Các thiết bị dừng và điều chỉnh vận tốc

Chương 4- CÁC THIẾT BỊ DỪNG VÀ ĐIỀU CHỈNH VẬN TỐC §4-1. Thiết bị giữ vật treo §4-2. Thiết bị phanh hãm §4-3. Thiết bị liên hợp dừng và hãm phanh Điều kiện làm việc của cơ cấu nâng đòi hỏi phải có thiết bị giữ vật treo cũng như điều chỉnh vận tốc nâng hạ một cách thích hợp. Các cơ cấu khác như cơ cấu di chuyển, cơ cấu quay, cơ cấu thay đổi tầm với cũng đòi hỏi thiết bị dừng và pham hãm. + Thiết bị dừng là một cơ cấu dùng để giữ vật nâng ở trạng thái treo. Nó chỉ cho phép trục của cơ cấu quay theo chiều nâng vật. Thiết bị dừng không phát sinh năng lượng để dừng mà nó hãm chuyển động theo nguyên lý làm việc. Các thiết bị này thường dùng phổ biến các loại cơ cấu như các loại khoá dừng, bánh cóc… + Phanh là thiết bị dùng để dừng hẳn chuyển động hoặc hạn chế tốc độ của cơ cấu. Khác với thiết bị dừng, phanh phải phát sinh ra năng lượng để khắc phục động năng của máy hoặc giữ vật ở độ cao nào đấy. §4-1. THIẾT BỊ GIỮ VẬT TREO 1. Khoá dừng ma sát 2. Khoá dừng con lăn 3. Cơ cấu bánh cóc 1. Khoá dừng ma sát + Cấu tạo: Hình 4-1. Khoá dừng ma sát. + Nguyên lý làm việc: + Tính toán: - lực vòng trên bánh 1 - Để giữ bánh 1 đứng yên: lực ma sát cân bằng với lực vòng + Nhận xét: Thông thường hệ số ma sát f ≤ 0,1 nên góc α khá nhỏ. Như vậy điểm tiếp xúc A rất gần đường nối tâm OO1. Khi cơ cấu bị mòn hoặc biến dạng, cam rất dễ bị lật sang bên kia đường OO1. Do đó cơ cấu khoá ma sát làm việc không an toàn và ít được dùng trong thực tế. 2. Khoá dừng con lăn + Cấu tạo: + Nguyên lý làm việc: Thiết bị này chỉ cho phép quay một chiều và thường được áp dụng trong cơ cấu nâng hạ cần của cần trục hoặc cần của máy xúc nhằm hạn chế tốc độ quay của tời nâng hạ cần và giữ cho cần không bị rơi tự do khi có sự cố. 1. Vành tang; 2. Trục quay; 3. Con lăn; 4. Trục ép; 5. Lò xo ép. + Tính toán: - Tiếp tuyến của hai bề mặt tiếp xúc trên con lăn với vành tang và con lăn với đĩa tạo nên góc α. - Áp lực N tác dụng lên con lăn được xác định theo công thức: - Nghiệm bền vành tang 1 và trục quay 2: - Chiều dài con lăn lấy theo quan hệ: Ứng suất dập vành tang 1 tại chỗ tiếp xúc với con lăn: Ứng suất dập trục quay 2 tại chỗ tiếp xúc với con lăn: 3. Cơ cấu bánh cóc + Cấu tạo: Hình 4-3. Cơ cấu bánh cóc. + Nguyên lý làm việc: + Tính toán: Vị trí tương đối của trục bánh cóc (tâm O1), vị trí tâm quay con cóc O2 và chiều dài con cóc O2A để có góc O1AO2 = 90o. Khi đó lực tác dụng lên bánh cóc và con cóc là nhỏ nhất và bằng lực vòng P. Lực vòng P trên răng bánh cóc Để con cóc ăn khớp được vào răng bánh cóc thì phải đảm bảo điều kiện: T  N.f  P.sin  P.cos hay: tg  f tức là    Răng cóc được kiểm tra sức bền cạnh răng theo điều kiện: Nếu số răng bánh cóc Z chưa biết mà D biết thì: - môđun răng bánh cóc, mm Trục con cóc phải kiểm tra theo sức bền uốn: b = .m là chiều rộng răng bánh cóc; a = 1,5.m là chiều rộng chân răng bánh cóc; h = m là chiều cao răng cóc. + Nhận xét: Cơ cấu bánh cóc có khuyết điểm lớn là dễ gây va đập phát tiếng ồn. Để khắc phục nhược điểm này người ta đã đưa vào sử dụng cơ cấu bánh cóc giảm tiếng ồn. Khi bánh cóc vừa mới bắt đầu quay theo chiều hạ vật vòng đàn hồi sẽ kéo con cóc về vị trí làm việc, con cóc tì vào bánh răng cóc và dừng cơ cấu lại. Để tăng thêm độ tin cậy cho cơ cấu, có thể bố trí hai con cóc sao cho các con cóc không tì đồng thời vào bánh răng cóc mà lệch đi khoảng 1/3 bước răng. §4-2. THIẾT BỊ PHANH HÃM 2. Phanh một má 3. Phanh hai má 6. Phanh ly tâm điều chỉnh tốc độ 4. Phanh đai 5. Phanh áp trục 1. Công dụng và phân loại 1. Công dụng và phân loại 1. 1. Công dụng Trong máy trục, phanh không những được dùng để giữ vật treo, điều chỉnh vận tốc hạ mà còn được sử dụng phổ biến ở những cơ cấu khác như cơ cấu di chuyển, cơ cấu quay, cơ cấu thay đổi tầm với. Cần chú ý rằng có những loại phanh chỉ điều chỉnh được vận tốc mà không giữ được vật treo. 1.2. Phân loại Dựa theo kết cấu của phần tử tiếp xúc, phanh được chia thành: + Phanh má (một má và hai má); + Phanh đai; + Phanh côn hoặc phanh đĩa. Dựa theo công dụng chia thành: + Phanh dừng; + Phanh thả. Dựa theo nguyên lý tác dụng chia phanh thành: + Kiểu hở (thường mở); + Kiểu kín (thường đóng). Dựa theo phương pháp thao tác: + Phanh tay (chân); + Phanh điện; + Phanh điện từ; + Phanh thuỷ lực. 2.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc + Sơ đồ cấu tạo + Nguyên lý hoạt động - Phanh luôn ở trạng thái đóng: - Quá trình mở phanh: 2. Phanh một má Hình 4-5. Phanh một má. - Để tăng hệ số ma sát f giữa má phanh và bánh phanh, trên bề mặt phanh người ta tráng một lớp amiăng (hoặc lót cao su). - Đĩa phanh thường được chế tạo bằng thép 45Л, thép 55H hoặc bằng gang xám CЧ15-32 - Má phanh thường được chế tạo bằng gang, gỗ hoặc thép. - Phương trình cân bằng mômen tại O là: KI.L – N.a – P.c = 0 * Khi Mph cùng chiều kim đồng hồ - Tương tự ta có: Qua () và () ta nhận thấy: - Lực phanh phụ thuộc vào trị số và chiều của Mph () ( ) * Biện pháp 1: Đưa tâm quay O về O’ 2.3. Biện pháp khắc phục Hình 4-6 - Khi Mph ngược chiều kim đồng hồ: * Biện pháp 2: Má phanh và càng phanh được ghép bản lề với nhau. Làm như vậy má phanh tiếp xúc tốt bánh phanh kể cả khi đảo chiều. Hình 4-7a - Khi Mph cùng chiều kim đồng hồ: Hình 4-7b Ta có:  Kết luận + Phanh một má đơn giản dễ chế tạo, dễ sử dụng; + Gây ra lực hướng tâm bánh phanh lớn, dễ làm cong trục và phá vỡ ổ trục bánh phanh; + Sử dụng với tải nâng nhỏ; + Khắc phục: chế tạo phanh hai má (thực chất ghép hai phanh một má lại).  