Các cơ cấu phối hợp của máy trục

Chương 5 - CÁC CƠ CẤU PHỐI HỢP CỦA MÁY TRỤC Trong máy trục, ngoài cơ cấu nâng tuỳ theo điều kiện làm việc còn được bố trí một số cơ cấu như cơ cấu di chuyển, cơ cấu quay, cơ cấu thay đổi tầm với, … Những cơ cấu này cũng rất phong phú đa dạng, ta chỉ nghiên cứu một số cơ cấu đặc trưng như: §1. Cơ cấu di chuyển trên đường ray §2. Cơ cấu quay §1. Cơ cấu di chuyển trên đường ray 1. Đường ray 2. Bánh xe 3. Lực cản chuyển động của cơ cấu di chuyển 4. Điều kiện bám 5. Quá trình mở máy và phanh Cơ cấu di chuyển là một bộ phận của máy nâng làm nhiệm vụ dịch chuyển trên mặt phẳng ngang, mặt dốc của cả máy hay một bộ phận máy. Dựa theo kết cấu của đường và bộ phận di chuyển mà người ta phân ra: - Di chuyển bánh kim loại (chủ yếu chạy trên ray đặt trước); - Di chuyển bánh lốp; - Di chuyển bánh xích; - Di chuyển bằng phao nổi; - Di chuyển tự bước. Sự khác biệt về cấu tạo của các cơ cấu di chuyển phụ thuộc vào: - Đường ray di chuyển: di chuyển kiểu treo trên ray (thường là trên hai bánh với dầm định hình chữ I) hoặc di chuyển trên hai đỉnh ray; - Cách truyền lực: bánh xe dẫn động hay cáp kéo; - Cách truyền mômen xoắn lên bánh xe (trực tiếp qua bánh răng hay qua trục truyền); - Kết cấu của hệ thống truyền lực: kín hay hở; - Cách dẫn động: dẫn động chung và dẫn động riêng. 1.1. Đường ray đỡ máy - Là loại đường ray thường đặt trên nền đất đá, trên tường hoặc trên các kết cấu kim loại để cho toàn bộ cơ cấu di chuyển chuyển dịch trên đó. Gồm các tiết diện: - Hình chữ nhật (hình a) - Hình vuông (hình b) - Hình chữ I (hình c, d, e), trong đó hình c là loại I thông dụng; d, e là loại hình chữ I đặc chủng. 1. Đường ray - Loại đường ray này thường được bố trí ở khoảng trống trong không gian nhờ các trụ hoặc treo móc, toàn bộ cơ cấu di chuyển đề được treo phía dưới đường ray. Loại ray này thường có các tiết diện chữ I hoặc chữ T. - Tất cả các loại đường ray dùng trong máy trục đều được tiêu chuẩn hoá. 1.2. Đường ray treo máy Hình 5-3. Các kiểu đặt ray máy trục: b, c, e, f, g- đặt tháo được; a, d- đặt không tháo được. + Cấu tạo: bánh xe dạng trụ, dạng côn, dạng trụ lồi, …được chế tạo bằng thép hoặc gang, vành bánh có thể được bọc vải, … + Phân loại: 2. Bánh xe 2.1. Cấu tạo và phân loại - Theo kết cấu: Loại có gờ; Loại không có gờ. - Theo hình dạng: Loại hình trụ; Loại hình côn. - Theo dạng tiếp xúc: Loại tiếp xúc điểm; Loại tiếp xúc đường. - Theo công dụng: Bánh xe chủ động; Bánh xe bị động. - Theo phương pháp chế tạo: Bánh xe đúc; Bánh xe rèn dập, cán. Bánh xe tiếp xúc với ray theo đường Bánh xe tiếp xúc với ray theo điểm Bánh xe lắp trên cầu cân bằng - Các kích thước của bánh xe được kiểm nghiệm theo ứng suất dập xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa bánh xe và ray: * Đối với loại bánh xe tiếp xúc đường với ray: b, r: chiều rộng bề mặt làm việc và bán kiánh bánh xe; [σd]: ứng suất dập cục bộ cho phép của vật liệu bánh xe; P: tải trọng tính toán bánh xe. 2.2. Đặc điểm tính toán * Tải trọng tính toán bánh xe P: Pmax: tải trọng lớn nhất có thể xuất hiện trên bánh xe trong trường hợp bất lợi nhất; k: hệ số phụ thuộc vật