Đề tài Giới thiệu về cầu trục nói chung, cầu trục chân dê đập tràn của công trình thuỷ điện SêSan 4

Lời nói đầu Cầu trục là loại máy trục kiểu cầu có kết cấu giống chiếc cầu có bánh xe lăn trên đường ray chuyên dùng nên còn gọi là cầu lăn được sử dụng phổ biến trong các ngành kinh tế và quốc phòng để nâng chuyển vật nặng trong các phân xưởng, nhà kho cũng có thể dùng để xếp dỡ hàng. Chính khả năng làm việc của cầu trục với các thiết bị có trọng lượng, lưu lượng lớn nên đã trở thành nhân tố chính để nâng cao năng suất lao động. Khi nghiên cứu thiết kế, chế tạo cầu trục, trong thực tế thường sử dụng phương pháp thông thường đó là thiết kế cầu trục khi đang làm việc ổn định với gia tốc bằng không. Xét thấy rằng gia tốc trong chuyển động của cầu trục cũng là một nhân tố ảnh hưởng đến sự làm việc ổn định cũng như độ bền, độ cứng của cầu trục, cho nên tôi đã chọn đề tài về nghiên cứu động lực học cầu trục để làm đồ án tốt nghiệp. Những nội dung chính được trình bày trong đồ án là: giới thiệu về cầu trục nói chung, cầu trục chân dê đập tràn của công trình thuỷ điện SêSan 4, tính toán động lực học cầu trục, mô phỏng chuyển động của cầu trục bằng OpenGL và mô phỏng trạng thái tĩnh bằng phần mềm Cosmos. Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Chỉ Sáng, PGS.TS Đinh Văn Phong, ThS Phan Đăng Phong cùng các thầy cô thuộc bộ môn Cơ Học ứng Dụng – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và các anh chị kỹ sư phòng Tự Động Hoá Thiết Kế thuộc Viện Nghiên Cứu Cơ Khí đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn tôi hoàn thành đồ án này. Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên trong đồ án không tránh khỏi nhiều thiếu sót, tôi mong các thầy cô thông cảm và chỉ bảo nhiều hơn. Hà Nội, Ngày….tháng….năm 2007 Sinh viên Vũ Duy Phước Một số kí hiệu dùng trong đồ án s : ứng suất tính toán [s] : ứng suất cho phép của vật liệu E : Môđun đàn hồi của vật liệu F : Lực tác dụng m : Khối lượng g : Gia tốc trọng trường R : Bán kính w : Vận tốc góc h : Hiệu suất k : Hệ số an toàn i : Tỉ số truyền động n : Số vòng quay của vật quay Q : Tải trọng G : Trọng lượng M : Mômen J, j : Mômen quán tính S : Lực căng (2.1) : Công thức 2.1 [10] : Theo tài liệu 10 Cosmos : COSMOSDesignSTAR Chương I Giới thiệu về cầu trục chân dê đập tràn và phạm vi của đồ án tốt nghiệp 1. Tổng quan về cầu trục. Cầu trục được dùng chủ yếu trong các phân xưởng, nhà kho, bãi tổ hợp thiết bị để nâng hạ và vận chuyển hàng hoá với lưu lượng và trọng lượng lớn. Kết cấu của một cầu trục dạng dầm hộp hoặc dàn, trên đó đặt xe con có cơ cấu nâng. Cầu trục được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân với các thiết bị mang vật rất đa dạng như móc treo, thiết bị cặp, nam châm điện, gầu ngoạm... Cầu trục được chế tạo với tải trọng nâng từ 1 đến 500 tấn, khẩu độ dầm cầu đến 32 m, chiều cao nâng đến 16 m, tốc độ nâng vật từ 2 đến 40 m/ph, tốc độ di chuyển xe con đến 60 m/ph và tốc độ di chuyển cầu trục đến 125 m/ph. Cầu trục nâng trên 10 tấn thường được trang bị hai đến ba cơ cấu nâng vật: một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ. Tải trọng nâng của loại cầu trục này thường được ký hiệu bằng một phân số với các tải trọng nâng chính và phụ, ví dụ: 15/3 t; 20/5 t;150/20/5 t... Theo công dụng được phân làm hai loại: cầu trục có công dụng chung và cầu trục chuyên dụng. Cầu trục có công dụng chung chủ yếu dùng với móc treo để xếp dỡ, lắp ráp và sửa chữa máy móc. Loại cầu trục này có tải trọng nâng không lớn và khi cần có thể dùng với gầu ngoạm, nam châm điện và thiết bị cặp để xếp dỡ một loại hàng nhất định. Cầu trục chuyên dụng được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp luyện kim, xuất nhập hàng tại cảng với các thiết bị mang vật chuyên dùng và có chế độ làm việc rất nặng. Theo kết cấu dầm có các loại cầu trục một dầm và cầu trục hai dầm. Cầu trục một dầm thường là dầm chữ I hoặc dầm tổ hợp với các dàn thép tăng cứng cho dầm. Cầu trục một dầm thường dùng palăng điện chạy dọc theo dầm nhờ cơ cấu di chuyển palăng. Cầu trục hai dầm có các loại dầm hộp và dầm dàn không gian. Ngoài ra theo nguồn dẫn động có các loại dẫn động tay và cầu trục dẫn động máy. Theo vị trí điều khiển có các loại cầu trục điều khiển từ cabin gắn trên dầm cầu và cầu trục điều khiển từ dưới nền bằng hộp nút bấm. Điều khiển từ dưới nền bằng hộp nút bấm thường dùng cho loại cầu trục một dầm có tải trọng nâng nhỏ. 2. Giới thiệu về cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn của công trình thuỷ điện Sê San 4. 2.1 ý nghĩa, công dụng của cầu trục chân dê đập tràn. Cầu trục chân dê chuyên dụng, tải trọng nâng 2x25 tấn được dùng để nâng hạ cửa van sửa chữa đập tràn, công trình thuỷ điện Sê San 4, ngoài ra nó còn được sử dụng để sửa chữa, lắp ráp cho các thiết bị thuộc đập tràn. 2.2 Điều kiện vận hành. Vận tốc gió trong trạng thái làm việc : 20 m/s Vận tốc gió lớn nhất : 28 m/s Môi trường xung quanh : Trong không khí Nhiệt độ lớn nhất của môi trường : + 40,5º C Nhiệt độ nhỏ nhất của môi trường : + 9,2ºC Độ ẩm : 85,7% 2.3 Thành phần cấu tạo. Thành phần chế tạo của cầu trục chân dê bao gồm: kết cấu kim loại của cầu trục, kết cấu kim loại của xe con, cơ cấu di chuyển cầu trục, cabin điều khiển. Trong cabin được trang bị điều hoà, các thiết bị điện. Trên xe con lắp cơ cấu nâng với tải trọng nâng danh nghĩa 2x25 tấn, cơ cấu di chuyển xe con. 2.4 Đặc điểm và nguyên lý làm việc. Kết cấu kim loại của cầu trục chân dê là kết cấu hàn tổ hợp, tiết diện các dầm chịu lực hình hộp. Bên trên khung cầu trục có xe con với cơ cấu nâng có tải trọng nâng 2x25 tấn và cơ cấu di chuyển xe con. Cơ cấu nâng gồm 2 tang cuốn cáp đường kính D = 870 mm với 2 đường rãnh hình xoắn ốc, 2 hệ thống treo tải trọng 25 tấn và cơ cấu truyền động bao gồm động cơ, phanh, hộp giảm tốc. Dẫn động cho cơ cấu nâng là kiểu dẫn động chung bằng 1 động cơ. Cơ cấu nâng được trang bị các thiết bị hạn chế tải trọng nâng ( với chế độ vượt tải cho phép lớn nhất là 110% so với tải trọng nâng danh nghĩa). Cơ cấu di chuyển xe con kiểu dẫn động chung với 2 bánh xe dẫn động và 2 bánh xe bị động đường kính D = 630 mm. Xe con có hệ thống nhà che bảo vệ các cơ cấu, bộ máy. Cơ cấu di chuyển cầu trục bao gồm 2 cụm chủ động và 2 cụm bị động. Mỗi cụm chủ động được lắp trên 1 bánh xe dẫn động D=710 mm. Mỗi cụm bị động được lắp trên 1 bánh xe bị động D=710 mm. Đối với cả cơ cấu di chuyển cầu trục và xe con đều sử dụng phanh guốc điện có cần đẩy thuỷ lực đảm bảo sự trơn tru trong quá trình làm việc. Trên cầu trục cũng như xe con có lắp đặt các cữ hạn vị hành trình nâng, hành trình di chuyển và các cửa lên xuống sàn thao tác có đặt các cầu dao bán tự động đảm bảo an toàn. Trên trục tang cuốn cáp có lắp thiết bị điều khiển đóng mở các hoạt động khi nâng của cửa van sửa chữa đập tràn, và các thiết bị hạn chế vị trí giới hạn hành trình lên và xuống của hệ thống móc treo. Phía trên mái che của xe con có thiết bị đo tốc độ tức thời gió và phát tín hiệu khi vận tốc gió lớn hơn tốc độ gió cho phép. Để hạn chế sự trôi của cầu trục do gió khi không làm việc, tại 2 cụm di chuyển bị động được lắp 2 thiết bị chống xô ray. Thiết bị này được hoạt động liên động với toàn bộ mọi hoạt động của cầu trục. 2.5 Đặc tính kỹ thuật. Nguồn điện, tần số (Hz), điện áp (V) Xoay chiều; 50Hz; 380/220V Điều khiển cầu trục Từ ca bin Cấp điện cho cầu trục Bằng Trolley Cấp điện cho xe con Bằng cáp mềm Tải trọng nâng chính, T 2x25 Chiều cao nâng lớn nhất của móc nâng, m 28 Cao hơn cao trình sàn, m 7,5 Thấp hơn cao trình sàn, m 20,5 Vận tốc nâng móc chính, m/ph 0,8/4 Vận tốc dịch chuyển cầu trục, m/ph 4,5/15 Đường kính bánh xe, mm 710 Tổng số bánh xe 4 Số bánh xe dẫn động 2 Loại ray di chuyển cầu trục KP80 Vận tốc dịch chuyển xe con, m/ph 4,5 Đường kính bánh xe, mm 630 Tổng số bánh xe 4 Số bánh xe dẫn động 2 Loại ray di chuyển xe con KP70 3. Phạm vi của đồ án tốt nghiệp. 3.1 Tính toán động lực học cầu trục. Xây dựng mô hình chuyển động của cầu trục với cơ cấu nâng và cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển cầu trục. Viết phương trình chuyển động trong thời gian khởi động của các cơ cấu dưới ảnh hưởng các lực cản chuyển động. 3.2 Kiểm nghiệm làm việc ổn định của cầu trục. Trong thời gian chuyển động có gia tốc của cầu trục thì cầu trục phải ổn định theo phương vuông góc với đường ray, ổn định theo phương dọc đường ray và dây cáp đủ vững chắc khi đột ngột nâng vật nặng lên. 3.3 Thiết kế khung dầm cầu trục. Với các điều kiện đầu vào là khẩu độ cầu trục và trọng lượng nâng danh nghĩa để thiết kế sơ bộ bộ khung dầm của cầu trục với các dầm chính, chân cầu trục, giằng trên, giằng dưới. 3.4 Kiểm tra khung dầm bằng phần mềm Cosmos. Trên cơ sở những thiết kế trên ta dựng mô hình 3D của cầu trục trong SolidWork và kiểm tra sự làm việc an toàn, ổn định của cẩu trục trên phần mềm Cosmos. 