Kiểm tra áp suất cho phép trên bề mặt tiếp xúc: N là áp lực pháp tuyến b là chiều rộng của má phanh Hình 4-8 a. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc 3.1. Phanh hai má hành trình dài 3. Phanh hai má + Sơ đồ cấu tạo Hình 4-9 1. Càng phanh; 2. Bánh phanh; 3. Thanh nối; 4. Đòn tam giác; 5. Thanh kéo (đẩy); 6. Tay phanh; 7. Đối trọng; 8. Lõi sắt từ; 9. Hạn chế hành trình 10. Má phanh; 11. Đai ốc đièu chỉnh + Nguyên lý làm việc Nửa hành trình đầu Nửa hành trình sau Hình 4-10. Nguyên lý làm việc + Đây là loại phanh thường đóng. + Đóng phanh nhờ đối trọng. + Mở phanh nhờ nam châm điện từ. Hình 4-11. Sơ đồ tính toán phanh 2 má hành trình dài b. Tính toán lực phanh () - Phanh hai má khắc phục hiện tượng cong trục; - Kết cấu khá rườm rà, độ nhạy kém; - Sử dụng với tải nâng trung bình; - Ít được sử dụng. d. Kết luận Để khắc phục nhược điểm trên, có thể giải quyết theo ba hướng như sau: + Một là không dùng đối trọng ép phanh mà dùng lò xo ép phanh; + Hai là không dùng điện từ mở phanh mà dùng thuỷ lực mở phanh; + Ba là giảm bớt hành trình của lõi sắt từ bằng cách dùng phanh hai má hành trình ngắn; 1. Bánh phanh; 2. Má phanh; 3. Càng phanh; 4. Thanh kéo (đẩy); 5. Đòn tam giác; 6. Lò xo nén; 7. Con đẩy thuỷ lực; 8. Hạn chế hành trình; 9. Đai ốc; Hình 4-12. Phanh hai má hành trình dài lò xo ép phanh thuỷ lực mở phanh. 1. Bánh phanh; 2. Má phanh; 3, 4. Càng phanh; 5. Đòn tam giác; 6. Lò xo ép; 7. Thanh kéo (đẩy); 8. Hạn chế hành trình; 9.Thanh liên kết; 10. Đai ốc điều chỉnh; 11. Con đẩy thuỷ lực; Hình 4-13. Phanh hai má hành trình dài lò xo ép phanh. 1. Động cơ điện; 2. Bơm ly tâm; 3. Pit tông; 4. Xy lanh; 5. Cần đẩy; 6. Vỏ. Con đẩy thuỷ lực có độ tin cậy cao, dễ sử dụng song đòi hỏi chế tạo chính xác, phớt chắn dầu tốt nhằm đảm bảo độ kín khít để không bị chảy dầu. Độ lệch cho phép của cần đẩy xo với phương thẳng đứng khi làm việc không quá 15o. Hình 4-14. Phanh hai má hành trình ngắn a. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc 3.2. Phanh hai má hành trình ngắn + Sơ đồ cấu tạo 1. Bánh phanh; 2. Càng phanh; 3. Đai ốc; 4. Lò xo phụ; 5. Lò xo chính; 6. Ống kẹp; 7. Thanh đẩy; 8. Đai ốc điều chỉnh; 9. Cuộn dây điện từ; 10. Lõi sắt từ; 11. Hạn chế hành trình; + Nguyên lý làm việc Nửa hành trình đầu Nửa hành trình sau Hình 4-15. Nguyên lý làm việc + Đây là loại phanh thường đóng. + Đóng phanh nhờ lực đàn hồi của lò xo chính. + Mở phanh nhờ nam châm điện từ. b. Tính toán lực phanh Hình 4-16. Sơ đồ tính toán phanh hai má hành trình ngắn - Ngoài ra khi tính toán phanh má còn phải quan tâm đến các thông số khác như: + Áp suất tiếp xúc cho phép p ≤ [p] + Cường độ mòn cho phép: pv ≤ [pv] + Nhiệt độ lớn nhất sinh ra trên bề mặt tiếp xúc: t ≤ [t] + Hệ số ma sát trên bề mặt tiếp xúc: f ≥ [f] + Chiều rộng má phanh B và đường kính bánh phanh D: Bảng 4-2. Quan hệ kích thước đường kính D và chiều rộng đai phanh B với Mph Bảng 4-1. Trị số [p] v à [p.v] với các phanh hai má - Phanh hai má khắc phục hiện tượng cong trục; - Kết cấu khá đơn giản, nhỏ gọn; - Dễ sử dụng, bảo dưỡng và xửa chữa; - Trọng lượng và quán tính nhỏ; - Sử dụng với mọi tải nâng; - Hiệu suất cao, đóng mở tương đối nhanh nhậy; - Được sử dụng phổ biến trong máy trục hiện nay. c. Kết luận chung về phanh hai má Hình 4-18. Sơ đồ tính toán phanh đai đơn giản. 4.1. Phanh đai đơn giản Hình 4-19. Sơ đồ tính toán phanh đai vi sai. 4.2. Phanh đai vi sai Hình 4-20. Sơ đồ tính toán phanh đai tổng hợp. 4.3. Phanh đai tổng hợp - Đai được kiểm tra theo: + Kiểm tra áp suất của đai lên bánh phanh + Chiều dày đai tính theo sức bền kéo + Ứng suất dập thân đinh và lỗ đai phanh tại các nhánh 5. Phanh áp trục 5.1. Phanh nón Hình 4-22. Sơ đồ tính phanh nón. 5.2. Phanh đĩa Hình 4-23. Cấu tạo phanh đĩa. Phanh một đĩa Phanh nhiều đĩa 5.3. Phanh ly tâm Hình 4-24. Cấu tạo phanh ly tâm má. a. Phanh ly tâm má Hình 4-25. Cấu tạo phanh ly tâm đĩa. b. Phanh ly tâm má 1. Cơ cấu phanh tự điều chỉnh có mặt ma sát không tách rời kiểu trục vít mang tải §4-3. THIẾT BỊ LIÊN HỢP DỪNG VÀ HÃM PHANH 3. Tay quay an toàn 2. Cơ cấu phanh tự điều chỉnh có mặt ma sát tách rời kiểu vít me mang tải 1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc + Sơ đồ cấu tạo Hình vẽ 4-26 + Nguyên lý hoạt động - Quá trình nâng: - Quá trình giữ vật treo: - Quá trình hạ: 1. Cơ cấu phanh tự điều chỉnh có mặt ma sát không tách rời kiểu trục vít mang tải 1.2. Tính toán lực phanh + Cho trước các đại lượng: Q, D0, ηp, a, itv, ηtv + Lực phanh A chính là lực dọc trục của trục vít, có giá trị bằng lực vòng P của bánh vít: với + Mômen phanh tính toán theo quan hệ: với k = 1,2 ÷ 1,3 Mph = k.Mtv + Từ công thức tính lực phanh A: + Lực phanh A tỉ lệ thuận với trọng lượng vật nâng. Đó chính là tính chất tự điều chỉnh của phanh; + Chiều của lực phanh A khi nâng vật và khi hạ vật không thay đổi, vì thế mặt côn phanh luôn áp sát vào nhau không tách rời; + Phải tiêu hao năng lượng khi hạ vật để khắc phục mômen dư: Mh = Mph – Mtv = Mtv.