liệu và chế độ làm việc của, MPa; D: đường kính bánh xe, mm; b: chiều rộng làm việc của ray, mm; fo: hệ số của tổng số vòng quay;  : hệ số tính toán đến sự thay đổi của tải trọng; Kb: hệ số tính toán đến chế độ làm việc của cơ cấu; Q: tải trọng nâng thực, N; Go: trọng lượng của máy trục, N 2.3. Hiện tượng gặm nhấm đường ray Đó là hiện tượng ray bị mòn lỗ chỗ không đều do ma sát giữa thành bánh xe và đường ray. Đây là hiện tượng hỏng rất phổ biến của đường ray. Nguyên nhân phát sinh rất phức tạp, nhưng chủ yếu do: - Ray không song song; - Bánh xe không đồng đều vê tốc độ (không đồng tốc); - Kích thước bánh xe không bằng nhau. Nói chung hiện tượng này rất khó khắc phục triệt để, song có thể làm giảm bằng cách chế tạo bánh xe có kết cấu mặt trong của thành bánh lớn hơn chiều rộng ray, hoặc dùng con lăn phụ kẹp lăn mặt trong của đường ray. W = Wt + Wđ 3.1. Lực cản tĩnh Wt + Đối với cơ cấu di chuyển đặt trên hai ray lực cản tĩnh xác định theo hệ thức: 3. Lực cản chuyển động cơ cấu di chuyển Lực cản chuyển động bao gồm lực cản tĩnh và lực cản động: W1: lực cản do ma sát lăn và ma sát ổ trục, N; kt: hệ số kể đến ma sát thành bánh xe với ray, k1 phụ thuộc vào loại bánh xe, loại ổ và tỉ số khoảng cách bánh xe và khoảng cách trục kt = (1,2 ÷ 1,3); W2: lực cản do độ dốc của ray, N; W3: lực cản do gió gây ra, N; Các lực cản W2 và W3 chỉ xuất hiện hoặc máy trục làm việc ngoài trời, lấy dầu + khi W2 và W3 ngược chiều chuyển động, lấy dấu – khi W2 và W3 cùng chiều chuyển động. Wt = kt.W1 ± W2 ± W3 a. Tính lực cản W1 Q: trọng lượng vật nâng, N; Gx: trọng lượng cơ cấu di chuyển (xe lăn hoặc cầu lăn), N; : hệ số ma sát lăn,  phụ thuộc vào đường kính bánh xe và loại ray,  = 0,3 ÷ 1,4mm f: hệ số ma sát trượt trong ổ, phụ thuộc và loại ổ: f = 0,015 ÷ 0,10 d: đường kính ngõng ổ trục lắp ổ, mm; Dbx: đường kính bánh xe, mm. b. Tính lực cản W2 : hệ số ảnh hưởng độ dốc của đường ray,  = 0,001 ÷ 0,002 kk: hệ số cản khí động học, - đối với dàn và các dầm kín kk = 1,6; - đối với buồng lái, đối trọng, dây chằng kk = 1,2; - đối với xe con kk = 1,4; q: áp lực gió tính toán, Pa; Fx: diện tích chịu gió của cơ cấu di chuyển, m2; Fv: diện tích chịu gió của vật nâng, m2. c. Tính lực cản W3 W2 = .(Q + Gx) W3 = kk.q.(Fx + Fv) W1, W2, W3: xem phần trên với chú ý:  Tính toán W1 khi  = 0,3 ÷ 0,5mm, f = 0,03 ÷ 0,07;  Tính toán W2 với  = 0,002;  Xem W3 = 0 nếu máy trục phục vụ trong nhà; W4: lực cản do ma sát thành bánh xe vào ray; W5: lực cản do trượt ngang khi xe bị xiên lệch so với đường ray, được tính trên đoạn ray thẳng và trên đoạn đường cong phân biệt; W6: lực cản do trượt hình học của bánh xe hình côn. 3.2. Đối với cơ cấu di chuyển đặt trên một ray, lực cản tĩnh xác định theo hệ thức: Wt = W1 ± W2 ± W3 + W4 +W5 + W6, N a. Tính lực cản W4 f1 = 0,17: hệ số ma sát khi bánh xe trượt trên đường ray; h: khoảng cách từ điểm tiếp xúc thành bánh xe với ray đến điểm lăn của bánh xe, h = AK, mm; r: bán kính trung bình của bánh xe, h/r = 0,4 ÷ 0,7. : tổng khe hở hai bên thành và đường ray,  = K – b, mm; B: khoảng cách trục giữa hai bánh xe, mm; r: bán kính trung bình của bánh xe, mm. Xe lăn