Nghiên cứu, thiết kế cần cẩu crane 10 tấn, tầm với 18 mét

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Vũ Việt Cường

Nghiên cứu, thiết kế cần cẩu 10 tấn, tầm với 18m

Chuyên ngành :

Chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chế tạo máy

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS Nguyễn Văn Huyến



LỜI NÓI ĐẦU

Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa, hội nhập,thông
thường với các nước trên thế giới. Hàng hóa được vận chuyển bằng đường biển để
hạ giá thành và tăng khả năng cạnh tranh. Trong ngành vận chuyển thủy tại nước ta
hiện nay, vấn đề trang bị cơ giới hóa thiết bị xếp dỡ cho tàu là hết sức cần thiết vì
nước ta còn nghèo nàn, điều kiện vật chất còn thiếu thốn. Không phải ở cảng nào
cũng có cần cẩu để phục vụ cho quá trình bốc dỡ hàng hóa. Hơn nữa, nước ta là
nước nông nghiệp, hàng hóa vận chuyển chủ yếu là hàng rời và được mua ở các
vùng nông thôn. Do vậy trang bị phương tiện bốc dỡ trên tàu trở nên cần thiết, vì nó
vừa nâng cao năng suất chuyên chở, vừa giảm sức lao động nặng nhọc của người

lao động.
Trên thế giới, thiết kế và chế tạo đã đi vào hoàn thiện, và làm thành tiêu chuẩn
riêng đối với từng hãng sản xuất. Các nước đóng tàu nổi tiếng trên thế giới đều có
ngành công nghiệp thiết bị phụ trợ phát triển.
Tại Việt Nam đã có một số công ty thiết kế và chế tạo cần cẩu ở trên tàu,
nhưng chủ yếu là sao chép lại các thiết kế của các công ty nước ngoài. Hơn nữa các
thiết bị và kết cấu không được nghiên cứu đồng bộ làm giảm năng suất và tăng chi
phí chế tạo.Để thiết kế và chế tạo được cần cẩu trên tàu, ta cần có các kiến thức của
toán học, cơ học, nguyên lý máy, lý thuyết điều khiển, khoa học tính toán và nhiều
tri thức khác.
Được sự đồng ý của Viện cơ khí, Viện đào tạo sau đại học. Với những hướng
dẫn và chỉ đạo tận tình của Ts. Nguyễn Văn Huyến tôi đã có nhiều thuận lợi khi
thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế cần cẩu 10 tấn, tầm với 18m”

6


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Theo mục tiêu 20 năm nữa, Việt Nam cơ bản trở thành nước công nghiệp hóa,
hiện đại hóa. Hơn nữa việc tự chủ về công nghệ thiết kế và chế tạo các máy móc cơ
bản phục vụ đời sống hàng ngày là yêu cầu bắt buộc. Hiện nay, các hàng hóa rời
xuất khẩu của Việt Nam phụ thuộc rất nhiều vào các hãng vận chuyển nước ngoài.
Trong nghành đóng tàu ở Việt Nam hiện nay vẫn chủ yếu là gia công thô, giá trị gia
tăng thấp, việc chế tạo các cần cẩu lắp ở trên tàu ở dạng tự phát, không trên tính
toán khoa học mà theo kinh nghiệm thực tế. Do đó, công việc chính là sao chép lại
các thiết kế nước ngoài và chỉnh sửa cho phù hợp với điều kiện ở Việt Nam.
Là một học viên của một trường khoa học, công nghệ hàng đầu ở Việt Nam.
Tôi đã làm việc liên quan đến thiết kế các thiết bị tàu thủy từ lâu và mong muốn làm
một việc nhỏ góp phần vào việc nội địa hóa các sản phẩm máy móc tại Việt Nam.

Do vậy, sau khi xem xét các đề tài, tôi đã quyết định làm luận văn tốt nghiệp với đề
tài: “Nghiên cứu, thiết kế cần cẩu crane 10 tấn, tầm với 18m”.
2. Tính cấp thiết của đề tài.
Thiết bị nâng hạ trên tàu không còn xa lạ với các nước phát triển trên thế giới.
Tại các công ty hàng đầu trên thế giới, các thiết bị nâng cơ bản đã được thiết kế, chế
tạo thành các theo tiêu chuẩn của hãng. Tuy nhiên, tại Việt Nam, đây là công việc
khá mới mẻ. Vì vậy, đề tài có ý định tập hợp các kiến thức đã biết để hoàn thiện hơn
cho việc thiết kế, chế tạo. Phục vụ cho việc phát triển công nghệ cao, một lĩnh vực
mà nước ta còn đi sau các nước phát triển rất nhiều.
3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Mục đích:
Tìm hiểu, nâng cao kiến thức về truyền động điện, thủy lực, kết cấu thép, tự
động hóa, toán học. Hệ thống hóa việc thiết kế các thiết bị, cụm chi tiết phục vụ chế
tạo cần cẩu. Vì xu thế thời đại các lĩnh vực trên ngày càng có mối quan hệ chặt chẽ
với nhau, nên đòi hỏi người thiết kế cần có các kiến thức tổng hợp để tạo ra các sản
phẩm hoàn thiện hơn.

7


Tìm hiểu và tính toán các kết cấu, cụm chi tiết phù hợp với công việc của cần
cẩu làm việc trên tàu.
Đối tượng:
Cần cẩu crane là thiết bị nâng hạ chính cho các tàu hàng rời, và có thể lấy
hàng từ các vùng không có cầu cảng và thiết bị bốc dỡ tại cảng. Do vậy, rất phù hợp
với việc vận chuyển, hàng hóa nông lâm sản phục vụ các vùng nông thôn. Góp phần
đẩy nhanh lưu thông hàng hóa nhất về nông thôn và ngược lại.
Phạm vi nghiên cứu:
Tác giả tập trung nghiên cứu các kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển thủy
lực. Tìm hiểu và thiết lập các công thức tính toán các kết cấu thép và hệ thống thủy

lực.
4. Các luận điểm cơ bản, đóng góp mới của tác giả.
Các luận điểm cơ bản.
Cần cẩu là một thiết bị nâng hạ cho phép dịch chuyển các hàng. Do cần cẩu
đứng tại một vị trí ở trên tàu nên khi dịch chuyển vị trí hàng hóa có thể phối hợp
giữa các chuyển động khác nhau để đưa hàng đến đúng vị trí yêu cầu (nâng hạ hàng,
quay cần và nâng hạ cần).
Cần cẩu là thiết bị nâng hạ hàng nặng và có thể đi đến nhiều nơi trên thế giới.
Do đó việc thiết kế cần phải tuân theo quy phạm đăng kiểm Việt Nam và tiêu chuẩn
các nước mà tàu sẽ cập cảng.
Đóng góp của tác giả.
Rất nhiều thiết bị của cần cẩu đã được thiết kế, tính toán. Tuy vậy tác giả đã hệ
thống hóa các tính toán, thiết kế các thiết bị liên quan và thêm vào một số cách tính
toán theo quan điểm của tác giả.
5. Phương pháp nghiên cứu.
Tác giả đã tìm hiểu các loại cần cẩu lắp đặt trên tàu từ trước đó và sử dụng
phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cũng như đã xem
xét việc thiết kế và chế tạo trên thực tế.

8


CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ CÁC LOẠI CẦN CẨU TRÊN TÀU.
1. Tổng quan về các loại cần cẩu lắp đặt trên tàu.
1.1 Cần cẩu Derrick đơn
1.1.1. Derrick đơn giản
Kết cấu chỉ có tời nâng hàng có động cơ, tầm với được thay đổi khi không có
hàng theo 3 cách:
- Kéo tay rồi hãm bằng xích
- Kéo tay rồi kéo bằng hãm cáp (khi không dùng xích)

- Dùng tời nâng cần không động cơ (khi dùng để thay đổi tầm với)
Cần cẩu kiểu này có năng suất thấp, sức nâng nhỏ nhưng kết cấu đơn giản,
thường dùng trên các tàu nhỏ.
1. Cần
2. Cột
3. Mã quay của dây nâng cần
4,7,9,15. Ma ní
6. Dây nâng cần
8. Mã bắt cáp nâng hàng và nâng cần
10. Ròng rọc nâng hàng
11. Đối trọng
12. Mắt xoay
13. Móc cẩu
14. Dây quay cần
16. Palăng quay cần
17. Mã cáp nâng cần trên boong
18. Gối cần và chốt quay đuôi cần
20. Dây nâng hàng

Hình 1.1. Sơ đồ cần cẩu derrick đơn giản,

21. Ròng rọc daăn hướng

loại nhẹ.

22. Đầu dây nâng hàng chạy vào tời

a. Có dây nâng cần và dây nâng hàng

23. Dây hoặc palăng tay nâng cần

b. Có palăng nâng cần và palăng nâng hàng

9


c. Có tời nâng cần

24. Palăng nâng cần
25.Palăng nâng hàng
26. Tời nâng hàng không động cơ
27. Tang con của tời hàng
1.1.2. Derrick loại nặng có dây quay

Loại này có 4 tời: 1 tời nâng hàng, 1 tời nâng cẩu, 2 tời quay cần. Gối đuôi
cần thường đặt trên hệ đỡ cần bố trí riêng trên boong. Tầm với thường được thay
đổi khi có hàng trên móc. Khi sức nâng dưới 15 ÷ 20T, cần không xẻ rãnh và có
palăng nâng hàng cần giống cần cẩu loại nhẹ. Khi sức nâng trên 15 ÷ 20T cần được
xẻ rãnh lắp ròng rọc để dẫn dây nâng hàng đi lên ròng rọc trên đỉnh rồi xuống tời.
Trên các tàu lớn thường trang bị một vài derrick đơn có dây quay để cẩu các mã
hàng nặng.
1. Vòng treo hàng
2. Palăng nâng hàng
3. Ròng rọc lắp trong rãnh cần
4. Palăng nâng cần
5. Dây nâng hàng
7. Dây chằng cột
8. Ròng rọc dẫn hướng
9. Tời nâng cần
10. Tời năng hàng.

Hình 1 – 2. a) Sơ đồ derrick đơn loại nặng cần xẻ rãnh
b) Palăng nâng hàng kép.
1.1.3 Derrick đơn kiểu Halen
Đặc điểm của cẩu trục loại này là có hai palăng vừa dùng nâng hạ cần vừa
dùng quay cần mắc từ đầu cần vào hai đầu của xà ngang đỉnh cột. Xà ngang đỉnh
cột thường dài để giảm lực quay cần do kết cấu nặng.
1. Cột cẩu

10. Dây nâng hàng đi vào tời;

10


2. Sừng treo dây trên xà ngang

11. Cụm ròng rọc đầu cần của

3. Dây chằng

palăng nâng – quay cần

4. Cụm ròng rọc của palăng nâng – quay cần

12. Dây chằng

5. Dây nâng hàng

13. Dây nâng – quay cần đi vào tời

6. Móc

14. Thanh chống dây

7, 8. Thanh cần

15. Palăng nâng cần

9. Palăng nâng hàng

16. Palăng nâng quay cần.

Hình 1 – 3. Cần cẩu đơn Halen
a) Cần cẩu nặng, nhìn chính diện;

b) Cần cẩu nặng, nhìn từ mặt bên.