3.5 Mô phỏng chuyển động của cầu trục. Với khả năng đồ hoạ của thư viện OpenGL trong môi trường Visual C++, hình ảnh mô hình của cầu trục sẽ được thể hiện trên màn hình và có thể cho chúng chuyển động. Phần này sẽ giới thiệu về khả năng của môi trường đồ hoạ OpenGL và chương trình mô phỏng cầu trục. Chương II Tính toán động lực học cầu trục chân dê tải trọng nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện Sê San 4 1. Cơ sở tính toán thiết kế cầu trục theo phương pháp thông thường. Cầu trục thông thườngđược tính toán thiết kế theo các bước tính toán chung sau[1]: a) Xác định các thông số cơ bản của cầu trục như tải trọng nâng, chiều cao nâng, khẩu độ dầm cầu, các tốc độ nâng hạ vật, di chuyển cầu trục, di chuyển xe con, chế độ làm việc và các điều kiện làm việc cụ thể của cầu trục (môi trường làm việc, loại hàng cần bốc dỡ v.v…). Từ các thông số cơ bản và điều kiện làm việc cụ thể của cầu trục, ta có thể phân tích và chọn phương án thiết kế. b) Xác định các kích thước hình học và các bộ phận trên cầu trục và tải trọng tính toán. - Các kích thước hình học và trọng lượng bản thân các bộ phận của cầu trục có thể xác định sơ bộ theo các công thức kinh nghiệm hoặc từ các loại cầu trục đã có tương đương. Các thông số này được kiểm tra chính xác lại sau khi thiết kế cầu trục. - Ngoài trọng lượng bản thân, các tải trọng tác dụng lên cầu trục cần xác định là: trọng lượng vật nâng cùng thiết bị mang vật, các tải trọng do dốc, quán tính và các tải trọng đặc biệt khác như tải trọng lắp dựng, động đất v.v… Tải trọng gió cần được tính toán theo các phương khác nhau và với áp lực gió trong điều kiện làm việc bình thường, áp lực gió lớn nhất trong điều kiện làm việc và áp lực gió trong trạng thái không làm việc nếu cầu trục hoạt động ngoài trời. - Xác định lực nén bánh của các bánh xe di chuyển cầu trục và di chuyển xe con. c) Xác định các vị trí tính toán và tổ hợp tải trọng. Các vị trí tính toán và tổ hợp tải trọng phải được xây dựng phù hợp với quá trình làm việc của bộ phận hay chi tiết được tính. d) Thiết kế các cơ cấu công tác của cầu trục như cơ cấu nâng cùng thiết bị mang vật, cơ cấu di chuyển xe con và cầu trục. e) Tính toán kết cấu thép của cầu trục và các chi tiết liên kết giữa các bộ phận của cầu trục. f) Thiết kế hệ thống điện điều khiển cho các cơ cấu công tác, hệ thống chiếu sáng và thiết kế cabin điều khiển (nếu có). Thiết kế các thiết bị an toàn cơ - điện của cầu trục như thiết bị hạn chế tải trọng nâng, thiết bị hạn chế chiều cao nâng, các công tắc hạn chế hành trình di chuyển của cầu trục và xe con, các giảm chấn và thiết bị kẹp ray nếu cầu trục làm việc ngoài trời. 1.1. Cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu di chuyển. Cơ cấu di chuyển ở đây là cơ cấu di chuyển cầu trục, cơ cấu di chuyển xe con dẫn động bằng động cơ điện. Những số liệu ban đầu cần có để tính toán cơ cấu di chuyển là: - Sơ đồ hình học của cầu với các kích thước cơ bản như khoảng cách vết bánh xe, khoảng cách trục bánh xe… - Trọng tải máy trục Q (N) - Trọng lượng bản thân cầu trục kể cả bộ phận mang vật G0 (N) - Sơ đồ cấu tạo di chuyển - Vận tốc di chuyển (m/ph) - Diện tích chịu gió của phần dịch chuyển trong mặt phẳng thẳng góc với phương chuyển động F0 (m2) - Chế độ làm việc của cơ cấu. Trình tự tính toán như sau[4]: 1) Xác định các kích thước bánh xe. Muốn vậy phải: - Chọn loại kích thước, bánh xe và đường ray. - Xác định các tải trọng lên bánh xe, gồm: + Tải trọng lớn nhất Pmax (khi có vật nâng, vị trí các bộ phận là bất lợi nhất đối với bánh xe tính toán) + Tải trọng nhỏ nhất Pmin (khi không có vật nâng, vị trí các bộ phận là có lợi nhất đối với bánh xe tính toán), tải trọng tương đương để tính bánh xe Pbx theo công thức[2]: Trong đó: Pmax : áp lực lớn nhất của bánh xe lên ray kbx : Hệ số tính đến chế độ làm việc của cơ cấu g : Hệ số tính đến sự thay đổi của tải trọng - Kiểm tra bánh xe về sức bền dập. Kiểm tra bánh xe theo ứng suất dập trong trường hợp bánh xe và ray tiếp xúc đường theo công thức[2]: Trong đó: P : áp lực tương đương của bánh xe lên ray b, r : Bề rộng mặt làm việc và bán kính bánh xe E : Môđun đàn hồi của vật liệu làm ray và bánh xe [1] E1, E2 : Môđun đàn hồi vật liệu bánh xe và vật liệu ray Đối với bánh xe bằng thép (E = 2,1.105 N/mm2)[1]: Trong trường hợp cần thiết thay đổi lại các kích thước, vật liệu, nhiệt luyện…của bánh xe và ray cho phù hợp. 2) Chọn sơ bộ động cơ điện. Với cùng cường độ CĐ% tương ứng với chế độ làm việc của cơ cấu, động cơ được chọn có công suất danh nghĩa bằng hoặc lớn hơn công suất tĩnh Nt tính theo công thức: Trong đó: Wt : Tổng lực cản tĩnh khi chuyển động ổn định v : Vận tốc di chuyển của xe lăn : Hiệu suất của động cơ Động cơ chọn phải bảo đảm khi mở máy trong mọi điều kiện vẫn có hệ số an toàn bám kb ³ 1,2 3) Tính tỉ số truyền của bộ truyền Trong đó: ndc : Số vòng quay danh nghĩa của động cơ đã chọn vg/ph. nbx : Số vòng quay yêu cầu của bánh xe để đảm bảo vận tốc cho trước v (vg/ph). Đường kính bánh xe là Dbx thì: 4) Kiểm nghiệm động cơ về mômen mở máy. Từ yêu cầu về đảm bảo hệ số an toàn bám kb ³ 1,2 ta xác định gia tốc lớn nhất cho phép trong trường hợp lực bám ít nhất a0max theo công thức: Trong đó: G0 : Tổng áp lực lên các bánh dẫn khi không có vật nâng φ : Hệ số bám của bánh xe vào ray : Tổng lực cản tĩnh chuyển động xe lăn khi không có vật nâng g : Gia tốc trọng trường m/s2 Tính thời gian mở máy theo công thức: Tính mômen mở máy lớn nhất M0m theo công thức[2]: Trong đó: : Tổng các mômen vô lăng của các trục Để đảm bảo an toàn bám, so sánh với mômen mở máy của động cơ Mm(đc), điều kiện cần có là: Mm ³ M0m Nếu điều kiện trên đây không đảm bảo cần phải tăng số bánh dẫn hoặc chọn lại động cơ khác có mômen mở máy nhỏ hơn và nếu công suất danh nghĩa của động cơ được chọn nhỏ hơn công suất tĩnh tính toán (Nt) thì phải tiến hành kiểm tra động cơ về nhiệt theo công suất trung bình bình phương. 5) Tính mômen phanh Mph với các điều chú ý để chọn và tính phanh. 6) Theo iđc tính được công suất cần truyền và các thông số khác tiến hành tính toán thiết kế (hoặc chọn) bộ truyền 7) Tính các chi tiết còn lại trong cơ cấu di chuyển như: trục truyền động, ổ trục bánh xe… 1.2 Cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu nâng. Khi thiết kế một cơ cấu máy cần tiến hành qua nhiều bước: - Xây dựng, lựa chọn một trong nhiều phương án về kết cấu - Chọn loại và các kích thước của chi tiết và cụm chi tiết theo tiêu chuẩn hoặc theo dãy - Tiến hành kiểm tra đặc tính của cơ cấu ở các trạng thái làm việc quan trọng theo các quy định chung - Tính và kiểm tra độ bền của các chi tiết Cơ cấu nâng dùng để nâng hạ vật 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. Theo cách truyền lực phân ra: - Tời cáp và tời xích với tang cuốn cáp hoặc puly ma sát - Kích thanh răng, kích vít với truyền động bánh răng thanh răng hay truyền động vít - Kích thuỷ lực Cơ cấu nâng quan trọng và được dùng phổ biến là tời cáp và tang cuốn cáp Các số liệu cần biết trước để tính toán thiết kế một cơ cấu nâng là: - Tải trọng nâng Q, N - Chiều cao nâng H, m - Tốc độ nâng Vn, m/ph - Chế độ làm việc của cơ cấu. Trình tự tính toán thiết kế một cơ cấu nâng là[2]: 1) Lựa chọn sơ đồ cơ cấu cùng với những giải pháp về động học và kết cấu 2) Căn cứ vào sơ đồ luồn cáp đã chọn ở bước 1, xác định bội suất palăng cáp, lực căng cáp lớn nhất và chọn cáp 3) Xác định các kích thước cơ bản của tang và puly 4) Tính số vòng quay yêu cầu của tang để đảm bảo tốc độ nâng Vn vg/ph Trong đó: a : Bội suất palăng dT : Đường kính của tang 5) Tính chọn động cơ điện và kiểm tra động cơ điện Từ công suất cản tĩnh (kW) ta xác định được thời gian mở máy. Kiểm tra động cơ phải thoả mãn điều kiện mở máy và điều kiện nhiệt độ của động cơ Công suất cản tĩnh[2]: Trong đó: Vn : Vận tốc yêu cầu vg/ph Q : Tải trọng nâng h : Hiệu suất của bộ truyền động 6) Theo công suất, tỷ số truyền chung yêu cầu, số vòng quay trục vào, chế độ làm việc của cơ cấu, tiến hành thiết kế (hoặc chọn) hệ thống truyền động Tỷ số truyền chung yêu cầu: Trong đó: nđc : Số vòng quay dang nghĩa của động cơ vg/ph nt : Số vòng quay của tang vg/ph 7) Tính mômen phanh, chọn phanh và kiểm tra gia tốc phanh 8) Tính toán thiết kế các bộ phận chịu lực còn lại như cụm móc treo, kẹp đầu cáp trên tang, trục tang, gối đỡ trục tang vv… 1.3 Cơ sở tính toán thiết kế và kiểm tra các thiết bị khác của cầu trục. Tính toán và kiểm nghiệm bánh xe - Xác định tải trọng lên bánh xe - Tải trọng lớn nhất tác động lên bánh xe Kiểm tra bánh xe theo ứng suất dập[2]: Trong đó: P : áp lực tương đương của bánh xe lên ray. (N); E : Mô đun đàn hồi của vật liệu làm ray và bánh xe.(N/mm2); B0,R : Bề rộng mặt làm việc và bán kính bánh xe.(mm); ứng suất σd không vượt quá ứng suất cho phép Tính toán và kiểm nghiệm bánh răng Chọn bánh răng sao cho đảm bảo tỉ số truyền và đủ bền Mô men xoắn trên trục bánh răng Mw ứng suất uốn tại tiết diện nguy hiểm [10] Trong đó: Mw : Mômen tính toán lên bánh răng z1 : Số răng của bánh răng mt : Môđun của bánh răng b : Chiều rộng bánh răng y : Hệ số hình dạng răng ρ : Hệ số vận tốc ứng suất uốn cho phép[10]: Trong đó: c : Hệ số chuyển đổi : Hệ số điều kiện làm việc : Hệ số ổn định của vật liệu : Hệ số độ tin cậy làm việc Ta phải kiểm tra: Sự đứng vững của cầu trục ( sự ổn định của cầu trục) Để làm việc an toàn phải đảm bảo cho nó đứng vững, cần tránh trước bất kì khả năng nào có thể làm cho nó bị lật đổ kể cả trong những điều kiện đặt tải bất lợi nhất. Chỉ số chỉ sự đứng vững (ổn định) là tỷ số giữa mômen chống lật Mcl và mômen lật Ml k1³ 1,15 khi có tính tải trọng phụ k1³ 1,14 khi không tính tải trọng phụ Khi không mang vật nâng: lật do gió kg³ 1,15 Tính chọn hộp giảm tốc Yêu cầu: - Đảm bảo tỷ số truyền chung - Mômen xoắn cho phép trên trục quay chậm của hộp giảm tốc [Mor] Mô men xoắn tại trục chậm hộp giảm tốc Мor thì [Mor] > Мor Tính toán chọn động cơ điện 1) Khi làm việc với chế độ làm việc thực động cơ không bị nóng quá giới hạn cho phép. 2) Mômen mở máy của động cơ phải đủ để khởi động máy với gia tốc cho trước song công suất động cơ cũng không được chọn quá lớn sẽ gây gia tốc lớn ảnh hưởng không tốt đến hoạt động của bộ máy. Ndc > Ntyc do thành phần momen cản động có giá trị tương đối lớn do khối lượng của hệ thống khởi động rất lớn, động cơ phải đủ công suất nhất là phải có momen mở máy đủ cao để đảm bảo khởi động hệ thống với gia tốc trong phạm vi cho phép. Vì vậy chọn động cơ cho máy di chuyển với công suất danh nghĩa xấp xỉ lớn hơn công suất tĩnh yêu cầu là đủ không cần tính công suất trung bình phương. Với máy nâng hạ khi ta chọn giá trị Ndc ≤ Ntyc cũng có thể chấp nhận được. Công suất tĩnh của động cơ Pst[2]: Trong đó: V : Vận tốc làm việc yêu cầu : Hiệu suất của bộ truyền Q, Gn : Trọng lượng máy và trọng lượng hàng nâng Tang tời Dùng để cuốn cáp, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến để nâng hạ hoặc kéo, di chuyển vật. Ưu điểm chủ yếu của tang có rãnh xoắn là dây cáp cuốn theo đường rãnh xoắn trên tang do đó được cuốn rất đều không bị chồng chéo lên nhau tránh được kẹt nối cáp trong lúc làm việc. Để kiểm tra ứng suất nén thì chiều dày tang tời d ³ chiều dày cho phép [d] dnmax³ [dn] ứng suất uốn và xoắn có trị số nhỏ hơn nhiều so với ứng suất nén nên thực tế thường kiểm tra ứng suất nén. Dây cáp thép Dây cáp thép được chế tạo bằng các sợi thép có thành phần cácbon cao, gia công bằng phương pháp kéo nguội chuốt đi chuốt lại nhiều lần do đó giới hạn bền của các sợi dây thép này có thể đạt tới 250 kG/mm2. với các sợi thép có giới hạn bền thấp cáp mềm, cáp mà cứng khi cuốn qua ròng rọc hoặc tang sẽ bị uốn lớn dẫn đến giảm tuổi thọ của cáp. Để chống gỉ, chống lại sự ăn mòn của nước biển và các hoá chất khác người ta còn tiến hành mạ kẽm cho các sợi thép. Người ta còn có thể bọc kín cáp tạo nhẵn bề mặt ngăn cát bụi giảm ma sát tăng khả năng chịu lực của cáp hoặc bôi trơn chống gỉ bề mặt. Tính toán cáp k : Hệ số an toàn bền Sđ : Lực kéo đứt cáp Smax : Lực kéo tối đa khi cáp làm việc [1] Tuổi thọ của cáp phụ thuộc rất nhiều vào số lần cáp bị uốn khi vòng qua ròng rọc hay tang trong quá trình sử dụng, phụ thuộc vào độ mòn, phụ thuộc vào đường kính của ròng rọc hay tang. Đường kính của ròng rọc hay tang càng nhỏ thì dây cáp càng chóng hỏng[2] D ³ (16 á 30).dc Dấu hiệu cáp bị hỏng: các sợi thép bị đứt nổ, số sợi cáp bị đứt trên một bước bện của cáp vượt quá giá trị số cho phép thì phải thay cáp. Tính và chọn dây cáp: Lực căng lớn nhất xuất hiện ở nhánh dây cáp cuốn lên tang khi nâng vật S [10]: Cáp có ưu điểm và được sử dụng rộng rãi hơn chão, xích. Xích vẫn được sử dụng làm bộ phận kéo cho bộ phận máy nâng trong những trường hợp thích hợp. Khi dùng xích, đĩa xích chủ động nhỏ hơn đường kính tang tời cáp làm cho mômen tải nhỏ. Tỷ số truyền, kích thước và trọng lượng của cơ cấu truyền động nhỏ đi nhiều. Khi nâng, vận chuyển các vật nóng ở nhiệt độ cao của vật nâng và không khí xung quanh ảnh hưởng có hại cho sức bền và tuổi thọ của cáp thép. Cho nên trong trường hợp này người ta không sử dụng cáp thép mà sử dụng các loại xích. Nhận xét : Trong tính toán thiết kế cầu trục theo phương pháp thông thường các tải trọng được sử dụng để tính toán thiết kế hay để kiểm tra là các tải trọng tĩnh. Khi xét đến ảnh hưởng của tải trọng động thì chỉ xét thông qua các hệ số thực nghiệm cho nên kết quả tính toán tải trọng động không được chính xác và thuyết phục. Vì vậy tôi đã sử dụng phương trình Lagrange loại 2 để tính toán được chính xác các tải trọng động xuất hiện trong quá trình chuyển động của cầu trục từ đó có thể kiểm tra hay thiết kế cầu trục. 2. Tính toán động lực học cầu trục cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn của công trình thuỷ điện Sê San. 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán động lực học cầu trục. 2.1.1. Phương trình Lagrange loại 2. Phương trình Lagrange loại hai là phương trình vi phân chuyển động của các chất điểm và các vật rắn hôlônôm. Số phương trình đúng bằng số bậc tự do của hệ. Xét hệ hôlônôm gồm n chất điểm và có f bậc tự do. Như thế cơ hệ xác định bởi f toạ độ suy rộng đủ: q1, q2,…, qn. Ta có: Trong đó Qi là các toạ độ suy rộng. Nếu cơ hệ có các lực thế thì lực suy rộng Qi được tính theo công thức [8]: Trong đó là lực suy rộng ứng với các lực không thế Trong trường hợp lực tác dụng lên cơ hệ đều là lực có thế thì = 0. Khi đó phương trình Lagrange loại hai có dạng Phương trình Lagrange loại hai cho các chất điểm chịu lực có thế và lực không thế là: Biểu thức lực suy rộng Q có thể viết [7]: Q* = Qc + Qd Trong đó: Qd : Lực suy rộng của lực phát động, nếu động cơ có khấu ra là khâu quay thì : Qd = Md (Md là mômen của động cơ) Qc : Lực suy rộng của các lực tác dụng lên bộ phận cơ gồm các lực cản có ích, lực cản vô ích và các trọng lượng. 2.1.2. Đặc trưng động học của cơ cấu. 2.1.2.1. Mômen quán tính quy dẫn. Để tiến hành các bước tính toán ở trên, cần phải xác định các tải trọng tác dụng lên cơ cấu. Tải trọng lớn nhất tác dụng lên cơ cấu máy nâng xuất hiện trong thời kỳ làm việc không ổn định (mở máy hoặc phanh). Các máy nâng làm việc theo chế độ ngắn hạn lặp lại, có nghĩa là đóng mở máy thường xuyên. ở thời kỳ này ngoài các tải trọng tĩnh còn có tải trọng động phát sinh trong cơ cấu. Các tải trọng tĩnh mà cụ thể là các mômen cản tĩnh trong cơ cấu được xác định từ các ngoại lực Để xác định các mômen động xuất hiện trong thời kỳ chuyển động không ổn định cần phải thiết lập các sơ đồ tính động lực học máy, sau đó lập và giải phương trình của hệ thống. Một cơ cấu hoạt động cùng với kết cấu kim loại của máy có thể coi như một hệ gồm nhiều khối lượng được liên kết với nhau bởi các khâu đàn hồi. Ví dụ có thể xem vật nâng, xe lăn, rôto động cơ điện, bánh xe, là các khối lượng tập trung còn các liên kết đàn hồi là trục, dây cáp, các thanh dầm vv…Trong trường hợp này sẽ xuất hiện dao động đàn hồi tương đối giữa các khối lượng với nhau, khi này sẽ xuất hiện tải trọng động và người ta gọi là tải trọng động đàn hồi. Đặc tính dao động và đường biểu diễn sự thay đổi giữa các tải trọng đàn hồi theo thời gian chịu ảnh hưởng rất lớn của ngoại tải cũng như cách thức điều khiển động cơ dẫn động cơ cấu. Trong tính toán các cơ cấu máy, để đơn giản, hiện nay người ta sử dụng sơ đồ tính đơn giản nhất là sơ đồ một khối chịu tác động của tải trọng bên ngoài. Trong sơ đồ không tính đến các chuyển vị đàn hồi tương đối giữa các bộ phận với nhau. Với sơ đồ này cho phép xác định được quy luật chuyển động của tâm khối lượng của cơ cấu. Tải trọng động được xác định không tính đến độ đàn hồi của các bộ phận cơ cấu được gọi là tải trọng động quán tính. Khi khảo sát sơ đồ một khối lượng, các khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến và các khối lượng tham gia chuyển động quay trong cơ cấu được thay thế bằng một khối lượng quy dẫn. Cơ sở của việc quy dẫn này là động năng của cơ cấu và động năng của hệ quy dẫn, có tính đến tổn thất do lực ma sát thông qua đại lượng hiệu suất, tương đương bằng nhau[1]. Hình 2.1 : Sơ đồ cơ cấu nâng Các khối lượng phân bố trên các trục Quy dẫn khối lượng về trục động cơ Giả sử cần xác định mômen quán tính quy dẫn về trục động cơ trong quá trình mở máy cơ cấu nâng hình(2.1), phương trình cơ bản cân bằng năng lượng sẽ là: Từ phương trình trên có mômen quán tính quy dẫn quy về trục quay nhanh 1 (trục động cơ) Với , Trong đó: E0, Eji, Emu : Năng lượng của hệ, vật quay, vật tịnh tiến. J1, Ji : Mômen quán tính của các tiết máy quay trên trục 1, trục i : Tốc độ góc của trục 1 hoặc trục i : Tỷ số truyền giữa trục j và trục j + 1 k : Tổng số trục trong hệ thống mu : Khối lượng tịnh tiến thứ u : Tốc độ chuyển động của khối u W : Tổng số các khối lượng chuyển động tịnh tiến trong hệ thống Dấu của mũ hiệu suất sẽ là: Dương khi : Âm khi : Mômen quán tính quy dẫn về trục 1 cơ cấu nâng trên hình(2.1) sẽ là: Khi mở máy nâng vật: Trong đó: i0 = i1,2.i2,3.a = ig.a h0 = h1,2.h2,3.hT.hP Khi phanh hạ vật: Với Trong đó: ig, hg : Tỷ số truyền và hiệu suất truyền động của hộp giảm tốc dT, hT : Đường kính, hiệu suất tang a, hp  : Bội suất palăng cáp và hiệu suất của nó : Mômen quán tính quy dẫn các khối lượng quay của hệ thống quy về trục 1, thời kỳ mở máy hoặc phanh Trong J1 tính cả mômen quán tính của rôto động cơ điện. Ngoài ra để giảm bớt khối lượng tính toán, thường khi tính mômen quán tính quy dẫn các khối lượng quay người ta chỉ tính J1 rồi nhân với hệ số a = 1,1 á 1,3 [1] để tính đến quán tính các khối lượng quay đặt sau trục 1. Giá trị a tăng khi tỷ số truyền chung giảm[1] Trong các sổ tay và Catalog, nhiều khi người ta không cho giá trị mômen quán tính J mà cho giá trị mômen đà (mômen vôlăng) của các tiết máy quay, ký hiệu là GD2, N.m2. Quan hệ giữa hai đại lượng này là [1] : Trong đó: G : Trọng lượng, N D : Đường kính quán tính của vật quay, m G : Gia tốc trọng trường, m/s2 Để thuận tiện tính toán, ta có thể dùng đại lượng mômen đà quy dẫn về trục 1 suy ra từ các quan hệ trên [1] : Trong đó: : Tổng mômen đà các khối lượng quay trên trục 1 (rôto động cơ điện, khớp nối, bánh phanh, bánh răng vv…). Trong phép tính động lực học để xác định lực trong dây cáp cơ cấu nâng, các khối lượng chuyển động được quy dẫn về vật nâng và theo chiều chuyển động tịnh tiến của vật nâng. Từ phương trình cân bằng năng lượng có thể nhận được những biểu thức tính khối lượng quy dẫn về vật nâng tương ứng trong các quá trình mở máy và quá trình phanh như sau: Các công thức tính mômen đà quy dẫn đối với cơ cấu di chuyển, cơ cấu quay và cơ cấu nâng có thể xác định tương tự cơ cấu nâng theo các công thức tổng quát trên. 2.1.2.2. Các mômen trong một pha làm việc. Các mômen được truyền dẫn trong một cơ cấu có thể xác định một cách riêng rẽ từng đại lượng một từ các lực tác dụng vào cơ cấu, sau đó sẽ hợp các mômen lại trong từng pha làm việc. Các mômen này phụ thuộc vào rất nhiều các tham số ví dụ như: vị trí trong cơ cấu, thời gian (pha làm việc), chất tải (loại và độ lớn của ngoại lực cũng như các khối lượng chuyển động), hướng của dòng năng lượng (dẫn động hay phanh). Khi xác định tải tác dụng lên động cơ hoặc phanh, cần quy dẫn các mômen tải về trục động cơ hoặc trục đặt phanh. Tương tự để tính một chi tiết hoặc cụm chi tiết trên trục nào đó cần phải quy dẫn mômen tải về trục đó. a) Mômen tĩnh. Mômen cản tĩnh Mt là mômen do các ngoại lực tác động vào cơ cấu sinh ra. Các ngoại lực đó là trọng lực, lực ma sát, lực gió v.v... Các lực này thường phân bố ngẫu nhiên vì vậy để đảm bảo mô tả đúng khi tính toán, chúng được phân ra trong các trường hợp tải trọng khác nhau. Khi tính toán cơ bản các cơ cấu, coi các ngoại lực này là hằng số và độ lớn lấy giá trị danh nghĩa. Các ngoại lực này sinh ra các mômen quay trên các chi tiết của cơ cấu. Hình 2.2: Lực và mômen quay ở các chi tiết của cơ cấu Trên tang cuốn cáp hình a) hình(2.2) có: F do trọng lực sinh ra Trên bánh xe hình b) hình(2.2) có: - Mômen cản do ma sát Ff : Lực cản di chuyển mf : Hệ số cản di chuyển - Mômen cản do gió Fw : Lực cản do gió Mômen quy dẫn về trục động cơ trong thời kỳ chuyển động ổn định [1] : (cơ cấu nâng vật và nâng hạ cần) (cơ cấu di chuyển và quay) (cho lực gió) Mômen quy dẫn về trục động cơ trong thời kỳ phanh [1] : Trong đó: i0, h0 : Tỷ số truyền và hiệu suất truyền động chung của cơ cấu; với tang cuốn cáp i0 = ig và h0 = hg.hT ig, ng : Tỷ số truyền và hiệu suất truyền động các bộ phận truyền cơ khí (chưa kể truyền động cáp) hT : Hiệu suất tang F : Lực căng cáp hoặc trọng lực bởi khối lượng của phần truyền động do cơ cấu dẫn động b) Mômen động. Các mômen quay để tăng tốc hoặc giảm tốc các khối lượng chuyển động tịnh tiến hoặc quay trong một hệ thống tuyệt đối cứng (sơ đồ 1 khối lượng) sẽ tỷ lệ với gia tốc góc e = Mômen tăng tốc Md và giảm tốc được xác định là: và (2.1) Nếu các khối lượng chuyển động tịnh tiến (ở cơ cấu nâng, cơ cấu di chuyển) thì gia tốc khi mở máy và phanh sẽ là (2.2) Khi biết thời gian mở máy tm hay thời gian phanh tp có thể tính được giá trị trung bình của gia tốc (2.3) tm,p : Thời gian mở máy hoặc thời gian phanh, s Vod : Tốc độ chuyển động ổn định của khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến, m/s Thông thường các gia tốc chuyển động tịnh tiến này không vượt quá một giá trị cho phép [a] Các mômen động quy về trục động cơ có thể được phân ra hai phần ứng với các khối lượng chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay dựa vào các công thức (2.1), (2.2) và (2.3): Hoặc Hoặc (2.4) Với cơ cấu nâng có h0 = hg.hP.hT và i0 = ig.a G : trọng lượng vật nâng hoặc trọng lượng di chuyển Trong các công thức trên trọng lượng tính bằng N, gia tốc, m/s2 và đơn vị dài là m thì Md và có giá trị N.m c) Mômen quy dẫn về các trục khác Khi động cơ hoặc phanh làm việc, mômen của chúng sinh ra trên trục 1 có thể quy dẫn sang trục khác [1] : hoặc Trong đó: M1, : Mômen quay trên trục 1, Mômen động cơ hoặc mômen phanh i1,j : Tỷ số truyền giữa trục 1 và trục j h1,j : Hiệu suất truyền động giữa trục 1 và trục j Trong công thức trên chưa kể đến phần mômen quay phải tiêu tốn để tăng tốc hoặc giảm tốc các khối lượng quay đặt trên trục hình(2.3) Hình 2.3: Phân chia mômen quay dọc trên trục Để khắc phục sai sót đó, chúng ta dùng sơ đồ hai khối lượng như hình(2.4) với giả thiết độ cứng C = Ơ Hình 2.4: Sơ đồ hai khối lượng Trong sơ đồ này ta có J1 : mômen quán tính quy dẫn của tất cả các khối lượng quay nằm giữa trục j và trục động cơ (trục 1) quy về trục động cơ J2 : mômen quán tính quy dẫn của tất cả các khối lượng quay và khối lượng chuyển động tịnh tiến từ trục j trở về sau quy về trục 1. Phần mômen tương ứng với mômen tĩnh khi động cơ và phanh làm việc quy về trục j hoặc Phần mômen mở máy sau khi đã tiêu tốn để tăng tốc các khối lượng quay ứng với J1 được quy về trục j Phần mômen phanh trên trục j sau khi đã tiêu tốn để giảm tốc các khối lượng quay ứng với J1 (2.5) Trong các công thức (2.5) chiều của mômen Mm và MH cũng như Mp và ngược chiều. Khi Mm và MH cũng như Mp và cùng chiều thì trong các công thức trên phải đổi dấu của hoặc d) Tổng mômen trong một pha làm việc Một quá trình làm việc của cơ cấu được bắt đầu từ trạng thái đứng yên. Trong thời kỳ mở máy, tốc độ tăng từ 0 đến tốc độ ổn định. Sau một thời gian chuyển động ổn định với tốc độ Vod được coi là không đổi (gọi là thời kỳ chuyển động ổn định) đến thời kỳ phanh tốc độ giảm xuống bằng không. Trong các pha làm việc riêng lẻ đó, tổng mômen quay được quy dẫn về trục động cơ sẽ là: - Thời kỳ chuyển động ổn định có mômen cản tĩnh Mt = Mc ± (Mg) Mômen cản do gió Mg được ghi trong ngoặc vì nó chỉ xuất hiện khi cơ cấu làm việc chịu ảnh hưởng của gió: Khi |Mg| > Mc thì Mt sẽ mang dấu âm khi trước Mg cũng là dấu âm. Cơ cấu làm việc ở chế độ phanh ngay trong thời kỳ chuyển động ổn định. - Thời kỳ mở máy có mômen mở máy yêu cầu Mm = Md ± Mt = Md ± Mt ± (Mg) (2.6) Dấu + trước Mc khi ngoại lực ngược chiều với hướng chuyển động. Điều này luôn luôn xảy ra ở cơ cấu di chuyển và cơ cấu quay hoặc cơ cấu nâng vật và nâng hạ cần khi nâng. Dấu – chỉ có khi hạ vật hoặc cần - Thời kỳ phanh có mômen phanh yêu cầu Mp = ± ± () (2.7) Dấu (–) trước Mc không phụ thuộc vào hướng chuyển động đối với cơ cấu di chuyển, quay. Với các cơ cấu nâng chỉ có quá trình phanh nâng. Dấu (+) cho trường hợp phanh hạ. Các phương trình mômen quay trong các pha làm việc mở máy và phanh có thể cho phép giải hai bài toán thường gặp sau 1) Từ các giá trị của gia tốc am hay ap xác định được Md và theo (2.4), từ đó xác định được các mômen mở máy cần thiết của động cơ Mm hoặc mômen phanh Mp theo (2.6) và (2.7), trên cơ sở đó chọn động cơ hoặc phanh cho phù hợp. Khi chọn phanh cần chú ý hệ số an toàn phanh k: 2) Từ các giá trị biết trước của mômen mở máy của động cơ Mm hoặc mômen phanh Mp, xác định được gia tốc chuyển động của của cơ cấu nhờ đó tính được các tải trọng động quán tính Với bài toán 1 ta có Mômen mở máy của động cơ - Cơ cấu nâng và nâng cần (khi nâng) Mm = Md + Mc - Cơ cấu di chuyển và quay (gió ngược hướng chuyển động) Mm = Md + Mc + Mg Mômen phanh - Cơ cấu nâng và nâng cần (khi hạ) Mp = + - Cơ cấu di chuyển và quay (gió theo hướng chuyển động) Mp = + + Với bài toán 2 ta có Nếu thời gian tm, tp được xác định với tải nhỏ hơn hoặc khi không tải, cần phải xác định lại giá trị Mc hoặc . Cũng có thể xác định thời gian mở máy tm hay thời gian phanh tp theo công thức trên với Mt = Mc + (Mg) 2.1.2.3 Thời gian mở máy và thời gian phanh Mômen động cơ và mômen phanh thay đổi theo tốc độ quay, đặc biệt rõ nét là phanh điện. Để xác định thời gian mở máy và thời gian phanh một cách đon giản, trong sơ đồ một khối lượng của cơ cấu hình(2.5) người ta coi mômen động cơ M và mômen phanh là đại lượng không đổi. Giá trị mômen động cơ được lấy bằng giá trị mômen mở máy trung bình theo bảng. Hình 2.5: Sơ đồ một khối lượng Các mômen cản Mt khi mở máy và khi phanh cũng được coi là không đổi. Từ phương trình cân bằng mômen ở thời kỳ mở máy (khởi động từ trạng tháI đứng yên với = 0 và = 0 khi t = 0) Ta có gia tốc góc Tốc độ góc và Góc quay Thời gian mở máy từ tốc độ đén tốc độ giới hạn (tốc độ làm việc ổn định) là: : Thời gian mở máy động cơ Tương tự có thời gian phanh : Thời gian phanh Nếu hướng của mômen cản Mt hoặc thay đổi, ta thay đổi dấu của các đại lượng này, cụ thể là Để tiện tính toán, thay giá trị mômen quán tính quy dẫn J0 và bằng mômen đà quy dẫn GD2 và với chú ý là: và Ta sẽ có Trong công thức trên GD2 được tính là N.m2; n1 : tốc độ quay của trục động cơ, vg/ph và các giá trị Mm, Mp, Mt đều được tính là N.m. 2.2. Thiết lập phương trình chuyển động cho cầu trục. 2.2.1. Mô hình cơ học của cầu trục. Cấu tạo của cầu trục chân dê: gồm có 4 phần chính: - Bộ chạy - Khung dầm - Xe con - Thiết bị nâng chuyên dụng Hình 2.6 : Hình chung của cầu trục Xe con mang hàng 3 di chuyển dọc theo đường ray ghép trên hai dầm chính theo phương Oz trong hệ trục tọa độ, trên xe con đặt các bộ máy tời và bộ máy di chuyển xe con. Hệ thống tời nâng đặt trên xe con có nhiệm vụ chính nâng vật lên theo trục Oy trong hệ tọa độ. Cầu trục sẽ di chuyển theo trục Ox để đưa vật tới vị trí cần đặt hàng. Các thiết bị trong Cabin điều khiển sẽ đảm bảo cho cầu trục và xe con hoạt động một cách chính xác. Hệ thống bộ chạy của cầu trục gồm hai hệ thống là hệ thống chủ động và hệ thống bị động. Hệ thống chủ động được lắp động cơ và điều khiển còn hệ thống bị động sẽ hoạt động phụ thuộc vào hệ thống chủ động. Căn cứ vào đặc điểm kết cấu của cầu trục, xe con và bộ phận nâng ta có thể thiết lập mô hình cơ học của cầu trục như sau: Hình chiếu bằng của cầu trục: Hình 2.7: Hình chiều bằng của cầu trục Hình chiếu cạnh sau không thể hiện cơ cấu nâng trên đó: Hình 2.8: Hình chiều cạnh của cầu trục Cơ cấu nâng vật như sau: Hình 2.9: Sơ đồ mắc tạo bội suất Palăng Trong đó ròng rọc 2 và ròng rọc 3 có trục vuông góc với nhau. Chuyển động của cầu trục, của xe con và của vật nâng theo các trục tọa độ vuông góc với nhau. Trong đó : m1, m2, m3 là khối lượng khung dầm của cầu trục, khối lượng xe con, khối lượng vật nâng và bộ phận nâng vật. R1, R2, R3 là bán kính bánh xe di chuyển cầu trục, bán kính bánh xe xe con, bán kính tang cuốn cáp. M1, M2, M3 là mômen tác dụng lên trục bánh xe di chuyển cầu trục, mômen tác dụng lên trục bánh xe di chuyển xe con, mômen tác dụng lên tang cuốn cáp. Mmsl1, Mmsl2 là mômen cản lăn tác dụng lên bánh xe khi bánh xe chuyển động quay quanh trục dẫn động. h1, h2, h3 là độ cao của trọng tâm cầu trục, độ cao của trọng tâm xe con, độ cao của trọng tâm vật nâng và bộ phận nâng vật so với mặt đất. Để tạo ra các mômen M1, M2, M3 dẫn động cầu trục, xe con và vật nâng di chuyển phải thông qua các cơ cấu di chuyển cầu trục, cơ cấu di chuyển xe con và cơ cấu nâng. Sơ đồ dẫn động của cơ cấu nâng chính: Hình 2.10: Sơ đồ dẫn động của cơ cấu nâng chính 1 : Động cơ điện 4MТM280S10-Т1 NH = 45 kW; nH = 570 v/ph 2 : Phanh ТКГ-300М Т2 3 : Hộp giảm tốc Ц2-500-8 4 : Khớp răng МЗ-4000 (МЗ-4) 5 : Hộp giảm tốc Ц2-750-25-21Ц Т2 Mô hình của cơ cấu nâng ta thiết lập như sau: Hình 2.11: Mô hình của cơ cấu nâng Trong đó: 0 : Động cơ điện dẫn động cơ cấu nâng 1 : Trục 1 của hộp giảm tốc 1 2 : Trục 2 của hộp giảm tốc 1 3 : Trục 1 của hộp giảm tốc 2 4 : Trục 2 của hộp giảm tốc 2 5 : Tang cuốn cáp. Sơ đồ dẫn động của cơ cấu di chuyển xe con Hình 2.12: Sơ đồ dẫn động của cơ cấu di chuyển xe con 1 : Động cơ điện ДMТH112-6Т1 NH = 7,5 kW; nH = 690 v/ph 2 : Hộp giảm tốc ВКУ-765М-90-23 Т2 3 : Hộp giảm tốc Ц200-H 4 : Nửa khớp răng МЗП-16000 (МЗП-7) 5 : Khớp răng МЗП-16000 (МЗП-7) 6 : Nửa khớp răng bánh phanh ặ160 7 : Phanh ТКГ-160М Т2 8 : ổ lăn 3626 ГОСТ 5721-75 Mô hình của bộ phận dẫn động xe con như sau: Hình 2.13: Mô hình của bộ phận dẫn động xe con Trong đó: 0 : Động cơ điện dẫn động cơ cấu di chuyển xe con 1 : Trục 1 của hộp giảm tốc 1 2 : Trục 2 của hộp giảm tốc 1 3 : Trục 1 của hộp giảm tốc 2 4 : Trục 2 của hộp giảm tốc 2 5 : Ngõng trục bánh xe 6 : Bánh xe. Sơ đồ dẫn động của cơ cấu di chuyển cầu trục: Hình 2.14: Sơ đồ dẫn động của cơ cấu di chuyển cầu trục 1 : Động cơ điện ДМТН112-6 Т1 Nн = 4,5 kW; nн = 900 vg/ph 2 : Phanh ТКГ-160М Т2 3 : Hộp giảm tốc Ц2-350-50-21Ц Т1 4 : Hộp giảm tốc Ц2-350-50-12Ц Т1 5 : Nửa khớp răng ặ160 6 : Ổ lăn 3626 ГОСТ 5721-75 Mô hình của cơ cấu dẫn động cầu trục như sau: Hình 2.15: Mô hình của cơ cấu dẫn động cầu trục Trong đó: 0 : Động cơ điện dẫn động cơ cấu di chuyển cầu trục 1 : Trục 1 của hộp giảm tốc 1 2 : Trục 2 của hộp giảm tốc 1 3 : Bánh răng truyền động thứ 1 4 : Bánh răng truyền động thứ 2 5 : Bánh răng truyền động thứ 3 6 : Ngõng trục bánh xe 7 : Bánh xe Trong trường hợp bắt đầu mở máy cơ cấu chuyển động có gia tốc ta viết phương trình chuyển động cho cơ cấu trong trường hợp này dùng phương trình Lagerange II. Coi đây là cơ cấu không gian, cơ cấu có 3 bậc tự do. Chọn hệ trục toạ độ Oxyz như hình vẽ. Chọn toạ độ suy rộng là: q=Trong đó: q1 = xs: Toạ độ khối tâm cầu trục. q2 = zs: Toạ độ khối tâm xe con. q3 = ys: Toạ độ khối tâm vật nâng. Chọn gốc thế năng tại O. Phương trình vi phân mô tả chuyển động của cầu trục có dạng: (i=1,2,3). Trong đó là thế năng của cơ hệ Qi là lực hoạt động không thế tác dụng lên cơ cấu qi là các toạ độ suy rộng T là động năng của cơ cấu 2.2.2. Thiết lập phương trình chuyển động Động năng của cầu trục bằng tổng động năng của cơ cấu nâng, cơ cấu di chuyển xe con và cơ cấu di chuyển cầu trục. a) Động năng của cơ cấu nâng: : Vận tốc góc, mômen quán tính đối với trục quay của vật quay thứ i : Tỷ số truyền động từ trục i sang trục j Tccn : Động năng của cơ cấu nâng Mà Vậy đ đ Với b) Động năng của cơ cấu di chuyển xe con: : Vận tốc góc, mômen quán tính đối với trục quay của vật quay thứ i : Tỷ số truyền động từ trục i sang trục j Tdcxc : Động năng của cơ cấu di chuyển xe con Mà Vậy đ đ Với c) Động năng của cơ cấu di chuyển cầu trục: : Vận tốc góc, mômen quán tính đối với trục quay của vật quay thứ i : Tỷ số truyền động từ trục i sang trục j Tdcct : Động năng của cơ cấu di chuyển cầu trục Mà Vậy đ đ Với Động năng của cả hệ trong quá trình mở máy: d) Biểu thức thế năng : e) Lực suy rộng : Để tính lực suy rộng, ta tính công di chuyển khả dĩ gây ra bởi các ngoại lực Công do các mômen lực gây ra: Trong đó: , , : Góc quay của bánh xe di chuyển cầu trục, bánh xe di chuyển xe con và tang của cơ cấu nâng. , , : Chuyển động tịnh tiến của cầu trục, xe con và vật nâng Công do các lực cản gây ra: Mà và nên ta có Ta cú: Từ phương trình cân bằng mômen ở thời kỳ mở máy : Mômen cần thiết ở đầu ra quy về trục động cơ : Mômen cần thiết ở đầu ra i : Tỷ số của bộ truyền Mmm : Mômen mở máy ở trục động cơ gây ra cho trục dẫn động j0 : Góc quay của trục động cơ J0 : Mômen quán tính quy về trục động cơ Đối với cơ cấu nâng ta có: J03 : Mômen quán tính quy dẫn Và đ Đối với cơ cấu di chuyển xe con ta có: J02 : Mômen quán tính quy dẫn về trục động cơ của cơ cấu di chuyển xe con Và đ J01: là mômen quán tính quy dẫn về trục động cơ của cơ cấu di chuyển cầu trục Và đ Các lực suy rộng: f) Thiết lập phương trình: Ta lần lượt tính các đạo hàm : Từ (1) (2) và (3) ta có hệ phương trình chuyển động của cầu trục: 2.2.3. Giải bài toán động lực học cầu trục Các giá trị trong phương trình được tính toán cụ thể như sau: Wt2: Lực cản di chuyển xe con do ma sát [1] Trong đó: Khối lượng xe con : mc = 32000 kg Trọng lượng xe con : Gc = g. mc Gia tốc trọng trường : g = 9,81 m/s2 đ Trọng lượng xe con : Gc = 32000x9,81 = 313920 N Khối lượng vật được mang : mload = 50000 kg Trọng lượng vật được mang : Gload = g. mload đ Trọng lượng vật được mang : Gload = 50000x9,81 = 490500 N Hệ số ma sát ổ trục quy về đường kính ngõng trục :ms = 0,015 Đường kính ngõng trục bánh xe : ds =150 mm Hệ số ma sát lăn [1] : f = 0,8 mm Hệ số kể đến ma sát thành bánh xe và ray [1] : kr = 2 Đường kính bánh xe di chuyển : Dw = 630 mm đ đ Wt2 = 9832 N Fg2 : Lực cản di chuyển xe con do gió gây ra (gió có chiều vuông góc với ray di chuyển cầu trục) [1] Fg2 = q.k.c.n.F q : áp suất động của gió trong trạng thái làm việc [1] q = 250 Pa k : Hệ số tính đến sự thay đổi áp suất động của gió theo chiều cao [1] kxe con = 1,13 kcửa van,dầm cặp = 1 c : Hệ số cản khí động học [1] c = 1,2 n : Hệ số động lực học kể đến đặc tính động của tải trọng gió [1] n = 1 Fxe con : Diện tích hứng gió của xe con Fxe con = 40 m2 Fcửa van, dầm cặp : Diện tích hứng gió của cửa van, dầm cặp Fcửa van, dầm cặp = 40 m2 Wxc : Tải trọng gió tác dụng lên xe con Wxc = 40.250.1,13.1,2.1 = 15060 N Wdc : Tải trọng gió tác dụng lên xe con Wdc = 65.250.1.1,2.1 = 19500 N Mà Fg2 = Wxc + Wdc đ Fg2 = 15060 + 19500 = 35100 N Wt1 : Lực cản di chuyển cầu trục do ma sát [1] Trong đó: Khối lượng cầu trục : mc = 68000 kg Trọng lượng cầu trục : G0 = g. mc Gia tốc trọng trường : g = 9,81 đ Trọng lượng cầu trục : G0 = 68000x9,81 = 667080 N Khối lượng nâng : m3 = 50000 kg Tải trọng nâng : Q = g. m3 đ Trọng lượng vật được mang : Q = 50000x9,81 = 490500 N ms : Hệ số ma sát ổ trục quy về đường kính ngõng trục ms = 0,015 ds : Đường kính ngõng trục bánh xe ds = 130 mm f : Hệ số ma sát lăn [1] f = 0,8 mm kr : Hệ số kể đến ma sát thành bánh xe và ray [1] kr = 2,1 Dw : Đường kính bánh xe di chuyển cấu trục Dw = 710 mm đ Fg1 : Lực cản di chuyển cầu trục do gió gây ra (gió có chiều ngược chiều di chuyển cầu trục di chuyển cầu trục) [1] Fg1 = q.k.c.n.F (N) q : áp suất động của gió trong trạng thái làm việc [1] q = 250 Pa k : Hệ số tính đến sự thay đổi áp suất động của gió theo chiều cao [1] k Xe con,nhà che xe con = k khung cầu trục = 1,13 kcửa van,dầm cặp = k Các phần còn lại = 1 c : Hệ số cản khí động học [1] c = 1,2 n : Hệ số động lực học kể đến đặc tính động của tải trọng gió [1] n = 1 F Xe con,nhà che xe con : Diện tích hứng gió của xe con với nhà che xe con F Xe con,nhà che xe con = 20 m2 F khung cầu trục : Diện tích hứng gió của khung cầu trục F khung cầu trục = 18 m2 Fcửa van, dầm cặp : Diện tích hứng gió của cửa van, dầm cặp Fcửa van, dầm cặp = 10 m2 Fphần còn lại : Diện tích hứng gió của phần còn lại Fphần còn lại = 10 m2 Wxc : Tải trọng gió tác dụng lên xe con và nhà che xe con Wxc = 20.250.1,13.1,2.1 = 6780 N Wkhung : Tải trọng gió tác dụng khung cầu trục Wkhung = 18.250.1,13.1,2.1 = 6102 N Wdc : Tải trọng gió tác dụng lên cửa van và dầm cặp Wdc = 10.250.1.1,2.1 = 3000 N Wpcl : Tải trọng gió tác dụng lên cửa van và dầm cặp Wpcl = 10.250.1.1,2.1 = 3000 N Mà Fg1 = Wxc + Wdc + Wkhung + Wpcl đ Fg1 = 6780 + 3000 + 6102 + 3000 = 18882 N Các giá trị mômen quán tính tìm được dùng công cụ MassProperties trong phần mềm SolidWorks. Mômen quán tính của trục động cơ, trục hộp giảm tốc tra trong các Catalog, các tài liệu thiết kế chế tạo cầu trục. Các chi tiết riêng lẻ như bánh răng trung gian của cơ cấu di chuyển cầu trục ta xác định như sau: - Vẽ chi tiết trên phần mềm SolidWorks và gán vật liệu cho bánh răng Hình 2.16: Bánh răng trung gian của cơ cấu di chuyển cầu trục - Sử dụng công cụ MassProperties tìm được mômen quán tính J4x : Hình 2.17: Công cụ xác định mômen quán tính của chi tiết Các giá trị khác của mômen quán tính như sau: = 3,4.10-4 kgm2 = 3,4.10-4 kgm2 = 0,37 kgm2 = 1 kgm2 = 1,2 kgm2 = 1,3 kgm2 = 2 kgm2 = 2,4 kgm2 = 2,6 kgm2 = 0,15 kgm2 = 1,5 kgm2 = 1,4 kgm2 = 0,57 kgm2 = 3 kgm2 = 2,8 kgm2 = 10,3 kgm2 = 6,5 kgm2 = 92,5 kgm2 = 7,8 kgm2 = 9,5 kgm2 = 22,3 kgm2 Các giá trị của tỷ số truyền như sau: = 40 = 8 = 4 = 1,41 = 24,9 = 90 = 2,375 Các giá trị khác của phương trình như sau: R1 = 0,71 m R2 = 0,63 m R3 = 0,87 m m1 = 36000 kg m2 = 32000 kg m3 = 26000 kg Với động cơ di chuyển cầu trục có : Công suất : Ndc1 = 4,5 kW Tốc độ quay : ndc1 = 900 vg/ph Mômen danh nghĩa [1] : Mdn1 Mdn1 = (M.m) Mômen mở máy động cơ [1] : Mmm1 Mmm1 = Mdn1.1,6 = 47,75.1,6 = 75 (M.m) Với động cơ di chuyển xe con có : Công suất : Ndc2 = 7,5 kW Tốc độ quay : ndc2 = 690 vg/ph Mômen danh nghĩa [1] : Mdn2 Mdn2 = (M.m) Mômen mở máy động cơ [1] : Mmm2 Mmm2 = Mdn2.1,6 = 103,8.1,6 = 166 (M.m) Với động cơ nâng vật ta có : Công suất : Ndc3 = 45 kW Tốc độ quay : ndc3 = 570 vg/ph Mômen danh nghĩa [1] : Mdn3 Mdn3 = (M.m) Mômen mở máy động cơ [1] : Mmm2 Mmm3 = Mdn3.1,6 = 753,9.1,6 = 1200 (M.m) Các giá trị khác có giá trị: Mm1 = 20360,4N.m Mm2 = 119520 N.m Mm3=239040 N.m Wt2 = 9832 N Fg2 = 35100 N Wt1 = 12155 N Fg1 = 18882 N J03 = 1 kgm2 J02 = 1,55 kgm2 J01 = 1,63 kgm2 Mx = 236959.163 Mz = 2083123.346 My = 1396054.566 Từ các công thức (4) (5) (6) thay các giá trị ở trên vào ta có: Các giá trị gia tốc tìm được sau khi giải phương trình là: Trong trường hợp không kể đến ảnh hưởng hưởng của gió Fg1 = Fg2 = 0 thì giá trị các gia tốc tìm được như sau: Nhận xét: Trên cơ sở các giá trị gia tốc tính toán được nhờ vào hệ phương trình vi phân chuyển động tính ra các tải trọng động tác dụng lên cầu trục, xe con và cáp treo vật nâng trong quá trình mở máy. Từ đó có thể kiểm tra sự làm việc an toàn của dây cáp, sự ổn định của cầu trục chính xác hơn khi sử dụng các phương pháp tính toán thiết kế thông thường để kiểm tra. 3. Kiểm nghiệm sự an toàn của dây cáp. Sơ đồ mắc vật nâng tạo bội suất palăng: 25T Hình 2.18: Sơ đồ mắc tạo bội suất palăng Lực căng trên mỗi dây là S đ Lực tổng cộng tác dụng lên vật nâng và bộ phận nâng vật là 4.S Mô hình nâng vật trong quá trình mở máy như sau m3g ys 4S dy m Hình 2.19: Mô hình nâng vật để tính lực căng dây áp dụng nguyên lý Dalambert – Lagrange ta có: đ đ Giá trị của đã tìm được trong khi giải phương trình (4) (5) (6) Lực kéo đứt của dây cáp: Sp = 388000 N Hệ số sử dụng thực tế của dây cáp Zf với Hệ số sử dụng nhỏ nhất cho phép (hệ số an toàn bền của dây cáp) Zmin = 4,5 Vậy dây cáp làm việc đủ bền trong điều kiện làm việc có gia tốc khi mở máy khởi động. 4. Tính ổn định cho cầu trục. Khi cầu trục làm việc cần đặc biệt chú ý đến lực quán tính khi khởi động hay hãm đột ngột cả cầu trục và xe con mang hàng vì vậy cần kiểm tra tính đứng vững của cầu trục chân dê trong các trường hợp nguy hiểm này. 4.1. Kiểm tra ổn định của cầu trục khi đang làm việc theo phương dọc với đường ray di chuyển cầu trục. Trường hợp làm việc bất lợi nhất là trường hợp xe con chính mang hàng với tải trọng nâng Qh, cầu trục di chuyển dọc đường ray phanh gấp hay khởi động, gió thổi dọc đường ray theo hướng bất lợi (gió ở trạng thái làm việc). Cạnh lật ở đây là điểm B. Trong đó: Gct=68000(kg) : Trọng lượng chung của cầu trục. h1= 8.429 (m) : Chiều cao từ đất đến điểm đặt lực gió và quán tính tác dụng lên xe con khi cầu trục đang làm việc. Có sơ đồ tính ổn định cầu trục theo phương dọc đường ray ở trạng thái làm việc như sau : Hình 2.21: Sơ đồ tính ổn định cầu trục theo phương dọc đường ray ở trạng thái làm việc Diện tích chịu gió theo phương dọc đường ray của toàn bộ cầu trục chân dê tương đương diện tích chính diện: Fcg = 30m2. Chiều cao đặt lực Pg1 là : h1=8,429m Chiều cao đặt lực Pg2 là : h2=4,2m Pg1 :Tải trọng gió tác dụng lên cầu trục. Pg1=k0 x q x Fcg. Trong đó: k0=1,4 : Hệ số cản khí động học. q= 40kG/m2 : áp lực gió ở trạng thái làm việc bình thường. Vậy Pg1= k0.q. Fcg =1,4 x 40 x 30 =1680 (kG). Diện tích chịu gió của cạnh vật nâng là: Fh= 4 m2. Tải trọng gió tác dụng lên hàng: Pg2=k0 x q x Fh = 1,4 x 40 x 4 = 224 (kG). Pqt1 : Lực quán tính do trọng lượng của cầu trục gây ra. Pqt1= Gct=68000(kg) : Trọng lượng cầu trục. act : Gia tốc chuyển động của cầu trục Pqt2 : Lực quán tính do trọng lượng của hàng nâng gây ra. Pqt2= Qh= 52000 (kG) : Trọng lượng hàng nâng danh nghĩa và thiết bị mang ahn : Gia tốc chuyển động Chiều cao đặt lực quán tính của hàng : h2 =4,4 m Hệ số đứng vững của cầu trục theo phương dọc đường ray tính theo công thức: k1= Trong đó: Mcl : Mô men chống lật. Mcl= (Gct+Qh).a/2=(68000+52000).4,25 = 510000 (kG.m) Ml : Mô men lật của cầu trục. Ml =Mlct + Mlh Mlct = Pqt1.h1+Pg1.h1’= 8160.6 + 1680.8,429 = 63120,72 (kG.m) Mlch = Pqt2.h1+Pg2.h2= 6240 . 4,2 + 224 . 4,2 = 27148,8 (kG.m) Ml = 63120,72 + 27148,8 = 90269,52 (kG.m) Thay vào: k1=. Vậy theo phương dọc đường ray, cầu trục chân dê làm việc ở trạng thái làm việc bất lợi nhất nhưng kiểm nghiệm cho thấy nó vẫn ổn định. 4.2. Kiểm tra ổn định của cầu trục khi đang làm việc theo phương vuông góc với đường ray di chuyển cầu trục. Trong trường hợp bất lợi nhất, xe con mang hàng đi ra phía ngoài cùng của dầm chính, đến vị trí biên trên dầm chính thì phanh gấp hay khởi động va vào khối cao su giảm chấn, gió thổi theo hướng bất lợi tác dụng lên xe con, hàng nâng và kết cấu thép cầu trục khi đó cầu trục sẽ bị lất quanh cạnh B. Sơ đồ tính ổn định cầu trục như hình vẽ Hình 2.22: Sơ đồ tính ổn định cầu trục theo phương vuông góc đường ray ở trạng thái làm việc Pg : Tải trọng gió tác dụng lên cầu trục Pgct = ko x q x Fg1 = 1,4x40x50 = 2800 (kG) Pgh  : Tải trọng gió tác dụng lên hàng: Pgh = ko x q x Fgh = 1,4x40x60 = 3360 (kG) Trong đó: Fgh = 60 m2 : Tiết diện chịu gió của vật nâng Pqtxc : Lực quán tính của xe con Pqtxc= : Gia tốc lớn nhất của xe con được tính ở phần trên bằng 0,044 Pqth : Lực quán tính của hàng Pqth= Hệ số ổn định của cầu trục theo phương vuông góc với đường ray ở trạng thái làm việc được tính theo công thức: . Trong đó: Mcl : Mô men chống lật của cầu trục. Gct : Trọng lượng phần kết cấu thép khung cầu trục Mcl = Gct x L/2 + (Gxc+Qh) x 0,25 Mcl = 36000.3+(32000+52000).0,25 = 153000 (kG.m). Ml : Mô men gây lật cầu trục. Ml = Pgctx h1 + Pgh x h2 +Pqtxc x h’1 +Pqthxh2 Ml = 2800x8,429 + 3360x4,2 + 1408 x 9 + 2288 x 4,2 = 59994,8(kG.m) Vậy cầu trục chân dê ổn định theo phương vuông góc với đường ray ở trạng thái làm việc bất lợi nhất. Nhận xét: Các kết quả tính toán về ổn định của cầu trục dưới tác dụng của tải trọng động sẽ là đầu vào của bài toán thiết kế và kiểm tra khung dầm cầu trục được trình bày tại các phần tiếp theo. 5. Thiết kế khung dầm cho cầu trục. 5.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế kết cấu khung cầu trục. Kết cấu kim loại cầu trục hai dầm kiểu hộp kích thước cơ bản nhất của dầm chính là chiều cao và chiều rộng của nó Hình 2.23: Kích thước cơ bản của kết cấu thép dầm hộp Hình trên biểu diễn những kích thước cơ bản của kết cấu thép dầm hộp trong đó: H : Chiều cao của dầm chính B : Khoảng cách giữa hai thành đứng d : Bề dày thành đứng h0 : Khoảng cách giữa hai tâm thanh biên Để đảm bảo độ bền và độ cứng của dầm trong mặt phẳng đứng chiều cao của dầm chính thường lấy trong giới hạn[2]: Trong đó: L : Khẩu độ của cầu trục Để giảm nhẹ trọng lượng cầu và để áp dầm chính vào dầm cuối chiều cao của hai đầu dầm chính có thể lấy trong khoảng Hđ = (0,4 á 0,6).H. Chiều dài đoạn nghiêng của dầm chính c = (0,1 á 0,2).L Để đảm bảo độ cứng của dầm khi xoắn, khoảng cách giữa hai thành đứng của hộp lấy trong giới hạn[2]: và Chiều rộng của thanh biên trên và dưới Vì trên thanh biên trên có đặt đường ray chịu tải nên chiều dày của nó lấy lớn hơn chiều dày của thanh biên dưới và cần lấy lớn hơn 6 mm. Chiều dày thành đứng của hộp cần lấy lớn hơn 6 mm và thường lấy phụ thuộc vào tải trọng của cầu trục[2]: Q Ê 20 t : d = 6 mm Q = 30 á 75 t : d = 8 mm Q = 75 á 200 t : d = 10 mm Q ³ 200 t : d = 12 mm Chiều dày của thành đứng còn được chọn theo điều kiện ổn định cục bộ của dầm. Khi để tăng độ ổn định cục bộ của dầm cần hàn những đoạn thép góc trên suốt chiều cao của dầm. Đó là các gân tăng cứng. Khoảng cách lớn nhất giữa các gân không lớn hơn hai lần chiều cao của dầm và cũng không lớn quá 3 m. Trong trường hợp có dàn đứng phụ thì các gân nên đặt cách nhau một khoảng bằng chiều dài đốt của dàn đứng phụ. Ngoài các gân tăng cứng trên suốt chiều cao của dầm, giữa chúng còn hàn thêm các đoạn thanh ngắn chiều dài b1 ³ 0,3.h0 và h1 ³ 0,4.a1. Trong trường hợp cần hàn thêm một thanh dọc theo chiều dài của dầm. Ngoài ra để dầm nhẹ hơn người ta còn làm các cửa sổ con trên thành đứng dọc theo chiều dài của dầm. Kinh nghiệm cho thấy rằng chỉ dùng các thanh ngắn trung gian để tăng cứng khi có các thanh dọc, vì nếu không có các thanh dọc sẽ làm xuất hiện các vết nứt rạn do mỏi ở các thanh ngắn đó. Phân tích ảnh hưởng của những trường hợp căng khác nhau của thành đứng theo độ ổn định cục bộ ta thấy: 1) ở tiết diện, nơi mà ảnh hưởng chính là lực cắt, còn ảnh hưởng của mômen uốn có thể bỏ qua (đầu dầm), phần thành đững nằm giữa các thanh biên và các gân tăng cứng chịu nén và có thể mất độ ổn định. ứng suất tiếp tới hạn phân bố đều dọc theo tất cả các cạnh của nó và có thể tính gần đúng như sau[2]: Trong đó: d : chiều dày thành đứng của hộp. Hệ số an toàn ổn định cục bộ: Trong đó: t : ứng suất tiếp dưới tác dụng của lực cắt trong phần dầm đang xét. 2) ở tiết diện, nơi mà ảnh hưởng chính là mômen uốn, còn ảnh hưởng của lực cắt có thể bỏ qua được (giữa dầm), phần thành đứng nằm giữa hai thanh biên và hai gân tăng cứng có thể xem như tấm chịu uốn thuần tuý. Trong trường hợp này tấm có thể mất độ ổn định trong vùng chịu nén của dầm. ứng suất pháp tới hạn của tấm này phân bố theo hai cạnh của tấm và bằng: Hệ số an toàn ổn định cục bộ trong trường hợp phối hợp tải trọng thứ nhất: Trong trường hợp phối hợp tải trọng thứ hai: Trong đó: d1 và d2: ứng suất nén ở biên của phần dàn đang xét. Gân tăng cứng dọc nên đặt ở vùng bị nén của thành hộp cách mép trên của thành hộp một đoạn ht = (0,2 á 0,25). h0 [2]. Đường ray của xe lăn cần đặt đối xứng với trục thẳng đứng của hộp. Tuy nhiên tốt nhất là nên đặt đường ray lên trên một trong các thành của hộp. Đặt đường ray lên trên một trong các thành của hộp có ưu điểm là kim loại được sử dụng hợp lý hơn, vì bề rộng của dầm chỉ cần đủ để đặt và sử dụng các cơ cấu và thiết bị điện. Thiết bị điện trong kết cấu này thường đặt bên trong dầm. Vì thế kết cấu cầu hai dầm với đường ray đặt trên thành đứng của hộp có khối lượng tương đối nhỏ nhưng độ bền mỏi và tính công nghệ cao. Khi đặt đường ray lên trên một trong các thành của hộp áp lực thẳng đứng của các bánh xe lăn sẽ sinh ra mômen xoắn dầm. cánh tay đòn của mômen xoắn là khoảng cách từ tâm uốn của dầm tới tâm đường ray. Nhưng trị số của mômen xoắn này quá nhỏ nên ta có thể bỏ qua. Tuy nhiên việc đặt đường ray lên trên một trong các thành của hộp sẽ sinh ra ứng suất tiếp phụ vì thế nếu ta làm chiều dày của hai thành đứng giống nhau thì ứng suất tiếp trong chúng rất khác nhau. Do đó, trong trường hợp này hợp lý nhất là nên làm chiều dày thành đứng phía đặt đường ray lớn hơn chiều dày thành đứng kia. Trong cầu trục có thể dùng thép hình vuông nhãn hiệu Ct5 để làm ray hoặc có thể dùng ray chuyên dùng cho ngành máy trục hay là ray chuyên dùng cho ngành xe lửa[2]. Thường dùng loại thép hình vuông mỗi cạnh 60 mm để làm ray cho các cầu trục có chế độ làm việc nhẹ và chế độ làm việc trung bình. Đối với các cầu trục có chế độ làm việc nặng loại ray này ít được sử dụng vì độ chịu mòn của nó kém. Trong trường hợp này nên dùng loại ray chuyên dùng cho ngành máy trục KP – 50, KP – 60, KP – 70, KP – 80, KP – 100, KP – 120 và KP – 140 theo GOCT 4121 – 55. Ray chuyên dùng cho ngành xe lửa yếu hơn ray chuyên dùng cho ngành máy trục. Tuy nhiên chúng có thể được sử dụng trong những trường hợp thích hợp, như làm ray cho máy trục đặt trên mặt đất và trong những cầu trục có trọng tải nhỏ và trung bình. Việc đặt đường ray phải bảo đảm chắc chắn, không cho phép chuyển vị dọc hay chuyển vị ngang khi máy trục làm việc. Vì những chuyển vị này có thể sinh ra khi phanh máy trục do lực ma sát trượt giữa bánh xe và ray, đồng thời do kết quả của những va chạm ngang vào ray của các thành bánh xe. Kết cấu đặt ray phụ thuộc vào kiểu ray và phụ thuộc vào kiểu đặt ray cố định hay kiểu đặt ray tháo được. Kiểu đặt ray cố định của loại ray hình vuông ta dùng mối ghép hàn. của loại ray chuyên dùng ta dùng mối ghép đinh tán hay dùng tấm kẹp hàn. Khi hàn ray có thể dùng mối hàn gián đoạn với tỷ số Trong đó: b : Chiều dài đoạn không hàn a : Chiều dài mối hàn Trong kiểu đặt ray tháo được ta dùng bulông. Các tấm kẹp cần hàn 1 á 2 mm [2] cao hơn nền đường ray. Nếu các tấm kẹp hàn bằng nền đường ray thì khi hàn có thể có tấm kẹp nào đó nằm dưới bề mặt nền đường ray. Khi đó dưới áp lực của các bánh xe các mối hàn có thể bị cắt đứt. Đối với tiết diện hình hộp có hai thành, khi khó hay không thể đặt bulông qua thanh biên trên thì tốt nhất