Thiết kế bán cổng trục

Trong công cuộc công nghiệp hoá - hiện đại hoá và hội nhập kinh tế quốc tế ở nước ta hiện nay, yêu cầu về nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo các loại máy trục phục vụ cho hệ thốn

DAI HOC DA NANG

HO HUU BINH

THIET KE BAN CONG TRUC

Chuyén nganh: CONG NGHE CHE TAO MAY

Mã số : 60.52.04

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2011

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa hoc: TS Dinh Minh Diém

Phản biện 1: TS Nguyễn Xuân Hùng

Phản biện 2: PGS, TS Phạm Phú Lý

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn tốt

nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 3,

4 thang 12 nam 2011

Có thể tìm hiểu Luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

3

MO DAU

1 LY DO CHON DE TAI

Hiện nay, hầu hết trong các ngành công nghiệp đều sử dụng thiết

bị nâng chuyên Đối tượng phục vụ của thiết bị nâng chuyền là các nhà

máy sản xuất cơ khí, bến cảng, nhà ga, kho bãi, cdc cang container, cdc

công trình xây dựng, các nhà máy đóng tàu, các khu công nghiệp với

lưu lượng hàng vận chuyển lớn Các loại máy trục chủ đạo phục vụ cho

các đối tượng trên hiện nay và trong tương lai gần, dự báo cũng chỉ là

cần trục dạng cần với biểu thể là cần trục chân đế, cần trục tháp hoặc

cần trục kiểu dầm với biểu thể là cầu trục, công trục, cầu chuyển tai

Trong công cuộc công nghiệp hoá - hiện đại hoá và hội nhập

kinh tế quốc tế ở nước ta hiện nay, yêu cầu về nghiên cứu, tính toán,

thiết kế và chế tạo các loại máy trục phục vụ cho hệ thống cảng biển

nước sâu, các khu công nghiệp ngày càng nhiều và cấp thiết

Các phương pháp tính truyền thống sử dụng lý thuyết sức bền

vật liệu, các công thức kinh nghiệm, các bảng tra, các hệ số làm cho kết

quả tính toán có độ chính xác không cao Với khả năng ứng dụng

phương pháp phần tử hữu hạn và sự hỗ trợ của phần mềm MATLAB có

thể hoàn thiện phương pháp tính toán, thiết kế mục đích giảm khối

lượng, giá thành và tăng độ tin cậy trong quá trình khai thác

Vì vậy, với lý do đã trình bày tôi chọn đề tài: “THIẾT KÉ BÁN

CÓNG TRỤC ” để làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Mô hình hoá bài toán động lực học trong thiết bị nâng chuyền,

dựa trên các thông số kỹ thuật và các phần tử quy dẫn để viết được các

phương trình vi phân chuyên động cơ cẫu nâng và giải các phương trình

đó với sự trợ giúp của phần mềm MATLAB

3 DOI TUONG VA PHAM VI NGHIEN CUU

4

Nghiên cứu giới thiệu tổng quan các thiết bị nâng chuyển hiện

nay; Nghiên cứu bài toán động lực học cơ cầu nâng bán công trục; Thiết

kế, chế tạo mô hình bán công trục

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Kết hợp lý thuyết và thực nghiệm

5 YNGHIA KHOA HOC VA THUC TIEN CUA DE TAI

- Nghién ctru ly thuyét diéu khién tir xa

- Chủ động thiết kế và chế tạo các loại thiết bị tương tự

- Kết quả đạt được của bài toán động lực học có thé dùng để tham

khảo hoặc là những số liệu định hướng cho những nghiên cứu về động lực học tiếp theo sau này

- Phục vụ công tác đào tạo tại các cơ sở đào tạo và các đơn vị sản xuất

- Hoàn thiện trong quá trình sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp,

khắc phục các nhược điểm của các thiết bị nâng hạ

6 CÁU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn bao gồm 4 chương: Chương 1 — Giới thiệu tổng quan về các thiết bị nâng chuyển Chương 2 — Tính toán thiết kế bán công trục

