Bài giảng Máy nâng chuyển - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Bài giảng Máy nâng chuyển cung cấp một số kiến thức cơ bản về đặc điểm cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi sử dụng và phương pháp tính toán thiết kế các cụm chi tiết máy thƣờng gặp trong máy nâng cũng như các máy nâng thông dụng hiện nay. Mời các bạn cùng tham khảo!

LỜI NÓI ĐẦU

Máy nâng chuyển là loại máy có công dụng chính là nâng vật và di chuyển vật trong một khoảng cách ngắn Nó đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất lao động giảm nhẹ sức lao động cho con người, nâng cao chất lượng sản phẩm và

hạ giá thành

Máy nâng chuyển là thiết bị được sử dụng rất phổ biến trong các cơ sở sản xuất nói chung Ðây là thiết bị quan trọng hàng đầu trong vấn đề cơ giới hóa, tự động hóa các thao tác nâng chuyển xếp dỡ các loại phôi, nguyên vật liệu, thiết bị, hàng hóa…Trên Tàu thủy, Ô tô Trong các phân xưởng chế tạo máy, đóng tàu và trên các công trình xây dựng, Cảng biển Ðộ tin cậy của thiết bị ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn của con người khi vận hành Vì vậy việc tìm hiểu, nghiên cứu máy nâng là không thể thiếu đối với tất cả các kỹ sư Và điều này đã giải thích Máy nâng là một trong những học phần cơ sở bắt buộc trong khung chương trình đào tạo bậc Đại học ngành

Cơ khí nói chung và các chuyên ngành Cơ khí: Động lực Tàu thuyền, Động lực Ô tô, Chế tạo Máy, Đóng tàu thủy…

Bài giảng “Máy nâng chuyển” cung cấp một số kiến thức cơ bản về đặc điểm cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi sử dụng và phương pháp tính toán thiết kế các cụm chi tiết máy thường gặp trong máy nâng cũng như các máy nâng thông dụng hiện nay Đồng thời bài giảng “Máy nâng chuyển” là tài liệu giảng dạy, học tập, nghiên cứu cho các chuyên ngành cơ khí đang được đào tạo tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định bao gồm: Công nghệ Ô tô, Công nghệ Chế tạo Máy, Công nghệ Hàn

Tuy nhiên những vấn đề trình bày trong tập bài giảng này còn có thể có nhiều hạn chế và sai sót Chúng tôi mong rằng sẽ nhận được sự góp ý chân thành của các thầy cô trong trường và các bạn để giúp chúng tôi hoàn thiện hơn nữa tập bài giảng này

NHÓM TÁC GIẢ

CHƯƠNG 1: CÁC CHI TIẾT VÀ THIẾT BỊ MÁY NÂNG 4

1.1 Các đặc tính cơ bản của máy nâng 4

1.1.1 Trọng tải Q 4

1.1.2 Vùng phục vụ 4

1.1.3 Các vận tốc chuyển động 5

1.1.4 Chế độ làm việc…… ………5

1.2 Cấu tạo và các bộ phận cơ cấu nâng 8

1.2.1 Sơ đồ cơ cấu nâng 8

1.2.2 Những quan hệ tĩnh học và động học 10

1.3 Bộ phận mang tải 12

1.3.1 Móc 13

1.3.2 Cặp giữ 20

1.4 Dây trong cơ cấu nâng 25

1.4.1 Cáp thép bện 26

1.4.2 Xích hàn 31

1.4.3 Xích tấm 33

* So sánh cáp và xích 34

1.5 Bộ phận cuốn và hướng dẫn dây 35

1.5.1 Tang 35

1.5.2 Ròng rọc và đĩa xích 39

1.5.3 Palăng 43

1.6 Thiết bị hãm 45

1.6.1 Cơ cấu bánh cóc 46

1.6.2 Mô men phanh trong cơ cấu nâng 50

1.6.3 Phanh má 54

1.6.4 Phanh đai 64

1.6.5 Phanh áp trục 71

1.6.6 Phanh tự động 74

1.6.7 Tay quay an toàn 77

1.7 Cơ cấu nâng 78

1.7.1 Cơ cấu dẫn động bằng tay 79

1.7.2 Cơ cấu dẫn động bằng điện 81

1.7.3 Quá trình mở máy trong cơ cấu nâng 82

1.7.4 Quá trình phanh cơ cấu nâng 86

1.7.5 Đặc điểm cấu tạo cơ cấu nâng 87

CHƯƠNG 2: CÁC MÁY TRỤC THÔNG DỤNG 90

2.1 Thiết bị nâng đơn giản 90

2.1.1 Kích 90

2.1.2 Tời 94

2.2 Palăng 98

2.3 Cầu trục và cần trục quay 103

2.3.1 Cầu trục 103

2.3.2 Cần trục quay 116

2.3.3 Tính toán kết cấu kim loại trong cần trục thông dụng 126

CHƯƠNG 3: MÁY CHUYỂN LIÊN TỤC 127

3.1 Máy chuyển có bộ phận kéo 128

3.1.1 Khái niệm chung 128

3.1.2 Phép tính về lực kéo 131

3.1.3 Bộ phận dẫn động và bộ phận kéo căng 134

3.1.4 Băng tải 136

3.1.5 Xích tải 137

3.1.6 Guồng tải đứng 140

3.2 Máy chuyển không có bộ phận kéo 141

3.2.1 Băng chuyền con lăn 141

3.2.2 Máy chuyển quán tính 142

3.2.3 Máy chuyển kiểu vít 143

CHƯƠNG 1: CÁC CHI TIẾT VÀ THIẾT BỊ MÁY NÂNG

1.1 Các đặc tính cơ bản của máy nâng

a Chiều cao nâng H

Chiều cao nâng H là khoảng cách từ mặt bằng máy đứng đến tâm thiết bị mang vật ở vị trí cao nhất Với các cần trục có tay cần thì chiều cao nâng thay đổi phụ thuộc vào tầm với

1.1.3 Các vận tốc chuyển động

Vận tốc làm việc của từng cơ cấu ở mỗi máy trục tùy thuộc tính chất công việc, công dụng của máy và chế độ làm việc của máy

Ở các cầu trục công dụng chung hiện nay có các vận tốc nhƣ:

+ Vận tốc nâng không vƣợt quá 25 ÷ 30 m/ph + Vận tốc di chuyển của xe con trên cầu 35 ÷ 50 m/ph + Vận tốc di chuyển của cầu 100 ÷ 120 m/ph

Từng cơ cấu của một máy trục có thể đƣợc sử dụng với chế độ khác nhau Chế

độ chung cho máy trục lấy theo chế độ sử dụng của cơ cấu nâng

a Phân loại chế độ làm việc theo chỉ tiêu

Các cơ cấu máy trục đƣợc phân thành hai nhóm:

Nhóm 1: dẫn động bằng tay quay có chế độ sử dụng quay tay Nhóm 2: dẫn động bằng động cơ có 4 chế độ: nhẹ, trung bình, nặng và rất nặng

Để phân loại chế độ làm việc dùng các chỉ tiêu sau:

1 Hệ số sử dụng theo trọng tải

tb Q

Q K Q



Trong đó:

Qtb _ trọng lƣợng trung bình của vật nâng trong 1 ca làm việc

Q _ trọng tải danh nghĩa của máy

Ngoài ra có các chỉ tiêu để đánh giá chế độ sử dụng của động cơ điện

4 Thời gian đóng động cơ

Σt m _ tổng thời gian mở máy

Σt v _ tổng thời gian chuyển động với vận tốc ổn định

Σt p _ tổng thời gian phanh

Σt d _ tổng thời gian dừng máy

5 Số lần mở máy trong 1 giờ (m)

6 Số chu kỳ trong 1 giờ (ack)

7 Nhiệt độ môi trường xung quanh (t0)

Số liệu chỉ tiêu đặc trưng chế độ làm việc cho ở bảng 2

Cách phân loại này phức tạp, dựa trên quá nhiều chỉ tiêu và khó phản ánh hết tính đa dạng về sử dụng máy trục

b Phân loại cơ cấu theo tiêu chuẩn quốc tế (ISO)

Căn cứ 2 chỉ tiêu sau đây:

1 Cấp sử dụng: đặc trưng bằng tổng số giờ sử dụng cơ cấu Trong cả đời máy

Pi _ các mức tải trọng,

ti _ thời gian chịu tải (bảng 3) ký hiệu từ L1 đến L4

Bảng 4: Hệ số gia tải danh nghĩa đối với cơ cấu

L1 – nhẹ 0,125 Cơ cấu ít khi chịu tải tối đa, thong

thường chịu tải nhẹ

L2 – vừa 0,25 Cơ cấu chịu tải tối đa tương đối

nhiều, thông thường chịu tải vừa

L3 – nặng 0,5 Cơ cấu nhiều khi chịu tải tối đa,

thông thường chịu tải nặng

L4 – rất nặng 1,0 Cơ cấu thường xuyên chịu tải tối đa Nhóm chế độ sử dụng được phân loại trên cơ sở phối hợp 2 chỉ tiêu trên – có 8 chế độ làm việc của cơ cấu (bảng 4) ký hiệu từ M1 đến M8

Bảng 5: Nhóm chế độ làm việc của cơ cấu

1.2 Cấu tạo và các bộ phận cơ cấu nâng

1.2.1 Sơ đồ cơ cấu nâng

Cơ cấu nâng của tất cả các loại máy trục hiện có đều cấu tạo theo cùng một sơ

đồ nguyên tắc (hình 1.3a)

Theo sơ đồ này, cơ cấu nâng gồm có tang quay hình trụ trên có cuốn dây (cáp hoặc xích), vật treo ở đầu dây, một trục có tay quay ở đầu Lực căng dây T0 ở dây bằng trọng lƣợng Q của vật, gây ra trên trục tang mô men

d) Hình 1.3: Sơ đồ cơ cấu nâng

0 0 0

v

M T Q

Mv do vật gây ra phải được cân bằng bởi mô men tay quay Mp

Mv = Mp (chưa tính đến lực cản trong cơ cấu)

0

2



Trong đó:

P_ Lực của người đặt trên tay quay, là một trị số có hạn, trong điều kiện làm việc trong thời gian ngắn tối đa Pmax = 300N

R_ Bán kính tay quay, cũng giới hạn bởi chiều dài cánh tay con người

D0_ Đường kính tang, không thể làm nhỏ quá vì dây cuống trên nó có độ cứng nhất định

Xem thế, ta thấy trọng lượng Q của vật do hệ thống này nâng được cũng là trị

số có hạn, không lớn lắm

Trên thực tế cần nâng những vật rất nặng, không thể nối trực tiếp tay quay với trục tang vì Mp « Mv, do đó cần đưa vào một bộ phận nữa là bộ truyền trung gian để tăng Mp đến Mv Tỷ số truyền cần thiết sẽ là (hình 1.3b)

0

v p

M i M

M i



Với η _ hiệu suất chung của cơ cấu

Bộ phận trung gian là phần phức tạp và đắt tiền Cần tìm cách giảm bớt i0

Để đạt mục đích này ta đưa vào một hệ thống ròng rọc, gọi là Pa lăng

Nếu đưa vào 1 ròng rọc di động hình 1.3c thì lực căng nhánh dây cuốn lên tang

sẽ bằng:

0

' 2

Tức là giảm đi khoảng hai lần, nếu cùng Mp thì tỉ số truyền i’0 cũng giảm khoảng hai lần

Nếu treo vật trên nhán 4 dây (hình 1.3d), lực căng dây

"

4

Q

T 

Do đó M”v và i"0 sẽ giảm đi khoảng 4 lần

Không thể dùng quá nhiều ròng rọc, vì sẽ làm phức tạp và cồng kềnh cho cơ cấu, sẽ tăng lực cản phụ, dây cũng chóng hỏng hơn Trong quá trình thiết kế cần kết hợp dùng bộ truyền trung gian và Pa lăng cho hợp lý

Ngoài ra cơ cấu nâng cần có bộ phận bảo đảm giữ vật ở trạng thái treo, điều chỉnh vận tốc hạ nếu cần, đó là các thiết bị phanh hãm

Như vậy trong cơ cấu nâng có các bộ phận sau đây:

1 Bộ phận mang tải 5 Bộ truyền trung gian

4 Tang

1.2.2 Những quan hệ tĩnh học và động học

Muốn tính các bộ phận và các tiết máy trong cơ cấu nâng, cần biết trị số các lực

mô men tác dụng lên chúng cũng như các thông số động học (vận tốc, số vòng quay)

Hãy xét một cơ cấu nâng (hình 1.4) có Pa lăng với bội suất là a, hiệu suất ηp bộ truyền trung gian có tỷ số truyền là i0 và hiệu suất là η0

i1,n1

i2,n2

n3

Hình 1.4: Sơ đồ cơ cấu nâng

Khi động cơ quay theo chiều tương ứng, vật được nâng lên với vận tốc vn Lực căng các nhánh dây nếu bỏ qua ma sát:

'

.