1.1.4. Derrick đơn kiểu Vêlê
Cần cẩu Vêlê có ba tời có động cơ. Hai đầu dây trên tang tời nâng cần(1)
cuốn cùng chiều, hai đầu dây trên tang tời quay cần (7) cuốn ngược chiều nhau. Xà
ngang (11) dùng để cân bằng sức căng trong hai palăng. Vì mỗi lần nâng hoặc quay
chỉ dùng một tời nên công suất động cơ điện seơ lớn hơn cần cẩu Halen, có sức
nâng tương đương, điều khiển dễ dàng, chỉ cần một người lái.
1.Tời nâng hàng;
2, 9, 18, 19. Đầu dây vào tời của palăng
nâng, quay cần
3, 5, 7, 8. Ròng rọc dẫn hướng

11

4. Xà ngang đỉnh cột
6. Ròng tọc dẫn hướng của dây nâng hàng
10. Ròng rọc
11. Xà treo cần
12. Dây treo cần
13. Ròng rọc nâng hàng
14. Dây nâng hàng
15. Móc
16. Cần
20. Tời nâng hàng;
21. Ròng rọc dẫn hướng trên cột.

Hình 1 – 4. Sơ đồ derrick đơn kiểu Vêlê.

1.1.5. Derrick đơn kiểu Mo-Xlêvinh
Cần cẩu Mo-Xlêvinh cũng gồm có 3 tời: tời nâng cần, tời nâng hàng và tời
quay cần. Tời quay cần có tang kép nối vào 2 đầu puly lắp trên đỉnh cột quay có tác
dụng kéo cần cẩu quay về trái hay phải. Khi tang này thu cáp vào thì tang kia nhả
cáp ra để lượng cáp là luôn luôn cố định. Chú ý khi thiết kế cần cẩu loại này là tâm
quay của thanh cần, tâm của puly quay cần gần như thẳng hàng. Có điểm nối giữa
cáp nâng cần và cáp quay cần để không làm trùng cáp quay cần khi nâng hạ cần.
Loại cần trục này được sử chế tạo rộng rãi ở Việt Nam do dễ chế tạo và lắp ráp.
1. Cột mạn
2. Dây quay cần
3. Đoạn dây nâng , quay cần đi vào tời
4. Ròng rọc dẫn hướng
5. Xà ngang đỉnh cột
6. Đầu dây nâng cần cố định vào xà ngang
7. Dây nâng hàng
8. Palăng quay cần

9. Ròng rọc đầu cần của palăng nâng, quay cần
10. Ròng rọc mạn của palăng nâng, quay cần

Hình 1- 5. Sơ đồ cần cẩu Mo -Xlêvinh

12


11. Tời nâng hàng
12. Tời nâng, quay cần.
1.1.6. Derrick đơn có xe móc
Hình (1-6) trình bày một kiểu cần cẩu có xe con mang móc cẩu chạy dọc dầm
ngang ở trên cần. Cần (5) gồm một dầm ngang có đường cho xe móc chạy và một
hệ dàn gia cường. Cần được lắp vào cột giươa bằng một hệ chốt như ở các cẩu
Derrick khác. Palăng (3) giữ cần nằm ngang hoặc hạ cần xuống vị trí (7) khi tàu
chạy. Khi tời (4) kéo móc chạy dọc cần. Hai tời quay cần (10) đặt trên sàn tời kéo
hai palăng quay cần (8). Tất cả các tời đều là dùng tời thủy lực, hệ thống điều khiển
có một van cho tời nâng hàng, một van dùng chung cho tời quay cần và tời chuyển
xe móc. Cần cẩu này, làm nhanh và đặt được hàng chính xác tại mọi vị trí trong tầm
với.
1. Sàn tời
2. Khung cổng
3. Palăng nâng cần
4. Tời di chuyển xe móc
5. Cần dầm
6. Xe móc
7. Vị trí cần khi tàu chạy
8. Palăng quay cần
9. Tời nâng hàng;
10. Tời quay cần

Hình 1 - 6. Sơ đồ derrick đơn có xe móc.
1.1.7. Derrick đơn kiểu Stiuken
Cần cẩu Stiuken có ưu điểm là làm việc tin cậy, cơ giới hóa hoàn toàn, không
cần chuẩn bị mắc dây trước lúc bắt đầu làm việc, lật cần đơn giản, cần nặng có thể
làm việc đồng thời với các cẩu đôi nhẹ lắp trên cùng một cột. Nhược điểm lớn nhất
là kích thước lớn, chiếm nhiều chỗ trên boong.

13


Hình 1-7. Sơ đồ cần cẩu Stiuken
1. Tời nâng hàng

2. Đoạn dây nâng hàng và nâng cần chạy vào tời

3. Mã quay

5. Cụm ròng rọc nâng, quay cần

4. Đầu ống thông gió

8. Ròng rọc ở chạc đầu cần

6. Mã quay

9. Cụm ròng rọc nâng hàng

7. Thanh treo

10. Cụm dầm treo cần nhẹ

11. Ròng rọc dẫn hướng

12. Các ròng rọc thay thế của cụm ròng rọc

13. Cụm ròng rọc nâng hàng

14. Chạc đầu cần

15. Trục chạc đầu cần

16. Ổ

17. Gối chân cần

18. Gối chân cần nhẹ

20. Xà con

19. Bàn điều khiển 4 tời hàng

21. Xà ngang

22. Tay quay chỉnh xà con

23. Mắt xoay.
Các vị trí khi lật cần: I – cần II – chạc đầu cần III – ròng rọc dẫn hướng IV –
cụm ròng rọc nâng hàng ở đầu cần V – Cụm ròng rọc nâng hàng dưới VI – các ròng
rọc thay thế VII – hai đầu dây nâng hàng về tời.