Chương 3 — Lý thuyết điều khiển từ xa

Chương 4— Thiết kế chế tạo mô hình bán công trục

CHUONG 1

GIOI THIEU TONG QUAN VE CAC THIET BI NANG CHUYEN

1.1 Giới thiệu tống quan và nhu cầu sử dụng của các TBN trong

thực tế 1.1.1 Giới thiệu tổng quan

Máy trục và thiết bị nâng hạ được gọi chung là máy trục, là loại

máy hoạt động chu kỳ dùng để nâng hạ và vận chuyền hàng trong phạm

vi không lớn Máy trục là một trong những phương tiện chủ yếu dùng

để cơ giới hoá công tác xếp đỡ và vận chuyền hàng hoá

1.1.2 Nhu câu của thiết bị nâng chuyển trong thực tế

Hiện nay, hầu hết trong các ngành công nghiệp đều sử dụng thiết

bị nâng chuyển

1.2 Phân loại thiết bị nâng chuyển

1.2.1 Khái nệm

1.2.2 Phân loại

1.2.2.1 Cần frục

1.2.2.2 Cầu frục

1.2.2.3 Palăng

1.2.2.4 Công trục

1.2.2.5 Xe nâng hạ

1.2.2.6 Bán công trục

Hình 1.1 Bán cổng trục

Bán công trục là sự kết hợp của nửa cầu trục và nửa công trục vì loại

này có kết cầu một bên di chuyển trên đường ray đặc trên cao dọc theo

nhà xưởng, một bên di chuyển trên ray bồ trí trên mặt đất nhờ cơ cau di

chuyén (xem Hinh 1.1)

1.3 Giới thiệu các loại bán công trục và các thông số kỹ thuật của

ban cong trục

1.3.1 Một số đặc điểm của bán công trục

1.3.2 Một số loại bán công trục

1.3.3 Các thông số kỹ thuật của bán công trục

1.4 Nhận xét và kết luận

Qua nghiên cứu tổng quan và nhu cầu sử dụng của các thiết bị

nâng trong thực tê nói chung cũng như bán công trục nói riêng, chúng

tôi nhận thấy rằng cần tiến hành nghiên cứu động lực học cơ cấu nâng công bán trục Đồng thời sử dụng phần mềm MATLAB để tính toán tan

số riêng, dạng riêng của hệ dao động và tính toán bài toán động lực học

cơ cấu nâng cầu trục

CHƯƠNG 2

TINH TOAN THIET KE BAN CONG TRUC 10 TAN

2.1 So dé, nguyén ly hoat dong 2.1.1 Sơ đồ bán công trục 2.1.2 Nguyên lý hoạt động

2.2 Thiết kế phần cơ khí

2.2.1 Chọn kết cấu dam

> Chon ban céng trục có kết cầu dạng hộp: dầm chính và chân

bán công dạng hộp, trên có hai thanh ray để xe lăn di chuyển (xem Hình 2.2)

Hình 2.1 Chân công và dâm chính dạng hộp

1 Chân bán công trục; 2 Dầm chính; 3 Ra; 4 Xe hang; 5 Banh xe

2.2.2 Chọn sơ đồ động học cơ cấu nâng

Sử dụng cơ cấu nâng dẫn động bằng điện (xem Hình 2.3)

Hình 2.2 Sơ đồ cơ cầu nâng, động cơ và tang cùng phía

I- Động cơ; 2- Nối trục đànhồi 3- Hộp giảm tộc;

4- Khớp nối; 5- Tang

2.2.3 Chọn sơ đỗ động học cho cơ cấu đi chuyển xe con

Phương án này nhỏ gọn, truyền động đơn giản, chiếm không gian

nhỏ và thuận tiện cho việc bố trí lên các xe lăn Phương án này tiện cho

việc tháo lắp các chi tiết ra thành từng cụm, tuy nhiên trục truyền quay

với tôc độ bé, mô men xoăn lớn nên kích thước trục to (xem Hình 2.4)

CON mn m ĩ

Hình 2.3 Sơ đồ trục truyền chậm I1- Động cơ; 2- Nối trục đàn hồi; 3- Hộp giảm tốc;

4- Khớp nối; 5- Bánh xe

2.2.4 Chọn sơ đỗ động học cho cơ cấu đi chuyển bán công trục

Với cơ cấu di chuyển này thì yêu cầu về độ phăng của ray cao

hơn so vớ các phương án trên (xem Hình 2.5)

Hình 2.4 Sơ đồ dẫn động với cầu cân bằng

1- Động cơ; 2- Nối trục đàn hồi; 3- Hộp giảm tốc;

4- Bánh xe; 5- Banh răng ăn khớp ngoài 2.3 Nghiên cứu động lực học cơ cấu nâng công bán trục 2.3.1 Nhiệm vụ và phân loạt bài toán động lực học

2.3.1.1 Nhiệm vụ của bài toán động lực học Nhiệm vụ của động lực học là vận dụng các kiến thức về động

lực để nghiên cứu các vấn đề riêng biệt trong ngành chế tạo máy, nhờ

đó nghiên cứu mối quan hệ giữa chuyển động và lực tác động cũng như ứng suất

2.3.1.2 Phân loại của bài toán động lực học

2.3.2 Đặc điểm cầu tạo cơ cấu nâng bán công trục 2.4 Mô hình hoá bài toán động lực học cơ cấu nâng bán công trục 2.4.1 Các khái niệm cơ bản về động lực học

2.4.2 Mô hình động lực học Trên cơ sở mô hình trong bản vẽ thiết kế hay mô hình máy thực

tế chúng ta dùng các giả thiết tính toán để đơn giản hoá, sau đó đưa về

mô hình tính toán động lực học

2.4.3 Các toạ độ suy rộng

Toạ độ suy rộng là các đại lượng đặc trưng cho chuyển động tịnh

tiến (độ dài) và chuyển động quay (góc)

Ví dụ: Dao động con lắc hai bậc tự do

q¡ - toạ độ suy rộng (góc quay

q2 - toạ độ suy rộng (góc quay

của khối lượng m;

Hinh 2.1 Mô hình dao động

con lắc hai bậc tự do

Y

2.4.3.1 Độ dịch chuyên khả di

Độ dịch chuyển khả dĩ là dịch chuyển vô cùng bé bên trong hệ

thống động lực học mà không phá vỡ các liên kết của hệ thống động lực

cho phép

öq: 5q2 - Các độ dịch chuyển khả dĩ

2.4.3.2 Công khả đĩ

Công khả dĩ là công của các lực tác động lên hệ nằm ở trạng thái

can bang tĩnh với độ dịch chuyển khả dĩ

Trong đó: Qi - lực suy rộng của phần tử thứ i,

öqi - Độ dịch chuyển khả đĩ của toạ độ qi, 2.4.3.3 Lực suy rộng

Lực suy rộng là các lực mà trị sỐ của chúng thoả mãn điều kiện

tích của lực suy rộng Qi với độ dịch chuyển ödi

Q,.ðn, = SFE, cos(F, ,Ể) )

(2.2) Trong đó: Q; - luc suy rộng: F; - lực kích thích

Sqi - di chuyén kha di

Hình 2.2 Các lực suy rộng và các đi chuyền khả đĩ của con lắc 2.4.3.4 Hệ phương trình chuyển động Lagrange loai II

Hệ phương trình chuyển déng Lagrange loai II, [8,tr.8]

d(ar) ar ae au_)

dt\ oq, dg, 0g, 0g, i (=1,2,3 n) (2.3)

Trong đó: q;- toạ độ suy rộng: Q;- lực suy rộng: T - tổng động năng

của hệ; U - tổng thế năng của hệ; ® - hàm hao tán của hệ;

n - số bậc tự do của hệ

2.5 Mô hình động lực học cơ cấu nâng cầu trục 2.5.1 Phương pháp xây dựng mô hình động lực học

Khi nghiên cứu bài toán động lực học bán công trục, đầu tiên

cần phải phát thảo các thông số đặc trưng của bán công trục Trên cơ sở bản vẽ kỹ thuật chúng ta xây dựng mô hình tính toán bằng các phần tử quy dẫn bao gồm: Các khối lượng quy dẫn; Các phần tử đàn hồi; Các

