ĐỒ án THIẾT kế cần cẩu DERRICK tàu HÀNG KHÔ

Đây là bài đồ án mẫu thiết kế cần cẩu derrick dành cho tàu hàng khô. Đây là bài đồ án mẫu thiết kế cần cẩu derrick dành cho tàu hàng khô. Đây là bài đồ án mẫu thiết kế cần cẩu derrick dành cho tàu hàng khô. Đây là bài đồ án mẫu thiết kế cần cẩu derrick dành cho tàu hàng khô.

Page 1

Thiết kế cần cẩu DERRICK tàu hàng khô

A Yêu cầu thiết kế

Thiết kế cần cẩu Derrick cho tàu hàng bách hoá tổng hợp có các thông số kĩ thuật

sau :

 Tải trọng : Pn = 1500 T

 Kích th-ớc của tàu : L x B x H x T = 72x11,4x5,7x4,6 (m)

 Kích th-ớc khoang hàng : Li x Bi = 21,4x11,4 (m)

 Kích th-ớc miệng hầm hàng : Lh x Bh x Hh = 15,34x7,6x0,9 (m)

B Tính toán thiết kế

I Giới thiệu chung

Trên các tàu hàng thông th-ờng , th-ờng bố trí một trong hai loại thiết bị xếp dỡ đó là

Derrick hoặc cần trục quay Derrick là loại thiết bị xếp dỡ đ-ợc dùng sớm nhất ở trên tàu ,

cho tới nay chúng vẫn còn đ-ợc sử dụng rộng rãi vì có nhiều -u điểm và ngày càng đ-ợc

cải tiến , hiện đại hoá đề phù hợp với yêu cầu xếp dỡ hàng hoá

Derrick có nhiều -u điểm nh- kết cấu đơn giản , dễ lắp ráp , chế tạo Sức nâng có thể

thay đổi từ vài tấn tới hàng trăm tấn , tầm với có thể lên tới (20 –30) m , chu kì kàm việc

ngắn hơn , giá thành rẻ hơn so với cần trục quay Chính vì vậy Derrick là thiết bị xếp dỡ

phổ biến nhất trên các tàu hành hiện nay trên thế giới

Căn cứ vào số liệu thống kê về thiết bị xếp dỡ trên tàu của đội tàu hàng Liên Xô và các

n-ớc khác , cùng với các thông số của tàu cần thiết kế cần cẩu, và theo số liệu thống kê tàu

mẫu theo tính chất của từng loại hàng nh- đề bài ta có thể chọn loại cần cẩu Derrick trên

tàu là loại Derrick nhẹ , làm việc đơn , có dây chằng và dây điều chỉnh, một palăng nâng

hàng và một palăng quay cần , sức nâng P = 3T , bố trí một hầm hàng hai Derrick

II Xác định đặc tr-ng hình học của thiết bị

1.Góc nâng hàng , góc quay cần:

- Góc nâng hàng : min = 15 , max = 60

- Góc nâng hàng khi hoạt động:  = (35 – 40)

Chon:  =35o

- Góc quay cần:  =(600 ữ 70o)có dây chằng Chọn:  =70o

2.Tầm với ngoài mạn:

Chọn điều kiện làm việc là không có thiết bị bốc dỡ trên bờ , tầm với ngoài mạn

là : b = (4 – 5) m  chọn b = 4,5 ( m)

Khoảng cách từ miệng hầm tới vị trí đặt cần là : a = 3,5 m

3 Xác định chiều dài cần:

Page 2

*Chiều dài cần phải thoả mãn 2 điều kiện là bốc hết hàng trong khoang và đ-a hàng

ra 2 bên mạn : l0 = max ( l01 , l02 )

- Với điều kiện bốc hết hàng trong khoang

l01 = 0

35 cos 3

2

a



= 16,75 ( m ) Trong đó:

lk = 15,34 (m) - chiều dài khoang hàng

a = 3,5 (m)

 = 35o - xét ở góc làm việc của cần

-Với điều kiện đ-a hàng ra mạn:

l02 = 0 0

70 sin 35 cos

2 b

B



= 13,24 (m) Vrong đó :

B = 11,4 (m) - chiều rộng tàu

b = 4,5 (m)

Vậy chọn l0 = 17( m.)

4.Chiều cao chân cần:

Đối với cẩu đơn , chiều cao chân cần phải đảm bảo cho ng-ời đi lại phía d-ới thuận tiện hc = (2,25 – 2,5) m Chọn hc = 2,4 m

5 Khoảng cách từ đầu cần tới mép miệng hầm tại min : h1 = (5 - 6) m

h1 = l0 sin15 0+ 2,4 - 0,8=5,99 ( m) chọn h1 = 6(m)

f , Chiều cao cột cần

h = f(l0) ;

0

l

h

= 0,8 1,2  h = (13,620.4) m chọn h = 16( m)

II Tính toán ứng lực phát sinh trên cần :

*Trọng l-ợng hàng P = 3T =3000 kg = 29,43( kN)

*Trọng l-ợng cần : P1 = 0,5.14.P1/3(3,4.l0 – 16) =422 kg =4,1356 (kN) *Lực căng tại đầu cần:

Pm = P + P1 = 33,53( kN)

*Sức căng trong dây nâng hàng :

S’ =

pl

P

 = 34,98( kN)

(Truyền động cáp pl = 0,95 )

Page 3

1 Khi cần làm việc với góc nghiêng nhỏ nhất (min = 15)

Sức căng trên dây chằng = 0

- Sức căng trong dây nâng cần

H = 42( kN)

P0 = 66,5( kN)

(P0 : lực nén dọc cần )

- Sức căng trong dây hàng vào tời

S” =

pl

S



,

= 36,82( kN)

- Lực tác dụng vào ròng rọc chân cần

Rc = S’ + S’’ = 62,19( kN)

-Sức căng trong nhánh dây nâng cần chạy dọc cột

H1 =

i

H

p.

 = 22,1( kN)

(i = 2: bội suất palăng ) -Lực tác dụng vào ròng rọc đỉnh cột

RH = H + H1 = 64,1(kN) -Mô men uốn cột

M =Pm.l.cos150 = 550,58( kNm)

2 Khi max = 60: H = 17,5 (kN)

Po = 66,5 (kN)

H1 = 9,21( kN)

M = 258( kNm)

3 Kết luận:

Vậy lực nén dọc cần lớn nhất khi góc nâng cần nhỏ nhất

Po max = 66,5( kN )

III Tính toán chọn cần

Từ Po và l0 theo bảng 5.26 /233- STTBTT ta chọn cần loại III Cần gồm 1 đoạn ống trụ

và 2 đoạn ống côn

1 thiết kế cần theo điều kiện ổn định :

-Lực nén tới hạn ơ Le:

Pe = n.P0 (Với cần thép n = 5-hệ số an toàn )

Vậy Pe =5.66,5=332,5( kN) -Mô men quán tính tiết diện cần

I =

kE

l p

l0 : Chiều dài cần (17 m)

E : Mô đun dàn hồi vật liệu cần ( E = 2.106 KG/ cm2 )

k : hệ số phụ thuộc vào tỉ số I1/ I0 và l1/ l0

Page 4

0

l

l

= 0,4 Gọi D/ = i = (35 40) chọn 35

Ta có : F1/F= 0,7 =

i D

i D

2 0

2 1



0

1

D

D

= 0,837

I1 =  

64

1 4 4

1  

và I0 =  

64

1 4 4

0  

0

1

I

I

= 4 0

1 ) (

D

D

= 0,49 Tra bảng k = 9,1( xác định bằng ph-ơng pháp nội suy )

I = 5382 (cm4) Đ-ờng kính sơ bộ phần trụ tròn : D = 4

2 1 26 , 1



i

I i

D = 26,44 ( cm)

*Từ đ-ờng kính D = 26,44(m) và lực nén dọc cần Pmax = 66,5 (KN) Vậy ta chọn cần có các thông số nh- sau :

Lực nén

(kN)

L L1 l1 l2 D d S S1 S2 S3 Khối

l-ợng

100 17 17,08 5,66 5,71 299 219 8 7 7 7 830

Chọn vật liệu làm cần là thép CT3 có tính hàn tốt và các giới hạn tiêu chuẩn sau :

Giới hạn bền kéo : k = 38 (kG/ cm2) Giới hạn bền mỏi : T = 19 (kG/ cm2) Giới hạn chảy :ch = 24 ( kG/ cm2) Mô đun đàn hồi : E = 2.106 (kG/ cm2)

Đối với cần có sức nâng nhỏ hơn 10 T giới hạn bền cho phép là :

 = 1100 (kG/ cm2 ) = 10,78 (KN/ cm2)

q = P1/ l0 M

P0

l0

Page 5

_Từ thông số của cần đã chọn ta có :

l2 = 5,71(m) 

0

2

l

l

=

17

71 , 5

= 0,336

I1=  4

4

1

64  

d











4 4

) 9 , 21

5 , 20 ( 1 64

) 9 , 21 (

= 2620,7 (cm4 )

I0 =  4

4

1

64  









 



4 4

) 9 , 29

3 , 28 ( 1 64

) 9 , 29 (

= 7743,489(cm4 )

0

1

I

I

= 0,338  1

Tra bảng ta đ-ợc k = 8,5

Vậy I =

kE

l p

=

19600 5 , 8

) 10 17 (

5 , 66

= 5767,857(cm4 )

 m

0

.

l

I

E

=

2 2 6

) 10 17 (

10 2 8 , 1

= 7184,874 (KG) = 70,4863(KN)  Pmax = 66,5 (KN) Vậy cần đủ điều kiện ổn định

3 Kiểm tra cần theo điều kiện bền :

-Coi dầm tựa tự do trên hai gối chịu uấn do trọng l-ợng bản thân và chịu nén do lực nén dọc cần P0 và chịu uấn do P0 đặt lệch tâm

m =

2 0

c

ql

(cần có tiết diện thay đổi c =7,5 ) q- là tải trọng bản thân q=P1/l0

m =

5 , 7

52 , 7030

= 937,4 (kNcm) -Mô men do P0 đặt lệch tâm gây ra:

M = P0.e

e - là khoảng cách từ điểm đặt của P0 dến trục của cần

Ta có : M = P01 e1 - P02 e2

Từ P = 100( KN ) theo bảng ( 5-28 ) va (5-30 ) ta có :

A=365 ( mm) và d=219 ( mm ) suy ra A1 =113 ( mm )

e1 =A/2 =18,25 ( cm ) và e2 =A/2 + A1 =29,55 ( cm)

P01 = H cos 30 = 47,65 cos30 = 34,4 (KN)

P02 = S’ =34,98 ( KN)

M = 405,859 (KN cm)

-ứng suất lớn nhất tại mặt cắt giữa dầm do uốn nén đồng thời gây ra

max =

u

m P P

P W

M F

P





















0 0 0

0

1 = 4,86 ( kN/cm2)

Page 6

Trong đó: 









 



4 4

) 9 , 29

3 , 28 ( 1 64

) 9 , 29 (

F =  2

2 1

4  









) 9 , 29

3 , 28 ( 1 4

) 9 , 29 (

= 73(cm2)

M = 405,859 (KN cm)

W =0  4

3 1

32  











4 3

) 9 , 29

3 , 28 ( 1 32

) 9 , 29 (

=517,959( cm3)

Wu =  4

3 1

32  

d











4 3

) 9 , 21

5 , 20 ( 1 32

) 9 , 21 (

= 239,334 (cm3)

P0 = 66,5 KN và Pe = n P0 = 332,5 ( KN )

Vậy : max =10,78 (kN/ cm2)

Vậy cần thoả mãn điều kiện bền

IV Tính toán tháp cẩu

1 Tính sơ bộ kích th-ớc tháp cẩu:

-Ta chọn tháp cẩu là 1 cột đơn tiết diện tròn không đổi trên suốt chiều dài cột Để

đảm bảo ổn định cục bộ , đ-ờng kính ngoài của cột Dn và chiều dày cột S phải thoả mãn

điều kiện

Với S > 15 mm thì Dn  100.S Chọn S = 16 mm  Dn  1600 (mm) = 160 (cm )

-Thông th-ờng: Dn = (50  80 ).S =8001280

Chọn Dn=900 (mm)

-Đ-ờng kính trong: Dt = Dn – 2.S = 868 (mm)

*Kích th-ớc tiết diện mặt cắt cột cũng đ-ợc xác định theo 2 điều kiện :

* Diện tích mặt cắt ngang của cột:

A =  2

2 1

4  

D n



























900

868 1

4

900

=444,1 (cm2) *Mô men quán tính cột:

Ix = I y =  4

4 1

64  

D n

=43.104 (cm4) *Mô men chống uốn :

Wx = WY =

n

x D

I

2

=9,64.103 (m3 )

* Bán kính quán tính:

rx = ry =0,353.D =31,2 ( cm ) -Với các thông số kích th-ớc nh- trên cột cẩu thoả mãn điều kiện bền và điều kiện cứng

Page 7

* Điều kiện bền :

Wc = 0,785.Dtb 2.S  10.Q.l = 5003( cm3)

Wc=Wx=Wy=9815>5003

Trong đó :

Wc - mô men chóng uốn mặt cắt cột ( cm3 )

Dtb =88,4 ( cm) - Đ-ờng kính trung bình cột ( cm )

S =1,6 cm - Chiều dày cột ( cm ) Q.l - Tích của sức căng và chiều dài cần

Q=29,43 kN - Trọng l-ợng hàng ( kN ) l=17- Chiều dài cần ( m )

*Theo điều kiên cứng

Ic=0,393.D3

tb.S =54,2974.10424 Ql

h

= 25.4.104 (cm4)

Ic= Ix= Iy= 43,4.104 > 21,7.104

h = 16 ( m) - Khoảng cách từ gối đuôi cần tới điểm treo palăng nâng cần trên đỉnh cột

L=18,4 ( m) - khoảng cách từ gối trên của cột đến điểm treo palăng nâng cần trên

đỉnh cột

-Tại chỗ cột đi qua boong chiều dầy cột tăng (20 30)% vậy s1=(1,21,3)s = 19,220,8

chọn s1 =20(mm)

Với các thông số kích th-ớc nh- trên cột cẩu thoả mãn điều kiện bền và điều kiện cứng

2 Tính toán lực tác dụng lên tháp cẩu :

-Ngoại lực của 1 cần làm việc đơn tác dụng lên tháp cẩu gồm có

* Lực H của palăng nâng cần tác dụng lên cụm ròng rọc đầu cột

* Lực nén dọc cần P0 tác dụng vào gối đỡ cần

* Sức căng dây hàng chạy dọc cần S’

* Sức căng dây hàng vào tời S’’

* Sức căng trong nhánh dây nâng cần chạy dọc cột H1

Ta

H

Qa

RH

Tc Tt

P0 – S’ S’’

Page 8

c QH

Các lực trên đ-ợc phân thành các lực theo ph-ơng ngang Ta , Tc ,Tt và các lực theo ph-ơng thẳng đứng Qa , Qc , Qt

* Các lực đó đ-ợc tính theo công thức :

Ta = Tc = ( P0 – S’ ).cos = 25,82 (kN)

Qa = H.sin + S’’ = 41,21 (kN)

Qc = ( P0 – S’ ).sin = 18 (kN)

Tt = Qt = 0,707.S’ = 24,73 (kN) Trong đó :  =35o : góc nghiêng cần  = 6o : góc nghiêng palăng nâng cần Hoặc tính theo bảng 5.15 -STTBTT2

3 quy đổi ngoại lực tác dụng lên tháp cẩu :

a) Hệ số liên kết của cột  :

- Cột tựa tự do ở boong và ngàm cứng ổ boong d-ới :

 = 0,75 hc = 0,75 4,9 =3,675

trong đó :

hc = 4,9 (m) - là chiều cao từ boong tới đà ngang kín n-ớc

b )Tính hệ số thay đổi mặt cắt :

- cột tính toán có tiết diện không đổi nên a =1

c) Tính hệ số  ’a = a +

L



=1+

c

4 , 18

675 , 3

= 1,2 Trong đó :

L = h + h c= 16 +2,4 =18,4 (m)

d) tính hệ số xc=

c

h

L

(1, 5 +

c

h

) –0,5 = 26,65 e) tính hệ số qui đổi lực:

c =(

L

)3

a c x

'

 = 0,049

vậy lực qui đổi từ công thức

Ta’ =( 1-c ).Ta + c Tc = 25,82 (KN)

Trong đó :

c = 0,049 ,Ta = 25,82 (KN) ,Tc =25,82 (KN)

-Tải cho phép P =29,4 KN

Page 9

D1 = 900(mm)

e = D1 /2 + l = 70 (cm)

l – là khoảng cách từ điểm đặt của Qa đến cột

*Tr-ờng hợp cần dọc tàu:

- Mô men uốn gây ra ở đầu cột là :

Ma = Qa e = 28,847 (KNm)

Trong đó :

Qa = 41,21 ( KN) - là lực nén tại đầu cột

e - khoảng cách từ điểm đặt của Qa đến tâm cột

- Mô men uấn của cột tại gối đỡ cần :

Mc= Ta.h + Qa e = 441,967 (KNm)

Trong đó :

Ta = 25,82 (KN) - là thành phần lực nằm ngang do có sự nâng cần gây ra

h = 16 (m) - là khoảng cách từ gối đỡ cần trên cột tới đỉnh cột

- Mô men uấn cột tại mặt boong :

Mb= Ta.L + (Tt – Tc)hc + (Qa + Qt )e = 518,63 (KNm)

Trong đó :

Ta =25,82 (KN)

Tt =24,73 ( kN)

Tc =25,82 (kN)

Qa = 41,21 (kN)

L = 18,4 (m)

Qt = 24,73 ( kN)

hc = 2,4(m)

vậy ta có sơ đồ tải trọng của cột nh- hình bên

*lực nén :

-ở đầu cột: Na = Qa = 41,21 (kN)

- gối đỡ cần : Ne = Qa + Gc = 45,3456 (KN)

- ở boong : Nb = Qa +Qc + Qt +Gb = 900,79 (KN)

trong đó :

Gb - là trọng l-ợng tháp cẩu tính đến boong

Gb =

4

) (D2n D2



.L. = 83352,74 (kg ) =816,85 (KN) Trong đó:

Dn = 0,9 (m ) - là đ-ờng kình ngoài của cột

D = 0,868( m) - là đ-ờng kính trong của cột

L=18,4(m) - chiều cao cột từ mặt boong

 = 102.103 (Kg/m3 ) - là trọng l-ợng riêng của thép

*Khi cần v-ơn ra ngoài mạn:

Page 10

- Mô men uốn ở đầu cột: Ma=Qa.e = 28,847 (KN.m)

- Mô men uốn ở gối đỡ cần : Mcx=Qae =28,847 (KNm)

Mcy=Ta.h =413,12 (KNm)

- Mô men uốn ở boong đỡ trên : Mbx=Tt.hc+(Qa+Qt).e =105,51 (KNm)

MbY =Ta.L-2.Tc.hc=351,152 (KNm)

* Lực nén ở đầu cột : Na=Qa=41,21(KN)

- Lực nén ở gối đỡ cần : Nc=Qa+Qc= 45,3456 (KN)

- Lực nén ở boong đỡ trên: Nb=Qa+Qc+Qt+Gb= 900,79 (KN)

- Mô men xoắn: M a= Ta.e =18 ( KNm)

*Kiểm tra bền theo thuyết bền 3

tb= 2 2

4 

   = 10,78 ( KN/cm2)  =

A

Po W

M u

u  =5,4 (KN/cm2)

 =



W

=

x

a W

M

2 = 0,07 (KN/cm2)

Ta có khi cần v-ơn ra ngoài mạn và tải trọng đỡ trên lỗ có trị số ứng suất lớn nhất do

Mmax=M a tiết diện kiểm tra là tiết diện cột tại mặt boong vì tại đó có Nmaxvà Mmax

Tại tiết diện này D = 900(mm)

S = 20(mm)

Diện tích : A =.D.S =552,64 (cm2)

Trong đó :

D =Dn –S = 88 (cm) ; S = 2(cm)

Mô men chống uốn : Wu=Wx= WY =0,785.D2.S = 12158( cm3)

Mô men độc cực : W = 2 Wx = 24316 ( cm3 )

tb= 5,4 KN < =0,5.ch =10,78 (KN/cm2)

Vậy cột đã chọn đủ bền

III Tính toán các chi tiết và cụm chi tiết:

1 Chạc đuôi cần :

Chạc đuôi cần đ-ợc chọn theo điều kiện OCT 8834 – 58 ( Lực nén cần =

100 kN Vậy ta chọn chạc loại b )

Lực nén cần ( kN )

( mm )

70 đến 80 85 48 24 8 22 155 219 Chọn vật liệu chế tạo cần là thép tấm mỏng cacbon MI18 có các thông số sau :

Page 11

Giới hạn bền : T = 24 (kN/ cm2 )

Giới hạn bền cắt :  = 0,4T = 9,6 (kN/ cm2)

Giới hạn bền chảy := 0,6 T =14,4 ( kN/ cm2)

Tỉ Lệ 1:5 Chạc đuôi Cần

R48 

2 Mã treo hàng đầu cần:

a) Kích th-ớc mã treo hàng đầu cần đ-ợc xác định theo lực nén cần , với lực nén = 100

kN ta chọn cần có qui cách nh- sau

d =

219

B (mm )

b (mm)

b1 (mm)

d1 ( mm)

R1 (mm)

r ( mm)

R ( mm )

S ( mm)

l ( mm )

A =

365

226 116 55 58 81 16 50 53 130

b) Kiểm tra mã treo hàng :

-Lực tác dụng :

RTS’ = 34,98 (KN)

Page 12

*Kiểm tra điều kiện chịu cắt :

 =

) 2 ( d1

R

S

R

t

T



= 1,269 (KN/cm2)  = 0,4T  = 9,6(KN/cm2)

-Kiểm tra bu lông theo điều kiện chịu dập :

Gọi đ-ờng kính bu lông là d  d1= 58 ( mm) lấy d= 50( mm)

Vậy: d =

S d

. = 1,32 (KN/cm2)  = 0,6 T =14,4 ( kN/ cm2) -Kiểm tra theo điệu kiện chịu cắt :



4

2

d

 = 1,782(KN/cm

2)  = 9,6(KN/cm2)

c)Kiểm tra mã nâng cần ở đầu cần :

-Lực tác dụng : RH = 64,1 (kN)

*Kiểm tra theo điều kiện chịu cắt :



) 2 (R d1

S

R

t

H



= 0.8726(KN/cm2)  = 9,6(KN/cm2)

-Gọi đ-ờng kính bu lông d’ = 50(mm)

+Kiểm tra bu lông theo điều kiện chịu dập :

d =

S

d

.

' = 2,42(KN/cm2)  = 10,78(KN/cm2)

+Kiểm tra theo điều kiện chịu cắt :



4

2

d

 = 3,266(KN/cm

2)  = 9,6(KN/cm2)

Vậy đã chọn thoả mản điệu kiện bền