14


1.2. Các kiểu Derrick đôi
1.2.1. Derrick đôi đơn giản
Là loại cần cẩu có kết cấu đơn giản, chỉ dùng hai tời có động cơ, chu kỳ hoạt
động của móc rất ngắn, hàng không bị lắc, làm việc đựơc khi tàu có độ nghiêng lớn.
1. Dây nâng hàng
2. Cần mạn
3. Dây nâng cần
4. Dây giằng đầu cần
5. Xà ngang
6. Cần hầm
7. Dây giằng mạn
8. Tời nâng hàng.
Hình 1 – 8. Sơ đồ derrick đôi đơn giản.
Cẩu đôi có nhược điểm cơ bản là:
Sức nâng thấp: sức nâng khi cẩu đôi chỉ bằng (0,3 ÷ 0,6) sức nâng một cẩu khi
cẩu đơn.
Tính cơ động của cẩu kém do đó năng suất đơn giản của cẩu đôi đơn giản thấp
hơn cần cẩu quay và derrick đơn cơ giới hóa hoàn toàn. Thời gian chuẩn cần cẩu
làm việc và thời gian xếp gọc cần cẩu lại trước khi tàu chạy khá dài.
Mức độ an toàn không cao, cần cẩu có thể bị quá tải đến mức gãy cần đứt dây giằng
hoặc bị mất ổn đ̣nh đến mức lật cần do đặt sai vị trí cần và dây giằng mạn, do người
lái thiếu kinh nghiệm, thiếu chú ý để góc giữa hai dây nâng hàng quá 1200. Khi
nâng hạ cần nếu không cẩn thận cũng có thể bị rơi cần
1.2.2. Derrick đôi kiểu Faren
Cần cẩu đôi Faren có hai tời diện để nâng hạ cần, các điểm bắt dây giằng mạn
nằm trên một đường thẳng nằm ngang trùng với đường trục chốt ngang đuôi cần.
Khi nâng hạ cần, cần và dây giằng mạn cùng quay quanh trục đó, không mất thời

gian mắc lại dây giằng.

15


Cần cẩu Faren khắc phục được hai nhược điểm của cần cẩu đôi đơn giản đó tăng
được sức nâng và năng suất tăng. Thời gian đóng mở nắp hầm hàng giảm 70%, thời
gian chuẩn bị cần cẩu cho cần cẩu làm việc và xếp lại trước khi chạy tàu giảm 80%.
Tính chung cả chuyến đi cần cẩu Faren có năng suất tăng 21% so với cần đơn giản.
Mức độ an toàn cũng tăng lên.
1. Dây nâng hàng
2. Dây giằng đầu cần
3. Tời nâng cần
4. Ròng rọc dẫn hướng dây nâng
cần
5. Palăng nâng cần
6. Dây giằng mạn
7. Cột mạn
8. Đoạn dây nâng cần vào tời
9. Tời nâng hàng.

Hình 1-9. Sơ đồ cần cẩu Faren
1.2.3. Derrick đôi kiểu Eben
Trong cần cẩu Eben cần được giữ bằng dây giằng mạn và dây nâng cần, không
có dây giằng đầu cần. Ngoài hai tời nâng hàng có thêm hai tời nâng cần và hai tời
dây giằng.
Cần cẩu Eben có các ưu điểm của cần cẩu đôi đơn giản, lại cơ giới hóa hoàn
toàn các chuyển động, tự động an toàn cao do tự động điều chỉnh vị trí của cần, có
sức nâng khi cẩu đôi bằng sức nâng khi cẩu đơn. Tuy nhiên kết cấu và thiết bị cũng
khá phức tạp.

16


1. Dây nâng hàng vào tời
2. Ròng rọc mạn của dây giằng
3. Đầu dây giằng vào tời
4. Đầu dây nâng cần vào tời
5. Ròng rọc dẫn hướng của dây nâng
cần
6. Xà ngang cột
7. Ròng rọc dẫn hướng của dây giằng
8. Đầu dây giằng bắt vào xà ngang
9. Palăng nâng cần
10. Cụm ròng rọc đầu cần của dây
giằng
11. Ròng rọc nâng hàng

Hình 1 – 10. Sơ đồ cần cẩu Eeben
(một cần, cần thứ 2 tương tự).