là dùng các kiểu đặt ray khác. ứng suất tiếp xúc (σ, MPa) của bánh xe với ray có đỉnh lồi được xác định theo công thức[2]: Trong đó: P : áp lực tương đương của bánh xe lên ray b, r : Bề rộng mặt làm việc và bán kính bánh xe E : Môđun đàn hồi của vật liệu làm ray và bánh xe ứng suất tiếp xúc σd không vượt quá ứng suất cho phép 5.2 Thiết kế khung dầm cho cầu trục đập tràn SêSan 4. Để tính toán kết cấu thép cầu trục trước tiên ta cần định ra kích thước các mặt cắt của cầu trục dựa vào một số cơ sở sau đây: - Để dầm chính đảm bảo độ cứng vững, ổn định thì chiều cao dầm chính phải thoả mãn công thức kinh nghiệm sau đây: Trong đó: h : Chiều cao của dầm chính (mm) L : Khẩu độ của cầu trục (mm), L = 6000 mm Do đó : Chọn sơ bộ chiều cao của dầm chính là h =700 mm - Để dầm chính đảm bảo độ cứng chống xoắn thì bề rộng của dầm chính phải thoả mãn công thức kinh nghiệm sau: b ³ (0,33 á 0,5).h = (0,33 á 0,5).700 = 321 á 350 mm Trong đó: b : Chiều rộng của dầm chính (mm) h : Chiều cao của dầm chính (mm), h = 700 mm Chọn b = 500 mm Với yêu cầu về chế độ làm việc và độ ổn định cục bộ cũng như tổng thể của các thành phần cấu thành kết cấu thép cầu trục, ta sẽ sơ bộ định được kích thước các tiết diện của chúng như sau: Mặt cắt dầm chính có dạng hộp: 700x400x16x10 Chân cầu trục: 400x400/800x400x20x20 Giằng dưới: 300x300x12x8 Giằng trên: 500x300x12x8 5.3 Các thông số để kiểm nghiệm cầu trục trên phần mềm Cosmos. Các thông số cần thiết để tính tải trọng tác dụng lên kết cấu thép của cầu trục gồm có: - Gcầu trục : Tải trọng bản thân cầu trục(kG) có thể tính sơ bộ theo công thức kinh nghiệm hoặc có thể chọn lựa theo Attlát. - Gxe con : Tải trọng bản thân của xe con (kG) có thể tính sơ bộ theo công thức kinh nghiệm hoặc có thể chọn lựa theo Attlát. - Qh : Tải trọng hàng nâng và bộ phận nâng hàng (kG) - p : áp lực gió ở trạng thái làm việc của cầu trục. p = 250 kG/m2 Trọng lượng cầu trục, chọn sơ bộ theo Attlat : Gcầu trục ằ 68000 (kG). Trọng lượng xe con, chọn sơ bộ theo Attlat : Gxe con = 32000 (kG). Trọng lượng hàng nâng và cụm móc treo : Qh = 52000 (kG). Tải trọng do gió : Pg = Fc.p áp lực gió : p = 250 (kG/m2 ). Tải trọng gió phân bố lên dầm chính cầu trục: qg = 250 . 0,7 = 175(kG/m). Tải trọng quán tính hàng nâng tác dụng lên cầu trục khi khởi động: Pqth = ahn.Qh = 0,3.52000 = 15600 (kG) Trong đó: ahn : Gia tốc của vật nâng lấy giá trị lớn nhất tính được ở phần trên ahn = 0,3 m/s2 Tải trọng quán tính sinh ra khi khởi động của xe con khi mang hàng: Pqtxc = axc.( Qh +Gxe con) Trong đó: axc : Gia tốc của bộ máy di chuyển xe con khi khởi động tính được trong phần tính toán trên , axc = 0,044 m/s2 Pqtxc = 0,044.( 52000 + 32000) = 3696 (kG). Tải trọng quán tính của cầu trục chân dê khi khởi động Pqtct = act.( Qcâù trục + Qh) Trong đó: act : Gia tốc của bộ máy di chuyển cầu trục khi khởi động lấy giá trị lớn nhất tính được ở phần trên, act = 0,12 m/s2 Pqtct = 0,12. (68000+ 52000) = 14000(kG). Vậy tải trọng lớn nhất tác dụng lên khung dầm cầu trục theo phương thẳng đứng là: Qh + Pth + Qxc= 52000 + 15000 + 32000 = 99000 (kG). Trên đây là toàn bộ các lực tác dụng lên kết cấu thép của cầu trục trong trường hợp nâng tải tối đa và làm việc bất lợi nhất. Tất cả các lực này sẽ được đặt lên kết cấu cầu trục được kiểm nghiệm bằng phần mềm Cosmos ở chương sau của đồ án. 6. Kết luận. Trong tính toán thiết kế cầu trục thông thường không xét đến ảnh hưởng của tải trọng động và nếu có xét đến ảnh hưởng của tải trọng động thì cũng chỉ đưa các hệ số thực nghiệm, hệ số tải trọng động vào các phương trình để tính toán. Vì vậy để giải quyết được những vấn đề đặt ra tôi đã tìm hiểu về lý thuyết tính toán cầu trục theo phương pháp thông thường, đặc trưng động học của một cơ cấu, xây dựng mô hình chuyển động và đã lập được một hệ phương trình vi phân chuyển động. Kết quả của việc giải phương trình chuyển động tìm được các gia tốc từ đó xác định được các tải trọng động để kiểm tra sức bền của cáp đảm bảo yêu cầu và kiểm nghiệm cầu trục ổn định khi làm việc. Trên cơ sở các tính toán kiểm tra trong phần 3, phần 4 của chương này là đầu bài để thiết kế kết cấu thép cầu trục ở phần 5 và tôi đã thiết kế được khung dầm của cầu trục với các bộ phận: dầm chính, chân cầu trục, giằng trên và giằng dưới. Kết cấu được thiết kế là cơ sở để dựng hình và kiểm tra cầu trục bằng phần mềm Cosmos ở chương III của đồ án. Chương III Mô phỏng cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn của công trình thuỷ điện Sê San 4 1. Giới thiệu và kiểm nghiệm bằng phần mềm Cosmos. 1.1. Giới thiệu về phần mềm Cosmos. 1.1.1. Khái quát chung về phần mềm Cosmosdesignstar. Cosmosdesignstar là một phần mềm có kiến trúc mở giải quyết được nhiều vấn đề khác nhau, có giao diện rất thuận tiện, thân thiện, dễ sử dụng và đặc biệt có tính hiệu quả rất cao. Nhờ có kiến trúc mở nên nó có khả năng cho phép tích hợp nhiều yếu tố khác nhau như phân tích phần mềm, sử dụng từng phần theo yêu cầu hoặc bổ xung vào các chương trình khác. Sau khi xây dựng mô hình trong hệ thống thiết kế CAD (Autocard, Solidworks,…) và được lưu lại, ta có thể mở mô hình trong Cosmosdesignstar. Trong Cosmosdesignstar, ta có thể tạo các bài kiểm nghiệm, xác định thuộc tính vật liệu, đặt tải trọng, thêm vào các điều kiện biên, chia lưới rồi chạy và quan sát kết quả. Trong nhiều năm trở lại đây, phương pháp phần tử hưu hạn được xem như là chiếc chìa khoá trong ngành công nghệ phần mềm, đặc biệt là phần mềm bổ trợ cho các lĩnh vực cơ khí, kiến trúcvà xây dựng. Không ngoại trừ điều này, phần mềm Cosmosdesignstar cũng vậy. Cơ sở phân tích tính toán của phần mềm này được lập trình bằng phương pháp phần tử hữu hạn, thông qua việc tính toán và chia lưới mô hình thành các phần tử nhỏ hơn để phân tích, độ mịn của chia lưới là tuỳ chọn do người sử dụng chọn. 1.1.2. Một số khả năng phân tích trong Cosmosdesignstar. Cosmosdesignstar cung cấp một số khả năng phân tích các bài toán kỹ thuật được thể hiện cụ thể dưới đây: a) Phân tích tần số Một trong những đạc điểm chung của cơ hệ là khi dao động nó không dao động với một tần số nhất định mà dao động với rất nhiều tần số khác nhau, mặt khác trong một số trường hợp cộng hưởng xảy ra gây hại lớn cho cơ hệ do vậy ta thường tính tần số này để tránh hiện tượng cộng hưởng. Cosmosdesignstarcung cấp công cụ tính toán, phân tích tần số cơ hệ một cách chính xác và hiệu quả. b) Phân tích nhiệt Dòng nhiệt luôn được truyền từ vật có nhiệt độ cao tới vật có nhiệt độ thấp và có rất nhiều cách truyền nhiệt khác nhau như dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt. Các cách truyền nhiệt khác nhau thực hiện theo các nguyên lý khác nhau do vậy rất phức tạp khi chúng ta phân tích tính toán sự truyền nhiệt này.Trong thực tế nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phân tích tính toán đối tượng. Cosmosdesignstar cung cấp công cụ hữu ích để giải quyết vấn đề này gọi là công cụ phân tích nhiệt trong Cosmosdesignstar. c) Phân tích tĩnh tuyến tính Phân tích tĩnh tuyến tính được chấp nhận khi thoả mãn điều kiện sau: - Tất cả các tải trọng được đặt từ từ cho đến khi chúng đạt tới một độ lớn nhất định, sau đó các tải trọng được duy trì không đổi. - Tất cả các vật liệu tuân theo định luật Hook, ứng suất quan hệ tuyến tính với chuyển vị. - Các chuyển vị đủ nhỏ để bỏ qua sự thay đổi độ cứng được gây ra bởi tải trọng. - Các điều kiện biên không thay đổi trong suốt quá trình đặt tải trọng, các tải trọng không thay đổi về độ lớn, hướng tác dụng và sự phân bố. Trong thực tế chúng ta hay dùng cách phân tích này vì đa số các trường hợp tính toán ta chỉ giới hạn các đối tượng có tính chất tuyến tính, kết quả chạy tính toán nhanh và dễ hơn so với phân tích phi tuyến. d) Phân tích phi tuyến Trong phân tích phi tuyến, người ta xem như quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị là tuyến tính, nhưng trong thực tế hầu hết các cấu trúc có tính cư xử phi tuyến do vậy phân tích tuyến tính chỉ đáp ứng đến độ chính xác nhất định. Trong vài trường hợp có thể có sai số khá lớn khi phân tích tuyến tính, do vậy ta nên dùng công cụ phân tích phi tuyến để phân tích bài toán. Trong Cosmosdesignstar cung cấp công cụ cho phép thực hiện phân tích tính toán các bài toán phi tuyến. e) Phân tích uốn tuyến tính Các mô hình có trục đối xứng thường có khuynh hướng uốn theo trục của nó dưới tác dụng của tải trọng. Uốn có thể được xem như biến dạng xảy ra đột ngột khi năng lượng dự trữ trong thanh được chuyển thành năng lượng uốn mà không có sự thay đổi lớn nào của tải trọng đặt vào. Theo mặt toán học, khi uốn xảy ra, ma trận tổng độ cứng trở thành ma trận đơn. Trong thực tế hầu hết các đối tượng nghiên cứu đều có dạng đối xứng theo trục do vậy phân tích uốn tuyến tính này rất hay được dùng trong các bài toán kỹ thuật. f) Phân tích dòng chất lỏng và khí Phân tích dòng dùng để phân tích truyền nhiệt và chuyển động của dòng chất lỏng và khí. Phân tích dòng giải quyết hệ phương trình toán học thể hiện các chuyển đổi nhiệt và động lượng trong khối chất lỏng chuyển động. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để giải quyết các bài toán liên quan đến chất lỏng, bằng cách chuyển đổi hệ phương trình vi phân chuyển động của khối chất lỏng thành hệ phương trình đại số sau đó giải quyết các bài toán xấp xĩ đến độ chính xác nhất định. Dưới đây là danh sách liệt kê các tính chất và chức năng trong CosmosFlow: + Tính năng hình học: - Chỉ có mô hình 3D mới có thể được phân tích trong Cosmosflow. - Toạ độ phân tích tuân theo toạ độ Descartes. + Khả năng phân tích dòng: - Phân tích dòng hỗn loạn và dòng phân lớp . - Phân tích dòng một pha và dòng nhiều pha. - Phân tích dòng Newton và dòng phi Newton. - Phân tích dòng trong và dòng ngoài. - Phân tích các yếu tố cản dòng. - Phân tích sự giao thoa của các chuyển đổi nhiệt. - Phân tích khả năng truyền dẫn nhiệt. - Phân tích luồng nhiệt + Tính năng phân tích dòng: - Xử lý nhiều chức năng cùng một lúc. - Giải quyết các ma trận cấp cao không đối xứng. - Xử lý tích hợp nhiều kết quả. - Xây dựng các bảng quan sát theo dạng form. - Hiệu chỉnh các thuộc tính cơ sở tuỳ theo người sử dụng. Khả năng phân tích một hệ phức tạp như một cái cầu chẳng hạn, được thể hiện như sau: Hình 3.1: Cosmos phân tích kết cấu dạng khung, dàn Với các chi tiết phức tạp như bánh răng,..cũng có thể phân tích được bằng phần mềm Cosmos như sau: Hình 3.2: Cosmos phân tích chi tiết dạng phức tạp 1.2. Kiểm nghiệm khi cầu trục làm việc bằng phần mềm Cosmos. Các chi tiết, bộ phận của cầu trục được xây dựng trên SolidWorks sau đó chuyển sang phần mềm Cosmos. Để phân tích tĩnh được trên Cosmos trước tiên phải tạo một Study mới sau đó gán vật liệu cho từng bộ phận thích hợp. Xác định vị trí liên kết cố định và vị trí lực tác dụng. Cuối cùng là chia lưới và chạy chương trình phân tích tự động. Kết quả phân tích dầm chính cầu trục bằng phần mềm Cosmos với các lực tác dụng được xác định trên các phần tính toán giải tích ở trên. Hình vẽ cầu trục trên phần mềm SolidWorks: Hình 3.3: Hình ảnh cầu trục trên phần mềm SolidWorks Kiểm nghiệm trong trường hợp vật nâng khởi động hay phanh đột ngột. Các kết quả kiểm nghiệm cho thấy ứng suất, độ võng, phản lực liên kết, biến dạng, hệ số an toàn.. được hiển thị bằng bảng màu và giá trị tương ứng trên thanh giá trị trên của sổ làm việc của Cosmos. Sơ đồ đặt lực như sau: Hình 3.4 : Sơ đồ đặt lực trên phần mềm Cosmos Sau khi được chia lưới và chạy chương trình trên Cosmos ta có kết quả sau: Hình ảnh sau khi chia lưới: Hình 3.5 : Cầu trục sau khi chia lưới ứng suất: Hình 3.6 : ứng suất Vôn-miss Nhận xét: ứng suất lớn nhất tác dụng lên dầm chính của cầu trục theo tiêu chuẩn Vôn-Miss là 1,322.108 nhỏ hơn ứng suất chảy của vật liệu làm cầu trục là [s]ch = 3,45.108. Như vậy cầu trục thừa bền. Biện pháp hạn chế sự lãng phí vật liệu trong trường hợp này là giảm số gân tăng cứng trên dầm chính, tăng khoảng cách giữa các gân tăng cứng lên hoặc cũng có thể giảm bề dày của dầm chính. Các ứng suất theo ba trục x, y, z như sau: Theo trục x: Hình 3.7 : ứng suất theo phương x Theo trục y: Hình 3.8 : ứng suất theo phương y Theo trục z: Hình 3.9 : ứng suất theo phương z Cường độ ứng suất: Hình 3.10 : cường độ ứng suất Xét chuyển vị của dầm: Hình 3.11 : Chuyển vị chung của cầu trục Nhận xét: Độ võng phải thoả mãn điều kiện . Độ võng của dầm tại vị trí nguy hiểm nhất được kiểm nghiệm bằng phần mềm Cosmos là 2,849 mm. Vậy cầu trục đảm bảo điều kiện cứng. Chuyển vị của cầu trục theo các phương: Theo phương x: Hình 3.12 : Chuyển vị của cầu trục theo phương x Theo phương y: Hình 3.13 : Chuyển vị của cầu trục theo phương y Theo phương z: Hình 3.14 : Chuyển vị của cầu trục theo phương z Phản lực tính toán chung: Hình 3.15 : Phản lực tính toán chung Sức căng: Hình 3.16 : Sức căng của cầu trục Biến dạng: Hình 3.17 : Biến dạng của cầu trục Hệ số an toàn: Hình 3.18 : Hệ số an toàn của cầu trục Nhận xét: Hệ số an toàn thấp nhất là 2,61 chính là vị trí giữa dầm chính. 2. Mô phỏng chuyển động của cầu trục. 2.1. Giới thiệu thư viện đồ hoạ OPENGL. Thư viện đồ hoạ OpenGl là một thiết bị và là một hệ thống các thư viện độc lập sử dụng cho không gian 3 chiều. Thư viện OpenGl được phát triển bởi tập đoàn Silicon Graphic Inc (SGI). Hiện nay OpenGl được sử dụng rộng rãi trong các hệ điều hành như Window9x, WindowNT.. Mục đích của thư viện OpenGl là trả về đối tượng không gian 2 chiều và 3 chiều vào trong một bộ đệm khung (Frame buffer) như là điểm nhớ của phần cứng đồ hoạ. Thư viện OpenGl về cơ bản là một thủ tục ta phải chỉ rõ cách đối tượng được vẽ. Đối tượng hình học phức tạp sẽ được mô tả trong một phần tử đơn giản mà ứng dụng định nghĩa. Ta có thể thực hiện chương trình ứng dụng trong thư viện MFC hoặc Application Win32 của Visual C++. Trước khi viết mã lệnh cho chương trình ta cần tạo liên kết giữa Visual C++ với môi trường OpenGl bằng cách Link tới glu32.lib, glaux.lib, opengl32.lib. OpenGL là một giao tiếp phần mềm với phần cứng đồ họa. Nó gồm khoảng 150 câu lệnh dùng để định nghĩa các vật thể và các thao tác nhằm tạo ra ứng dụng đồ họa ba chiều. OpenGL được thiết kế độc lập với giao diện của hệ điều hành nên có thể chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau. Do đó nó không hỗ trợ các lệnh đồ họa cấp cao, để có được những đối tượng đồ họa phức tạp ta phải xây dựng từ những đối tượng rất cơ bản như điểm, đường, đa giác... 2.2. Tạo giao diện cho chương trình Dùng thư viện MFC của Visual C++ xây dựng ứng dụng SDI bằng cách chọn Single Document Interface. Tạo các nút bấm cho các điều khiển ta vào MainMenu và ToolBar để tạo một menubar mới hay một nút mới. Ta có thể thay đổi biểu tượng của các nút trong giai đoạn này. Để tạo lập môi trường OpenGL trong VisualC++ chọn Seting liên kết với các thư viện chuẩn của OpenGL là glu32.lib, opengl32.lib, glaux.lib. Sau đó gộp các tệp tin OpenGLInit.h vào ứng dụng. Thay đổi các hàm OnCreat(), OnSize().. gắn với các thông điệp WinDows như: WM_CREAT, WM_SIZE.. Tạo các lớp kế thừa từ lớp CDialog để vẽ đồ thị lên đó có dạng 1 Dialog được thiết lập ở góc phải màn hình khi ta bấm nút trên thanh Toolbar. Để tạo cảnh đồ hoạ động: là các khung hình kế tiếp nhau của cảnh sẽ được vẽ, xoá liên tục đồng nghĩa với việc ta phải liên tục gọi các hàm OnDraw() hay OnPaint(). Điều này được thực hiện bằng bộ định thời của Windows thông qua thông điệp WM_TIMER gắn với hàm OnTimer(). 2.3. Vẽ hình. Sử dụng AutoCad3D vẽ từng bộ phận của cầu trục, hay ta cũng có thể dùng SolidWorks để vẽ sau đó chuyển sang AutoCad3D. Kích thước của các bộ phận tự chọn và đã được cố định từ trước và trong chương trình ta không thay đổi được. Các hình 3D được chuyển sang file dạng *.bdf. Các tệp *.bdf được sử dụng trong chương trình là ctruc.bdf, tang.bdf, vnang.bdf, xcon.bdf. Các chi tiết được đưa vào chương trình bằng biến m_scene thuộc lớp Cscene được xây dựng từ file ObjectsOpenGL.h. ví dụ ta dùng lệnh: _scene.addObject(Cmodel(“tang.bdf”));..để đưa hình vẽ tang nâng vật vào màn hình đồ hoạ. Với mỗi bộ phận của cầu trục hoạt động theo một quy luật riêng trong hệ toạ độ ta dùng các hàm có sẵn trong OpenGl là glPushMatrix() và glPopMatrix(). 2.4. Mô tả chuyển động của cầu trục Khi chương trình mô phỏng được chạy, màn hình được thể hiện như sau : Hình 3.19 : Hình ảnh mô phỏng cầu trục Khi muốn xem chuyển động của cả ba cơ cấu chuyển động phối hợp ta nhấn vào nút Play trên màn hình. Khi dừng chuyển động nhấn nút Stop. Các số I, II, III, IV ứng với mỗi chế độ chuyển động của cầu trục. I là chế độ chuyển động mà cầu trục di chuyển xe con không nâng vật, xe con không di chuyển II là chế độ chuyển động mà cầu trục không di chuyển, xe con di chuyển và nâng vật. III là chế độ chuyển động mà cầu trục, xe con không di chuyển chỉ có tang quay nâng vật lên. IV là chế độ chỉ có xe con chuyển động. Ba nút C, N, X là chỉ khi muốn xem đồ thị vận tốc và quãng đường dịch chuyển của cầu trục, xe con, vật nâng trong quá trình mở máy. Nếu coi chuyển động là chuyển động thẳng đều gia tốc trong khoảng thời gian mở máy là một hằng số thì đồ thị chuyển động của vật nâng được thể hiện như hình sau: Hình 3.20 : Đồ thị thể hiện chuyển động của vật nâng khi gia tốc a = 0,3 m/s2 3. Kết luận. Trong chương này tôi đã tìm hiểu về khả năng làm việc của phần mềm Cosmos và thư viện đồ họa OpenGL. Khi phân tích kết cấu khung cầu trục khi chịu ảnh hưởng của tải trọng lớn nhất bằng phần mềm Cosmos kết quả cho thấy ứng suất và chuyển vị của cầu trục đều nằm trong giới hạn cho phép. Khi cầu trục làm việc các cơ cấu có thể làm việc độc lập hoặc có thể làm việc phối hợp với nhau vì vậy chương trình mô phỏng chuyển động của cầu trục đã thể hiện được những chuyển động này. ChưƠng IV Kết luận chung Trong đồ án này tôi đã thực hiện được những công việc sau: 1) Lập mô hình chuyển động của cầu trục để thiết lập được một hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động cầu trục. Từ phương trình giải ra được gia tốc của cầu trục trong khoảng 0,07 á 0,12 m/s2, gia tốc của xe con trong khoảng 0,035 á 0,044 m/s2 và gia tốc của vật nâng là 0,3 m/s2. Với các giá trị gia tốc này nhận thấy cầu trục đảm bảo điều kiện ổn định khi chịu tác dụng của lực động. 2) Thiết kế kết cấu thép của khung dầm cầu trục. Kiểm tra cầu trục bằng phần mềm Cosmos với tải trọng lớn nhất tác dụng lên cầu trục. Kết quả cho ứng suất và chuyển vị của cầu trục đều nằm trong phạm vi cho phép. 3) Mô phỏng chuyển động của cầu trục đã thiết kế phần trên dùng thư viện OpenGL trong môi trường VisualC++. Chương trình mô phỏng thể hiện cầu trục làm việc ở các chế độ khác nhau như thế nào. 4) Kết quả của đồ án được áp dụng vào thực tế: cầu trục đang được chế tạo và sẽ được đưa vào làm việc thực tế vào năm 2008 tại công trình thủy điện SêSan 4. Từ những kết quả đạt được này tôi thấy có thể nghiên cứu cầu trục theo hướng là bổ sung vào phương trình thiết lập được các yếu tố điều khiển: mômen của động cơ là một hàm điều khiển... Với ý tưởng như vậy ta có thể điều khiển tối ưu quá trình mở máy. Tài liệu tham khảo 1. Máy và thiết bị nâng – Trương Quốc Thành, Phạm Quang Dũng NXB Khoa Học và Kỹ Thuật 2004. 2. Máy trục vận chuyển – Nguyễn Văn Hợp, Phạm Thị Nghĩa, Lê Thiện Thành NXB Giao Thông Vận Tải 2000. 3. Cơ Học Giải Tích – Nguyễn Văn Đạo NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội 2002. 4. Tính Toán Cơ Cấu Máy Trục – Đào Trọng Thường 5. Cơ Sở Thiết Kế Máy và Chi Tiết Máy – Trịnh Chất, Lê Văn Uyển NXB Khoa Học và Kỹ Thuật 2001. 6. Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Cơ Khí – Trịnh Chất, Lê Văn Uyển NXB Giáo Dục 2000. 7. Động Lực Học Máy – Đỗ Sanh NXB Khoa Học và Kỹ Thuật 2004 8. Cơ Sở Cơ Học Kỹ Thuật – Nguyễn Văn Khang NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội 2003. 9. Basic User’s Guide CosmosDesignStar 4.0, help online 10. Tài liệu thiết kế cầu trục – Phòng tự động hóa thiết kế Viện nghiên cứu cơ khí Phụ lục Có 5 bản vẽ thiết kế - Kết cấu thép - Dầm chính - Chân cầu trục - Giằng dưới - Giằng trên