Bài giảng Tính toán cơ cấu nâng

Phần 3 : tính toán cơ cấu nâng Giới thiệu cơ cấu nâng. Cơ cấu nâng dùng để nâng hạ vật theo phương theo phương thẳng đứng. Ngoại lực là trọng lực và lực quán tính tác dụng lên vật nâng. Cơ cấu nâng có thể là một bộ phận của máy hoặc là một máy làm việc độc lập. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cơ cấu nâng. 3 2 1 4 5 6 Động cơ điện (1) được nối với hộp giảm tốc (4) qua khớp (3) có nửa khớp làm bánh phanh. Hộp giảm tốc (4) được nối với tang (5) được đỡ trên ổ đỡ (6) khi động cơ quay nó sẽ truyền momen xoắn sang hộp giảm tốc thông qua khớp (3). Hộp giảm tố sẽ truyền mo men xoắn cho tang thông qua khớp răng và tang sẽ thực hiện công việc nâng hạ hàng. Các thông số cơ bản Sức nâng: Q=12 (T) Tốc độ nâng: vn=14.6 (m/ph) Chiều cao nâng: H=10.5 (m) Chọn móc Với sức nâng Q = 12(T) ta chọn giá móc theo bảng III-17 sách TTMNC có các thông số sau: Số ròng rọc 2 Loại móc KO Khối lượng móc Gm = 272 (Kg) Tính chọn cáp Xác định lực căng cáp lớn nhất ở mỗi loại pa lăng dù thuận hay nghịch đều có kết cấu là pa lăng đơn hoặc kép. Pa lăng đơn là pa lăng có một nhánh cáp cuốn vào tang còn pa lăng kép thì có hai nhánh cáp cuốn vào tang. Với cổng trục dùng xe con nâng hàng ta sử dụng hệ thống pa lăng kép vì: Với pa lăng kép thì áp lực lên gối đỡ trục tang gần như không thay đổi và hàng được nâng lên theo phương thẳng đứng. Theo bảng (2-6) sách TTMT với pa lăng kép và sức nâng Q =12(T) ta chọn a = 2 ( suất pa lăng). Ta có pa lăng gồm hai ròng rọc di động và 1 ròng rọc không di chuyển làm nhiệm vụ cân bằng như sau: Smax Smax a = 2 Q Lực căng lớn nhất suất hiện ở nhánh cáp cuốn lên tang khi nâng được xác định theo công thức (2-19) sách TTMT Trong đó: Q =12(T) sức nâng của cổng trục l = 0.98 hiệu suất của 1 ròng rọc với đIều kiện ròng rọc đặt trên ổ lăn, bôi trơn tốt bằng mỡ( theo bảng 2-5 TTMT) t = 0 vì dây trực tiếp cuốn lên tang không qua ròng rọc đổi hướng Tỷ số truyền của pa lăng với số nhánh cáp treo hàng m =2 Hiệu suất của pa lăng xác định theo công thức (2-21) sách TTMT 3.2 Chọn cáp Cáp được tính chọn theo lực kéo đứt. Dựa vào công thức (2-10) sách TTMT ta có: Sđ = Smax.k Trong đó: K: là hệ số an toàn, theo bảng (2-2) sách TTMT với chế độ làm việc trung bình k =5.5 Sđ = 30303.03.5.5 = 166666.6 (N) Theo bảng III-2 sách TTMNC ta chọn loại dây cáp ЛK-0 có cấu tạo 6x19(1+9+9)+1 lõi theo GOCT 3077-69 có: Đường kính cáp dc = 19.5(mm) Giới hạn bền của sợi σb = 1600 (N/mm2) Lực kéo đứt cho phép σđ=18950 (N) Tính các kích thước cơ bản của tang và ròng rọc Đường kính nhỏ nhất cho phép đối với tang và ròng rọc được xác định theo công thức (2-12) sách TTMT Dt ³ dc(e-1) Trong đó: e: Hệ số đường kính tang, theo bảng (2-4) TTMT với chế độ làm việc trung bình e = 25 Dt ³ 19.5(24-1) =468 (mm) Chọn đường kính tang D = 510 mm Ta chọn đường kính tang và ròng rọc giống nhau: Dt = Dr = 510 (mm) Ròng rọc cân bằng không phảI là ròng rọc làm việc, có thể chọn đường kính nhỏ hơn 20% so với ròng rọc làm việc. Dcb = Dr .0.8 = 510.0.8 = 408 (mm) Chiều dài toàn bộ tang được xác định theo công thức 2-14 sách TTMT với pa lăng kép L = Lo + 2L1+2L2+L3 Trong đó: Lo: Là chiều dài phần cắt ren L1: Là chiều dài phần tang để cặp đầu cáp L2: Là chiều dài phần tang để làm thành bên L3: Là chiều dài phần giữa tang không cắt rãnh L2 L1 L0/2 L3 L0/2 L1 L2 L Ta có chiều dài một nhánh cáp cuốn lên tang khi làm việc với chiều cao nâng là: H = 10.5 m được tính theo công thức sau: l = H.a = 10.5.2 = 21 m Số vòng cáp phải cuốn ở một nhánh cáp: Z’ ³ 1.5: là số vòng dự trự không dùng đến, chọn Z’ = 2 Ta chọn Z = 15 vòng Lo = 2.Z.t t là bước cáp t = 20mm Lo = 2.15.20 = 600 mm Chiều dài phần tang để cặp đầu cáp là: L1= 3.t = 3.20 =60 mm Theo kinh nghiệm ta có: L2=20mm Chiều dài phần giữa tang không cẳt rãnh là: L3= L4-2hmin.tga Trong đó: hmin =800 mm là khoảng cách nhỏ nhất có thể có giữa trục tang và trục ròng rọc ở ổ treo móc. tga = 0,07 với a là góc cho phép khi dây chạy trên tang bị lệch so với hướng thẳng đứng L4 = 500 mm là khoảng cách giữa 2 ròng rọc ở ổ treo móc L3 = 500- 2.800.0,07 =3,88 mm Vậy chiều dài toàn bộ tang là: L= 600 + 2.60 + 2.20 + 388 =1148 mm \ Bề dầy thành tang được xác định theo công thức kinh nghiệm: d = 0,02Dt + (6 ữ 10) = 0,02.510 +6 = 16,2 mm \ Kiểm tra sức bền tang Dưới tác dụng của lực căng cáp thì bề mặt thành tang chịu áp lực phân bố đều như sau: P P S d D0 S Như vậy do tác dụng của lực căng cáp tang trống được tính như 1 ống mỏng chịu ứng suất nén là chủ yếu. Sự phân bố ứng suất nén trên thành tang được biểu diễn như ở hình b và sức bền nén của tang được tính theo công thức 2-15 sách TTMT Trong đó: K=1 là hệ số phụ thuộc vào lớp cáp cuốn trên tang j = 0,8 là hệ số giảm ứng suất đối với tang bằng gang Tang được đúc bằng gang CЧ 15- 32 là loại vật liệu thông thường phổ biến nhất, có giới hạn bền nén là: sbn = 565 N/mm2 ứng suất cho phép xác định theo giới hạn bền nén với hệ số an toàn k=5 là Vậy sn = 74,82 N/mm2 < [s] 5.Cặp đầu cáp trên tang Ta sẽ dùng kiểu cặp đầu cáp trên tang thông thường ở mỗi đầu cáp dùng 3 tấm cặp tương ứng với đường kính dây cáp là: dc = 19,5 mm bước cắt rãnh: t = 20 mm, vít cấy M20 Đối với cặp cáp lực tính toán được tính theo công thức 2-16 sách TTMT l0 d1 Trong đó: f = 0,14 là hệ số ma sát giữa mặt tang với cáp a = 4P là góc ôm của các vòng cáp dự trữ trên tang( zo = 2) ị Lực kéo các vít cấy Lực uốn các vít cấy là: Po = P.f =18872. 0,14 = 2642,08 N ứng suất tổng xuất hiện trong thân vít cấy được tính theo công thức (2-17 ) sách TTMT Trong đó: d1 = 16,75 mm là đường kính trong của vít cấy lo = 26,5 mm là tay đòn đặt lực Po ị Vậy các vít này có thể làm được bằng thép CT3 có ứng suất cho phép [s] = 75 ữ 85 N/ mm2 6. Trục tang Tang được lắp trên trục và ổ như hình vẽ sau: Vì sử dụng pa lăng kép nên vị trí của hợp lực căng dây trên tang sẽ không thay đổi và nằm ở giữa tang. Trị số của hợp lực này là: R = 2Smax = 2.30303,03 = 60606,06 N Sơ đồ tính trục tang như sau: Tải trọng lên may ơ trái( điểm D) là: Tải trọng lên may ơ phải( điểm C) là: RC = R – RD = 60606,06 – 27772,5 = 32833,56 N Xác định phản lực tại gối đỡ A và B ồMA = 0 1273RB – 200RD – 1158RC = 0 ị RB = 34230,76 N ồY = 0 RA + RB = RD + RC RA = 27772,5 +v 32833,56 – 34230,76 =26375,3 N Mô men uốn tại D là: MD = RA.200 = 26375,3.200 = 5275060 Nmm Mô men uốn tại C là: MC = RB.115 = 34230,76.115 = 3936537,4 Nmm Vật liệu chế tạo trục tang dùng thép 45 có giới hạn bền là: sb = 610 N/mm2 giới hạn mỏi s-1 = 250 N/mm2 Trục tang không truyền mô men xoắn chỉ chịu uốn đồng thời trục quay cùng với tang khi làm việc nên nó sẽ chịu ứng suất theo chu kỳ đối xứng. ứng suất cho phép với chu kỳ đối xứng trong phép tính sơ bộ có thể tính theo công thức sau: [ n] =1,6 là hệ số an toàn cho phép bảng 1-8 k’ = 2 là hệ số tính đến tập trung ứng suất ảnh hưởng đến sức bền mỏi của chi tiết (bảng 1-5 sách TTMT) ị Tại điểm D trục phải có đường kính Chọn d =95 mm Sơ bộ chọn kết cấu trục có kích thước như sau: Trục cần được kiểm tra tại các tiết diện có khả năng có ứng suất tập trung lớn nhất như: I- I và II- II Tại tiết diện I- I có: \ ứng suất lớn nhất là: \ Số giờ làm việc tổng cộng là: T = 24. 365. A. kn. kng Trong đó: A = 15 năm là tuổi bền tính toán kn là hệ số sử dụng trong năm, theo bảng 1-1 sách TTMT với chế độ làm việc trung bình lấy: kn = 0,5 kng là hệ số sử dụng trong ngày, theo bảng 1-1 sách TTMT với chế độ làm việc trung bình lấy: kn = 0,67 T = 24. 365. 0,5. 0,67 = 44019 h \Số chu kỳ làm việc tổng cộng là: Zo = 60. 17,56. 0,25. 44019 = 11594604,6 Tổng số chu kỳ làm việc phân bố ra số chu kỳ làm việc Z1, Z2, Z3 tương ứng với các tải trọng: Q1 = Q, Q2 = 0,75Q, Q3 = 0,2Q tỷ lệ 2: 5: 3 Z1 = 2/10. Zo = 0,2. 11594604,6 = 2318920,92 Z2 = 5/10. Zo = 0,5. 11594604,6 = 5797302,3 Z3 = 3/10. Zo = 0,3. 11594604,6 = 3478318,38 Số chu kỳ làm việc tương đương là: Ztđ = 18. Z1 + 0,758Z2 + 0,28Z3 =2318920,92 + 0,758.5797302,3 + 0,28. 3478318,38 = 2899314,665 \ Hệ số chế độ làm việc: \ Giới hạn mỏi tính toán là: s-1 = s-1’. kc = 250. 1,167 = 291,75 N/mm2 \ Hệ số an toàn được tính theo công thức sau: Trong đó: b =0,9 là hệ số chất lượng bề mặt( bề mặt gia công tinh) ọs =0,7 là hệ số kích thước( bảng tính chi tiết máy) ks = 1 là hệ số tập trung ứng suất( đối với trục trơn) sm = 0 vì trục tang quay ứng suất uốn thay đổi theo chu kỳ đối xứng. ị Hệ số an toàn cho phép [ n] = 1,6 (theo bảng 1-8) n = 2,98 > [n] Tại tiết diện II- II Tại vị trí này trục có đường kính là: d = 95 mm mô men uốn là: Mu = 3936537, 4 Nmm ứng suất uốn gây ra là: Hệ số an toàn là: ns > [n] = 1,6 Tại tiết diện II-II trục làm việc an toàn Như vậy sau khi đã kiểm tra trục tại các tiết diện nguy hiểm trục đều làm việc an toàn. Vậy trục có khả năng làm việc tốt F 95 95 5.4 14 25 Tính trọn then để định vị trục với may ơ của tang. ứng với đường kính trục tại tiết diện I-I và II- II: d= 95 mm. Chọn loại then bằng theo tiêu chuẩn Việt Nam 2261-77 bảng 9-1a sách TTHDĐ cơ khí tập 1 có các kích thước sau: b = 25 mm h = 14 mm t1 = 9 mm t2 = 5,4 mm 7. ổ trục tang ổ đỡ bên trái trục tang lắp ổ lòng cầu 2 dãy loại ổ này cho phép độ đồng tâm giữa 2 ổ có hệ số khả năng làm việc cao. Đường kính lắp ổ d = 80 mm Tải trọng lớn nhất tác dụng lên ổ là: tải trọng hướng tâm bằng phản lực RA = 26375,3 N Tải trọng tính lớn nhất lên ổ trong trường hơp không có lực chiều trục sẽ là: R1 = RA. kv. kt. kn Trong đó: kt = 1,2 là hệ số tải trọng theo bảng 9-3 sách TTMT với cơ cấu nâng kv = 1 và kn = 1 là các hệ số lấy theo bảng tính chi tiết máy ị R1 = 26375,3. 1,2. 1. 1 =31650,36 (N ) Tải trọng này tương ứng với trường hợp cơ cấu làm việc với Q1 = 120000 (N ) theo sơ đồ gia tải cơ cấu làm việc với 3 tải trọng khác nhau trong đó ứng với Q1 = Q là: R1 = 31650,36 (N ) \ Với Q2 = 0,75Q ị Smax = 22727,27 (N ) ị R =2Smax = 45454,54 (N ) ị RD = 20829,37 (N ) ị RC = 24625,17 (N ) SMB = 0 Û 115RC + 1073RD – 1273RA = 0 ị RA = 19781,46 (N ) ị R2 = 19781,46. 1,2 = 23737,75 (N ) \ Với Q3 = 0,2Q ị Smax = 6060,6 (N ) ị R = 2Smax = 12121,2 (N ) ị RD = 5554,49 (N ) ị RC = 6566,71 (N ) SMB = 0 ị RA = 5275,05 (N ) ị R2 = 5275,05. 1,2 = 6330,06 (N ) Tỷ lệ thời gian tác dụng của 3 tải trọng là: 2:5:3 Tải trọng tương đương tác dụng lên ổ được tính như sau: Trong đó: Số vòng quay của tang xem như không đổi khi làm việc với các tải trọng khác nhau do đó: Rtd = 23914,18 (N ) Với thời hạn phục vụ ổ là 5 năm ở chế độ làm việc trung bình ta tính được tổng số giờ là: T = 24. 365. 5. 0,67 = 14673 (h ) Thời gian làm việc thực tế của ổ là: h = T. CĐ% =14673. 0,25 = 3668 (h ) Số vòng quay của ổ là: n = nt =17,56 (v/ph ) Vậy hệ số khả năng làm việc yêu cầu của ổ phải có là: C = 0,1. Rtd. (n. h )o,3 ị C = 0,1. 23914,36. (17,56. 3668 )o,3 = 66274,26 (N ) Ta chọn ổ bi đỡ lòng cầu 2 dãy cỡ trung theo GOST 5720- 75 sách TTTK hệ dẫn động cơ khí tập 1 có ký hiệu: 1316 có: C = 69900 (N ) với các kích thước như sau: d = 80 mm R = 39 mm D = 170 mm r = 3,5 mm 45 45 3.5 Đối với ổ bên phải trục tang ta cũng dùng ổ bi đỡ lòng cầu 2 dãy với cùng ký hiệu 1316 theo GOST 5270- 75 như với ổ bên trái. 8.Chọn động cơ điện Công suất tĩnh khi nâng vật bằng trọng tải được xác định theo công thức 2-78 sách TTMT Trong đó h: là hiệu suất của cơ cấu h = hp .ht .ho hp = 0,99 là hiệu suất của pa lăng ht = 0,97 là hiệu suất của tang theo bảng 1-9 sách TTMT đối với ổ lăn ho = 0,92 là hiệu suất của bộ truyền được chế tạo thành hộp hộp giảm tốc 2 cấp bánh răng trụ đ h = 0,99. 0,97. 0,92 = 0,88 đ Tương ứng với chế độ làm việc trung bình sơ bộ chọn động cơ điện MTB 512-8 có các đặc tính sau: Công suất danh nghĩa: Nđc = 40 kw Số vòng quay danh nghĩa: nđc = 730 v/ph Hệ số quá tải: Mmax/ Mdn = 2,8 Mô men vô lăng: (GiDi2)rôto = 14 N.m2 Khối lượng động cơ: mđc = 500 kg 9. Tỷ số truyền chung Tỷ số truyền chung từ trục động cơ đến trục tang được xác định theo công thức 3-15 sách TTMT Trong đó nt : là số vòng quay của tang để đảm bảo vận tốc nâng cho trước Do đó tỷ số truyền cần có là: 10. Kiểm tra động cơ về nhiệt Đồ thị gia tải trung bình của cơ cấu làm việc ở chế độ trung bình Q 0,75Q 0,2Q 0 0,2t 0,5t 0,3t Đồ thị gia tải trung bình của cơ cấu làm việc ở chế độ trung bình Theo sơ đồ thì cơ cấu nâng làm việc với các trọng lượng nâng như sau: Q1 = Q Q2 = 0,75Q , Q3 = 0,2Q và tỷ lệ thời gian tương ứng với các tải trọng này là: 2:5:3 Các thông số tính toán trong các thời kỳ làm việc khác nhau của cơ cấu như sau: \ Trọng lượng của vật nâng là: Q= 120000 N \ Lực căng dây trên tang khi nâng vật là: Sn = Smax = 30303,03 N \ Hiệu suất của cơ cấu không tính hiệu suất pa lăng khi làm việc với vật nâng trọng lượng bằng trọng tải h = ht . ho = 0,97. 0,92 = 0,89 \Mô men trên trục động cơ khi nâng vật được tính theo công thức 2-79 sách TTMT \ Lực căng dây trên tang khi hạ vật được tính theo công thức 2-22 sách TTMT \ Mô men trên trục động cơ khi hạ vật được tính theo công thức 2-80 sách TTMT \ Thời gian mở máy khi nâng vật được tính theo công thức 3-3 sách TTMT Trong đó: ồ(Gi Di2)= (GiDi2)rôto+ (GiDi2)khớp với (GiDi2)khớp = 20,55 Nm2 đ ồ(Gi Di2)= 14+ 20,55 = 34,55 Nm2 b ằ 1,1 Mm: là mô men mở máy của động cơ, đối với động cơ đã chọn là động cơ điện xoay chiều kiểu dây cuốn Mm được xác định theo công thức 2-75 sách TTMT Mdn là mô men danh nghĩa của động cơ đMm = 1,8.523,28 = 941,904 Nm đ \ Gia tốc khi mở máy là: