THIẾT KẾ CƠ CẤU NÂNG DẪN ĐỘNG BẰNG MÁY

LỜI NÓI ĐẦU BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ CƠ CẤU NÂNG DẪN ĐỘNG BẰNG MÁY Các thông số thiết kế và điều kiện làm việc của cơ cấu + Trọng lượng vật nâng Q = 8000 kg + Chiều cao nâng H = 80 (m) + Vận tốc nâng vn = 0,5 ms + Chế độ làm việc nặng + Điều kiện làm việc ngoài trời + Loại thiết bị phanh hãm Phanh áp trục hình nón TRÌNH TỰ THỰC HIỆN 1 Chọn loại dây treo vật Cáp thép Xích Cáp nhỏ, mềm theo mọi phương không bị đứt bất ngờ độ tin cậy cao hơn xích Tang cuốn cáp lớn cồng kềnh dẫn tới kích thước trọng lư.

BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ CƠ CẤU NÂNG DẪN ĐỘNG BẰNG MÁY

Các thông số thiết kế và điều kiện làm việc của cơ cấu

+ Trọng lượng vật nâng : Q = 8000 kg

+ Chiều cao nâng : H = 80 (m)

+ Vận tốc nâng: : vn = 0,5 m/s

+ Chế độ làm việc : nặng

+ Điều kiện làm việc : ngoài trời

+ Loại thiết bị phanh hãm : Phanh áp trục hình nón

TRÌNH TỰ THỰC HIỆN

1 Chọn loại dây treo vật

Cáp nhỏ, mềm theo mọi phương không bị

đứt bất ngờ độ tin cậy cao hơn xích

Tang cuốn cáp lớn cồng kềnh dẫn tới kích

thước trọng lượng cơ cấu truyền động

lớn

Xích có khối lượng trên 1m chiều dài lớnhơn nhiều so với cáp Xích ống con lănchỉ mềm theo một phương bị cong khichịu tải lệch tâm, xích hàn mềm theo mọiphương nhưng dễ bị đứt đột ngột do chấtlượng mối hàn

độ tin cậy của xích thấp hơn cáp

Xích làm việc tốt ở nơi có nhiệt độ cao vàmôi trường có hại cho thép

+/ Xích hàn :

*.Ưu điểm :

- Khi làm việc mềm ở tất cả các phương

- Làm việc ổn định, không gây tiếng ồn khi vận tốc nhỏ Vn < 0,1m/s

- Làm việc với độ tin cậy cao hơn xích hàn

- Vận tốc làm việc cho phép cao hơn xích hàn [Vn ] = 0,25 m/s

b Kết luận và chọn loại dây.

Theo sự phân tích ở trên, và dựa vào thông số thiết kế yêu cầu

Vn = 0,9 m/s , chế độ làm việc nặng Ta tiến hành chọn loại dây cáp thép

Do dây cáp thép có nhiều ưu điểm như: có độ mền cao, dễ uốn cong, làm việc ổn định,

êm dịu, đảm bảo độ bền lâu và an toàn trong sử dụng, trọng lượng riêng nhỏ, giá thànhthấp,…

Hơn nữa, do chế độ làm việc là nặng, trọng lượng vật nâng, chiều cao nâng vàvận tốc nâng tương đối lớn nên ta chọn loại dây treo vật là dây cáp thép (có giới hạnbền cao,mền dẻo,…)

Ta chọn loại cáp bện xuôi đồng thời lõi thép được tẩm dầu để chống gỉ

Dựa vào điều kiện làm việc, ưu nhược điểm giữa cáp và xích ta chọn dây treo vật

3 Xác định lực căng lớn nhất S max

Sơ đồ tính toán cơ cấu được thể hiện như hình vẽ

Lực căng của nhánh cáp cuốn vào tang được xác định

Q

Trong đó:

Q- trọng lượng vật nâng, kg;

a – bội suất palăng cáp;

a

 - hiệu suất palăng cáp

- Lực căng trong các nhánh dây cáp khác được xác đinh như sau:

Xác định hiệu suất của hệ palăng cáp ηa: theo sơ đồ trên ta có:

2

Với: ηr là hiệu suất của một dòng dọc

Tra bảng 82 [Bài tập chi tiết máy nâng hạ và vận chuyển] ta có:

8 , 9 8000

27490 N

4 Tính và chọn loại dây

Để tính toán sức bền cho cáp ta chọn lực căng lớn nhất trên cáp là Smax = S1 =

a Tính chọn sơ bộ đường kính sợi cáp

- Ta chọn loại cáp kép có tiếp xúc đường giữa các sợi thép loại TK-6 x19 +1ГОСТ 3070 – 55 ; sợi cáp bện xuôi, 6 tao, mỗi tao có 19 sợi cáp, 1 lõi mềm

- Đường kính sơ bộ sợi cáp được chọn theo lực kéo phá hủy cáp R

R = kc Smax ≤ [R ] Với : kc là hệ số an toàn bền được xác định theo chế

độ làm việc của máy

Đối với máy làm việc chế độ làm việc nhẹ chọn kc = 5,5

=> R= 5,5 27490= 151195(N)

Theo bảng 108 (trang 199) [3] Lực kéo đứt đối với cáp của vật liệu làm cáp thép

có giới hạn bền 170 107(N/m2)là 32,2kN ứng với đường kính cáp: d = 7,7 mm ,đường kính sợi cáp là   0 , 0 , 5 (mm)

b Kiểm tra điều kiện bền cho sợi cáp

- Ứng suất kéo trên sợi cáp :

)/

(1700)

/(12284

5,0.14,3.19.6

274904

2 2

.5 Xác định kích thước của bộ phận cuộn và dẫn hướng dây

Bộ phận dẫn cuộn và dẫn hướng dây trong cơ cấu nâng bao gồm ròng rọc vàtang

a Xác định kích thước của ròng rọc

Ròng rọc dùng để đổi hướng cáp và để thay đổi lực

căng trên cáp Với chế độ làm việc rất nặng ròng rọc được

đúc bằng thép Bề mặt làm việc của rãnh phải được gia

công cơ khí Kích thước của rãnh phải đảm bảo cho các

cáp vòng qua dễ dàng, không bị kẹt và bề mặt tiếp xúc

giữa các cáp và đáy rãnh lớn để giảm ứng suất tiếp xúc,

cáp đỡ mòn Kết cấu ròng rọc phải đảm bảo các yêu cầu

h = 2,5d = 2,5.7,7 = 19,25(mm)

d

- Để đảm bảo cho cáp không bị uốn nhiều và không bị mòn nhanh nhằm kéo dàituổi thọ của cáp, đường kính Do của ròng rọc được qui định theo đường kính của dâycáp Ta có:

b Xác định kích thước của tang tời

Tang tời dùng để cuốn cáp và biến chuyển động quay thành chuyển động tính tiến

để nâng, hạ và kéo di chuyển vật Do chiều cao nâng vật hoặc chiều dài kéo di chuyểnvật khá lớn nên ta chọn loại tang có dạng hình trụ, bề mặt cuốn cáp trơn nhẵn để cóthể cuốn cáp nhiều lớp, kết cấu đơn giản gọn nhẹ, tuy nhiên ứng suất tiếp xúc giữa cáp

và tang lớn hơn so với trường hợp tang có rãnh xoắn Với loại này kết cấu thành bêncao để chắn cáp không tuột ra ngoài Các thông số cơ bản của tang tời:

- Vật liệu làm tang tời thông thường được đúc bằng gang Ta chọn gang xám có

mã hiệu CЧ 12 – 28 có giới hạn bền uốn 275 (N/mm2 ) (Bảng 40 trang 163 [3])

- Đường kính của tang tời được chọn sao cho các sợi cáp khi cuốn vào sẽ khôngchị ứng suất uốn quá lớn, nhằm kéo dài tuổi thọ của dây cáp Ta chọn đường kính củatang trong khoảng:

Dt ≥ (16 – 30)d = (16 – 30).7,7 = 123231

Do chiều cao nâng vật tương đối lớn nên ta chọn đường kính tang Dt = 230(mm).Đường kính tính toán của tang cuốn nhiều lớp cáp là một giá trị thay đổi và được xácđịnh theo công thức:

Dm=Dt+d(2m-1)

- Chiều dài tang phải đủ cuốn đủ đoạn cáp làm việc tương ứng với chiều caonâng yêu cầu Để đảm bảo an toàn cho đầu cáp không tuột khỏi tang, qui định ngoài

số vòng cáp làm việc luôn phải có các vòng cáp dự trữ không sử dụng đến Như vậychiều dài tang được xác định theo công thức:

D d m m

d L

t

)

.(

,7.3.(

3.14,3

7,7.10

- Chiều dày tang tời có thể chọn sơ bộ theo công thức :

 = 0,02 Dt + (6  10 ) mm =>  = 0,02.230 + (6 10) = 10,614,6

Chọn  = 14 mm

- Đầu mút của cáp được cuộn vao tang bằng cách luồn vào rãnh hình nêm, hay épchặt bởi bulông vít, hoặc được kẹp chặt vào thành tang

c Tính toán sức bền của tang

- Điều kiện làm việc của tang : thành tang chịu lực tổng hợp nén, uốn và xoắn

- Do lo > 2Dt nên trong tính toán ta chỉ xét đến ứng suất nén và ứng suất uốn và

bỏ qua ứng suất xoắn

Để tính ứng suất nén của tang ta giả thiết cắt một cắt một vòng ra khỏi tang.Trạng thái ứng suất của tang chịu áp lực q do lực xiết chặt bằng lực căng của nhánhcáp và tời S

Từ vòng tang lấy ra 1 phần tử nhỏ hình quạt với góc cắt d Trên bề mặt củaphần tử nhỏ này chịu lực tác dụng của lực nén pháp tuyến dT:

Với F là diện tích mặt vòng tang chịu lực

ép T, cm2; có trị số bằng: F = .t.Dt. (t là bước cuốn cáp của tang trơn là t = d = 7,7)

Do đó:

t t t n

D

S qR q





2



 Trong đó t là chiều dày tang tời

Sự phân bố áp suất nén do áp lực gây ra là đều từ trên mặt ngoài của tang, ứngsuất xác định theo công thức :

t t

t

T t

T

t

S D

t

R S R

)/

(23815

.7,7

- Mômen uốn đạt giá trị lớn nhất tại vị trí giữa của tang:

Nmm l

S

4

27490.790 4

mm N

6 Xác định mômen do vật nâng gây ra trên trục tang M t

- Mômen trên trục tang được xác định ở giai đoạn làm việc ổn định của máy Giaiđoạn này máy làm việc với tốc độ ít thay đổi nên lực quán tính nhỏ, trong tính toán cóthể xem như tính toán tĩnh

- Mômen trên trục tang được xác định theo công thức :

1

D M

t

t t

230



7 Tính công suất và chọn động cơ

a Tính công suất của động cơ :

Công suất động cơ được chọn phải đủ công suất làm việc khi nâng ổn định cũngnhư khi khời động, đồng thời phải đảm bảo vận tốc nâng cho trước Để chọn động cơđiện phù họp, cần căn cứ vào qúa trình làmviệc của cơ cấu nâng Công suất động cơđược điện tính trong điều kiện cơ cấu nâng chuyển động ổn định và xác định theocông thức :

c n v Q N



.102

 là hiệu suất chung của cả hệ thống , được tính khi kể đến hiệu suất: pa lăng p

,hiệu suất tang t, và của hộp giảm tốc hgt

t

 = 0,97 ; p= 0,93; hgt = 0,70

=> c  t p hgt= 0,93.0,97.0,70 = 0,63

(Chọn hiệu suất của hộp giảm tốc theo bảng (2-1) trang 27 [2])

9,2463,0

102

2,0.8000

Đặc điểm làm việc của cơ cấu nâng được thể hiện qua 3 giai đoạn chủ yếu :

Giai đoạn khởi động: Lực cản không chỉ bao gồm trọng lượng của vật nâng mà

còn bao gồm cả lực quán tính sinh ra khi nâng vật từ trạng thái tĩnh sang trạng tháilàm việc ổn định Vì vậy trong giai đoạn khởi động mômen khởi động của động cơbao gồm : Mômen cản tĩnh, mômen quán tính của các khối lượng chuyển động tịnhtiến, và mômen quán tính của các khối lượng chuyển động quay

Giai đoạn phanh và dừng lại : Vật nâng sinh ra lực quán tính do tốc độ vật nâng

biến đổi từ tốc độ làm việc xuống đến 0

Giai đoạn làm việc ổn định: Giai đoạn cơ cấu làm việc với vận tốc nâng định

trước

Như vậy, máy nâng làm việc dưới tác động của tải trọng thay đổi, yêu cầu của

động điện cần phải có công suất mômen mở máy cao để khắc phục tải trọng nâng banđầu và tải trọng thay đổi đột ngột, số vòng quay của động cơ nên chọn hợp lý để cóthể giảm giá thành sản suất (tốc độ động cơ cao dẫn đến việc thiết kế hộp giảm tốccồng kềnh tốn kém, công hiệu suất hao tổn cao trong khi tốc độ nâng vật của cơ cấulại đòi hỏi không lớn Tốc độ của động cơ thấp quá thì giá thành động cơ cao)

; số vòng quay n = 1460 (vp/ph)

8 Xác định tỉ số truyền

8.1 Tính toán tỉ số truyền của hộp giảm tốc

Để đảm bảo vận tốc nâng cho trước tỷ truyền được xác định xuất phát từ quan hệvận tốc (số vòng quay) của trục động cơ và trục tang

Tỷ số truyền của hộp giảm tốc:

tg

dc h

n

n

i  Trong đó ndc và ntg là số vòng quay của trục động cơ và số vòng quay của tang,vg/ph

- Nếu bỏ qua ma sát giữa dây cáp và ròng rọc cố định, bỏ qua sự dãn của dây thì

số vòng quay cần có của tang để đảm bảo vn cho trước là0:

)]

1 3 2 ( 7 , 7 230 [

14 , 3

2 10 5 , 0 60 )]

1 3 2 ( [

60

.

a v D

a v

t

n o

10 45 , 1

.

10 45 , 1

3

2 6 3

2 2 2

- Mô đun răng vít là: m = 4 mm

- Chiều dài phần có ren của trục vít theo bảng 4-2 trang 69 [2] với ξ 0 có:

-/ Đường kính vòng tròn chân ren trục vít là Di1=dc1-2fo.m-2co.m (với co là số khe hướng tâm co= 0,2) Di1= 44-2.1.4-2.0,2.4= 34,4(mm).

-/ Đường kính vòng tròn chia của bánh vít theo bảng 4-3 trang 69 [2]:

9 Tính toán kiểm tra quá trình làm việc của cơ cấu nâng.

Trong quá trình làm việc cơ cấu nâng trải qua ba giai đoạn: khởi động, chuyểnđộng ổn định; phanh và dừng lại

a Giai đoạn làm việc ổn định:

- Trong giai đoạn làm việc ổn định, tốc độ làm việc không thay đổi, không có lựcquán tính, vì vậy các tính toán ở giai đoạn này được tính toán tĩnh

Mdm là mômen định mức trên trục động cơ, ta có:

(Trong đó: Mdm- tính bằng Nm; n số vòng quay của động cơ, v/ph;)

- Theo số liệu tra đặc tính động cơ, ta có:

8 , 1

Mo = Mct =



2

i

D Q

Trong đó:

Q là tải trọng nâng Q= 1000 kg

D - là đường kính tính toán của tang: D = Dt + d

i - là tỉ số truyền chung của toàn cơ cấu : i = a.ih

h

 - là hiệu suất chung của cả hệ thống:

2 2

) 11 250 (

b Giai đoạn khởi động

Ở giai đoạn này, lực cản không chỉ do trọng lượng vật nâng mà còn lực quán tínhsinh ra khi vật nâng chuyển động từ trạng thái tĩnh đến trạng thái làm việc ổn định

Do động cơ điện được chọn theo công suât khi chuyển động ổn định với tốc độnâng vật không đổi nhưng trong giai đoạn này ngoài việc nâng vật động cơ cong phảitiêu hao năng lượng để tạo gia tốc cho vật nâng và các chi tiết máy trong cơ cấu, vìtrước đó chúng ở trạng thái tĩnh Do đó trong giai đoạn khởi động máy, mô men trêntoàn bộ cơ cấu nâng bao gồm: mômen cản tĩnh Mct , mômen quán tính cuả các khốilượng chuyển động tịnh tiến Md1 ; mômen quán tính của các khối lượng chuyển độngquay Md2

i

D Q

Trong đó: Q là tải trọng nâng Q= 80000 N

D - là đường kính tính toán của tang: D = Dt + d

i - là tỉ số truyền chung của toàn cơ cấu : i = a.ih

 - là hiệu suất chung của cả hệ thống:

) 11 250 (

8000





Nmm = 15,9Nm

* Mômen quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến quy đổi về trục động

cơ được xác định theo công thức:

Md1 =

g i

Dj Q

2

Trong đó, j là gia tốc của vật nâng, ta có thể coi chuyển động của vật nâng là

chuyển động nhanh dần đều nên j được xác định theo công thức: j =

5,0.25,0.8000

2

4

)

i i i

Trong đó Gi, Di là khối lượng và đường kính quán tính của khối lượng quay thứ itrên trục dẫn và các trục trung gian, gồm: trục vít và bánh vít Tính gần đúng ta có: G

= V Trong đó:

+  khối lượng riêng của thép 45,  = 7850 kg/m3;

+ V là thể tích của vật Ta có:

V = B.ð.r2, với:

B - bề rộng bánh răng hay chiều dài ren trục vít;

r - đương kính vòng chia bánh răng

- Để đơn giản ta đưa vào công thức tính thể tích hệ số ổ, ổ – hệ số kê tới sựkhông đều trong các chi tiết (khoát vành, lỗ mayơ…) Khi đó:

V = B.ð.r2.Suy ra: G = B r2Khối lượng của các vật:

• Khối lượng bánh trục vít: G3 = 7850.67,05.10-3.ð.(24,75.10-3) 2 ≈ 1,01kg

• Khối lượng bánh vít: G4 = 0,8.7850.44.10-3.ð.(90.10-3) 2 ≈ 7,03kg

Suy ra:

2 6

6 2 2

2 2

/ 10

.

872

10 40

180 03 , 7 5 , 49 01 , 1 40

) (

4

) (

s m kg

D G g

D G

375

1460 10 872 2 , 1

t

n D G c

20 2

n kd

t

n D G c t i

QDv i

QD M



c Giai đoạn phanh và dừng lại:

Trong giai đoạn này vật nâng sẽ sinh ra lực quán tính do tốc độ vật nâng biến đổi

từ tốc độ làm việc về không Nó là quá trình ngược lại của quá trình khởi động.Mômen phanh trong thời kì này được tính theo công thức :

Mph = M’

ct + M’d1 + M’d2

Phanh khi đang hạ vật sẽ bất lợi hơn khi đang nâng vật, nên để cho khi làm việcđược an toàn ta tính cho trường họp đang hạ vật, tức trong công thức tính thời gianphanh ta phải lấy dấu (-)

Nếu phanh được đặt trên trục dẫn, tương tự như trong giai đoạn khởi động ta có:

Nm t

n D G c it

QDv i

QD

M

ph

dc i i ph

n

3 375

960 10 5 , 7 2 , 1 3 40 20

1 , 0 25 , 0 2000 40

2

25 , 0 2000 375

) (

20 2

3 2

10 Tính toán thiết kế phanh áp trục hình nón:

10.1 Giới thiệu chung về các loại phanh:

Tất cả các cơ cấu nâng đều cần phải có thiết bị phanh hãm, nhất là các cơ cấu

có động cơ làm việc với vận tốc cao Phanh dùng để dừng vật và giữ vật ở trạng tháitreo hoặc điều chỉnh vận tốc nâng hạ theo đúng yêu cầu, còn trong các cơ cấu kháccần dừng vật đúng vị trí

Có nhiều thiết bị phanh hãm với các chức năng khác nhau và có các đặc điểm

và ưu nhược điểm riêng nhưng tất cả chúng đều phải đạt được các yêu cầu chung đốivới các thiết bị phanh hãm, đó là:

- Phanh phải có mômen phanh đủ lớn với điều kiện làm việc cho trước củaphanh

- Đóng mở phanh nhanh nhậy với độ chính xác cao

- Đảm bảo độ bền các chi tiết của phanh, đặc biệt là bề mặt làm việc ít bị mòn

- Dễ kiểm tra, điều chỉnh và thay thế các chi tiết bị mòn

- Kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, dễ chế tạo và giá thành hạ

Một số thiết bị phanh hãm như sau:

1- Cơ cấu bánh cóc: Là một thiết bị có tác dụng khóa dừng được dùng phổ biếnnhất Nó có đặc điểm là kết cấu đơn giản, an toàn Công dụng của nó là giữ vật ở trạngthái treo, thực hiện bằng cách hãm một trong các trục của cơ cấu không cho quay theochiều ngược lại

2- Cơ cấu khóa dừng bi đũa: Khóa dừng bi đũa chỉ quay theo một chiều nhấtđịnh Nó thường được sử dụng trong cơ cấu nâng hạ cần của cần trục, máy xúc với

mục đích hạn chế tốc độ quay của tời khi hạ cần, đảm bảo tốc độ hạ cần nhỏ, an toàn,

kể cả khi phanh giữ cần bị hỏng Thiết bị này đảm bảo cho cần không bị rơi tự do

3- Phanh má điện từ: Là loại phanh thường đóng

Phanh má điện từ có ưu điểm là: hiệu suất cao, đóng mở nhanh nhậy, nhỏ gọn,trọng lượng và quán tính bé

Nó có nhược điểm là: tỉ số truyền của hệ tay đòn không lớn nên khó tạo đượcmômen phanh lớn và không điều chỉnh được tốc độ hút của nam châm nên quá trìnhphanh xảy ra không êm dịu

4- Phanh má với con đẩy thủy lực: Là loại phanh thường đóng

Phanh má với con đẩy thủy lực có những nhược điểm của phanh má điện từđồng thời còn khắc phục được nhược điểm của phanh má điện từ nên quá trình phanhxảy ra êm dịu và không bị giật Loại này ngày càng được sử dụng rộng rãi

5- Phanh đai đơn giản: Chỉ dùng ở cơ cấu có mômen phanh không đổi chiều.6- Phanh đai vi sai: Chỉ dùng được ở cơ cấu có mômen phanh không đổi chiều.7- Phanh đai hai chiều: Chỉ dùng cho cơ cấu có mômen phanh đổi chiều vì đốivới cơ cấu có mômen phanh không đổi chiều thì dùng phanh này sẽ không có lợi vìlực điều khiển sẽ lớn gấp 2 lần so với dùng phanh đai đơn giản

8- Phanh áp trục hình nón

9- Phanh áp trục loại đĩa

10- Phanh tự động có bề mặt ma sát không tách rời: Sử dụng trong cơ cấu nâng

có truyền động trục vít Nó tự động phanh được dưới tác động của vật nâng, khôngcần phải điều khiển, ngoài ra còn có khả năng tự động điều chỉnh được mômen phanh

và lực làm việc K theo sự thay đổi của trọng lượng vật nâng Nhược điểm của loạiphanh này là cần phải tiêu hao năng lượng khi hạ vật

11- Phanh tự động có mặt ma sát tách rời: Phanh này có thể đặt ở bất kỳ trụcnào ở cơ cấu nâng dẫn động bằng tay hoặc dẫn động bằng máy có dùng hệ thốngtruyền động bánh răng Loại phanh này có ưu điểm khi hạ vật không tiêu hao nănglượng nhiều như phanh tự động có ma sát không tách rời

- Phanh phải có mômen phanh đủ lớn với điều kiện làm việc cho trước của phanh

- Đóng mở phanh nhanh nhậy với độ chính xác cao