(k–1) Nhận xét: : góc côn, thông thường  ≥ 30o; f: hệ số ma sát; D: đường kính trung bình mặt côn; dtb: đường kính trung bình ren trục vít; λ: góc nâng ren vít (o); ρ: góc ma sát tương đương ren vít (o); k: hệ số an toàn; B: chiều rộng mặt côn; [p]: áp suất cho phép; 2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc + Sơ đồ cấu tạo Hình vẽ 4-27 + Nguyên lý hoạt động - Quá trình nâng: - Quá trình giữ vật treo: - Quá trình hạ: 2. Cơ cấu phanh tự điều chỉnh có mặt ma sát tách rời kiểu trục vít mang tải Hình 4-27. Sơ đồ nguyên lý phanh kiểu trục vít mang tải 2.2. Tính toán lực phanh + Số đầu mối ren trục vít me là z = 2 ÷ 4 + Bán kính trong của đĩa ma sát Rt chọn theo yêu cầu kết cấu, bán kính ngoài Rn = (1,2 ÷ 1,6)Rt + Lực ép theo chiều trục khi phanh: M: mômen do vật nâng gây ra trên trục phanh; r: bán kính trung bình của ren; : góc nâng của ren, thường lấy  = (15 ÷ 20)o; ρ: góc ma sát trong ren, khi làm việc có dầu ρ = (2 ÷ 3)o; f: hệ số ma sát giữa các đĩa; a: bội suất của palăng; i: tỉ số truyền của cơ cấu; η: hiệu suất của cơ cấu; Rtb: bán kính trung bình của đĩa ma sát, nếu bán kính trung bình ở các đĩa ma sát khác nhau thì lấy Rtb2. + Mômen phanh có thể tạo ra được: Mph = f.A.Rtb + Phanh giữ được vật an toàn nếu đảm bảo điều kiện: f1.Rrb1 + f2.Rrb2 ≥ [r.tg(α + ρ) + f1.Rrb1].η2 f1, f2: hệ số ma sát trên các mặt ma sát tương ứng với các bán kính Rtb1 và Rtb2; η: hiệu suất phần cơ cấu từ động cơ đến phanh. + Điều kiện dừng được vật đang hạ là: k: hệ số an toàn phanh trong cơ cấu, k = 1,2 ÷ 1,3.  Kiểm nghiệm điều kiện áp suất trên bề mặt ren:  Kiểm nghiệm điều kiện áp suât trên bề mặt ma sát: d0, d1: đường kính ngoài và đường kính trong của ren; [p]: áp suất trên bề mặt tiếp xúc; [pr]: áp suất cho phép trên bề mặt ren; với vít bằng thép, đai ốc bằng gang lấy [pr] = 5MPa với vít bằng thép, đai ốc bằng đồng thanh lấy [pr] = 8MPa n: số vòng ren trong đai ốc. + Lực phanh A tỉ lệ thuận với trọng lượng vật nâng. Đó chính là tính chất tự điều chỉnh của phanh; + Không phải tiêu hao năng lượng để khắc phục mômen dư khi hạ vật; + Bề mặt ma sát có thể lấy lớn hơn; + Được sử dụng ở các cơ cấu nâng trung bình và lớn; + Khi phanh, đó là một quá trình động nên khá nguy hiểm, nó phụ thuộc khoảng cách e nên thường lấy e khá nhỏ. Nhận xét 3. Tay quay an toàn Loại tay quay vừa truyền được mômen xoắn vừa khống chế được vị trí góc quay của trục (tức là vị trí của vật nâng) khi cắt bỏ lực tác động trên tay quay được gọi là tay quay an toàn. Hình 4-27. Tay quay an toàn tự trọng hạ vật kiểu không tách rời. - Kiểu phanh này có ưu điểm là phạm vi điều chỉnh tốc độ khá lớn khi hạ vật mà không phải quay tay quay. - Nhược điểm chính của nó là độ tin cậy không cao vì lò xo bị yếu hoặc dễ gẫy đột ngột.