trên dầm chữ I + Trên đoạn ray thẳng: b. Tính lực cản W5 + Trên đoạn ray cong (bán kính R): Trong trường hợp tính toán sơ bộ có thể dùng trị số trung bình cho lực cản chuyển động trên dầm của thép chữ I bằng 4  5% trọng lượng xe lăn và vật nâng. Gd: tổng áp lực lên các bánh xe dẫn khi không có vật nâng, N; f': hệ số bám của bánh xe vào ray; 4. Điều kiện bám Để đảm bảo an toàn phải kiểm tra cho trường hợp mở máy khi cơ cấu không có vật nâng, và thường tính theo hệ số an toàn bằng hệ thức: Xe cũng có khả năng trượt trơn khi phanh, vì vậy cũng phải kiểm tra điều kiện bám nếu khi phanh với thời gian phanh vượt quá những quy định cho phép. Lúc đó dùng hệ thức: 5. Quá trình mở máy và phanh 5.1. Mômen mở máy di chuyển của cơ cấu khi có vật nâng + Thời gian mở máy di chuyển tm Wt: tổng lực cản tĩnh, N Dbx: đường kính bánh xe, mm; i: tỉ số truyền chung của bộ truyền cơ cấu di chuyển (từ trục động cơ đến trục bánh xe dẫn); : hiệu suất của cơ cấu di chuyển (hiệu suất bộ truyền); tm: thời gian mở máy, s; n1: số vòng quay của trục 1 (trục động cơ), r/min. Các ký hiệu khác như đã chú thích ở trên. Mph = – Mt* + M*d1 + M*d2 5.2. Mômen phanh khi có vật nâng - Nếu phanh đặt trên trục 1 thì: - Thời gian phanh tph: - Tính toán tương tự cho trường hợp mở máy và phanh khi không có vật nâng (Q = 0). §2. Cơ cấu quay 1. Một số cơ cấu quay điển hình 2. Xác định mômen cản quay 3. Xác định mômen cản quán tính 4. Một số đặc điểm khác trong tính toán cơ cấu quay 1. Một số cơ cấu quay điển hình 1.1. Cơ cấu cột và dàn cùng quay (cần trục cột quay) Hình thức bố trí này thường được dùng trong cần trục cột quay. Lúc đó ở phía đỉnh cột phải bố trí một ổ đỡ chịu lực ngang, còn ở phía chân cột phải bố trí một ổ đỡ chịu lực ngang và một ổ chặn chịu lực dọc cột. Ổ trên có thể là ổ trượt với tỉ lệ l/d tương đối lớn hoặc ổ bi đỡ lòng cầu hai dẫy. Ổ đỡ và ổ chặn phía dưới nên bố trí gần nhau. Kết cấu ổ trên và ổ dưới của cột Hình thức này thường dùng ở cần trục cột cố định. 1.2. Cơ cấu cột cố định dàn quay (cần trục cột cố định) Cột cố định dàn quay Các phương án bố trí ổ đỡ trên và ổ chặn dưới: - Ổ trượt đỡ + ổ trượt chặn (ổ chặn hình vành khăn); - Ổ trượt đỡ + ổ lăn chặn (ổ lăn lòng cầu hai dãy); - Ổ lăn đỡ + ổ lăn chặn (ổ lăn lòng cầu hai dãy). Ở chân cột vì có đường kính khá lớn nên thường dùng con lăn tựa quay như một trong hai phương án sau: Dùng bốn con lăn tựa A - B Dùng nhiều con lăn tựa + Khi phần lớn các chi tiết máy trục (trừ cần nâng và vật nâng) được bố trí tập trung sao cho trọng tâm của chúng ở vị trí thấp nhất và ổn định, cách trục không xa có thể dùng hình thức bàn quay hay mâm quay hoặc vòng quay, ví dụ như cần trục cảng, xe cần cẩu, … 1.3. Bàn quay (hay mâm quay, vòng quay) Cột cố định dàn quay + Ổ tựa quay lúc đó có dạng bàn quay hay vòng tựa quay như sau: Dẫn động bằng tay Dẫn động bằng điện (1 ĐC) Dẫn động bằng điện (2 ĐC) Dẫn động bằng thuỷ lực 2. Xác định mômen cản quay tĩnh Mq = M1 ± M2 ± M3 M1: mômen cản quay do ma sát trong hệ thống tựa quay, N.m; M2: mômen cản quay do độ nghiêng của mặt nền, N.m; M3: mômen cản quay của gió, N.m. M2 và M3 có dấu (+) khi