xây dựng mô hình toán và thiết lập chương trình tính phụ tải tĩnh cần cẩu

Năng suất luân chuyển hàng hóa hàngnăm của cảng thường phụ thuộc nhiều vào số lượng và trọng tải nâng chuyểncủa cần trục – cẩu trục cảng.. Các cảng biển nước ta đang đòi hỏi ngày càng mở

MỞ ĐẦU

N

gày nay với quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đang diễn ra nhanh nhưvũ bão , tốc độ phát triển kinh tế gắn liền với những trang thiết bị kĩ thuậthiện đại Không chỉ làm tăng năng suất lao động , giải phóng sức lao độngmà còn nâng cao chất lượng sản phẩm , tăng thu nhập cho người lao động …Trong lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế vận tải biển cũng như các nền côngnghiệp nặng khác thì mức độ tự động hóa các thiết bị bốc xếp ,nâng chuyểnhàng hóa cho phép đơn giản hóa kết cấu cơ khí , tăng nhanh năng suất bốcxếp , hạ giá thành vận chuyển giảm nhẹ cường độ lao động

Do đó việc đi sâu nghiên cứu , tìm hiểu hệ thống cần cẩu không nằmngoài mục đích đó Truyền động điện cần cẩu là một thiết bị quan trọngtrong bất kì một nhà máy xí nghiệp nào

Trong phần này em đi giải quyết một số nhiệm vụ sau:

Phần 1: Ngiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ cần cho cần trục – cầutrục

Phần 2: Xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần

Phần 3 : Thiết lập chương trình tính toán phụ tải tĩnh cho cơ cấu nânghạ cần

Chương 1

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU NÂNG HẠ

CẦN CỦA CẦN TRỤC

1 ĐẶC ĐIỂM KĨ THUẬT

1.1 Khái niệm chung

Sự phát triển kinh tế của mỗi nước phụ thuộc nhiều vào mức độ cơ giớihóa và tự động hóa các quá trình sản xuất công nghiệp Trong quá trình sảnxuất máy nâng vận chuyển nói chung , cần trục - cầu trục cảng nói riêng làcầu nối giữa các hạng mục sản xuất riêng biệt giữa các phân xưởng , trongmột nhà máy , giữa các máy công tác trong quá trình sản xuất

Tại các cảng biển nói chung vị trí vai trò của các cần trục – cầu trục làhết sức quan trọng Là nhóm thiết bị nâng vận chuyển chủ lực trong quátrình vận chuyển và lưu động hàng hóa xuất nhập khẩu của cảng biển Côngnghiệp bốc xếp và vận chuyển hàng hóa bao gồm nhiều công đoạn như bốcxếp hàng hóa từ tàu thủy lên kho bãi , lên phương tiện vận chuyển đường bộvà bốc xếp hàng hóa theo chiều ngược lại cho tàu thủy vận chuyển bằngđường thủy Trên các cảng lượng hàng hóa trung chuyển qua cảng được lưukho bãi rất lớn , khối lượng bốc xếp trong cảng cũng được cần trục – cầu trụcđảm nhiệm

Các cầu trục sử dụng bốc xếp hàng hóa trong các kho hàng , trong các

xí nghiệp cơ khí cảng biển , các phân xưởng sửa chữa , lắp ráp thiết bị đóngvai trò quan trọng vào công tác dịch vụ kĩ thuật góp phần hiện đại hóa cảngbiển

Khi đánh giá mức độ hiện đại hóa cảng biển , đầu tiên phải kể đến cơsở hạ tầng của cảng như luồng lạch vào ra cho các tàu biển , cầu cảng và cácbộ máy quản lí cảng Sau đó phải kể đến nhóm thiết bị bốc xếp hàng hóachính là cầu trục – cần trục cảng Năng suất luân chuyển hàng hóa hàngnăm của cảng thường phụ thuộc nhiều vào số lượng và trọng tải nâng chuyểncủa cần trục – cẩu trục cảng

Các cảng biển nước ta đang đòi hỏi ngày càng mở rộng và phát tiển ,năng suất bốc xếp ngày càng tăng để đáp ứng yêu cầu hàng hóa xuất nhậpkhẩu của các nghành kinh tế Trong điều kiện nhóm thiết bị bốc xếp chủ yếuđược nhập ngoại , chủng loại rất đa dạng , mức độ tự động hóa ngày càng cao.Việc khai thác vận hành , bỏa dưỡng cho cần trục – cầu trục cảng biển đòihỏi phải thực hiện nghiêm ngặt các quy định cho từng loại nhằm đảm bảo antoàn cho người và hàng hóa trong quá trình hoạt động Đồng thời công tácbảo dưỡng kĩ thuật cho hệ thống Cầu trục – Cần trục phục vụ cho cảng biển

còn làm kéo dài tuổi thọ cho nhóm thiết bị này mang lại hiệu quả kinh tế tolớn về kinh tế và kĩ thuật

Xu thế phát triển của cần cẩu trong những năm gần đây nhìn chung đãứng dụng nhiều thành tựu của các nghành điện tử , tin học

Hệ thống nâng hạ cần trong các cần trục ngày càng dược hoàn thiện ,trọng lượng hàng hóa ngày càng tăng xu hướng tự động hóa thiết bị nâng hạcần ngày càng được quan tâm hơn

1.2 Phân loại cần trục.

1.2.1 Phân loại theo cấu trúc điều khiển.

1 Điều khiển cơ cấu chính bằng các contacter, role , động cơ điện DC

2 Điều khiển cơ cấu chính bằng các contacter , role, động cơ điệnkhông đồng bộ roto lồng sóc

3 Điều khiển cơ cấu chính bằng các contacter , role, động cơ điệnkhông đồng bộ roto dây quấn

4 Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC–BBĐT – động cơ không đồng bộ

5 Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC- PWM – động cơ không đồng bộ

6 Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐ – Động cơ điện – Phụ tảiđộng

1.2.2 Phân loại theo nước chế tạo.

1 3 Đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc của hệ thống điều khiển của cần trục.

Hệ thống cần trục nói chung thường được lắp đặt trong các nhà xưởng ,kho tàng hoặc trên bãi cảng ,cầu cảng Môi trường làm việc rất nặng nề , đặcbiệt môi trường có độ ẩm cao và hơi muối mặn Chế độ làm việc nặng nềthường xuyên phải làm việc với tải trọng lớn trong một thời gian dài Đặcbiệt yêu cầu về điều chỉnh tốc độ là rất lớn

Chính vì vậy mà các thiết bị điện trong hệ thống như máy tính ,PLC ,vi xử lí và các sản phẩm phần mềm phải đảm bảo làm việc tin cậy , ổnđịnh , đơn giản

Đối với truyền động điện cho các cơ cấu di chuyển của cần trục phảiđảm bảo khởi động cơ ở chế độ toàn tải , đặc biệt mùa đông khi môi trườnglàm việc làm tăng mômen ma sát ở các ổ đỡ do đó làm tăng đáng kể mômencản tĩnh Mc

Trong các hệ truyền động các cơ cấu của cần trục yêu cầu quá trìnhtăng tốc và giảm tốc xẩy ra phải êm , đặc biệt đối với các cần trục nâng vậnchuyển conteiner Bởi vậy momen động trong quá trình quá độ phải đượchạn chế theo yêu cầu kĩ thuật an toàn Năng suất của cần trục được quyếtđịnh bởi hai yếu tố là tải trọng của thiết bị và số chu kì bốc xếp trong một giơ

2 Cấu trúc điều khiển hệ thống nâng hạ cần dùng côngtắc tơ -rơ le

Thông thờng một hệ thống điều khiển truyền động điện dùng công tắc tơrơle cho cần trục bao gồm một số khâu chính nh sau :

1 Tay điều khiển :

Tay điều khiển dùng để phát lệnh điều khiển tốc độ cho hệ thống điềukhiển TĐĐ Lệnh điều khiển bao gồm các lệnh Dừng , lệnh nâng hạ , Quay vàchọn chiều Tay điều khiển là tổ hợp một số các tiếp điểm để điều khiển cấpnguồn cho các cuộn hút của role trung gian , thực hiện lệnh điều khiển phù hợpvới vị trí của tay điều khiển

2 Hệ thống biến đổi tín hiệu :

Hệ thống biến đổi tín hiệu tơng ứng với trạng thái của tay điều khiển , sửdụng các role trung gian , role thời gian , để làm chức năng đóng cắt và điềukhiển TĐĐ

3 Bộ biến đổi công suất :

Bao gồm các công tắc tơ để điều khiển đóng cắt mạch động lực cấpnguồn cho động cơ thực hiện

Cễ SễÛ TÍNH TOAÙN VAỉ XAÂY DệẽNG MOÂ HèNH TOAÙN

CHO Cễ CAÁU NAÂNG HAẽ CAÀN

1 CƠ SỞ TÍNH TOÁN

1 1 Tính toán tĩnh và động cho các cơ cấu

Mỗi cơ cấu của cần trục , không phụ thuộc vào chức năng của nó , đềuđược cấu thành từ 4 bộ phận : Bộ phận chấp hành , bộ phận truyền , hệtruyền động và phanh và đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại Vì vậy màmặc dù có cấu trúc và chức năng khác nhau nhưng tất cả các cơ cấu đó đềucó những điểm chung theo sơ đồ nguyên lí động học cũng như theo phươngpháp tính toán

Trong các cần trục quay sự thay đổi tầm với nghĩa là thay đổi khoảngcách từ trục thẳng đứng của tháp cần trục tới đường thẳng đứng qua tim mócnâng hạ hàng

Việc thay đổi tầm với thường được thực hiện bằng hai phương pháp :

a – Thay đổi bằng cách dùng cáp kéo trên balăng đầu cần để dichuyển cơ cấu mang balăng nâng hạ hàng chuyển động tịnh tiến trên cần

b – Thay đổi tầm với bằng cách nâng hạ cần dùng cáp trên balăng đặtcố định ở đầu cần

Để đưa ra phương pháp tính chung cho các cơ cấu của cần trục ta coikhâu cuối của cơ cấu nâng hạ là tang trống có đường kính là D , cáp quấntrên đó với lực căng S Cơ cấu di chuyển có khâu cuối là bánh xe có đườngkính Dk và lực cản trên nó là Wn Cơ cấu nâng hạ cần hay cơ cấu thay đổitầm với có khâu cuối cùng là trống tời thay đổi tầm với có đường kính là D c

lực căng của cơ cấu nâng hạ cần tác động là Schoặc tang trống tời kéo cóđường kính là DTvà lực căng cáp trên cáp kéo là STVậy momen cản tĩnhđược xác định cho cơ cấu là :

+ Khi thay đổi độ nghiêng của cần :

2

C C C

D S

M   

+ Khi di chuyển xe tời theo cần :

2

T T C

D S



 975Trong đó :

Mc : Mômen ( KGm)

n : Tốc độ quay của động cơ ( Vòng/m)

Tỉ số truyền của hệ thống giữa động cơ và khâu cuối là :

i = i1i2i3 iT-1iTNếu hệ thống có nhiều trục truyển động thì xác định mômen cho từngtrục

chuyển động như sau :

1 1 1

1 1

i i n i n n

i

* n n

2 1 2

2 1 2 1

1 1 1

i i

M i

M M

; i

M M

M M

c T

T

T

MeX c T

.

MeX 123

Hiệu suất các thành phần của cơ cấu có thể chọn từ 0,93 – 0,95

Tổn thất ma sát PTP khi cơ cấu làm việc có thể phân thành hai thànhphần : Một thành phần không đổi Pn

mp và thành phần thay đổi tỷ lệ với tải

PH

mp ta có :

H mp n mp

G P P

P mp  G 1  G 1  1





HiƯu xuÊt khi h¹ hµng :





2 1

1 1

P P

P P

G G

G mp

G

mp G '

Nhìn chung hiệu suất khi nâng và hiệu suất khi hạ  ’ chỉ khác nhaunhiều khi hiệu suất thấp Đối với các cơ cấu nâng hạ hiệu suất của bộ truyền cơkhí khi hạ nhỏ hơn hiệu suất khi nâng (’ < ) Khi hiệu suất nâng <0,5 cơcấu trở lên tự phanh và giá trị của  phụ thuộc vào giá trị của tải trọng

Hệ số đặc trng cho mức độ nạp tải :

K = HOM

G

G P P

Trong đó : PGHOM : Tải định mức

Và ta có : PG = K* PGHOM

Và tổn hao ma sát đợc xác định nh sau :

Pmp = Pmpn + PmpH

Pmp = aPGHOM + bKPGHOMTrong đó b, K là các hệ số không đổi

Khi nâng :

K

a b bK

a K

K bKP

aP KP

KP P

P

P

HOM G

HOM G

HOM G

HOM G

mp G

bKP aP

KP P

P

P

HOM G

HOM G

HOM G

HOM G mp

HOM

+ + 1

1

=

 ( Khi nâng )

b a

Khi nâng :  HOM HOM

K

a b

b a

= + + 1

+ + 1

=

HOM ' HOM

a b

b K

Việc tính toán chế độ tĩnh động của cơ cấu nâng hạ cần nói riêng và các cơ cấukhác nói chung đợc sử dụng khi phân tích chuyển động của các phần tử trongcơ cấu cũng nh để xác định tải của chế độ xác lập khi vận tốc của các thành củacơ cấu không đổi

1 2 Các phơng trình chuyển động tổng quát của cơ cấu :

Trong quá trình chuyển động cha ổn định của hệ thống cần cung cấp nănglợng trong giai đoạn gia tốc và tiêu tán năng lợng trong quá trình hãm ( Năng l-ợng này bằng công của các lực quán tính của tất cả các phần tử chuyển động )

Độ dài chu kì chuyển động không ổn định là hàm số của momen d của động cơhoặc của bộ phanh

Đối với chu kì gia tốc momen d là hiệu số giữa momen d của động cơtrong thời gian này với momen cản tĩnh quy về trục động cơ còn đối với chu kìhãm là tổng của momen hãm với momen cản tĩnh quy về trục động cơ Nh vậymomen d theo giá trị tuyệt đối bằng momen của các lực quán tính do vậy ta cócác phơng trình sau :

q t h

C

qt C

d

M M

M

M M

M

= +

+

=

Trong đó : MC : là Momen cản tĩnh

Mh : là Momen hãm động

Mqt : là Momen quán tính Với Momen quán tính có thể đợc tính nh sau :

2

2 0

dt

d J

M qt  Nên phơng trình tổng quát trong quá trình gia tốc đợc tính nh sau :

Md = Mc + Mqt = Mc +

2

2 0

Khi lấy tích phân phơng trình chuyển động của hệ có thể xác định đợc đờng đi

và tốc độ của vật thể trong thời gian chuyển động không ổn định cũng nh chiều

dài của khoảng thời gian này Để lấy đợc tích phân cần biết đựoc luật thay đổi

của gia tốc hoặc luật thay đổi của momen d của động cơ hoặc cảu phanh ( trong

chế độ hãm ) Do đó có thể coi momen d là đại lợng tuyến tính đựơc biểu diễn

bằng phơng trình :

  

 

 "du duK du

du M M ' t t M

Dấu + ứng với quá trình khởi động Dấu - ứng với quá trình hãm Trong quá trình hãm đặc tính tăng momen hãm phụ thuộc vào kết cấu của cơ cấu

hãm và luật điều khiển của quá trình hãm :

Phơng trình chuyển động trong các trờng hợp nh sau :

Đối với quá trình hãm :

0 0

2

-j

M M

* t

t j

M dt

' kd d

"

kd

kd d

2

-j

M M

* t

t j

M dt

' H d

"

H

H d

H h







1.3 Sự phụ thuộc giữa momen động với thời gian quá trình khởi động.

Giải các phơng trình chuyển động tổng quát cho phép ta xác định đợc sự

phụ thuộc giữa momen động trong giai đoạn quá độ với thời gian quá độ

Khi đó giá trị của momen cản tĩnh đợc xác định theo các biểu thức sau :

Đối với cơ cấu nâng :

MC = ±MG + MMS

Đối với cơ cấu di chuyển :

MC = ±MKP + MCT + MMS Trong đó :

MC : Momen cản tĩnh

MG : Momen do lực trọng trờng của hàng hoá gây ra

MMS : Momen ma sát trong cơ cấu

MKP : Momen do lực trọng trờng khi chuyển động tịnh tiếnhay quay gây ra

Momen cản tĩnh có thể đợc tính thông qua lực PX và bán kính điểm đặt lực

rX

MCX = PXrXTrong đó :

X X X

X X

n

V , n

.

V

X

X X X

X X

CX

n

V P , n

.

V P

Sự quá tải của cơ cấu là do momen d khác nhau Ngoài ra sự quá tải cànglớn thì bội số  cuẩ momen khởi động càng lớn và hệ số tải của động cơ càngnhỏ

2 xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần

2 1 Xây dựng các phơng trình chuyển động cho các động cơ chính cơ cấu nâng hạ cần.

Trong các hệ thống cần cẩu nói chung , động cơ không đồng bộ roto dâyquấn là loại động cơ đợc sử dụng nhiều nhất và phổ biến nhất Việc đi xây dựngmô hình toán cho các động cơ này sẽ giúp ta thấy đợc những u điểm nổi bật của

nó :

Hệ phơng trình của động cơ không đồng bộ roto dây quấn ở hệ trục vuônggóc (d, q) gắn liền với từ trờng quay của stato ở đại lợng tơng đối và bỏ quathành phần dao động :

Q T d

r D r D

d q

q

q d

d

s i T

x T

dt d

i r U

i r U

Q

d D

D

Q q q

D d d

D T q

r Q r Q

i x i

i x i

i i x

i i x

s i T

x T

dt d

c e D M

i i

M

M M dt

d T

r : điện trở thuần của stato

Ud , Uq : Điện áp đặt vào stato theo trục dọc và ngang

id q Dòng điện stato theo trục dọc và ngang

iD Q Dòng điện của roto theo trục dọc và ngang

Tr : Hằng số thời gian của mạch roto

: hệ số tơng hỗ của cuộn stato và roto

b

 : Đại lợng so sánh cơ bản vận tốc quay của từ trờng quay stato

T

 : Vận tốc quay của từ trờng quay stato viết ở đại lợng thật

 : vận tốc quay của từ trờng quay stato viết ở đại lợng tơng đối

S : độ trợt của roto đối với từ trờng quay của stato

 : Vận tốc quay của roto đối với từ trờng quay của stato

Me : Momen quay của động cơ

Mc : Momen cản

TM : Hằng số thời gian cơ khí

2 2 Xây dựng mô hình toán cho hệ thống phanh hãm

Nh chúng ta đều biết hiên nay các cần cẩu nói chung đều sử dụng hệthống phanh hãm là các động cơ thuỷ lực để giảm giật cũng nh giamt tiết kiệmnăng lợng cho hệ thống Hệ thống phanh hãm có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độcho các cơ cấu khác làm việc nh cơ cấu nâng hạ hàng , cơ cấu nâng hạ cần , cơcấu quay Chính vì vậy , đây là một khâu rất quan trọng

Việc xây dựng mô hình toán cho cơ cấu này rất phức tạp và khó khăn , do

đó ta phải đơn giản hoá hệ phơng trình cơ bản Chúng ta có thể bỏ qua một số

đại lợng không ảnh hởng đến MFĐB , không ảnh hởng đến tính ổn định của hệthống , cụ thể có thể bỏ qua cuộn đồng bộ , bỏ qua điện trở thuần của stato , bỏqua thành phần không tuần hoàn của dòng điện :

d d d f f

q q q

d d d d

f f f f

q q q

d d d

i x i

i x

i x i

dt

d T i U

U

U

2 3 Xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần.

ở đây chúng ta chỉ khảo sát trờng hợp thay đổi tầm với bằng cách nâng hạcần Thông số đặc trng là sức căng trên palăng Sn , thời gian t là thời gian đểthay đổi tầm với từ RMin đến RMax Khi tốc độ quấn trên trống tời không đổi thìtầm với sẽ thay đổi theo thời gian , thờng tính từ khi dịch chuyển cần từ vị trí nhỏnhất về tầm với đến vị trí lớn nhất về tầm với

Khi biểu diễn tất cả các tải trên cần và giải phơng trình momem ta sẽ tìm

đợc lực căng trên pa lăng

Do cơ cấu thay đổi tầm với bằng phơng pháp nâng hạ cần chỉ là dạng kháccủa cơ cấu nâng hạ , nên quá trình tính toán cho cơ cấu nâng hạ có thể áp dụngcho cơ cấu nâng hạ cần , nhng cần chú ý đến momen gây ra sức căng của cáp , làhàm số phụ thuộc vào góc nghiêng của cần Với tải trọng xác định sức căng SCcảu cáp trên palăng sẽ lớn và bé nhất khi tầm với củâ cần xa nhất và ngắn nhất Tham số cơ bản của cơ cấu nâng hạ là tải trọng nâng Q , liên hệ với sức căngtrên cáp quấn trên trống tời theo biểu thức sau :

n

n i

q Q S









q : trọng lợng của móc và phụ kiện

in : Tỉ số truyền của cơ cấu nâng hạ

P H P

H P H P R G R G d n

q Q R ).

q Q ( M

n n

C LT

C LT

G q Q LT

C g

G g

n C

Sin Sin L

Cos L H

h P

P

P P

n

d q Q Sin

L G G

q Q

S

C C

C LT

C LT

G q Q qt

C g G

g

n C

n C

n

n 2 2

2 2

Trong đó các thành phần lực tác động lên cần trong quá trình xét là :

Q : Trọng lợng hàng hoá

q : Trọng lợng móc không hàng

GC : Trọng lợng của cần trục

Gn : Trọng lợng của Pa lăng

PgC : Lực của gió tác dụng lên cần trục

PgG : Lực của gió tác dụng lên hàng hoá

PqtQ+q+Gn/2 : Lùc qu¸n tÝnh cña träng lîng t¶i träng vµ mét nöa träng lîngpal¨ng

PLT : Lùc li t©m xuÊt hiÖn khi cÇn quay

H : chiÒu cao n©ng hµng H = LC Cos 

QqQ

n Q

q Q qt

n,

GqQ

Q q Q qt

)Sin.LX(t

n.g

QqQ

n Q

) Sin L X ( t

n dm

dPKC  C  bp O  C 

60 2

dl ) Sin L X ( t

n L

m

C O bp C