12. Dây nâng hàng
13. Cần
14. Ròng rọc.
1.2.4. Derrick đđôi kiểu AEG
Cần cẩu AEG là cần cẩu Eben có 7 tời điện độc lập dây giằng cần được kéo
bằng tời dùng để quay cần. Cần được quay bằng cách phối hợp dây giằng đầu cần
và dây giằng mạn (một cái nhả, một cái kéo). Tất cả các tời được tập trung ở một
bàn điều khiển.
1. Dây nâng hàng

2. Dây giằng đầu mạn
3. Cụm ròng rọc đầu cần của dây giằng
4. Cần mạn
5. Dây nâng cần
6. Cột
7. Dây giằng đầu cần
8. Tời dây giằng mạn

Hình 1-11: Sơ đồ cần cẩu AEG

17


9. Tời dây giằng đầu cần

13. Tời nâng hàng

10. Tời nâng cần

14. Móc cẩu

11. Cần hầm

15. Mạn giả.

12. Dây giằng cần hầm
1.3 Cần cẩu quay
1.3.1 Cần cẩu quay dùng xy lanh

Hình 1-12. Cần cẩu crane dùng xy lanh

Cần cẩu quay dùng xy lanh nâng cần có: 1 tời nâng hàng thường được bố trí
nằm trên thanh cần cẩu, cần cẩu nối với cột chính bằng 1 khớp nối trên đỉnh cột và
1 khớp quay tại xy lanh nâng cột. Tùy theo tải trọng của cần cẩu mà ta có thể bố trí
1 hoặc 2 xy lanh nâng cần. Thanh cần thường ở vị trí nằm ngang khi làm việc ở tầm
với lớn nhất. Cột cẩu được làm kín và ở trong đó gồm có mâm quay và cụm truyền
động quay cột, cụm nguồn thủy lực và các van điều khiển, ca bin. Cần cẩu quay
dùng xy lanh thủy lực thường có sức nâng nhỏ và trung bình (tải trọng cho phép
thường nhỏ hơn 20 tấn). Hệ thống điều khiển cần cẩu là điện và thủy lực.
Cần cẩu quay sử dụng xy lanh nâng cần có kết cấu đơn giản, dễ sửa chữa. Hệ
thống truyền động bằng cơ khí và thủy lực nên cần cẩu có độ tin cậy cao hơn khi
làm việc. Tuy nhiên khi nâng cần thì nâng cả tải trọng vật làm cho động cơ có công

18


suất lớn hơn. Mặt khác do bị hạn chế về chiều dài xy lanh (khi độ dài lớn thì tính ổn
định kém đi) nên lực nâng cần khá lớn.
Khi tính toán cần cẩu quay sử dụng xy lanh cần phải chú ý đến các vấn đề sau:
-

Cụm puly nằm trên đỉnh thanh cần treo móc, khi chế tạo cụm puly đầu cần
thường có 2 puly đơn có tác dụng tránh rối cáp khi nâng cần lên góc nâng lớn.

-

Vị trí đặt của xy lanh cần được bố trí cho hợp lý và hạn chế dùng xy lanh có
hành trình đẩy lớn hơn 2m.

1.3.2 Cần cẩu quay
a) Cần cẩu quay đơn.

Hình 1-13 Cần cẩu quay
Cần cẩu quay không dùng xy lanh thủy lực để nâng cần bao gồm các cụm
chính như sau: thanh cần, cột chính, cụm palăng nâng hàng và nâng cần, mâm quay,
cụm nguồn thủy lực, cụm truyền động quay, tời nâng hàng và tời nâng cần. Trong
đó, thanh cần làm việc trong phạm vi góc quay từ 200 – 800. Cần cẩu quay không
dùng xy lanh thủy lực có thể sử dụng trong phạm vi tải trọng làm việc lớn do có thể
giảm lực bằng cách tăng hệ số palăng. Cột chính có kết cấu kín để các cụm chi tiết
bên trong như cụm truyền động quay, mâm quay, tời nâng hàng, tời nâng cần và bộ
nguồn thủy lực. Các bộ phận được chế tạo và lắp ghép chính xác nên nâng cao độ
ổn định khi làm việc và làm việc được lâu dài.
19


b) Cần cẩu quay đôi.
Thực chất cần cẩu quay đôi bao gồm 2 cần cẩu quay đơn và đặt trên một
mâm quay chung. Cần cẩu quay đôi được thiết kế có thể hoạt động độc lập hoặc
cùng nâng hạ một vật. Cần cẩu quay đôi thường được sử dụng để nâng tải trọng lớn
hoặc có thể sử dụng như 2 cần cẩu đơn khi thuyền có thể cẩu hàng cả về hai bên
mạn tàu. Nói chung, cần cẩu quay đôi ít được sử dụng và chế tạo tại Việt Nam.

Hình 1-14 Cần cẩu quay đôi
2. Các cơ cấu thường dùng trên cần cẩu.
Cần cẩu trên tàu gồm có các cơ cấu như sau: cơ cấu nâng hàng, cơ cấu thay
đổi tầm với, cơ cấu quay cần và hệ thống truyền động thủy lực.
2.1 Cơ cấu nâng hạ hàng.
Cơ cấu nâng hàng được dùng để nâng hạ trọng tải của vật nâng, cơ cấu này
bao gồm các thiết bị sau: móc cẩu, gầu ngoạm hoặc nam châm điện, cụm palăng và
cáp thép, tời nâng hàng.
Thiết bị nâng của cần cẩu hoạt động như sau: tời nâng hàng (dùng tời thủy lực

hoặc tời điện) kéo cáp thép qua cụm palăng nhằm làm tăng lực kéo cụm móc cẩu
treo hàng. Tời nâng hàng phải lắp hệ phanh thường đóng đề phòng sự cố khi nâng
vật. Hiện nay, các loại cần cẩu chủ yếu dùng tời thủy lực do tời có khả năng truyền
động mô men ổn định bằng cách tự động điều chỉnh áp suất và lưu lượng qua động
cơ thủy lực cho phù hợp với tải trọng nâng. Các cụm chi tiết phải tính toán theo

