
qt
=
t

R ..m
ic
ω
t = 2 (s) : thời gian hãm cơ cấu.
 P
tt
qt
=
360.2
2.R7550.0,049
i
= 0.52.R
i
.
Lập bảng cho các thông số:
Vị trí
Thông số
R
max
= 40m R

= 24m R
min
= 8.5m
P
lt
qt
(kg) 20.8 12.48 4.42
P
lt

qt max
(kg) 41.6 24.96 8.84
− Lực quán tính khi thay đổi tầm với bằng xe con (khi cần trục đứng yên có
lực nằm ngồi đặt tại tâm cần).
P
x
qt
=
v .
t
Q G
x
+

Với:
Q : Trọng lượng của hàng (kg).
t = 2 (s) : thời gian phanh hãm cơ cấu.
G
x
= 390 (kg) : trọng lượng xe con,
v
x
= 31.5 (m/ph) : vận tốc di chuyển xe con.
 P
qt
=
.30
60.2
Q 390
+

(kg).
Lập bảng:
Vị trí
Thông số
R
max
= 40m R

= 24m R
min
= 8.5m
Q (kg) 5500 10000 10000


P
x
qt
(kg) 1472.5 2597.5 2597.5
P
x
qt max
(kg) 2945 5195 5195
− Lực ngang do cáp lắp động:
T = k
t
. Q. tgα
Với:
α = 5
o
: góc nghiêng của cáp.

k
t
= 1,1 : hệ số động (hệ số điều chỉnh)
Q (kg) : trọng lượng hàng mang
 T = 0,1Q (kg)
Lập bảng các thông số và giá trị của T.
Vị trí
Thông số
R
max
= 40m R

= 24m R
min
= 8.5m
Q (kg) 5500 10000 10000
T (kg) 550 1000 1000
− Xác định áp lực gió:
− w
1
= w
h
. F
c
. k (CT 1.16 sách tính tốn máy nâng chuyển)
Với:
w
h
= q
o

. n. c. η. β (CT – 1.11 sách tính tốn máy nâng chuyển)
w
h
: tải trọng gió phân bổ đều
q
o
= 15kg/m
2
: áp suất động của gió.
n = 2 : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào độ cao so với mặt đất
(Tra bảng 1.6 sách tính tốn máy nâng chuyển).
c = 1,4 : hệ số khí động học (Bảng 1.7 sách tính tốn máy nâng
chuyển).
η = 1 : hệ số quá tải.
β = 1 hệ số động lực.
 w
h
= 15. 2. 1. 1,4. 1 = 42 (kg/m
2
)
F
c
: diện tích bao của cần.
F
c
= F
cn
+ F
cd

F
cn
: diện tích bao của cần trong mặt phẳng nằm ngang.
F
cd
: diện tích bao của cần trong mặt phẳng thẳng đứng.
F
cn
= 40 x 1,4 = 56 m
2
.


F
cd
= 40 x 1,6 = 64 m
2
.
 w
1
= (64 + 56). 0,3. 42 = 1512 (kg)
 Tác dụng lên hàng:
w
2
= w
h
. F
h

Với: w

h
= 42 (kg/m
2
)
F
h
: diện tích bao của hàng.
Tra bảng 4.2 của sách KKKLMT với sức nâng định mức:
Q
đm
= 10 (T) cho F
h
= 10 (m
2
).
 w
2
= 42 . 10 = 420 (kg)
− Lực quán tính do cơ cấu nâng gây ra:
P
n
qt max
= ψ
π
. Q
Với :
ψ
π
= 1,1 : hệ số động (hệ số điều chỉnh)
 P

n
qt max
= 1,1 Q.
Lập bảng:
Vị trí
Thông số
R
max
= 40m R

= 24m R
min
= 8.5m
Q (kg) 5500 10000 10000
P
n
qt max
(kg) 6050 11000 11000
4.3. Tính tốn lực tác dụng lên cần:




30000
4.3.1. Tính cần theo tổ hợp IIa:
− Theo tổ hợp tải trọng IIa, cần chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng và
ngang, do đó làm việc theo trạng thái chịu nén có uốn và có sự biến dạng khi
chịu lực. Mặt cắt ngang của cần thường không lớn và thay đổi theo chiều dài
của cần và trong mặt phẳng nằm ngang chỉ có tải trọng phân bố đều trên cần có
giá trị rất nhỏ.

− Trong mặt phẳng nâng hàng gồm có các lực:
 Lực quán tính nằm ngang do dao động của cần trục Pq’
 Lực quán tính thẳng đứng do các phần dao động của cần trục và do
hàng cùng móc treo hàng :Pq & Pq’’
 Trọng lượng hàng mang và xe con
 Trọng lượng bản thân cần
0 .30Y- Gc.20Gx).R(Q Pqt.R
B
=+++
− PT cân bằng lực:
MA = Pqt’’.R + Pqt.40 +(Q +Gx).R + Gc.20 -Sk .30=0
Y= Pqt + Pqt’’ + Gc + Q + Gx – Sk.sin 20 – YA
X = Pqt’ – XA – Sk .cos 20 = 0
Trong đó: Gx :Trọng lượng xe con
Q : Trọng lượng hàng mang.
G
c
: Khối lượng cần.
P
qt
’:lực quán tính ngang do các phần dao động của cần trục
Pqt’’ & P
qt
: lực quán tính thẳng đứng do phần dao động của
cần và do hàng cùng móc treo hàng .


Vị trí
Thông số
R

max
= 40m R

= 24m R
min
= 8.5m
P
q
(kg) 6050 11000 11000
Gx (kg) 429 429 429
G
c
(kg) 8305 8305 8305
Q (kg) 6050 11000 11000
P
qt
‘(kg) 2945 5195 5195
Pqt’’(kg) 2945 5195 5195
Sk (kg) 26168.7 33502.5 24913.5
XA (kg) 21645.5 26287.1 18216
YA (kg) 14828.8 24470.5 27408.1
Tính cần theo tổ hợp IIc:
− Khi tính tốn kết cấu thép của cần theo tổ hợp tải trọng IIc, cần chịu tác
dụng của các lực nằm trong mặt phẳng ngang, bao gồm:
 Thị trường gió tác dụng lên cần : Pq
c
(kg).
 Thị trường gió tác dụng lên hàng : Pq
h
(kg).

 Lực quán tính tiếp tuyến khi quay cần có treo hàng : P
qt
 Lực ngang do cáp lắc động : T (kg).


HÌNH 4.7
PT cân bằng lực:
Y = T + Pq
c
+ P
qt
tt
+ Pq
h
– 2YA = 0
Lập bảng: