THIẾT KẾ CẦN TRỤC CONTAINER

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
----------o0o----------

PHẠM VIỆT HÙNG

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN,
THIẾT KẾ CẦN TRỤC CONTAINER

CHUYÊN NGÀNH:

TỰ ĐỘNG HÓA

MÃ SỐ:

60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS-TS ĐỒNG VĂN HƯỚNG

TP HCM, 08-2015


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................7
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1................................................................................................................1
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP ..........................................................1
1.1.

BẢN VẼ THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ BẢN VẼ HOÀN CÔNG ĐƯỢC ĐĂNG

KIỂM PHÊ DUYỆT ................................................................................................1
1.2.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP .................................................2

1.2.1.

Các thông số cơ bản để tính toán kết cấu thép .................................................... 2

1.2.2.

Vật liệu chế tạo cổng trục ................................................................................ 2

1.2.3.

Tải trọng và tổ hợp tải trọng tính toán kết cấu thép ............................................. 3

1.3.

CÁC CƠ CẤU VÀ THIẾT BỊ.......................................................................7

1.3.1.

Tính toán thiết kế cơ cấu nâng .......................................................................... 7

1.3.2.

Tính toán thiết kế cơ cấu di chuyển cẩu ........................................................... 44

1.3.3.

Tính toán thiết kế cơ cấu di chuyển xe tời ........................................................ 47

CHƯƠNG 2..............................................................................................................50
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SINAMICS MICROMASTER SIZER ĐỂ TÍNH
TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO CẦN TRỤC .................................50
2.1.

GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM SINAMICS MICROMASTER SIZER ....50

2.2.

TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN.............................................51

2.2.1.

Yêu cầu đối với việc lựa chọn các thiết bị điện cho cần trục ............................... 51

2.2.2.

Tính toán lựa chọn thiết bị cấp nguồn cho các động cơ điện sử dụng SINAMICS

MICROMASTER SIZER ............................................................................................ 56

2.3.

XÂY DỰNG BẢN VẼ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG ĐIỆN ........................69

2.3.1.

Bản vẽ hệ thống cấp nguồn điện động lực ........................................................ 69


2.3.2.

Bản vẽ hệ thống điều khiển ............................................................................ 75

2.3.3.

Bản vẽ hệ thống mạng PLC S7-300 và sinamic S120, simotion D435 ............... 125

CHƯƠNG 3............................................................................................................126
SỬ DỤNG PHẦN MỀM SIMATIC S7 VÀ SIMOTION SCOUNT ĐỂ VIẾT
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CẨN TRỤC .................................................126
3.1.

GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM SIMATIC S7 VÀ SIMOTION SCOUNT
126

3.1.1.

Giới thiệu về phần mềm STEP 7................................................................... 126

3.1.2.

Kỹ thuật lập trình........................................................................................ 130

3.2.

SIMOTION VÀ SIMOCRANE ................................................................130

3.2.1.

Simotion.................................................................................................... 130

3.2.2.

Simocrance ................................................................................................ 132

3.3.

LƯU ĐỒ CỦA CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CẦN TRỤC ..............134

3.3.1.

Điều khiển khởi động cần trục ...................................................................... 134

3.3.2.

Điều khiển tắt cần trục ................................................................................ 135

3.3.3.

Điều khiển mô tơ dẫn động hệ thống tời nâng ................................................ 136

3.3.4.

Điều khiển xe tời ........................................................................................ 141

3.3.5.

Điều khiển di chuyển cần trục ...................................................................... 143

3.3.6.

Mã hóa chương trình điều khiển bằng Simatic S7 và Simotion Scount .............. 145

CHƯƠNG 4............................................................................................................146
LẮP RÁP CẦN TRỤC, CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH, CĂN CHỈNH, THỬ
HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC CƠ CẤU, KIỂM ĐỊNH ĐẠT YÊU CẦU VÀ ĐƯA
VÀO SỬ DỤNG, KHAI THÁC TẠI CẢNG ......................................................146
4.1.

QUY TRÌNH LẮP DỰNG VÀ KẾT CẤU ...............................................146

4.1.1.

Công tác chuẩn bị ....................................................................................... 146

4.1.2.

Lắp 04 cụm bánh xe .................................................................................... 146

4.1.3.

Lắp chân cổng phía bờ ................................................................................ 147

4.1.4.

Lắp chân cổng phía nước (tương tự lắp chân phía bờ) ..................................... 147

4.1.5.

Lắp dầm chính thứ nhất ............................................................................... 147


4.1.6.

Lắp dầm chính thứ hai ................................................................................. 147

4.1.7.

Lắp 02 dầm phụ khóa đầu dầm chính: ........................................................... 148

4.2.

QUY TRÌNH LẮP RÁP THIẾT BỊ ..........................................................148

4.2.1.

Lắp ráp xe tời ............................................................................................. 148

4.2.2.

Lắp ráp ca bin điều khiển............................................................................. 148

4.2.3.

Lắp cáp nâng – khung chụp ......................................................................... 148

4.2.4.

Lắp ráp hoàn thiện phần cơ khí..................................................................... 148

4.3.

LẮP RÁP PHẦN ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN .................................................148

4.4.

KIỂM TRA, THỬ TẢI VÀ BÀN GIAO...................................................149

4.4.1.

Yêu cầu chung ........................................................................................... 149

4.4.2.

Kiểm tra .................................................................................................... 149

4.5.

THỬ TẢI ...................................................................................................150

4.6.

BÀN GIAO VÀ HUẤN LUYỆN ..............................................................151

CHƯƠNG 5............................................................................................................152
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..................................................................................152
5.1.

ĐÁNH GIÁ BÀN LUẬN CÁC KẾT QUẢ ..............................................152

5.2.

KẾT LUẬN ...............................................................................................156

5.3.

KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................156

5.4.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ ......156

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................158


DANH MỤC CÁC BẢNG
Hình I.1 – Hình ảnh thực tế cần trục sau khi lắp đặt hoàn thiện và đưa vào sử dụng ..................... 1
Bảng I.1 – Các thông số cơ bản để tính toán kết cấu thép .......................................................... 2

Hình I.2 – Sơ đồ tính cổng trục .............................................................................................. 6
Hình I.3 – Biểu đồ moment uốn ............................................................................................. 7
Hình I.4 – Sơ đồ cơ cấu nâng ................................................................................................ 8
Bảng I.2 – Các nhóm chế độ làm việc của cơ cấu nâng ............................................................. 9
Hình I.5 – Sơ đồ mắc cáp .................................................................................................... 12
Hình I.6 – Mặt cắt puly....................................................................................................... 15
Hình I.7 – Mặt cắt rãnh cáp ................................................................................................. 16
Hình I.8 – Bu-lông kẹp cáp ................................................................................................. 19
Bảng I.3 – Các thông số kích thước ...................................................................................... 21
Hình I.9 – Động cơ dẫn động .............................................................................................. 22
Bảng I.4 – Thông số kích thước hình học khớp nối (đơn vị mm) .............................................. 24
Hình I.10 – Mặt cắt khớp nối............................................................................................... 24
Hình I.11 – Mặt cắt khớp nối............................................................................................... 25
Hình I.12 – Bố trí cáp nâng ................................................................................................. 28
Hình I.13 – Sơ đồ tính và biểu đồ moment lực ....................................................................... 29
Hình I.14 – Biểu đồ moment trục 2 ...................................................................................... 33
Hình I.15 – Sơ đồ gia tải ..................................................................................................... 37
Hình I.16 – Mặt cắt ổ bi ...................................................................................................... 38
Bảng I.5 – Bảng thông số kích thước (đơn vị mm) ................................................................. 38
Hình I.17 – Sơ đồ gia tải ..................................................................................................... 40
Hình I.18 – Mặt cắt ổ bi ...................................................................................................... 41
Bảng I.6 – Bảng thông số kích thước (đơn vị mm) ................................................................. 41
Hình I.19 – Phanh BUBENZER .......................................................................................... 42
Hình I.20 – Hình ảnh cơ cấu nâng sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện.................................... 44
Hình I.21 – Cơ cấu nâng di chuyển cần trục .......................................................................... 45
Hình I.22 – Hình ảnh cơ cấu di chuyển sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện ............................. 46
Hình I.23 – Sơ đồ truyền động cơ cấu di chuyển xe tời ........................................................... 47
Hình I.24. Hình ảnh motor dẫn động xe tời bên trái sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện............ 48
Hình I.25 – Hình ảnh cơ cấu xe tời sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện .................................. 49
Hình I.26 – Ca bin điều khiển lái cẩu.................................................................................... 49

Hình II.1 – Cửa sổ ứng dụng Sizer ....................................................................................... 51
Hình II.2 – Cấp nguồn cho motor của các cơ cấu ................................................................... 57
Bảng II.1 –Kết quả tính toán lựa chọn thiết bị điện bằng phần mềm Sizer ................................. 57
Hình II.3 – Kết nối mạng Profibus và DriveCilQ ................................................................. 125
Hình III.1 – Cách quản lý các khối chương trình trong Step 7................................................ 129
Hình III.11 – Các thành phần của hệ thống Simocrane.......................................................... 133
Hình III.12 – Tuần tự của các tín hiệu điều khiển khởi động cần trục ..................................... 135
Hình III.13 – Tuần tự của các tín hiệu điều khiển tắt cần trục ................................................ 135
Hình III.14 – Gửi / nhận tín hiệu giữa CPU 315 với Simotion D435 để điều khiển motor dẫn động
cơ cấu nâng ..................................................................................................................... 136
Hình III.15 – Tuần tự tín hiệu giữa CPU 315 với Simotion D435 để khởi động Motor Module cấp
nguồn cho motor dẫn động cơ cấu nâng .............................................................................. 137
Hình III.16 – Tuần tự tín hiệu giữa CPU 315 với Simotion D435 để dựng Motor Module cấp nguồn
cho motor dẫn động cơ cấu nâng........................................................................................ 138
Hình III.17 – Tín hiệu điều khiển motor dẫn động cơ cấu nâng .............................................. 139
Hình III.18 – Các hàm điều khiển motor dẫn động cơ cấu nâng ............................................. 140
Hình III.19 – Tín hiệu điều khiển motor dẫn động xe tời ....................................................... 141
Hình III.20 – Các hàm điều khiển motor dẫn động xe tời ...................................................... 142
Hình III.21- Tín hiệu điều khiển motor dẫn động cơ cấu di chuyển cần trục ............................ 143
Hình III.22 – Các hàm điều khiển motor dẫn động cơ cấu di chuyển cần trục .......................... 144


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình I.1 – Hình ảnh thực tế cần trục sau khi lắp đặt hoàn thiện và đưa vào sử dụng ..................... 1
Bảng I.1 – Các thông số cơ bản để tính toán kết cấu thép .......................................................... 2
Hình I.2 – Sơ đồ tính cổng trục .............................................................................................. 6
Hình I.3 – Biểu đồ moment uốn ............................................................................................. 7

Hình I.4 – Sơ đồ cơ cấu nâng ................................................................................................ 8
Bảng I.2 – Các nhóm chế độ làm việc của cơ cấu nâng ............................................................. 9
Hình I.5 – Sơ đồ mắc cáp .................................................................................................... 12
Hình I.6 – Mặt cắt puly....................................................................................................... 15
Hình I.7 – Mặt cắt rãnh cáp ................................................................................................. 16
Hình I.8 – Bu-lông kẹp cáp ................................................................................................. 19
Bảng I.3 – Các thông số kích thước ...................................................................................... 21
Hình I.9 – Động cơ dẫn động .............................................................................................. 22
Bảng I.4 – Thông số kích thước hình học khớp nối (đơn vị mm) .............................................. 24
Hình I.10 – Mặt cắt khớp nối............................................................................................... 24
Hình I.11 – Mặt cắt khớp nối............................................................................................... 25
Hình I.12 – Bố trí cáp nâng ................................................................................................. 28
Hình I.13 – Sơ đồ tính và biểu đồ moment lực ....................................................................... 29
Hình I.14 – Biểu đồ moment trục 2 ...................................................................................... 33
Hình I.15 – Sơ đồ gia tải ..................................................................................................... 37
Hình I.16 – Mặt cắt ổ bi ...................................................................................................... 38
Bảng I.5 – Bảng thông số kích thước (đơn vị mm) ................................................................. 38
Hình I.17 – Sơ đồ gia tải ..................................................................................................... 40
Hình I.18 – Mặt cắt ổ bi ...................................................................................................... 41
Bảng I.6 – Bảng thông số kích thước (đơn vị mm) ................................................................. 41
Hình I.19 – Phanh BUBENZER .......................................................................................... 42
Hình I.20 – Hình ảnh cơ cấu nâng sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện.................................... 44
Hình I.21 – Cơ cấu nâng di chuyển cần trục .......................................................................... 45
Hình I.22 – Hình ảnh cơ cấu di chuyển sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện ............................. 46
Hình I.23 – Sơ đồ truyền động cơ cấu di chuyển xe tời ........................................................... 47
Hình I.24. Hình ảnh motor dẫn động xe tời bên trái sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện............ 48
Hình I.25 – Hình ảnh cơ cấu xe tời sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn thiện .................................. 49


Hình I.26 – Ca bin điều khiển lái cẩu.................................................................................... 49

Hình II.1 – Cửa sổ ứng dụng Sizer ....................................................................................... 51
Hình II.2 – Cấp nguồn cho motor của các cơ cấu ................................................................... 57
Bảng II.1 –Kết quả tính toán lựa chọn thiết bị điện bằng phần mềm Sizer ................................. 57
Hình II.3 – Kết nối mạng Profibus và DriveCilQ ................................................................. 125
Hình III.1 – Cách quản lý các khối chương trình trong Step 7................................................ 129
Hình III.11 – Các thành phần của hệ thống Simocrane.......................................................... 133
Hình III.12 – Tuần tự của các tín hiệu điều khiển khởi động cần trục ..................................... 135
Hình III.13 – Tuần tự của các tín hiệu điều khiển tắt cần trục ................................................ 135
Hình III.14 – Gửi / nhận tín hiệu giữa CPU 315 với Simotion D435 để điều khiển motor dẫn động
cơ cấu nâng ..................................................................................................................... 136
Hình III.15 – Tuần tự tín hiệu giữa CPU 315 với Simotion D435 để khởi động Motor Module cấp
nguồn cho motor dẫn động cơ cấu nâng .............................................................................. 137
Hình III.16 – Tuần tự tín hiệu giữa CPU 315 với Simotion D435 để dựng Motor Module cấp nguồn
cho motor dẫn động cơ cấu nâng........................................................................................ 138
Hình III.17 – Tín hiệu điều khiển motor dẫn động cơ cấu nâng .............................................. 139
Hình III.18 – Các hàm điều khiển motor dẫn động cơ cấu nâng ............................................. 140
Hình III.19 – Tín hiệu điều khiển motor dẫn động xe tời ....................................................... 141
Hình III.20 – Các hàm điều khiển motor dẫn động xe tời ...................................................... 142
Hình III.21- Tín hiệu điều khiển motor dẫn động cơ cấu di chuyển cần trục ............................ 143
Hình III.22 – Các hàm điều khiển motor dẫn động cơ cấu di chuyển cần trục .......................... 144


1

MỞ ĐẦU
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, do việc hợp tác kinh tế phát triển, khối lượng hàng hóa ngoại thương trao
đổi giữa các nước trên thế giới tăng lên với tốc độ đáng kể. Đi liền với khối lượng hàng
hóa vận chuyển tăng nhanh trên thế giới, các phương tiện vận chuyển hàng hóa bằng
đường biển, đường bộ, đường hàng không cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc.

Việt Nam trong tiến trình phát triển đất nước theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại
hóa cũng không nằm ngoài xu thế đó. Chuyên chở hàng hóa bằng container được bắt
đầu từ những năm đầu của thập kỷ 80 và những năm gần đây loại hình này đã có những
bước tiến đáng kể. Nhu cầu về thiết bị xếp dỡ dùng cho các cảng container theo đó cũng
tăng cao.
Hiện nay, tại các nước công nghiệp phát triển, máy móc và thiết bị xếp dỡ container
được nghiên cứu, chế tạo với mức độ hiện đại hóa cao và ngày càng hoàn thiện nhằm
tăng năng suất bốc dỡ, tự động hóa quá trình hoạt động..., giải phóng tối đa con người
khỏi lao động nặng nhọc. Ở nước ta, nhiều đơn vị đã phải bỏ ra lượng ngoại tệ lớn cho
việc nhập đồng bộ các thiết bị này từ nước ngoài.
Nghiên cứu, tính toán, thiết kế cần trục, đặc biệt là hệ thống điều khiển các cần trục
container trên cơ sở ứng dụng công nghệ hiện đại, sử dụng các chương trình tính toán
tiên tiến, nhằm chế tạo ra các cần trục xếp dỡ container thay thế cho các thiết bị mà hiện
nay đang phải nhập khẩu từ nước ngòai với giá thành rất cao. Ngòai ra việc tính tóan
thiết kế thành công hệ thống điều khiển còn ứng dụng rất hiệu quả vào việc hóan cải,
nâng cấp các thiết bị xếp dỡ thế hệ cũ hiện đang sử dụng ở các cảng container nhằm tăng
năng suất xếp dỡ của cần trục container, tăng tính ổn định và mức độ chính xác trong
hoạt động khai thác container.


2

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• Tính toán thiết kế cần trục conatiner, xây dựng các bản vẽ thiết kế, trình đăng
kiểm phê duyệt thiết kế.
• Xây dựng các bản vẽ chi tiết về hệ thống điện của cần trục container.
• Xây dựng phần mềm điều khiển hoàn chỉnh hệ thống các cơ cấu của cần trục:
bao gồm cơ cấu tời nâng hàng, cơ cấu di chuyển xe tời, cơ cấu di chuyển cần
trục.
• Thực hiện các công việc lắp đặt cần trục, cài đặt chương trình, căn chỉnh, thử

hoạt động của các cơ cấu; kiểm định đạt yêu cầu và đưa vào sử dụng, khai
thác tại cảng.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Từ yêu cầu thực tế sản xuất, lựa chọn và tính toán để thiết kế cẩu trục container bánh
ray với các thông số kỹ thuật phù hợp, cụ thể:
• Yêu cầu sản xuất: đầu tư lắp đặt 01 cần trục trục di chuyển trên ray tại Bến
sà lan phục vụ bốc xếp container cho các sà lan chở container thông dụng với
đặc tính kỹ thuật của sà lan như sau:
-

Chiều dài thiết kế: 58 m.

-

Chiều rộng thiết kế: 12,4 m.

-

Chiều cao mạn:

-

Mớn nước đầy tải: 3,45 m.

-

Lượng chiếm nước đầy tải: 1.895 T.

-

Trọng tải:

-

Năng suất xếp dỡ 30 container/h với ngáng container tự động.

4,2 m.

90 TEU (1505 T).

• Thông số kỹ thuật cần trục yêu cầu:
-

Sức nâng lớn nhất dưới khung chụp:

-

Khoảng cách hai ray cổng trục:

26 m.

-

Khoảng cách hai ray xe tời:

12 m.

-

Tầm với phía nước:

14 m.

36 tấn


3

-

Tầm với phía bờ:

8 m.

-

Chiều cao nâng hàng:

-

Trên mặt ray:

11,5 m.

-

Dưới mặt ray:

3 m.

-

Tổng chiều cao nâng:

14,5 m.

• Vận tốc khai thác:
-

Tốc độ nâng (có tải/không tải)

-

Tốc độ di chuyển xe tời (có tải/không tải):

-

Tốc độ di chuyển cẩu có (tải/không tải): 40/40 m/ph.

-

Áp lực lớn nhất trên bánh xe

-

Đường kính bánh xe:

-

Tổng số bánh xe di chuyển: 20 chiếc.

-

Số lượng bánh xe/góc: Phía nước:06. Phiá bờ: 04

-

Nguồn điện cung cấp: AC 380V – 50Hz – 3 pha.

18/36 m/ph.
50/70 m/ph.

27 tấn.

600 mm.


1

CHƯƠNG 1.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP

Hình I.1 – Hình ảnh thực tế cần trục sau khi lắp đặt hoàn thiện và đưa vào sử dụng

BẢN VẼ THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ BẢN VẼ HOÀN CÔNG ĐƯỢC

1.1.

ĐĂNG KIỂM PHÊ DUYỆT
(Phụ lục 01: Bản vẽ thiết kế cơ khí và bản vẽ hoàn công được đăng kiểm phê

duyệt)


2

1.2.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP

1.2.1. Các thông số cơ bản để tính toán kết cấu thép
Bảng I.1 – Các thông số cơ bản để tính toán kết cấu thép

Nội dung

STT

Thông số

Đvị

THÔNG SỐ HÌNH HỌC
1

Chiều cao từ dầm ngang chân tới dầm chính

13

m

2

Chiều cao chân phía nước

19

m

3

Chiều cao chân phía bờ

18

m

4

Chiều rộng chân (trên dưới như nhau)

15,5

m

5

Tổng chiều dài dầm chính

52,4

m

6

Khoảng cách hai dầm chính

12

m

7

Khoảng cách làm hàng thực tế

48

m

8

Khẩu độ chân

26

m

9

Tầm với consol hai phía.

10,2-16,2

m

10

Chiều cao tính từ dầm chính tới đỉnh cột

7

m

THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC
1

Vận tốc di chuyển cổng có tải/không tải

40/40

m/ph

2

Vận tốc di chuyển xe tời có tải/không tải

50/70

m/ph

3

Vận tốc nâng hạ hàng có tải/không tải

20/40

m/ph

1.2.2. Vật liệu chế tạo cổng trục
Theo như số liệu và hồ sơ thu thập, vật liệu kết cấu thép của là thép có mác thép
SS400 theo tiêu chuẩn Nhật JIS.
• Môđun đàn hồi khi kéo:

E = 2,1.106 kG/cm2

• Môđun đàn hồi trượt:

G = 0,81. 106 kG/cm2

• Giới hạn chảy:

σ c = 235 – 245 N/mm2

• Giới hạn bền:

σ b = 400 – 510 N/mm2


3

• Độ dai va đập:

ak = 50 – 100 J/ cm2
γ = 7,86 T/ m3

• Khối lượng riêng:
• Độ dãn dài khi đứt:

ε 0 = 21%

[σ ] = σ c

• Ứng suất cho phép lớn nhất:

n

=

240
= 160 ( N / mm 2 )
1,5

1.2.3. Tải trọng và tổ hợp tải trọng tính toán kết cấu thép
1.2.3.1. Trọng lượng bản thân cần trục:
Trọng lượng bản thân cổng trục bao gồm trọng lượng phần kết cấu thép, nhà tời,
cơ cấu nâng hạ, thiết bị điện, cabin điều khiển… Dựa vào hồ sơ kỹ thuật của các loại
cổng trục thông dụng có cùng sức nâng, hồ sơ và máy mẫu, ta ước tính sơ bộ trọng
lượng của cổng trục: Gc (T)
• Khối lượng bản thân dầm chính: 62,54 (T).
• Khối lượng kết cấu thép 2 chân: 66 (T).
• Khối lượng khung chụp: 10 (T).
• Khối lượng mỗi cụm chân: 5 (T).

1.2.3.2. Trọng lượng xe con:
Đây là loại cổng trục có kết cấu xe tời cũng khá giống so với những dạng cổng
trục thông thường. Cụm tời nâng hàng của cổng trục được đặt cố định lên kết cấu
thép làm cho trọng lượng của xe tời tăng lên đáng kể. Lấy theo máy mẫu, trọng lượng
của xe tời chưa kể tới trọng lượng thiết bị nâng: Gx = 27 (T)
1.2.3.3. Trọng lượng hàng nâng và khung chụp:
• Trọng lượng hàng nâng:
• Khung chụp:

Q=36 (T).

Q=10 (T)

• Khối lượng hàng và bộ phận mang: mh =46 (T):
1.2.3.4. Lực quán tính ngang khi hãm cơ cấu di chuyển xe con:
Pqt = (m x + mh ). j

Trong đó:
•

m x =27 (T): Khối lượng xe con.


4

•

mh =46 (T): Khối lượng hàng và bộ phận mang.

• j=0,515 ( m / s 2 ): Gia tốc khi khởi động (hãm) xe con.

Thay vào:
Pqt =(27 + 46).10 3 .0,515=37595 (kg)

1.2.3.5. Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu:
1.2.3.5.1.

Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu ở trạng thái làm việc:
PgII = ∑( p g .FH )

Trong đó:
p g : Áp lực gió tác dụng lên máy trục, Kg.

F H =F v + FC =180 (m 2 ): Diện tích chắn gió tính toán của kết cấu và vật nâng
(trong trạng thái làm việc), m 2 .
Diện tích chắn gió của vật nâng F v =20 m 2 ,
Diện tích chắn gió của kết cấu:
FC = k c .Fb =1.160=160(m 2 )

Trong đó:
•

k c =1: Hệ số độ kín đối với thép hộp.

•

Fb = 160 m 2 : Diện tích bao của kết cấu được tính gần đúng thông qua các

mặt cắt giả định trước và kích thước hình học của cổng trục.
Áp lực gió tác dụng lên máy trục:
p g = q 0 .n.c.β .γ

Trong đó:
•

(

)

q 0 =25 KG / m 2 : Áp lực gió trung bình ở trạng thái trung bình đối với cần

trục cảng.
• n=1,0 ÷ 1,32: Hệ số hiệu chỉnh áp lực gió tính đến sự tăng áp lực gió theo
chiều cao, tra bảng (4.5)[6].
• c=1,2: Hệ số khí động học của kết cấu, tra bảng (4.6)[6].


5

•

β =1,25: Hệ số kể đến tác dụng động của gió lên kết cấu, tra bảng đối với

cần trục có độ cứng vững cao.
•

γ =1: Hệ số vượt tải, lấy đối với phương pháp ứng suất cho phép.

Thay vào (4.6):

(

p g = 25.1,3.1,2.1,25.1 = 48,75 KG / m 2

)

Thay vào (4.4):
PgII = 48,75.180 =8775 (KG)

Tính toán tải trọng gió tác dụng lên cơ cấu ở trạng thái không làm

1.2.3.5.2.
việc:

PgIII =Σpg.FH
Trong đó:
• FH=160 (m2) : Diện tích chắn gió của cổng trục.
Áp lực gió tác dụng lên máy trục:
p g = q 0 .n.c.β .γ

Trong đó:
•

(

)

q 0 =100 KG / m 2 : Áp lực gió bão đối với cần trục cảng.

• n=1,0 ÷ 1,32: Hệ số hiệu chỉnh áp lực gió tính đến sự tăng áp lực gió theo
chiều cao, tra bảng (4.5)[6].

• c=1,2: Hệ số khí động học của kết cấu, tra bảng (4.6)[6].
•

β =1,25: hệ số kể đến tác dụng động của gió lên kết cấu, tra bảng đối với

cần trục có độ cứng vững cao.
•

γ =1: hệ số vượt tải, lấy đối với phương pháp ứng suất cho phép

Thay vào (4.6):

(

p g = 100.1,3.1,2.1,25.1 = 195 KG / m 2

Thay vào (4.4):
PgII = 195.180 =35100 (KG)

)


6

1.2.3.5.3.

Lực sườn:

Lực sườn xuất hiện khi có sự di chuyển lệch của cổng trục:
R = 0,1.Nmax

Trong đó:
• N: Áp lực lớn nhất trên một bánh xe khi xe tời ở vị trí ngoài cùng của
consol.
Dựa theo tính toán máy mẫu ta lấy: N max =100000(kG)(dựa theo máy mẫu).
⇒ R=10000 (kG)

1.2.3.5.4.

Lực xô ngang chân cổng:

Lực xô ngang chân cổng xuất hiện khi có tải trọng di động dọc kết cấu của cầu
trên, do trọng lượng bản thân chân cổng hoặc các tải trọng khác tác dụng lên cổng
khi cổng là kết cấu hai chân cứng.
Lực xô ngang chỉ xuất hiện khi cổng đứng yên, khi cổng trục di chuyển lực xô
ngang bị triệt tiêu.

Hình I.2 – Sơ đồ tính cổng trục


7

Hình I.3 – Biểu đồ moment uốn

1.3.

CÁC CƠ CẤU VÀ THIẾT BỊ

1.3.1. Tính toán thiết kế cơ cấu nâng
1.3.1.1. Giới thiệu về cơ cấu nâng
Cơ cấu nâng là cơ cấu dùng để nâng hạ vật nâng theo phương thẳng đứng. ngoại

lực tác dụng lên cơ cấu là trọng lực và lực quán tính. Cơ cấu nâng có thể là một bộ
phận của máy hoặc là một máy làm việc độc lập. Theo cách truyền lực lên phần
chuyển động phân ra:
• Tời cp v tời xích với tang quấn cp hoặc puly ma sát.
• Kích thanh răng, kích vít với truyền động bánh răng bánh răng hay truyền
động vít.
• Kích thủy lực.


8

• Cơ cấu nâng quan trọng và được dùng phổ biến với tời cáp với tang cuốn
cáp. Ở thang máy chủ yếu dùng puly ma sát.
1.3.1.2. Sơ đồ truyền động cơ cấu nâng

Hình I.4 – Sơ đồ cơ cấu nâng
1 – Tang cuốn cáp; 2 – Khớp nối; 3 – Hộp giảm tốc; 4 – Trục truyền

1.3.1.3. Nguyên lý hoạt động
Đây là loại sơ đồ động có kết cấu cơ bản. Các liên kết đều được tối ưu hóa nhằm
nâng cao khả năng hoạt động của cơ cấu và giảm kích thước, khối lượng của cơ cấu.
Động cơ 6 có vai trò dẫn động cơ cấu, khi động cơ hoạt động(cơ cấu hoạt động),
momet xoắn được truyền tới trục đầu vào của hộp giảm tốc thông qua khớp nối có
gắn đĩa phanh. Hộp giảm tốc 3 được cố định xuống phần kết cấu thép của xe tời thông
qua các thanh giá đỡ. Tại hộp giảm tốc, moment xoắn truyền từ động cơ tới được
khuếch đại, momet xoắn này được truyền cho tời nâng 1 thông qua trục truyền cũng
là trục tang. Moment xoắn được truyền tới tang giúp tang hoạt động, thực hiện thao
tác nâng (hạ) theo yêu cầu.

9

1.3.1.4. Các dữ liệu ban đầu để tính toán cơ cấu nâng
Sức nâng : Q = 36Tf.
• Trọng lượng bộ phận mang hàng (ngáng nâng): Qm = 10T.
• Chiều cao nâng : Hn = 11.5 m.
• Chiều sâu hạ

: Hh = -3 m.

• Tốc độ nâng khung chụp có tải và không tải: Vn = 20/40 (m/phút).
• Gia/giảm tốc với tải định mức là: 2s.
• Gia/giảm tốc với container rỗng là: 4s.
1.3.1.5. Xác định chế độ làm việc của cơ cấu nâng
Đối tượng phục vụ của máy nâng rất đa dạng, điều kiện sử dụng và yêu cầu công
việc không giống nhau. Để thống nhất về điều kiện sử dụng mà chủ yếu ở đây là mức
độ sử dụng máy theo thời gian và mức độ chất tải, người ta phân loại các cơ cấu và
máy nâng theo các nhóm chế độ làm việc tiêu chuẩn.
Theo tiêu chuẩn 5862-1995, các cơ cấu của máy nâng được phân ra 8 nhóm chế
độ làm việc ký hiệu từ M1 ÷M8 ứng với 10 cấp sử dụng T0÷T9 và 4 cấp tải của L1 ÷
L4.
Bảng I.2 – Các nhóm chế độ làm việc của cơ cấu nâng

Cấp sử dụng cơ cấu

Cấp tải
của cơ

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

-

-

cấu

Theo các bảng(0.5) ;(0.6); (0.8)[04] ta chọn chế độ làm việc của cơ cấu nâng như
sau:


10

• T6: tổng thời gian sử dụng cơ cấu 6300 ÷ 12500h, sử dụng căng và thất
thường.
• L2 : trạng thái tải vừa, hệ số phổ tải danh nghĩa k m =0,125 ÷ 0,25, cơ cấu
nhiều khi chịu tải tối đa, thông thường chịu tải vừa.
Theo bảng (2.2) thì chế độ làm việc của cơ cấu nâng của cầu chuyển tải ứng với
chế độ làm việc M6.

Theo bảng 0.8 [04] thì M6 cho thấy cơ cấu làm việc với chế độ sử dụng gián đoạn,
đều đặn hay ứng với cách phân loại cũ thì cơ cấu làm việc với chế độ trung bình.
Những chỉ tiêu chủ yếu để đánh giá chế độ làm việc của máy nâng là:
Hệ số sử dụng theo tải trọng:

kQ =

Qtb
= 0,75 Error! Bookmark not defined..
Q

Trong đó:
• Qtb: Trọng lượng trung bình của vật nâng.
• Q: Tải trọng danh nghĩa của cơ cấu.
Hệ số sử dụng cơ cấu trong ngày:
k ng =

hng
24

=

16
= 0,67 .
24

(hng: Số giờ làm việc trong ngày).
Hệ số sử dụng cơ cấu trong năm:

kn =

h n 182
=
= 0,5 .
365 365

(hn: Số ngày làm việc trong năm).
Cường độ làm việc của động cơ:
CĐ% =

To
.100 .
T

Trong đó:
• To: Thời gian làm việc của động cơ trong 1 chu kì hoạt động của máy
nâng:


11

To = ∑ t m + ∑ t v .

• T: Toàn bộ (t) hoạt động của cơ cấu trong môt chu kỳ.
T = ∑ tm + ∑ tv + ∑ t p + ∑ td

• tm: Tổng thời gian mở máy.
• tv : Tổng thời gian chuyển động với tốc độ ổn định.
• tp : Tổng thời gian phanh.
• td : Tổng thời gian dừng máy.

Nhiệt độ môi trường xung quanh: 0 ÷ 450C.
Tra theo (bảng 1.2)[02] ta được cường độ làm việc của cơ cấu:
CĐ% = 40 (%).
Tức cơ cấu làm việc với các tải trọng nâng khác nhau, hệ số sử dụng cơ cấu theo
tải trọng đạt khoảng 75%, tốc độ làm việc trung bình, cường độ làm việc của động cơ
khoảng 40% , số lần mở máy trong 1 giờ đến 120 lần.

1.3.1.6. Tính chọn cáp nâng hàng
1.3.1.6.1.

Pa lăng nâng hàng:

Palăng cáp là một hệ thống bao gồm các puly cố định và di động nối với nhau
bằng cáp nhằm giảm lực căng cáp so với lực kéo của hệ thống hoặc tăng tốc độ kéo
của hệ thống so với tốc độ cáp.


12

Hình I.5 – Sơ đồ mắc cáp

Với sức nâng danh nghĩa 46T là sức nâng tương đối lớn nên để giảm lực căng
trong mỗi nhánh cáp nâng hàng, tăng tuổi thọ cho cáp nâng, tang nâng, ta chọn hệ
palăng là loại palăng lực(hệ palăng thuận ) lợi về lực.
Đại lượng đặc trưng cho palăng cáp là bội suất palăng i. Bội suất palăng thể hiện
số lần giảm đi của lực căng cáp đi so với tải trọng nâng Q được xác định bằng công
thức:

i=

m
=2
k

• m = 8 : Là số nhánh cáp treo vật.
• k = 4 : Là số nhánh cáp cuốn lên tang

(1.7)[04]


13

1.3.1.6.2.

Cáp nâng hàng:

Trong máy trục cáp thép được sử dụng rất phổ biến rộng rãi đặc biệt là trong cơ
cấu nâng. Có nhiều loại cáp thép như cáp bện kép, cáp bện ba lớp, cáp bện xuôi, cáp
bện chéo, cáp bện hỗn hợp
Để chọn được cáp thép cho cơ cấu ta phải dựa vào giá trị lực kéo đứt của sợi cáp:
Lực trong dây cáp cuộn vào tang:
St =

Q0
.
z.a.η 0

(2.1)[01]

Trong đó:

• Qo = Q + Qm =46T.
• Q = 36T: Tải trọng nâng danh nghĩa.
• Qm = 10T: Trọng lượng ngáng nâng.
• z = 4: Số palăng đơn trong cơ cấu.
• ηo: Hiệu suất chung của palăng và puly chuyển hướng.
• ηo= ηp .ηđh=0,98.0,92=0,903

(2.2)[01]

Trong đó:
• ηp: Hiệu suất của palăng.
• ηđh: Hiệu suất của puly chuyển hướng chuyển động cáp.
•

a
1 1 − 0,96 2
1 1 −η
=
= 0,98 .
ηp =
ia 1 − η
2 1 − 0,96

(2.3)[01]

• η = 0.96: Hiệu suất của 01 puly. Theo bảng (2.1)[01]
• ηđh = ηpn =0,984 =0,92 (n là số puly chuyển hướng).
Thay vào:
•

St =

46.10 3
= 6367,7 (KG).
4.2.0,903

• Lực đứt tính toán trong cáp:
• P ≥ S.k
• Trong đó:

(2.6)[01]


14

• S = St = 6367,7 KG: Lực căng lớn nhất trong dây cáp (không tính tải trọng
động)
• k=6: Hệ số an toàn. Tra theo bảng (2.3)[01]
Thay vào:
• P ≥ 6367,7.6 = 38206,2 KG
• Tra bảng III.6 [01], ta chọn cáp có các thông số kỹ thuật như sau:
• Đường kính cáp: dc = 25,5 mm
• Giới hạn bền: σ b = 200 KG / mm 2
• Lực đứt cho phép: P = 39100 KG
Đây là loại cáp bện kép loại ΠK - PO cấu tạo: 6×36(1+7+7/7+14)+1 lõi theo
ΓΟCΓ 7668-80, có khối lượng 2495(kg) tính cho mỗi 1000 (m) cáp đã bôi trơn.

Độ bền dự trữ thực tế của cáp:
kt =

39100
= 6,14> k = 6.
6367,7

1.3.1.7. Tính chọn puly cáp
Trong máy nâng puly dùng để thay đổi hướng cáp hoặc để thay đổi lực căng cáp.
Trong palăng, puly được phân thành puly cố định để đổi hướng cáp, puly di động để
thay đổi lực căng cáp và puly cân bằng.
Theo [04]:
Bán kính rãnh puly:
r = (0,53 ÷ 0,6). d c = 13,5÷15,3 (mm).
=> chọn r = 15 (mm).
Góc nghiêng của hai thành puly:
2 α = 40 0 ÷ 60 0 .
Chiều sâu rãnh puly:
h= (2 ÷ 2,5) d c =51÷63,75 (mm).
=> chọn h=60 (mm).
Đường kính puly tính đến tâm cáp Dp phải thỏa mãn theo TCVN 4244:2005. [07].