20


đúng quy phạm của đăng kiểm Việt Nam. Cụm puly được thiết kế theo tiêu chuẩn
JIS. Cáp thép được sử dụng trong cần cẩu thường là loại cáp mềm để làm giảm hệ
số tổn hao do ma sát. Cụm puly móc cẩu có một ổ chặn do khi giữ hàng ở một vị trí
và có thể xoay hàng mà không bị xoắn cáp. Hệ số palăng đầu cần thường có mối
liên hệ với sức nâng lớn nhất cho phép. Trên cần cẩu quay đơn, để hạn chế việc
nâng cần đồng thời nâng hàng người ta còn cho thêm vào số vòng cáp tương ứng
với hệ số của palăng nâng cần từ đỉnh cột lên đầu cần.
2.2 Cơ cấu nâng thay đổi tầm với.
2.2.1. Cơ cấu thay đổi tầm với bằng thay đổi góc nâng cần.
Cơ cấu này thường được sử dụng trên các cần cẩu lắp trên tàu. Cơ cấu nâng
cần được dùng để thay đổi tầm với của cần cẩu, cơ cấu này bao gồm các thiết bị
sau: cần cẩu, cụm palăng và cáp thép, tời nâng hàng.
Thiết bị nâng cần hoạt động như sau: tời nâng cần kéo cáp thép qua cụm pa
lăng nâng cần, tời nâng cần cũng dùng cụm phanh thủy lực thường đóng. Hiện nay
cần cẩu chủ yếu dùng tời thủy lực do tời có khả năng truyền động mô men ổn định
bằng cách tự động điều chỉnh áp suất và lưu lượng qua động cơ thủy lực để phù hợp
với tải trọng nâng. Cáp thép được sử dụng trong cần cẩu thường là loại cáp mềm để
làm giảm hệ số tổn hao do ma sát. Lực căng cáp nâng cần thường khá lớn do vậy
tốc độ nâng cần thường khá chậm. Khi có sợi cáp liên kết giữa nâng cần và nâng vật
sẽ làm giảm công suất động cơ nâng cần.
2.2.2. Cơ cấu thay đổi tầm với bằng kéo xe con.

Thay đổi tầm với bằng việc kéo xe con ít được sử dụng trên tàu, mà thường
được dùng trong các cần cẩu tháp do có ưu điểm là công suất tiêu hao cho thay đổi
tầm với thấp, vật nâng ít chao, lắc. Tuy nhiên kích thước của cần lớn và tính cơ
động không cao. Hơn nữa thanh cần lớn nằm ngang ảnh hưởng đến sự ổn định khi
di chuyển của tàu thủy.
2.2.3 Thay đổi tầm với bằng thay đổi chiều dài cần và góc quay.
Thay đổi tầm với bằng thay đổi chiều dài cần thường được sử dụng trong xe
cẩu vì đối với các tầm với lớn thì xe cẩu sẽ rất dài, do vậy khi co ngắn cần lại và

21


đẩy ra bằng xy lanh sẽ làm cho xe di chuyển trên đường bộ dễ dàng hơn. Kết cấu
thay đổi tầm với này cũng ít dùng ở trên tàu trừ các trường hợp đặc biệt.
2.3 Cơ cấu quay cần.
2.3.1. Cơ cấu quay cần bằng cáp kéo.
Cơ cấu quay cần bằng cách dùng cáp kéo ở đầu cần được dùng ở loại cần cẩu
derrick do có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Tuy nhiên do giữa các cơ cấu quay làm
bằng bạc đồng nên hệ số tổn hao tương đối lớn, cơ cấu làm việc có sự ổn định
không cao. Hạn chế của cơ cấu quay truyền động bằng cáp là bị hạn chế góc quay
tại của cần tại vị trí puly kéo cáp quay cần đặt trên cột quay. Góc quay cần làm việc
thường nhỏ hơn 1800. Việc quay cần bằng cáp kéo có tốc độ quay nhỏ.
b. Cơ cấu quay cần bằng truyền động bánh răng.
Cơ cấu quay cần truyền động bằng bánh răng có khả năng quay nhiều vòng quanh
trục quay, tốc độ quay của cần cẩu thường trong phạm vi (0,5 – 3,5) v/ph. Tốc độ
quay bị hạn chế để giảm ảnh hưởng của lực ly tâm đến hàng. Cơ cấu quay này
thường được sử dụng trên cần cẩu quay. Cần cẩu quay thường có năng suất cao hơn
so với cần cẩu derrick cùng sức nâng. Tất cả cầu trục và thanh cần đều nằm trên
một mâm quay. Do vậy truyền động trên có thể tốn nhiều năng lượng hơn so với chỉ
tác dụng lực làm quay cần và hàng.

2.4 Hệ thống thủy lực.
Hệ thống thủy lực gồm: động cơ điện truyền động quay bơm thủy lực hút dầu
từ thùng dầu qua các van điều khiển đến các cơ cấu chấp hành là mô tơ thủy lực và
xy lanh. Hệ thống thủy lực của cần cẩu thường làm việc với loại áp suất thấp nhỏ
hơn 210MPa.
3. Chế độ làm việc và tải trọng tính toán
3.1 Chế độ làm việc và năng suất.
3.1.1 Năng suất cần cẩu:
Năng suất trung bình trong một giờ theo công thức:

22


Trong đó: Qn : Tải trọng nâng – tải trọng có ích được nâng lên, không tính trọng
lượng móc, gầu ngoạm, …
n: Số chu kỳ trong một giờ khi làm việc liên tục (không kể thời gian nghỉ
vì các lý do vận chuyển, sửa chữa thiết bị, mất điện…)
kQ: Hệ số sử dụng tải trọng có ích

kQ ≤1

kt: hệ số sử dụng cần cẩu theo thời gian

kt ≤ 1

Số chu kỳ làm việc trong một giờ tính theo công thức:
n =3600/T
Thời gian chu kỳ

(s)

ε: hệ số đồng thời tính đến khả năng phối hợp một số chuyển động
ti: thời gian tiêu phí cho các chuyển động trong một chu kỳ, có thể tính
theo công thức:

Si và vi : quãng đường và tốc độ khi chuyển động đều.
tipa và timo :thời gian tăng tốc và phanh
Khi tính, sơ bộ lấy 0,5(tipa + timo) = 3 -5 (s).
Đối với cần trục quay toàn vòng, thời gian một chu kỳ được tính như sau:
T = tm + tn + tq + th + tt + t’n + t’q + t’h
Trong đó:

tm

thời gian móc hàng.

tn

thời gian nâng có hàng.

tq

thời gian quay có hàng.

th

thời gian hạ hàng.

Tt

thời gian dỡ hàng khỏi móc cẩu.

t'n, t’q, t’h: thời gian nâng, quay, và hạ móc không có hàng.

Trong đó:

Qi mã hàng thứ i
m số mã hàng tương ứng.

23


Qtb trọng lượng trung bình của các mã hàng đã nâng.
Năng suất cần cẩu trong năm khi số giờ làm việc trong một ngày đêm là m, số
ngày làm việc trong năm là l, xác định theo công thức:
Nn = Ng. m . l

(T/năm)

Bảng 1-1. Các hệ số năng suất của cần cẩu
kt

kQ

ε

l

m

n

0,8 -1,0

0,4 -0,6

0,3 -0,5

100 -300

14 -21

50 -70

0,6

0,4 -0,6

0,6 -0,7

100 -300

14 -21

12 -30

0,2 -0,5

0,3 -0,4

0,9 -1,0

100-300

14

- Xếp bê tông

0,8 -0,9

0,4 -0,5

0,8

300

14-21

10 -15

- Các việc khác

0,2 -0,3

0,4 -0,5

0,8

300

14-21

5 -10

Loại cần cẩu
Cảng chuyển tải
bằng gầu ngoạm
Cảng chuyển tải
bằng móc
Lắp trên tàu thủy
Xây dựng

3.1.2 Chế độ làm việc của cần cẩu:
Các cơ cấu của cần cẩu nói riêng hay máy trục nói chung làm việc theo chế độ
đóng, ngắt gián đoạn, lặp đi lặp lại, luân phiên giữa các chu kỳ làm việc và không
làm việc. Có thể xem chế độ làm việc của cần cẩu máy trục như l một thông số tổng
hợp căn cứ trên cơ sở phối hợp các tiêu chí về mức độ sử dụng máy theo tải và theo
thời gian. Trên cơ sở tiêu chuẩn ISO, ở Việt nam đã có tiêu chuẩn TCVN 5862 1995 quy định 8 nhóm chế độ làm việc cho máy trục được ký hiệu từ A1 đến A8.
Đối với các cơ cấu trong máy nâng tiêu chuẩn quy định 8 nhóm chế độ làm việc
được ký hiệu từ M1 đến M8.
Các nhóm chế độ làm việc (CĐLV) đối với máy trục được xác định trên cơ sở
phối hợp 10 cấp sử dụng máy theo thời gian, ký hiệu U0 đến U9 và 4 cấp sử dụng
máy theo tải được ký hiệu tử Q1 đến Q4 (bảng 1-2).
Tương tự chế độ làm việc (CĐLV) đối với các cơ cấu trong máy nâng cũng
được xác định trên cơ sở phối hợp 10 cấp sử dụng máy theo thời gian, ký hiệu T0
đến T9 v 4 cấp sử dụng máy theo tải được ký hiệu tử L1 đến L4 (bảng 1-3).

24

Bảng 1-2: Nhóm chế độ làm việc của thiết bị nâng.
Cấp sử dụng

Cấp
tải

U0

U1

U2

U3

U4

U5

U6

U7

U8

U9

Q1

-

-

A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8

Q2

-

-

A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8

Q3

A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8

-

-

Q4

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8

A8

-

-

Bảng 1-3: Nhóm chế độ làm việc của cơ cấu thiết bị nâng.
Cấp

Cấp sử dụng

tải

T0

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

L1

-

-

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

M8

L2

-

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

M8

M8

L3

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

M8

M8

-

L4

M2

M3

M4

M5

M6

M7

M8

M8

-

-

Cấp sử dụng U được phân ra tùy theo vào tổng chu kỳ vận hành (bảng 1-4)
trong suốt thời gian sử dụng của máy. Một chu kỳ được xác định bắt đầu khi tải
chuẩn bị xong để nâng và kết thúc khi máy đã sẵn sàng để nâng tải tiếp theo.
Bảng 1-4: Cấp sử dụng U.
Cấp sử dụng Số chu kỳ vận hành thiết bị

Đặc điểm

U0

Đến 1,6.104

U1

Trên 1,6.104 đến 3,2.104

U2

Trên 3,2.104 đến 6,3.104

U3

Trên 6,3.104 đến 1,25.105

U4

Trên 1,25.105 đến 2,5.105

Sử dụng ít, đều đặn

U5

Trên 2,5.105 đến 5.105

Sử dụng gián đoạn, đều đặn

5

6

U6

Trên 5.10 đến 1.10

U7

Trên 1.106 đến 2.106

U8

Trên 2.106 đến 4.106

U9

Trên 4.106

Sử dụng thất thường

Sử dụng căng, thất thường
Sử dụng căng

25


Đặc trưng cho mức độ sử dụng máy theo tải trọng là hệ số phổ tải được xác
định theo công thức:

Trong đó:
Ci : số chu kỳ vận hành ứng với các mức tải khác nhau.
CT =ΣCi : tổng chu kỳ vận hành với các mức tải khác nhau
Pi : mức tải ứng với chu kỳ Ci

Pmax : Mức tải lớn nhất được phép vận hành.
Quy định bốn mức tải của thiết bị nâng, ký hiệu từ Q1 đến Q4, tùy thuộc vào
hệ số phổ tải kp theo (bảng 1-5). Giá trị kp được quy định theo giá trị kp danh nghĩa
lấy theo (bảng 1-5)
Bảng 1-5: Cấp tải và hệ số phổ tải danh nghĩa.
Hệ số phổ tải danh

Đặc điểm

nghĩa kp
Q1 - nhẹ

Đến 0,125

Ít khi nâng tải tối đa, thường nâng tải nhẹ

Q2 - vừa

Trên 0,125 đến 0,25 Nhiều khi nâng tải tối đa, thường nâng tải vừa

Q3 - nặng

Trên 0,25 đến 0,5

Nâng tải tối đa tương đối nhiều, thường nâng
tải nặng

Q4- rất nặng

Trên 0,5 đến 1,0

Thường xuyên nâng tải tối đa.

Hình 1-15. Hệ số phổ tải.

26


Thông số thứ nhất để phân biệt chế độ làm việc của cơ cấu là tổng thời gian sử
dụng, cơ cấu chỉ được coi là sử dụng khi nó ở trạng thái chuyển động. Quy định 10
cấp sử dụng cơ cấu ký hiệu từ T0 – T9 tùy thuộc vào tổng thời gian sử dụng lấy
theo (bảng 1-6)
Bảng 1-6: Cấp sử dụng cơ cấu
Cấp sử dụng cơ cấu Tổng thời gian sử dụng (h)

Đặc điểm

T0

Đến 200

T1

Trên 200 đến 400

T2

Trên 400 đến 800

T3

Trên 800 đến 1600

T4

Trên 1600 đến 3200

Sử dụng ít, đều đặn

T5

Trên 3200 đến 6300

Sử dụng gián đoạn, đều đặn

T6

Trên 6300 đến 12500

Sử dụng căng, thất thường

T7

Trên 12500 đến 25000

T8

Trên 25000 đến 50000

T9

Trên 50000

Sử dụng thất thường

Sử dụng căng

Thông số thứ hai để phân biệt nhóm chế độ làm việc của cơ cấu là cấp tải
của cơ cấu được đặc trưng bằng hệ số phổ tải, phản ánh mức độ chịu tải của cơ cấu.
Hệ số phổ tải được tính theo công thức:

Trong đó:
ti : thời gian trung bình (h) sử dụng cơ cấu ứng với các mức tải khác nhau.
TT =Σti : tổng thời gian vận hành với các mức tải khác nhau
Pi : mức tải ứng với thời gian sử dụng ti
Pmax : Mức tải lớn nhất được phép vận hành.
Để xác định các hệ số phổ tải, cần thiết phải xây dựng các sơ đồ gia tải. Các sơ
đồ gia tải được xây dựng trên cơ sở thực tế hoặc kinh nghiệm tham khảo.

27


Đặc trưng cho mức độ sử dụng máy theo thời gian l tổng chu kỳ vận hành của
máy. Một chu kỳ vận hành được xác định từ lúc bắt đầu nâng tải và kết thúc khi
máy đã sẵn sàng để nhận tải tiếp theo.
Tương tự thời gian sử dụng cơ cấu (được tính bằng giờ) được xác định khi cơ cấu
đang trong trạng thái chuyển động.
Bảng 1-7: Cấp tải của cơ cấu và hệ số phổ tải danh nghĩa đối với cơ cấu máy nâng.
Cấp tải

Hệ số phổ tải danh

Đặc điểm

nghĩa kp
L1 - nhẹ

Đến 0,125

Cơ cấu ít khi chịu tải tối đa, thường chịu tải nhẹ

L2 - vừa

Trên 0,125 đến 0,25

Cơ cấu nhiều khi chịu tải tối đa, thường chịu tải vừa

L3 - nặng Trên 0,25 đến 0,5

Cơ cấu chịu tải tối đa tương đối nhiều, thường chịu tải
nặng

L4- rất

Trên 0,5 đến 1,0

Cơ cấu thường xuyên chịu tải tối đa.

nặng
Bảng1- 8: Hướng dẫn phân loại nhóm chế độ làm việc một số loại cần cẩu và cơ cấu

của chúng. (theo ISO 4301- 4-1989)

Thứ Loại thiết bị và công dụng Điều kiện
tự

sử dụng

Nhóm
chế độ

Nhóm chế độ làm việc cơ cấu
Nâng Nâng

làm việc

Di

Quay

Di

cần chuyển

chuyển

xe con

thiết bị

1

Cần cẩu dẫn động tay

A1

M1

M1

M1

M1

M1

2

Cần cẩu ở phân xưởng lắp

A2

M2

M1

M1

M2

M2

A4

M3

M3

M3

A6

M5

M3

M3

ráp
3a Cần cẩu trên boong tàu
trang bị móc
3b Cần cẩu trên boong tàu,
trang bị gàu ngoạm, nam
châm điện

28