2

v tg

η t _ hiệu suất của tang

Muốn nâng được vật lên, ta phải đặt vào trục III (trục tang) mô men lớn hơn mô men Mv trên tang (vì còn phải thắng lực cản trên tang do độ cứng của dây, do ma sát ổ

trục); vì thế ta chia cho ηt Tương tự như vậy mô men trên trục II:

i a i i    a i 

Trong đó:

i 0 = i 1 i 2 _ tỷ số truyền chung của bộ truyền

η 0 = η 1 η 2 _ hiệu suất chung của bộ truyền

η = η 0 η 1 η 2 _ hiệu suất chung của cơ cấu

Vậy muốn nâng được vật lên động cơ phải phát ra một mô men Mp bằng mô men trên trục I:

0 1

Số vòng quay của trục trung gian:

3

0 2

n t

nđc _ số vòng quay của động cơ

Tỷ số truyền cần thiết của bộ truyền trung gian:

0

0

tg p

M i

n i n



Thời gian hạ vật là lúc nó sản ra một công dương, năng lượng sẽ từ điểm treo vật chuyển tới trục dẫn động, công của vật hạ sẽ thắng các lực cản của cơ cấu; mô men trên các trục vẫn có hướng như khi nâng, nhưng trị số nhỏ hơn

0

.'

2

p v

Q D M

a





0 3

.'

2

p t tg

Sơ đồ quan hệ giữa dây và thiết bị treo Yêu cầu chung:

- Phải mắc được vật nâng trong bất kỳ điều kiện nào, an toàn khi làm việc

- Có khả năng sử dụng triệt để tải trọng của máy nâng Muốn vậy thiết bị mắc vật phải có trọng lượng bản thân nhỏ, treo được số lượng vật tương ứng

- Có khả năng cơ khí hoá quá trình mắc và đỡ vật để làm giảm thời gian và sức lao động cho khâu công việc đó

- Có cấu tạo đơn giản, chi phí kim loại ít, giá thành không cao

1.3.1 Móc

Móc cẩu là thiết bị mắc vật thông dụng nhất Móc cẩu được phân ra móc đơn khi tải trọng Q dưới 20 tấn và móc kép dùng để treo vật dài chịu lực đối xứng với các tải trọng từ 5 ÷ 75 tấn Với tải trọng nhỏ còn có loại móc đuôi ren (đuôi dài, đuôi ngắn), loại móc đuôi vòng

Móc cẩu thường được rèn hoặc dập bằng thép ít cacbon như CT4, CT5, C20 Khi tải trọng lớn thường dùng móc tấm (Cắt thép tấm thành hình móc rồi ghép lại bằng bulon hoặc đinh tán) Loại móc này dễ chế tạo, nhưng nặng do tiết diện móc hình chữ nhật và phải bù bền ở lỗ đinh

Các móc treo đã tiêu chuẩn hoá, việc tính chọn móc sẽ đơn giản, căn cứ vào tải trọng mà chọn móc có kích thước phù hợp

Hình 1.5: Các loại móc cẩu

a Tính toán móc đơn

Móc nâng đã được tiêu chuẩn hoá, việc tính chọn móc căn cứ vào tải trọng, sau

đó tiến hành kiểm tra đuôi móc theo điều kiện chịu kéo và ứng suất uốn tại các tiết diện nguy hiểm

Khi tính gần đúng, xem móc là một dầm thẳng không xét đến độ cong móc và

để bù lại độ cong phải hạ thấp ứng suất cho phép Sau khi đã xác định được các kích thước chủ yếu sẽ tiến hành tính chính xác lại và xét đến độ cong

Công việc đầu tiên khi tính móc là xác định hình dạng tiết diện móc cho phù hợp với điều kiện chịu tải trọng thực tế của móc, sau đó tính đến quan hệ của các kích thước tiết diện

Bước 1: Xác định hình dạng tiết diện móc

Không xét đến độ cong móc:

Tại tiết diện 1-2 (mặt cắt A-A) hình 1.6 Ta có:

Hình 1.6: Tính toán móc đơn

Và ứng suất lớn nhất sẽ phát sinh ở lớp ngoài cùng:

Bước 2: Tìm quan hệ các cạnh của tiết diện:

Với móc câu tiêu chuẩn thì: h = a

Lúc này, quan hệ tỷ lệ giữa các cạnh hình thang là: B = 3b Nhƣ vậy:

Khi tính chính xác móc có kể đến độ cong móc, ứng suất ở phần cong có thể xác định theo công thức:

(1.2) Trong đó:

- r là bán kính cong trục trung hòa của móc ở tiết diện đang xét Đối với các móc tiêu chuẩn r = Ro = a/2 + c

1

- y là khoảng cách từ lớp vật liệu đang xét của tiết diện đến trục trung hòa Tọa

độ y lấy dương cho các lớp đặt ngoài đối với tâm cong của trục trung hòa và trọng tâm tiết diện, lấy âm cho các lớp đặt giữa chúng

Phương trình gần đúng để tính ứng suất ở tiết diện 1-2 của các móc tiêu chuẩn

có xét đến độ cong của chúng như sau:

Những ứng suất lớn nhất ở các điểm ngoài cùng của tiết diện khi :

ymax1 = – c

Kích thước miệng móc a = h có thể tính gần đúng theo Q tính bằng tấn:

Tóm lại: Kiểm tra móc đơn tại các tiết diện sau:

Tại tiết diện 1-2 kiểm tra theo công thức:

Khi tính móc không kể đến độ cong thì [ζ]

k = (100 ÷ 110)N/mm2(Thép C20) Tiết diện đuôi móc kiểm tra theo kéo khi có ren:

Nếu đuôi móc làm vòng thì xét tại tiết diện nhỏ nhất Xét khả năng xuất hiện thêm ứng suất uốn khi vật bị lắc ta nhận [ζ]

k = (50 ÷ 60)N/mm2 (Thép C20)

Chiều cao của đai ốc lắp vào đuôi móc H được tính theo ứng suất dập hoặc áp lực riêng cho phép trên ren H phải lớn hơn 0,8 đường kính trung bình của ren

Tại tiết diện 3-4 khi treo vật trên một dây kiểm tra theo cắt:

Nguy hiểm hơn cả đối với tiết diện 3-4 là khi treo vật trên hai nhánh dây nghiêng một góc γ so với đường thẳng đứng, thông thường nhận γ = 45o, trong trường hợp này trọng lực của vật truyền vào móc hai lực, mỗi lực bằng:

2 đến tiết diện 3-4 giống như tác dụng của Q ở tiết diện 1-2

Vì vậy ứng suất ở các điểm 3 và 4 khi tính gần đúng không xét đến độ cong móc có thể xác định:

Khi xét đến độ cong móc, ứng suất ở điểm bất kỳ của tiết diện 3-4 có thể xác định theo công thức (1.2)

Khi bán kính độ cong r = a/2 + c

3, a = h và những giới hạn khác như trên đối với tiết diện móc tiêu chuẩn, ta có:

Ứng suất lớn nhất ở điểm 3 khi y

max1 = – (5/12).h được xác định theo công thức:

Phân lực thứ hai Q

3 gây ra ứng suất cắt:

Cuối cùng ứng suất quy đổi ở điểm 3:

b Tính toán móc kép

Tính toán móc câu đôi cũng theo các công thức móc câu đơn Các tiết diện nguy hiểm cần kiểm tra là : 1-2 ; 3-4 ; 5-6

Hình 1.7: Móc kép khi chịu tải đều Hình 1.8: Móc kép khi chịu tải không đều

Trị số tính toán trên mỗi ngạnh là:

Xét đến khả năng treo lệch dây tải trọng không đều ta có thể nhận lực tính toán là:

Để tính tiết diện 1-2, ta phân lực Q

1 thành hai phân lực Q

2 và Q

3: Q

1 thành hai phân lực Q

4 và Q

5: Q

6 và Q

7 Các lực này gây nên ứng suất kéo và cắt cho tiết diện 5-6

Ngoài ra tại tiết diện 5-6 còn chịu ứng suất uốn:

Ứng suất tổng tại tiết diện này là:

c Vòng treo

Vòng treo là thiết bị chủ yếu dùng để treo vật nâng có trọng lượng lớn hơn 100 tấn Vòng treo được chế tạo bằng phương pháp rèn dập từ thép CT3 Vòng treo nhẹ hơn móc có cùng tải trọng Tuy nhiên sử dụng không tiện lợi bằng móc vì phải luồn dây vào vòng

Có hai loại vòng treo: vòng treo liền và vòng treo chắp Vòng treo liền là một

hệ thống tĩnh không xác định, tải trọng đến 200 tấn Khi tải trọng lớn hơn nữa (đến

500 tấn) thì dùng vòng treo chắp

Hình 1.9: Vòng treo liền và vòng treo chắp

Các thanh bên được tính theo kéo với lực kéo:

Thanh ngang chịu nén do lực:

Và chịu uốn do mômen

Ở tiết diện giữa thanh ngang:

Chốt giữa các thanh được tính theo cắt:

Ứng suất lớn nhất ở tiết diện giữa thanh ngang của dầm khi có kể đến độ cong:

1.3.2 Cặp giữ

Thiết bị mắc vật đặc biệt nói chung và kẹp mắc vật nói riêng chuyên dùng để mắc những vật có cùng kích thước và trọng lượng Ưu điểm chính của việc sử dụng thiết bị mắc vật đặc biệt là việc mắc và dỡ vật nhanh chóng (Giảm thời gian bước dừng) Chính vì vậy khi thiết kế những thiết bị mắc vật đặc biệt cần xét đến hình dạng, kích thước và những tính chất khác của vật

Phần lớn các kẹp mắc vật làm việc dựa vào nguyên lý ma sát

Như vậy tối thiểu lực nén cần thiết của chân kẹp (Phản lực) phải là:

Trong đó f là hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu của vật, của chân kẹp và trạng thái mặt tiếp xúc của chúng k là hệ số an toàn giữ vật

Khả năng làm việc của kẹp được xác định bằng phương trình cân bằng lực của một má kẹp bất kỳ Trong tính toán sơ bộ bỏ qua trọng lượng bản thân của má kẹp (Hình 1.10) Khi đó nếu xét má kẹp 1: Tất cả các lực tác dụng lên má kẹp 1 gồm: T, R

1 , R

Hình 1.11: Sơ đồ phân tích lực T Hình 1.12: Sơ đồ lực

Để đánh giá ảnh hưởng của trọng lượng các cánh tay đòn và thanh kéo đến khả năng kẹp vật, sử dụng nguyên tắc tác dụng độc lập của các lực

Trường hợp không kể đến G2, lực căng cáp treo đặt tại điểm A bằng Q + G1

Do thanh kéo chỉ chịu lực kéo nên lực T tác dụng dọc thanh kéo Phân lực T thành hai thành phần thẳng đứng V và nằm ngang N1 (hình 1.11) ta có:

Thiết bị kẹp ở hình 1.12 không tính đến tác dụng của trọng lượng vật nâng Q và trọng lượng tay đòn G1 mà chỉ có lực căng cáp G2 và trọng lượng mỗi thanh kéo G2/2

Như vậy khi phân tích trọng lượng thanh kéo AB là G2/2theo hai phương đã xác định sẽ tìm được các phản lực tại A và B là S2và N2 Ta có:

Theo nguyên tắc tác dụng độc lập, tổng phân lực theo phương ngang tại khớp B của kẹp là:

Xét cân bằng lực một má kẹp bằng cách lấy mômen của tất cả các lực đối với tâm khớp C:

b Kẹp mắc vật không đối xứng

Kẹp không đối xứng khác với kẹp đối xứng ở chỗ các thanh kéo phía trên không đối xứng qua trục AC Trong việc tính toán loại kẹp này không kể trọng lượng các thanh mà chỉ có trọng lượng vật nâng Q và trọng lượng các đòn G

Bằng cách phân tích lực Q+G1theo các phương ta có:

Do các lực tác dụng lên các tay đòn tại B và E là XB và XE có giá trị bằng nhau

và đối xứng qua trục AC mà kẹp không đối xứng được tính toán tiếp giống như đối với kẹp đối xứng

1.3.3 Gầu ngoạm

Gầu ngoạm là thiết bị bốc dỡ vật liệu rời, vụn, nhão có tính tự động cao, tốn ít sức lao động Theo nguyên lý làm việc, có ba loại gầu ngoạm : gầu ngoạm hai dây, gầu ngoạm một dây và gầu ngoạm dẫn động riêng

Hình 1.14: Gầu ngoạm

a Gầu ngoạm hai dây

Gầu ngoạm hai dây được sử dụng rộng rãi hơn cả Gầu ngoạm hai dây có cấu tạo tương đối đơn giản, dễ sử dụng, năng suất cao Khi sử dụng phải dùng hai tang điều khiển hai cáp riêng biệt Tang quấn cáp 1 dùng để nâng hạ gầu và tang quấn cáp 4 dùng để đóng mở miệng gầu Trong đó cáp nâng 1 nối với đầu đỡ trên 2, cáp đóng mở gầu 4 nối với đầu đỡ dưới 5 qua hệ thống palăng đóng mở gầu (hình 1.15)

Hình 1.15: Nguyên lý làm việc của Gầu ngoạm hai dây

- Ở vị trí I, thả chùng cáp đóng mở miệng gầu 4, miệng gầu mở ra

- Ở vị trí II, thả chùng cả hai cáp 1 và 4, dưới tác động của trọng lượng gầu, gầu được cắm vào đống vật liệu

- Ở vị trí III, kéo cáp đóng miệng gầu 4, vật liệu được xúc đầy vào gầu

- Ở vị trí IV, kéo cả hai cáp 1 và 4, gầu được nâng lên

Muốn dỡ vật liệu thì thả cáp đóng mở miệng gầu 4

Để giảm lực căng trên cáp đóng mở miệng gầu 4, đồng thời tăng khả năng ngoạm vật liệu, cáp 4 được luồn qua palăng 2-5, trong đó 2 là cụm puly cố định, 5 là cụm puly di động của palăng

Trong xây dựng và thuỷ lợi hay sử dụng gầu ngoạm hai dây có dung tích gầu (0,4 ÷ 10) m3, xếp dỡ vật liệu rời có trọng lượng riêng (0,5 ÷ 2,5) T/m3

b Gầu ngoạm một dây

Gầu ngoạm một dây được treo trên một cáp duy nhất 1 có vòng treo móc với móc treo của máy nâng Gầu được thả xuống đống vật liệu ở trạng thái mở (Trưòng hợp II hình 1.16), lúc đó đầu di động 8 tỳ lên đầu đỡ trên 2 Dưới tác dụng của trọng lượng gầu, lưỡi gầu 4 cắm sâu vào đống vật liệu Cáp 1 tiếp tục đi xuống và dưới tác dụng của trọng lượng đầu di động 8 mà móc 9 liên kết với đầu đỡ dưới 6 (Trưòng hợp

II hình 1.16) Khi kéo cáp 1 lên, má gầu đóng lại thực hiện quá trình bốc vật liệu Gầu

có vật liệu được đóng kín và tiếp tục được nâng lên đến vị trí cần dỡ vật liệu

Hình 1.16: Gầu ngoạm một dây

Khi cần dỡ vật liệu, phải cho cần lẫy 10 gạt vào thanh chặn 7 đặt cố định ở độ cao cần dỡ vật liệu Như vậy Gầu ngoạm một dây có thể lắp trên bất cứ loại máy nâng nào miễn là có một tang quấn cáp và không thể dỡ vật liệu ở độ cao bất kỳ được

1.4 Dây trong cơ cấu nâng

Dây được hiểu là những phần tử có tiết diện mặt cắt ngang rất nhỏ so với chiều dài Mềm được hiểu là dễ bị uốn theo tất cả các hướng chứ không phải là mềm và cứng

(Có đơn vị đo là HB) như trong Vật liệu học Dây mềm được hiểu là phần tử mềm và

- Cáp thép: Độ bền kéo lớn, chịu ma sát, trọng lượng riêng tương đối nhỏ, dễ bị

Hình 1.17: Cấu tạo cáp thép

1 Sợi thép con ; 2, Tao ; 3 Lõi cáp ; Cáp Thép

Số lượng sợi thép con và số lượng tao cũng ảnh hưởng đến đặc điểm của cáp thép:

• Nếu cáp có nhiều sợi thép con thì:

- Cáp sẽ mềm (nhưng độ bền lâu tăng không đáng kể vì các sợi mặt ngoài có ứng suất tiếp lớn)

- Chống mòn kém, dễ bị phá huỷ khi va chạm

- Chi phí thời gian chế tạo lớn, giá thành cao

• Nếu cáp có nhiều “tao” thì:

Hình 1.18: Hình vẽ minh hoạ Cáp tiếp xúc điểm và tiếp xúc đường

a, Cáp tiếp xúc điểm ; b, Cáp tiếp xúc đường

Hình 1.19: Các loại cáp tiếp xúc đường

a Có đường kính các sợi giống nhau ; b Đường kính sợi giống nhau từng lớp

c Đường kính sợi khác nhau ở lớp ngoài ; e Đường kính sợi lớp ngoài khác lớp trong

d Có lớp sợi thép con làm nền giứa các lớp ; f Chỉ có sợi lớp ngoài cùng khác nhau

• Theo dạng xoắn: Có cáp thường và cáp không tở

Cáp thường là cáp mà các sợi và các cháu không có biến dạng Cáp không tở là cáp có biến dạng của sợi và cháu, cáp này có đặt điểm sau:

- Độ bền mòn lớn hơn cáp thường

- Lực căng được phân bố đều đặn

- Có khả năng chống uốn tốt hơn, cứng

- Giảm được sự mài mòn tang và ròng rọc

• Theo hướng xoắn: Có cáp S và cáp Z

- Cáp xoắn phải còn gọi là cáp Z

- Cáp xoắn trái: Còn gọi là cáp S

Hình 1.20: Cáp Z và cáp S

Chú ý: Độ bền và tuổi thọ của cáp chịu ảnh hưởng của mối quan hệ giữa hướng xoắn

cáp với chiều quay tang cuốn cáp

Hình 1.21: Hướng xoắn cáp và chiều quay tang

• Theo cách bện: Có cáp bện ngược chiều và cáp bện cùng chiều

- Cáp bện ngược chiều là loại cáp mà hướng xoắn của sợi trong tao và của tao trong cáp là trái chiều nhau

- Cáp bện cùng chiều là loại cáp mà hướng xoắn của sợi trong tao và của tao trong cáp là cùng chiều nhau

Đặc điểm của cáp bện ngược chiều và cáp bện cùng chiều:

+ Cáp bện ngược chiều:

- Các sợi thép con luôn luôn bị căng, độ mòn tăng và độ bền lâu giảm

- Khi không mang tải không bị mở đường xoắn

+ Cáp bện cùng chiều:

- Bề mặt bằng phẳng và diện tích tiết diện đầy hơn

- Mềm dễ uốn và bền hơn

- Bị mài mòn ít hơn do chỗ bề mặt tiếp xúc tăng

- Dễ bị mở đường xoắn khi không mang tải

c Chế độ, điều kiện làm việc và phương pháp tính toán cáp

- Điều kiện làm việc: Chịu ăn mòn, ma sát và mài mòn

- Chế độ làm việc: bị Kéo - Uốn - Nén - Xoắn dưới tác dụng của lực căng và tốc

độ quay

Độ lớn các ứng suất trên lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Độ lớn tải trọng tác dụng,

- Kết cấu và đường kính cáp,

- Độ lớn ma sát giữa các sợi và các cháu,

- Kích thước và kết cấu của tang hay ròng rọc

- Mối quan hệ giữa hướng xoắn của cáp và chiều quay của tang

Trạng thái ứng suất trong cáp là phức tạp Trong thực tế không thể xác định được mối quan hệ quá phức tạp nói trên, do đó chỉ có thể tính toán cáp một cách gần đúng theo 3 phương pháp tính sau đây:

• Phương pháp tính toán theo độ bền mỏi:

Dưới tác dụng đồng thời các ứng lực nói trên cùng với việc uốn cong và duỗi thẳng liên tục trong quá trình làm việc sẽ làm cho cáp bị mỏi và cuối cùng bị phá huỷ

Do đó, người ta đưa về việc xác định giới hạn số lần uốn cáp

Giá trị giới hạn số lần uốn cáp lại phụ thuộc vào trị số của lực căng và tỉ số giữa đường kính tang (hay ròng rọc) và đường kính cáp ( D0 = C.dc) Theo S.S Torban tỉ số

C sẽ nhỏ hơn 10 đối với cáp thực vật và C =15 ÷ 20 đối với cáp thép

D.C Dutscop đã tiến hành thí nghiệm và cho thấy với cùng một giá trị tải trọng, nếu C = 6,8 thì cáp chịu được khoảng 10.103lần uốn sẽ đứt, khi C = 8,6 thì giới hạn số lần uốn là 45.103, khi C = 10,8 thì giới hạn số lần uốn là 100.103, khi C = 12,9 thì giới hạn số lần uốn là 180.103 và khi C = 20,4 thì sau 600.103lần uốn cáp sẽ bị phá huỷ

Như vậy nếu tăng C từ 6,8 lên 20,4, nghĩa là tăng 3 lần thì sẽ tăng giới hạn số lần uốn lên 60 lần với cùng một giá trị tải trọng

Tuy vậy số lần uốn giới hạn khó có thể tính toán chính xác do còn ảnh hưởng của nhiều yếu tố khó xác định Vì vậy khi chọn cáp theo phương pháp này chủ yếu dựa vào các biểu đồ phụ thuộc giữa lực căng và giới hạn số lần uốn Ughbằng thực nghiệm

• Phương pháp tính toán theo độ bền kéo và uốn:

Trên thực tế không thể cùng lúc tính được tất cả các ứng suất kéo, uốn, nén và xoắn, cho nên chỉ có thể tính cáp theo uốn và kéo, còn các ứng suất xoắn và nén được

bổ sung bằng một hệ số dự trữ (từ thực nghiệm)

Khi cáp chịu lực căng S uốn quanh ròng rọc có đường kính D, cáp thép có z sợi dây thép con mỗi sợi có đường kính ds Có thể tham khảo công thức sau để tính chọn cáp thép:

• Phương pháp tính toán theo độ bền đứt:

Hiện nay máy nâng nói chung các cơ cấu và chi tiết nói riêng của máy nâng đã được tiêu chuẩn hóa mạnh nhờ đó việc tính toán cáp thép cũng sẽ đơn giản rất nhiều

Tính toán theo độ bền đứt là phương pháp tính chọn cáp được sử dụng phổ biến nhất Phương pháp này dựa vào lực căng lớn nhất, hệ số bền dự trữ và tuỳ thuộc chế

độ làm việc của máy nâng để xác định lực đứt cáp Từ lực đứt cáp ta tiến hành tra bảng cáp theo tiêu chuẩn (Do nhà chế tạo cáp thép cung cấp) để chọn cáp

Bước 1: Tính Smax= Sdmkd(Hệ số k

d được chọn tùy thuộc vào chế độ làm việc của máy nâng)

Bước 2: Tính Sd= Smaxn ( Hệ số an toàn n = 3 ÷ 10)

Bước 3: Tra bảng chọn cáp (Xem bảng 6)

- Cách ly môi trường bằng cách phủ lên trên bề mặt lớp dầu mỡ

- Phủ lên bề mặt sợi thép con lớp vật liệu chống ăn mòn

- Thường xuyên tra dầu mỡ vào lõi cáp

e Nối đầu cáp với các tiết máy khác

Cặp đầu cáp lên trục cần có vòng lót cáp bảo vệ cho cáp khỏi bị chà xát trực tiếp vào trục và tránh ứng suất dập lớn Vòng lót có tiết diện hình máng (hình 1.22)

Để kẹp chặt đầu cáp thường dùng nhất là cặp bu long (hình 1.22) Có thể dùng cách bện (hình 1.23): tháo tung đầu cáp, luồn các sợi vào thân cáp, rồi dùng sợi thép quấn ngoài trên đoạn dài l Cách bện này tốn công và không được chắc chắn nên ít dùng

Dùng ống côn để cặp đầu cáp cũng rất đảm bảo (hình 1.24) đầu cáp xâu qua lỗ nhỏ ống côn, cắt bổ lõi giữa, bẻ gập các sợi, rút lại rồi đổ chì vào ống

Khóa chêm (hình 1.25) dùng rất phổ biến và tiện lợi để cặp đầu cáp, có thể nối

và tháo rất nhanh bằng tay mà không cần dụng cụ chuyên dùng

Hình 1.22 Hình 1.23

Các thiết bị để nối và cặp đầu cáp nói trên đều được quy chuẩn hóa

1.4.2 Xích hàn

a Đặc điểm cấu tạo

Xích hàn gồm các mắt xích hình ô van được chế tạo từ thép tròn uốn cong rồi hàn lại bằng phương pháp hàn rèn hoặc hàn điện Vật liệu chế tạo thường là loại thép ít các bon giới hạn thấp cho nên giới hạn bền kéo thấp và khả năng tải của xích thấp

- Dễ uốn theo các hướng (mềm hơn cáp thép)

- Cấu tạo và chế tạo đơn giản

- Trọng lượng riêng lớn và rất nhạy cảm với các va chạm (ồn)

- Dễ bị đứt đột ngột

- Mắt xích thường bị mòn nhiều ở nơi bị cọ xát

- Chỉ cho phép làm việc với tốc độ chậm

- Giới hạn bền kéo thấp và khả năng tải thấp

Trong máy nâng xích hàn sử dụng không rộng rãi bằng cáp thép vì nặng và độ tin cậy kém

Thông thường xích mắt ngắn là xích chính xác dùng trong truyền động Xích

chính xác được dùng với các đĩa xích có số răng Z min = 5 với vận tốc truyền động

không quá 0,5 m/s Xích không chính xác chỉ dùng với các đĩa xích và tang trơn với vận tốc truyền động không quá 1 ÷ 5m/s

Xích hàn được dùng hợp lý trong các cơ cấu nâng tải trọng nhỏ như palăng, dùng truyền động trong môi trường bụi không dùng được xích bản lề, hoặc để buộc và treo vật nặng Xích hàn có thanh ngáng được dùng làm lĩn neo (xích neo)

e Phương pháp tính chọn

Xích chịu kéo là chủ yếu nhưng do cấu tạo mắt xích cho nên ngoài chịu kéo xích còn bị uốn cục bộ, ứng suất này khó xác định nên bỏ qua kể cả độ bền mối hàn Tuy nhiên khi xích đi qua tang hoặc ròng rọc thì cả mắt xích bị uốn

Giả sử khi xích đi qua puly các mắt xích kề nhau quay một góc α Khi đó lực căng S được phân làm hai thành phần: (Xem hình 1.28)

Srgây ra ứng suất kéo:

SB gây ra ứng suất uốn với:

Trong thực tế tính toán, người ta thường chọn xích hàn theo điều kiện bền đứt tương tự như tính chọn cáp thép:

Smax = Sdm kd → Sd = Smax n → Tra bảng chọn xích theo tiêu chuẩn

Giá trị n > 3 tuỳ thuộc vào loại truyền động (tay hoặc máy) và công dụng của xích

Ưu điểm so với xích hàn chế tạo từ những tấm nguyên không phải hàn do đó bảo đảm an toàn hơn; các mắt xích bị biến dạng ít hơn, chuyển động điều hòa hơn

Nhược điểm: nặng hơn và đắt hơn, không uốn cong được trong mặt phẳng các trục bản lề; các bản lề bị mòn nhiều; làm việc phải có đĩa xích (có răng), với vận tốc thấp, vmax = 0,25 m/s

Tính toán xích bản lề cũng tương tự như xích hàn và cáp; hệ số an toàn quy định lấy không dưới 5

Hình 1.29: Xích tấm

* So sánh cáp và xích

Các loại dây dùng trong cơ cấu nâng của máy trục nói trên (cáp thép bện, xích hàn, xích tấm) có cơ tính và chất lượng sử dụng rất khác nhau, vì vậy chúng được dung trong những điều kiện khác nhau

Cáp nhẹ hơn xích rất nhiều, với cùng tải trọng phá hỏng trọng lượng 1m cáp nhỏ hơn trọng lượng 1m xích khoảng 10 lần Ngoài ra nó có thể uốn được theo mọi hướng: làm việc điều hòa, không ồn với bất kỳ vận tốc nào nếu bảo quản tốt có thể đảm bảo độ bề lâu: không đứt bất ngờ mà báo hiệu cho biết trước quá trình phá hỏng

vì mỏi (đứt dần từng dây), do đó làm việc rất an toàn Nhược điểm duy nhất của cáp là đòi hỏi tang phải có đường kính lớn, do đó bộ truyền sẽ phức tạp hơn Tuy vậy, nhờ những ưu việt của nó, cáp vẫn là loại dây phổ biến nhất trong các máy trục hiện tại

Xích hàn có nhiều nhược điểm: nặng hơn cáp nhiều, độ an toàn kém hơn, có thể đứt bất ngờ khi nâng vật, điều kiện truyền lực kém (tiếp xúc điểm), tốc độ làm việc với đĩa xích cho phép thấp (0,1 m/s) Ưu điểm của nó là rất dễ uốn cong theo mọi hướng

Xích tấm chỉ gập được theo một hướng Độ an toàn cao hơn xích hàn, tốc độ cho phép cũng lớn hơn (0,25 m/s) nhưng đắt hơn

Như vậy, cáp ưu việt hơn hăn so với xích Tuy nhiên xích vẫn được dùng trong những điều kiện tương ứng, yêu cầu kích thước cơ cấu nhỏ gọn (vì có thể dùng đĩa xích rất nhỏ) khi môi trường xung quanh có nhiệt độ cao ảnh hưởng không tốt tới dây

cáp Xích thường được dùng trong các palăng xích kéo tay, là những cơ cấu nâng chậm, chiều cao nâng không lớn lắm

- Đường kính trống tang: D0 = (18 ÷ 20)dc(mm)

- Chiều dài tang: Lt(mm)

Lt = Z.tVới : t - Bước tang, thường chọn t = 1,1.dc với tang xẻ rãnh và t = dc với tang trơn

Z = Z3 + Z2+Z1 - Số vòng cuốn cáp trên tang

Z ≈ Z1/n

- Bề dày tang: δ Được xác định khi tính bền trống tang Với tang đúc có thể

xác định sơ bộ theo: δ = 0,02D + (6 ÷ 10) mm; hoặc δ = 1,2dc

• Tính toán bền tang thu chứa cáp

Trống tang luôn chịu trạng thái ứng suất phức tạp: nén, uốn và xoắn

Đối với những tang có chiều dài nhỏ hơn 3 lần đường kính trống tang thì ứng suất uốn và xoắn không vượt quá 15% ứng suất nén Do đó việc tính toán bền tang (Để xác định bề dày δ của trống tang) chủ yếu theo ứng suất nén

Hình 1.32: Sơ đồ tính bền tang

Dây cáp được quấn đều trên trống tang và trên dây cáp luôn luôn có sức căng cho nên trống tang trong trường hợp này được coi như một ống có bề dày δ chịu áp lực

ở mặt ngoài Do đó việc tính toán bền trống tang được tiến hành theo bài toán Lame

Để xác định giá trị ứng suất nén, từ các thông số đầu vào: dc, t , S , Dctrước hết cần phải xác định áp lực tác dụng lên bề mặt trống tang p

Hình 1.33: Sơ đồ tính bề dày trống tang

Tách ra một phân tố bề mặt tang dF có độ dày δ với chiều rộng bằng bước xếp

đặt cáp t trên tang và chiều dài ứng với góc dϕ Đường kính trong của trống tang là D

t (Hình 1.33) Do lực căng cáp cho nên trên bề mặt tang xuất hiện áp lực p Lực tác dụng lên phân tố diện tích dF sẽ là: dP = p.dF

Vì hệ thống nằm trong trạng thái cân bằng cho nên tổng hình chiếu của tất cả các lực phân tố trên bề mặt sẽ cân bằng với lực căng 2S, nghiã là:

Gọi:

- Áp lực tác dụng lên mặt ngoài của trống tang là p

- Áp lực tác dụng lên mặt trong của trống tang là p0

- Đường kính ngoài của trống tang là D0

- Đường kính trong của trống tang là Dt

Ứng dụng thành quả của bài toán Lame:

Ứng suất xuất hiện trên trống tang ở bề mặt phía trong là: max

Ứng suất xuất hiện trên trống tang ở bề mặt phía ngoài là:

Vì trống tang chỉ chịu lực mặt ngoài, nên p0= 0 ; Dt= D0- 2ω

Như vậy ứng suất nén cực đại xuất hiện trên bề mặt trống tang sẽ là:

Vì δ rất nhỏ so với D

0 cho nên coi:

Trong đó:

Smax- Lực căng lớn nhất trên dây cáp;

t = dc + a - Bước quấn cáp trên tang

[ζ] - Úng suất nén cho phép ;

n - Hệ số an toàn n = 1,4 ÷ 1,5 đối với tang thép

và đối với tang bằng gang n = 4 ÷ 4,25 Đối với những tang có chiều dài lớn hơn 3 lần đường kính trống tang thì phải tính đến ứng suất uốn và xoắn (do mô men tạo bởi lực căng của dây cáp)

Với tang đơn mô men uốn lớn nhất khi dây cáp ở vị trí giữa tang và có mang tải (Hình 1.34)

Ứng suất tương đương được kiểm tra như sau:

Với vật liệu dẻo α = 1

d Gắn cáp lên tang

Đối với tang thành cao, toàn bộ chiều dài cáp được chứa trên tang vì vậy cần phải cố định một đầu dây cáp lên tang Gắn cáp là dùng các biện pháp khác nhau để tạo ra lực ma sát giữa cáp với tang có giá trị đủ lớn để giữ chặt một đầu dây cáp trên tang Yêu cầu cơ bản của mối gắn cáp là tin cậy, đơn giản dễ gia công và tháo lắp

• Các phương pháp gắn cáp lên tang:

Gắn cáp bằng Bulông - Thanh đè là phương pháp được sử dụng rộng rãi hơn cả

và đã được tiêu chuẩn hóa

1.5.2 Ròng rọc và đĩa xích

a Khái niệm

Những chi tiết dạng đĩa quay dùng để truyền lực (hoặc đổi hướng chuyển động) của phần tử mềm gọi là puly (Ròng rọc)

Khi làm việc ở chế độ nhẹ và trung bình ròng rọc thường được đúc bằng gang xám Ở chế độ nặng vật liệu chế tạo là thép đúc Ròng rọc có đường kính lớn hơn 600mm thường được chế tạo bằng phương pháp hàn Vật liệu bề mặt rảnh đóng vai trò quan trọng trong việc chống mòn phần tử mềm, phủ nhôm sẽ tốt cho các loại ròng rọc

- Ròng rọc dùng trên tàu cá; Ròng rọc dùng cho máy nâng

Hình 1.40: Ròng rọc dùng trên tàu cá Hình 1.41: Ròng rọc dùng trên máy nâng