Tính toán thiết kế hệ thống làm hàng tàu thủy môn truyền động điện tàu thủy 2

Tính toán thiết kế hệ thống làm hàng tàu thủy môn truyền động điện tàu thủy 2Thiết bị làm hàng là một nhóm thiết bị quan trọng trên tàu thủy, nóbao gồm các thiết bị dùng để bốc xếp hàng hóa lên, xuống tàu. Năngsuất của thiết bị làm hàng đảm bảo khả năng giảm thời gian tàu chờnên có thể giảm được giá thành vận tải. Đặc điểm chung của nhómphụ tải này là loại tải thế năng cho nên sẽ có một giai đoạn làm việc ởchế độ hãm.Tàu hàng White Diamond có 5 hầm hàng, để thực hiện bốc xếp hànghoá, tại đây ta bố trí 4 cần trục sức nâng 36 tấn, mỗi cần cẩu gồm cócác cơ cấu: nâng, hạ, xoay cần. Các thiết bị bốc xếp chủ yếu trên tàuthủy:Thông số của cần trục:+ Trọng tải: 36 tấn+ Tầm với max: 26m+ Tầm với min: 4,5m+Trọng lượng của cần trục: 3,6 tấn+ Chiều dài cần trục l=18m+ Tốc độ nâng hàng: 18,5 mp ứng với tải trọng 36 tấn+ Tốc độ hạ hàng: 55mp ứng với tải trọng 36 tấnCần trục của tàu White Diamond có các cơ cấu chính là:Cơ cấu nâng hạ hàngCơ cấu nâng hạ cần (thay đổi tầm với)Cơ cấu quay mâm

++

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM

VIỆN HÀNG HẢI

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TÀU THỦY 2

Bài báo cáo chương 3 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG LÀM HÀNG

Hồ Chí Minh, 4-2020

Lời Mở Đầu

Ngày nay, trong xu hướng phát triển chung của thế giới và xu thế toàn cầu hoá, vận tải biển là một ngành rất quan trọng, đảm bảo sự lưu thông hàng hóa trên toàn thế giới Với khoảng 3000km chiều dài bờ biển, phát triển kinh tế biển là một chiến lược của đất nước nhằm phát huy thế mạnh của biển phục vụ phát triển kinh tế xã hội Trong chiến lược phát triển kinh tế biển thì công nghiệp tàu thủy đóng một vai trò quan trọng Ngành công nghiệp đóng tàu non trẻ của nước ta đang trong giai đoạn phát triển với qui mô và tiềm năng rất lớn Nghiên cứu, tính toán, thiết kế các hệ thống truyền độn điện máy phụ trên tàu thủy là một nhiệm vụ cấp bách nhằm từng bước làm chủ công nghệ, tự chù về vật tư thiết bị phục vụ cho công nghiệp tàu thủy của đất nước Tàu thủy là một công trình kỷ thuật nổi trên nước, nó có thể nổi và di chuyển được trên nước có kết cấu phức tạp và hoạt động trong môi trường vô cùng khắc nghiệt, chịu tác động nhiều của rất nhiều yếu tố ngoại lực như sóng, gió, bão …

Chính vì vậy để đảm bảo tính an toàn cho con tàu trong quá trình khai thác cũng như sử dụng, thì thiết bị làm hàng đóng vai trò rất quan trọng Nó có nhiệm vụ giúp ta làm hàng khi con tàu cập bến

Độ tin cậy của thiết bị làm hàng ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn khi vận hành và khai thác con tàu

I Giới thiệu tàu White Diamond:

Thiết bị làm hàng là một nhóm thiết bị quan trọng trên tàu thủy, nó bao gồm các thiết bị dùng để bốc xếp hàng hóa lên, xuống tàu Năng suất của thiết bị làm hàng đảm bảo khả năng giảm thời gian tàu chờ nên có thể giảm được giá thành vận tải Đặc điểm chung của nhóm phụ tải này là loại tải thế năng cho nên sẽ có một giai đoạn làm việc ở chế độ hãm

Tàu hàng White Diamond có 5 hầm hàng, để thực hiện bốc xếp hàng hoá, tại đây ta bố trí 4 cần trục sức nâng 36 tấn, mỗi cần cẩu gồm có các cơ cấu: nâng, hạ, xoay cần Các thiết bị bốc xếp chủ yếu trên tàu thủy:

Hình 1: Hình ảnh tàu White Diamond

Hình 2: Cần trục sử dụng làm hàng trên tàu White Diamond

Cấu trúc hệ thống cẩu:

Hình 3: Cấu trúc cần trục

Thông số của cần trục:

+ Trọng tải: 36 tấn

+ Tầm với max: 26m

+ Tầm với min: 4,5m +Trọng lượng của cần trục: 3,6 tấn + Chiều dài cần trục l=18m

+ Tốc độ nâng hàng: 18,5 m/p ứng với tải trọng 36 tấn + Tốc độ hạ hàng: 55m/p ứng với tải trọng 36 tấn

Hình 4: Thông số cần trục

THÔNG SỐ KĨ THUẬT TÀU WHITE DIAMOND:

Chiều dài giữa các đường thẳng góc 183,25 m

Chiều rộng theo đường gờ thiết kế 32,26m

Mớn nước hàng tịnh, theo đường gờ 10,9 m

Hình 5: Bảng thông số của tàu White Diamond

Cần trục của tàu White Diamond có các cơ cấu chính là:

Cơ cấu nâng hạ hàng

Cơ cấu nâng hạ cần (thay đổi tầm với)

Cơ cấu quay mâm

II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÀM HÀNG

WHITE DIAMOND:

1 Tính toán công suất động cơ điện cơ cấu nâng hạ hàng

Tính toán thiết kế hệ thống làm hàng bằng cẩu đơn 36 tấn

Các bước tính toán:

- Chọn thông số tời và thiết bị liên quan như tang trống, móc không

- Tính chọn công suất động cơ cho cơ cấu nâng hạ hàng

- Kiểm nghiệm động cơ đã chọn

1.1 Chọn móc hàng:

Hình 5: Bảng chọn loại móc hàng Khối lượng có thể móc: 40 tấn

Khối lượng của móc: 600 kg

Tốc độ nâng hàng: vđm = 20m/phút = 0,3 m/s

1.2 Tang cuốn cable:

Hình 6: Bảng chọn tang cuống

Ta có: h = ℎ1 + 1,5 = 14,5+ 1,5 =16 m

• h : chiều cao nâng hạ hàng

• ℎ1: chiều cao từ mạng hầm hàng xuống đáy hầm hàng

Vì vậy ta chọn tang cuốn số 24:

Đường kính: 1m

Tải trọng nâng của tang trống >= 1,2 -1.5 tải trọng của hàng hóa

Ta chọn tang nâng có tải trọng nâng 50 tấn và chiều cao nâng hạ hàng là 18m

1.3 Mô men trên trục động cơ trong các giai đoạn:

- Đồ thị phụ tải cơ cấu nâng hạ hàng của tời đơn như sau:

Hình 7: Đồ thị phụ tải của cơ cấu nâng hạ hàng cần trục

Nhìn vào đồ thị, ta thấy có 4 giai đoạn:

+ Giai đoạn nâng hàng

+ Giai đoạn hạ hàng

+ Giai đoạn nâng móc không

+ Giai đoạn hạ móc không

𝐺đ𝑚: Tải trọng định mức của cơ cấu nâng hạ hàng (N)

𝐆đ𝐦 = 𝒎𝒉𝒉.g = 36000 9,8 = 352800 (N)

G0: Trọng lượng của móc không (N)

𝐆𝟎 = 𝒎𝒎𝒌.g = 5880 (N)

Dt: Đường kính của trống tời (m)

𝜂𝑇𝐷: Hiệu suất của bộ truyền động 𝜂𝑇𝐷=0.8 𝑖: Tỷ số truyền của bộ truyền động 𝑖= 117,75

(Theo giáo trình truyền động điện tàu thủy 1 – Đồng Văn Hướng)

- Moment nâng không tải:

- Thời gian hạ có tải:

𝒗đ𝒎 = (1,4 ÷ 𝟏, 𝟕)𝒗đ𝒎 = 1,5 0,3 = 0,45 (m/s)

𝑡2 = ℎ1,5𝑉𝑑𝑚 =

161,5 × 0,45 = 23,7𝑠

- Thời gian nâng hạ móc không:

𝒗đ𝒎 = (2 ÷ 𝟐, 𝟓)𝒗đ𝒎 = 2,5 0,3 = 0,75 (m/s)

Dựa vào đồ thị phụ tải của cơ cấu nâng hạ hàng trên hình 6 ta xác định được mô men tương đương của cơ động cơ quay cơ cấu nâng hàng của cần trục như sau:

= √4483,5

2× 53,3 + 2690,12× 23,7 + 73,52× 10,7 + 73,52× 10,7

53,3 + 23,7 + 10,7 + 10,7

= 3554,24(𝑁𝑚) Khi đó ta chọn mô men quay của động cơ điện theo biểu thức sau: 𝑀𝑑𝑚𝑡𝑡=𝑀𝑡𝑑

1.6 Tốc độ quay của động cơ điện

n dmtt = 𝟔𝟎𝒊𝒗đ𝒎

𝟑,𝟏𝟒𝑫𝒕𝒕 = 𝟔𝟎×𝟓𝟎×𝟎,𝟑

𝟑,𝟏𝟒×𝟏 = 286,62 (v/p)

Đường kính trống tời Dtt=1m

1.7 Tính toán công suất của động cơ điện

Ta chọn 110 KW => thỏa yêu cầu khi nâng và hạ hàng

1.9 Kiểm nghiệm động cơ:

- Để nghiệm lại động cơ điện chúng ta phải xây dựng được đồ thị tải

của động cơ điện lai cơ cấu nâng hạ hàng

Hình 10: Đồ thị tải của động cơ điện lai cơ cấu nâng hạ hàng

- Để xây dựng đồ thị tải của động cơ điện lai cơ cấu nâng hạ hàng, ta

phải tính các đại lượng như sau:

+ Moment và thời gian của các giai đoạn làm hàng

+ Moment khởi động ở các giai đoạn quá độ

+ Thời gian khởi động ở các giai đoạn quá độ, thời gian các giai

đoạn không làm việc

1.9.1 Moment khởi động ở các quá trình quá độ

- Moment khởi động ở các giai đoạn quá độ bao gồm moment khởi động khi nâng hàng và hạ hàng

- Để xác định moment khởi động của các quá trình quá độ ta dựa vào

phương trình chuyển động của truyền động điện, đồng thời phải chú ý rằng giá trị của moment khởi động bị hạn chế bởi khả năng quá tải theo moment của động cơ khi khởi động 𝛾𝑘𝑑

Vậy 𝐌𝐤𝐝 = 𝐌𝐂+ 𝐌Đ = 𝛄𝐤𝐝𝐌đ𝐦

❖ Moment khởi động khi nâng hàng:

- Moment khởi động khi nâng hàng có thể chọn trong khoảng

𝑴𝒌𝒅 = (2 ÷2,5) 𝑴đ𝒎 = 2,5 3554,24 = 8885,6 (Nm)

❖ Moment khởi động khi hạ hàng:

- Moment khởi động khi hạ hàng chính là moment hãm

- Khi thực hiện hãm, moment hãm của động cơ phải thắng được

moment cản tĩnh, quán tính quay của các phần tử trong hệ thống và năng lượng động của tải Giá trị của moment hãm củng được xác định

𝐌𝐤𝐝𝟐 = 𝐌𝐂𝐡 + 𝐌Đ𝐡 = 𝛄𝐌𝐌đ𝐦

Với 𝛄𝐌 là khả năng qúa tải theo moment của động cơ ở chế độ quay

Dựa vào thông số của động cơ ta chọn, ta có 𝛄𝐌 = 𝑻𝒎𝒂𝒙

𝑻𝒏 = 𝟐

𝐌𝐤𝐝𝟐 = 𝛄𝐌𝐌đ𝐦 = 2 3554,24 = 7108,48(Nm) 1.9.2 Thời gian các giai đoạn quá độ và không làm việc