phần tử dập tắt dao động: Các ngoại lực tác dụng

11

2.5.2 Phwong pháp quy dẫn các phân tử của hệ chuyển động

+ Quy dẫn khối lượng: Việc quy dẫn khỗi lượng của các phần tử

chuyển động dựa trên nguyên tắc cân bằng động năng của hệ cần quy

dẫn và động năng của hệ quy dẫn

Trong đó: T; - động năng của hệ sau khi quy dẫn về phân tử thứ ¡

T - tổng động năng của các phần tử trong hệ cần quy dẫn về phần tử thứ ¡

T=—Øø`Ẻ 5 Ti=—-mv (2.5)

Trong đó: 0,'- khdéi luong quy dẫn có chuyển động quay

m, - khối lượng quy dẫn có chuyển động tịnh tiến + Quy dân độ cứng của lò xo:

Độ cứng của lò xo thép được xác định băng công thức:

"`

Trong đó:

G - Môdun trượt của thép; d - đường kính dây lò xo, mm

n- số vòng làm việc của lò xo; D - đường kính lò xo, mm

Việc quy dẫn độ cứng của lò xo cũng dựa trên nguyên tắc cân

bằng thế năng của hệ

Trong đó: _Ue - tổng thế năng của hệ cần quy dẫn;

Ur - thế năng của hệ đã được quy dẫn

12

2.5.3 Mô hình động lực học cơ cấu nâng cầu trục

Ha-Giai doan 1 Hb-Giai doan 2 Hc-Giai doan 3

Hình 2.3 Mô hình động lực học của cầu trục

Giai đoạn 1: Chạy không tải, tang cuốn cáp quay hết độ trùng cáp Giai đoạn 2: Tang cuốn cáp tiếp tục quay làm cho lực căng trong cáp tăng giá trị 0 tới lực căng tĩnh lúc này hàng vẫn nằm trên mặt đất Giai đoạn 3: Tang cuốn cáp tiếp tục quay, hàng được nâng thực sự, rời

khỏi mặt đất

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn chỉ xây dựng mô hình động lực học của giai đoạn nâng hạ hàng từ vị trí cáp căng (độ trùng cáp

Š =0) Các tác giả [8], [15] đã xây dựng mô hình động lực như sau:

Các giả thiết khi xây dựng mô hình động lực học:

- Dầm chính có khối lượng quy dẫn là mạ, được đặt trên hai gối lò

xo có độ cứng là Sz; Khối lượng hàng nâng và cụm Puli móc câu được

quy dẫn có khối lượng là mạ, độ cứng của cáp nâng là §;; Bỏ qua độ cứng bộ máy nâng hạ hàng và không xét tới yếu tố dập tắt dao động trong toàn mô hình động lực học; Hàng được nâng theo phương thăng

đứng từ vị trí treo hoặc tại vị trí mà độ trùng cáp bằng 0

q2

TL

—

Hình 2.4 Mô hình động lực học cơ cấu nâng cẩu trục ba bậc tự do

Các ký hiệu: 0¡- mômen quán tính của Rôto động cơ và khớp nối

trục; m; - khối lượng hàng nâng và cụm puli móc câu; m; - khối

lượng quy dẫn của kết cấu thép; Ä⁄(¿,)- đường đặc tính ngoài của

động cơ; Š¡ - độ cứng quy dẫn của cáp nâng: Šs - độ cứng quy dan

của dâm chính cầu trục; z = 2 - số nhánh cáp cuốn vào tang (tang

kép); i¡ - tý số truyền của hộp giảm tốc; is; - số nhánh cáp theo puli di

động: qua - toạ độ suy rộng của tang

Mô hình động lực học được đặt vào toạ độ suy rộng XOY và q¡,

qo, q3 1A toa độ suy rộng tương ứng với các khối lượng Ô;¡, mạ, mạ

Xo, Yo lA toa độ điểm xuất phat ban đầu của mô hình

2.5.4 Thiết lập phương trình vỉ phân chuyển động

Sử dụng phương trình Lagrange loại II, [7,tr.8]

dt\0q,) dạ, 04g, 94;

Động năng của hệ:

Vì vạ = đ; và va = đ; nên động năng của hệ như sau:

T= 2 đãi + Md +45

Thế năng của hệ:

U=U,+U;

Trong đó:

(2.11) (2.12)

U, - thé nang tích luỹ trong cáp hàng và thế năng vị trí của hàng U; - thế năng tích luỹ trong lò xo S; và thế năng vị trí của kết cấu thép cầu trục

Goi: R= Š

2.4, 1,

Các biên dạng của lò xo xác định như sau:

I, x91

m,

thép cau truc; A>: dé Itin cia 16 xo S; khi chiu trọng lượng của hàng; As: chuyển dịch của khối lượng m;; AI: độ dãn dài của cáp nâng hàng

Trr dA ta cA:

Ũ, = FSi" + 1138493 U, =5: (Ai +Á; +A;} +img4; (2.15)

Thay (2.15) vào biểu thức (2.12), chúng ta có biểu thức xác định thế năng của hệ như sau:

M,§

2

u =u, 40, = 45] 8 vila, +4.—a2) +m,gq,+—S,

Ly)

ar

0g, = Giá

2

HH„§ HS —

2 5 + S, ‘| +, 8q,

(2.16)

oT

0q,

15 Tính các đạo hàm riêng:

oof

dt

"- }z 0G, ~ Mats

m,8 N= — “gi ““+j ;(Ñq, — ta) R

> Nị= = mạgR + ir S\(R°qi - Rq; + Rqa)

09g,> D, — dự 2ä, 2q, 292?

Tương tự ta có:

oU Mm, 2

N, -21 -s| m8 2° 4i »R(Rq, — đ› tá |CD)+m

> No= -iaˆS¡(Rqi - đa + q3)

Biên đôi và rút gọn ta được:

N,= 5) Raa +f +=

Ly

Lực suy rộng:

QO, =M(qg,); Q=0; Q:=0

Phương trình vi phân chuyên động viết dưới dạng ma trận:

Di+ Ni =Qi ;G=1-3)

Sap xép lai dang ma trận chuân như sau:

(2.17)

(2.18)

(2.19)

(2.20)

(2.21)

(2.23)

l6

Ủy

(2.24)

Mg + Sq = F(t) (2.25) Trong đó: M - ma trận khối lượng: S - ma trận độ cứng:

F- Vectơ tải trọng suy rộng Điều kiện biên theo chiều dương hình vẽ:

io = 420 = G30 = 0

Tân số dao động riêng:

det(S - o’M) = 0

1

mo 3S,

Trong đó:

R -l

i; 1

yy

Ta có:

R -] —— 8m,

21

(2.26)

(2.27)

(2.28)

(2.29)

(2.30)

Khai triển định thức theo nguyên tắc Cramer, cuối cùng chúng ta

có phương trình trùng phương ấn là B như sau:

Trong đó:

pe ik S.|; CC —.— -; A=]

Giải phương trình (2.3 l) ta có:

I|RS;, iS, iS, +8 1| RES, 5S, S +5 ° 8 +R”m

(2.32)

Chu kỳ nhỏ nhât của các dao động riêng: T7, =—— (2.33)

, 1

2.6 Ứng dụng phần mềm tính toán để giải

2.6.1 Giới thiệu chung về các phần mm tính toán

Trong phạm vi của luận văn này, chỉ sử dụng hệ chương trình

MATLAB để tính toán tần số riêng, dạng riêng của hệ dao động và tính

toán bài toán động lực học cơ cầu nâng cầu trục của luận văn này Bảng

3-1 liệt kê một số hàm tính toán thường sử dụng của các hệ chương

trình tính toán, [6,tr.180-182]

2.6.2 Chương trình tính toán trong MATLAB

2.6.2.1 Các số liệu phục vụ tính toán

Các số liệu sau đây theo số liệu cầu trục đã chế tạo [3.tr.204]

Trong lugng xe con va bé phan mang vat: G, = 4000kg

Trọng lượng bộ phận mang vật: Q„ = 210kg Trọng lượng cầu và cơ cấu di chuyển cầu: G, = 12300kg

Khẩu độ: L = 14m = 14000mm

Duong kinh tang: d = 400mm

Chế độ làm việc trung bình;

Số nhánh cáp theo puli động: lạ=4

Số nhánh cáp cuốn vào tang: z2 Với các thông số ban đầu ở trên, ta lần lượt tính toán các thông số

cần thiết khác phục vụ cho việc giải bài toán động lực học

Công suất tĩnh khi nâng vật bằng trọng tải xác định theo (2-78)[3 ,tr.48]:

Hiệu suất của cơ cầu bao gồm:

TỊ = T]p.T| Tịs = 0.99.0,96.0,92 = 0,87 (2.34) Trong đó:

Tị, = 0.99 - hiệu suất palăng

Tị.= 0,96 - hiệu suất tang

No = 0,92 - hiệu suất bộ truyền có khớp nối

` @.v, _ 100000.14,5

60.1000.7 60.1000.0,87

Tương ứng với chế độ làm việc trung bình, chọn động cơ điện

MT 51-8 có các đặc tính sau:

Công suất danh nghĩa: Neéc = 22kKW

Số vòng quay danh nghĩa: tạc = 723vg/ph

dn

19

Mômen quán tính của rôto động cơ: Jạ = 4,4 kgm?

Tỷ số truyền từ trục động cơ đến trục tang được xác định theo (3-

15)13.tr.5S]:

Sô vòng quay đê đảm bảo vận tôc nâng cho trước:

ad, 3,14.(0,4+0,0165)

Do đó tỷ số truyền: 723 | 325

Động cơ điện đã chọn có công suất danh nghĩa nhỏ hơn công suất

tĩnh yêu cầu khi làm việc với vật nâng có trọng lượng bằng trọng tải

(Nac = 22kW < N = 27,8kW), do đó phải được kiểm tra về nhiệt Phép

tính kiểm tra động cơ điện về nhiệt trình bày trong tài liệu [3], ở nội

dung của luận văn không đề cập đến

Mômen mở máy của động cơ xác định theo (2-75)[3,tr.47]

My + Minmin — U8 =2,5)M ny 1M ay _ 18M, (2.40)

Mômen danh nghĩa của động cơ:

iC

Mômen phanh được xác định theo công thức (3-14)[3,tr.54|

_k(Q+O,,).d,.N _ 1,75.(100000 + 2100).(0,4 + 0,0165).0,87

„ 2.2, 2.2.32,5 = 498Nm

20 Thời gian mở máy khi nâng vật tạ và thời gian mở máy khi hạ vật tạ được tính toán chi tiệt theo công thức (3-3){3,tr.52] và (3-9){3,tr.54]

Thời gian mở máy khi nâng vật: tạ = 1,09s Thời gian mở máy khi hạ vật: t,=0,185s Thời gian chuyên động với vận tôc ôn định:

Í,= 66.1 = 66.12 =49,5s (2.43)

y 14,5

1

Các thông sô tính toán (xem Bảng 3-2)

Bảng 3-2.Các thông số tính toán bài toán nâng hạ cầu trục

1 Ó, 4.4 kgm? Mômen quán tính của rôto

động cơ

2 m 14000 kg Khôi lượng hàng nâng và

cum puli Khối lượng quy dan két cau

3 ms 12300 kg thép và cơ cầu đi chuyển

4 Si 600 N/m | Độ cứng của cáp nâng

5 S, 3000 N/m Độ cứng quy dân dâm chủ

và dâm đâu

6 1 32,5 Tý số truyền hộp giảm tốc

7 1a 4 Số nhánh cáp theo puli động

8 D 0,4 m Đường kính tang quay

9 ⁄4 2 Số nhánh cáp cuốn vào tang

10 Min 517 Nm | Mômen mở máy

11 Me 500 Nm | Mômen phanh

12 tạ 1,09 S Thời gian nâng hàng

13 th 0,185 S Thời gian hạ hàng