ngược chiều quay, dấu (–) khi cùng chiều quay và thường xuất hiện khi cơ cấu làm việc ngoài trời. Đối với trục chính, mômen tĩnh cản quay được xác định theo hệ thức: 2.1. Tính M1 a. Với cần trục cột và dàn cùng quay: với V = Q + G và - các phản lực ngang và phản lực đứng, N; Q, G: lần lượt là trọng lượng vật nâng và trọng lượng toàn bộ cơ cấu quay; f1, f2 lần lượt là hệ số ma sát trong ổ trục tựa trên và dưới; MV là mômen ma sát tại ổ chặn dưới do phản lực V gây ra; d1, d2 lần lượt là đường kính lắp ổ trục tựa trên và dưới. b. Với cần trục cột cố định dàn quay: với V = Q + G + Gd và Gd, b: trọng lượng đối trọng và cánh tay đòn của đối trọng với tâm quay. MHD: mômen ma sát ổ dưới do lực ngang H2 = H1, mômen này phụ thuộc vào kết cấu của ổ đỡ. MV: mômen ma sát tại ổ chặn trên do phản lực V gây ra.  Tính mômen MHD: - Ổ trượt hoặc ổ bi tiêu chuẩn: - Loại tựa bằng bốn con lăn: - Loại tựa bằng nhiều con lăn: : hệ số ma sát lăn của con lăn trên mặt trụ của cột, m; dc: đường kính trục đặt con lăn, m; Dc: đường kính của cột tại chỗ tiếp xúc với con lăn, m; D1: đường kính mặt lăn của con lăn, m; 0o ≤ x ≤ 90º.  Tính mômen MV: - Ổ lăn: - Ổ trượt gót bằng: - Ổ trượt gót vành khăn: f3: hệ số ma sát trong ổ chặn; d3: đường kính lắp ổ chặn; dtb: đường kính trung bình ổ chặn hình vành khăn. 2.2. Tính M2 M2 = (Q.L + Gc.lc + Gq.lq).sinα Gc: trọng lượng cần và các bộ phận khác trên nó; Gq: trọng lượng phần quay (không kể trọng lượng cần); lc, lq: khoảng cách từ trọng tâm cần và trọng tâm phần quay đến trục quay; : góc nghiêng của cần trục (phụ thuộc vào mặt nền hoặc góc nghiêng lớn nhất cho phép khi thiết kế); 2.3. Tính M3 M3 = q.(Fv.L + F1.a1 – F2.a2) Q: áp lực gió tính toán; Fv: diện tích chịu gió của vật nâng; F1: diện tích chịu gió của cần và các thiết bị trên xe; F2: diện tích chịu gió của phần quay; L: tầm với của cần (kể từ tâm quay đến móc); a1; a2: khoảng cách từ trục quay đến điểm đặt lực F1, F2; 4. Một số đặc điểm khác trong quá trình tính toán cơ cấu quay 4.1. Quá trình mở máy và phanh a. Quá trính mở máy Tính toán tương tự như cơ cấu nâng và cơ cấu di chuyển - Mômen mở máy: - Thời gian mở máy: b. Quá trính phanh - Mômen phanh: - Thời gian phanh: 4.2. Chọn động cơ điện và phanh a. Động cơ điện Động cơ điện được chọn theo công suất tĩnh khi chuyển động ổn định. Và theo cường độ làm việc CĐ% của cơ cấu. Thường phải chọn động cơ điện với cường độ làm việc tương ứng có công suất danh nghĩa lớn hơn công suất tĩnh yêu cầu 3 ÷ 4 lần, vì nó phải đảm bảo cho góc quay khởi động không quá lớn. Mq: tổng mômen cản quay tĩnh khi chuyển động ổn định, N.m; Thành phần M2 và M3 nếu có phải lấy dấu (+). nq: tốc độ quay của cần trục, r/min; q: hiệu suất của toàn bộ cơ cấu. b. Phanh + Phanh có thể đặt ở trục thứ nhất hoặc một trục bất kỳ nào khác của cơ cấu, có thể đặt trước hoặc sau trục đặt khớp an toàn. + Mômen phanh có thể tính theo công thức: kph = 1,1: hệ số tính đến quán tính rôto động cơ điện và các chi tiết máy quay khác trong cơ cấu; iph: tỉ số truyền từ trục đặt phanh đến trục quay của cần trục; ηq: hiệu suất của cơ cấu quay. Mqt: xuất phát từ thời gian phanh tph.