❖ Thời gian các giai đoạn quá độ

- Thời gian các giai đoạn quá độ bao gồm thời gian khởi động khi nâng hàng và hạ hàng

- Trong thực tế, thời gian khởi động nâng hàng nằm trong khoảng

𝑡𝑘𝑑 = (1,5 ÷ 3)𝑠 (Truyền Động Điện Tàu Thủy của Lưu Đình

Hiếu)

Để thỏa mãn hai yêu cầu là thời gian khởi động ngắn và an toàn cho thiết bị thì ta chọn 𝒕𝒌𝒅= 3s

- Thời gian khởi động khi hạ hàng phụ thuộc vào trạng thái hãm khi

hạ hàng, ta có 𝒕𝒌𝒅𝟐 = 0,5𝒕𝒌𝒅 = 1,5s (Truyền Động Điện Tàu Thủy của

Lưu Đình Hiếu)

❖ Thời gian các giai đoạn không làm việc

- Thời gian các giai đoạn không làm việc bao gồm thời gian tháo và móc hàng hóa, thời gian đưa móc và hàng sang ngang

- Thời gian móc và tháo hàng hóa:

+ Thời gian này phụ thuộc vào trình độ tổ chức quản lí bốc xếp hàng hóa tại cảng, đồng thời phụ thuộc vào loại hàng hóa xếp dỡ Để tính toán ta có thể dựa vào bảng sau:

Thời gian này được tính như sau:

+ Thời gian đưa hàng sang ngang:

𝒕𝟎𝟏 = 1,25B + 5 = 1,25 x 32,26 + 5 = 45,325 (s)

( 𝑩 𝒍à chiều rộng thiết kế của tàu)

+ Thời gian đưa móc không:

2 Tính toán công suất động cơ điện cơ cấu nâng hạ cần

Cơ cấu nâng hạ cần của cần trục và tời hàng là thiết bị dùng để thay đổi tầm với trong quá trình làm hàng Động cơ điện thực hiện trong cơ cấu nâng hạ cần làm việc ở chế độ ngắn hạn Trong tính toán chúng ta chỉ cần tính cho chế độ nâng hạ cần với tải định mức Khi nâng hạ cần các lực tác động tạo nên mô men cản trên tục động cơ điện bao gồm các thành phần sau:

- Lực cản do trọng lựơng của hàng hóa

- Lực cản do trọng lựơng của cần

- Lực cản do ma sát trên các puly và ổ đỡ

- Lực cản do gió (lực này khá nhỏ nên có thể bỏ qua)

2.1 Tải do trọng lượng của hàng hoá và trọng lượng của cần:

Để mô tả hệ động lực của cơ cấu nâng hạ cần, dựa vào mô hình này húng ta có thể tính được các thông số tạo lên tải của cơ cấu

Để đơn giản trong tính toán chúng ta coi tải trọng của cần phân

bố đều dọc theo cần

Hình 12: Sơ đồ lực tác dụng lên cơ cấu nâng hạ cần

- Khi nâng cần momen cản do trọng lựơng của hàng hóa và trọng lượng

của cần được tính như sau: M N = 𝐓𝐑𝐭𝐭

Phương trình cân bằng momen :

∑ M = G k l k + G h l h + Tcos 𝜽.h h - Tsin 𝜽.l h = 0

 𝑻 = 𝑮𝑲 𝒍𝑲+𝑮𝑯.𝒍𝑯

𝐜𝐨𝐬 𝜽.𝒉𝒉+𝐬𝐢𝐧 𝜽.𝒍𝒉

Trong đó góc θ được xác định dựa vào góc nghiêng cần α

Với: G h :Trọng lượng của hàng hóa và móc không:

2.2 Tải do ma sát trên các puly và ổ đỡ

- Moment do ma sát gây nên là:

𝐌𝐦𝐬𝐝 = 𝐟 𝐍𝐝𝐫𝐨𝐝+ 𝟎, 𝟓𝐟𝐓𝐝𝐫𝐩𝐥

𝐌𝐦𝐬𝐜 = 𝐟𝐍𝐜𝐫𝐨𝐝+ 𝟎, 𝟓𝐟𝐓𝐜𝐫𝐩𝐥

Với: + N: là lực dọc theo cần N = (Gh + Gk) cosα

+ f: là hệ số ma sát f = (0,08÷0,15), ta chọn f = 0,15

2.3 Thời gian nâng hạ cần

- Giới hạn trên và giới hạn dưới:

2.4 Đồ thị của cơ cấu nâng hạ cần

- Moment tải khi nâng cần là:

M nd = 𝑴𝒅𝑵+ M msd = 4,1 𝟏𝟎𝟑 + 30552,9= 34652,9Nm

M nc = 𝑴𝒄𝑵+ M msc = 2 𝟏𝟎𝟑 + 44766,5 = 46766,5Nm

Hình 13: Đồ thị tải

2.5 Chọn động cơ điện cho cơ cấu nâng hạ cần:

- Dựa vào đồ thị phụ tải trên hình 13, ta xác định được moment tương

ứng của động cơ quay cơ cấu nâng hạ cần như sau:

2.6 Nghiệm động cơ trong cơ cấu nâng hạ cần

Phương pháp kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng gián tiếp:

Ta có: 𝑴𝒅𝒎 = 𝑴𝒅𝒕 = 𝟐𝟔𝟖𝟕, 𝟗 𝑵𝒎

Mômen định mức của động cơ:

𝑴𝒅𝒎 = 𝑷𝒅𝒄 𝝎𝒅𝒄 = 𝟕𝟓 𝟕𝟖, 𝟓 = 5887,5 (Nm) ( 𝝎𝒅𝒄= 2pif/p)

𝑀𝑑𝑚 > 𝑀𝑑𝑡: thỏa mãn điều kiện phát nóng

3 Tính toán công suất động cơ điện cơ cấu quay mâm

Cơ cấu quay mân của cần trục hoặc tạt cần của tời hàng là thiết bị dùng để đưa hàng sang ngang trong quá trình làm hàng Động cơ điện thực hiện trong cơ cấu nâng hạ cần làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại Một chu kỳ công tác của cơcấu quay có thể phân thành hai giai đoạn: giai đoạn quay thuận có tải và giai đoạnquay ngược chỉ có móc không Trong quá trình quay cần các lực tác động tạo nênmô men cản trên tục động cơ điện bao gồm các thành phần sau:

- Lực cản do trọng lựơng của hàng hóa và cần khi tàu bị nghiệng

- Lực cản do ma sát trên các ổ đỡ

- Lực cản do gió

- Mô men cản do quán tính (vì do tầm với khá xa nên mô men quán tính

là đáng kể nên khi tính toán phải đưa vào)

Thông số cơ bản của cần : + Trọng lượng hàng hóa : 352800 N (36Tấn)

+ Trọng lượng cần cẩu : 35280 N (3,6 tấn)

+ h=11,3 (m) là chiều cao cần cẩu tính từ vòng

bi phía trên trở lên

+ Hh = 19 (m) là chiều cao cần cẩu tính từ vòng

bi phía dưới trở lên

+ Góc tạt cần : 58o + Tốc độ quay cần : 1 vòng/phút

+ 𝛼: là góc nghiêng lớn nhất (không quá 5 độ) 𝜶 = 𝟓°

+ 𝑮𝒉, 𝑮𝒌: là trọng lượng của hàng hóa, cần cẩu

𝑯𝒙 = 𝐇𝐡 − h = 7,7 m ( 𝐡𝐡 tính toán ở phần cơ cấu năng hạ cần)

Tổng moment ma sát: 𝑴𝒎𝒔 = 𝑴𝟏+ 𝑴𝟐+ 𝑴𝟑 = 197472,85(Nm) 3.2 Mô men cản do gió

- Lực cản do gió được xác định như sau:

𝑭 𝑷 (𝑺 𝒔𝒊𝒏𝜷 + 𝑺 )

trong đó:

+ 𝑷𝑮: là áp lực của gió 𝑷𝑮 = 40

+ 𝐒𝐡: là diện tích chắn gió của hàng (m2), diện tích này phụ thuộc một cách tương đối theo trọng tải của hàng, dựa vào bảng, ta chọn 𝐒𝐡 = 13

Hình 15: Bảng diện tích chắn gió của hàng

+ 𝐒𝐊𝐏: là diện tích chắn gió của cần 𝐒𝐊𝐏 = 2,7 m

+ 𝛽: góc cửa cần (ở đây lấy góc khi cần có tầm với xa nhất) 𝜷 = 25°

Từ đó ta suy ra: 𝑭𝑮 = 565,64 (N)

- Moment cản do gió sinh ra là:

𝑴𝑮 = 𝑭𝑮.𝒍𝒌𝒄𝒐𝒔𝜶𝒔𝒊𝒏𝜷 = 1857,5 (Nm)

3.3 Mô men cản do trọng lượng hàng hóa gây ra khi tàu bị nghiêng

- Moment cản do trọng lượng hàng hóa gây ra khi tàu bị nghiêng được

xác định theo công thức:

𝑴𝒉 = (𝑮𝒉𝒍𝒉 + 𝑮𝒌𝒍𝒌)𝒔𝒊𝒏𝜶𝒔𝒊𝒏𝜷 = 212856,41 (Nm)

3.4 Mô men cản do quán tính gây ra

- Do tầm với của cần trục khá cao nên khi quay cần mô men quán tính sinh ra khá lớn Để xác định moment cản do quán tính gây ra chúng ta

cần phải xác định tốc độ quay và gia tốc quay của cơ cấu

- Theo qui phạm tốc độ quay của cần trục được chọn trong khoảng nK = (1  3) v/p và phụ thuộc vào tầm với của cần trục

- Tốc độ của đầu cần khi có tải được chọn khoảng 0,5m/s

- Tốc độ góc ta chọn bằng K =(8 -10)o/s ứng với nk = (1,33 - 1,67) v/p

- Để tránh cho hàng bị lắc khi gia tốc, chúng ta chọn thời gian khởi động cho cơ cấu quay mâm là tkđ = 5s

- Moment quán tính của cần trục:

𝐉𝐊 = ∑ 𝐉𝐢

𝐧

𝐢

Trong đó: 𝐽𝑖 là moment quán tính các phần tử

+ Các phần tử có khối lượng (hàng hóa, móc không, cần cẩu):

3.5 Đồ thị tải của cơ cấu quay mâm

- Đồ thị tải của cơ cấu quay mâm là mối quan hệ giữa moment cản trên trụ cần với góc quay của cần 𝑀𝑐 = 𝑓(𝛽) và được dựng trên cơ sở tổng các moment do các thành phần nêu trên gây ra cho cơ cấu

𝑴𝑪 𝑻 = 𝑴𝒎𝒔𝑻 + 𝑴𝒒𝒕𝑻 + 𝑴𝑮𝑻 + 𝑴𝒉𝑻 = 𝟑𝟒𝟏𝟓𝟓𝟐, 𝟖𝟓(𝑵𝒎)

𝑴𝑪 𝑵 = 𝑴𝒎𝒔𝑵 + 𝑴𝒒𝒕𝑵 − 𝑴𝑮𝑵 − 𝑴𝒉𝑵 = 126838,94 (Nm)

Hình 16: Đồ thị tải cơ cấu quay mâm

3.6 Chọn động cơ điện cho cơ cấu quay mâm

- Từ đó ta chọn động cơ có công suất là 45kW, điện áp 380V, có tốc độ

đầu ra 67 v/p

Hình 17: Catalog chọn động cơ

3.7 Nghiệm lại động cơ của cơ cấu quay mâm

Ta kiểm nghiệm động cơ quay mâm theo khả năng phát nhiệt:

III Tài liệu kham khảo

-Truyền động điện tàu thuỷ 1

-Truyền động điện tàu thuỷ 2

-Thông số của tàu WHITE DIAMOND

-Sổ Tay Kỹ Thuật Tàu Thủy Và Công Trình Nổi –Nguyễn Hữu Vượng