Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa cơ khí Bộ môn cơ học ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu động lực học cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện SêSan 4 Giáo viên hớng dẫn : TS. Nguyễn Chỉ Sáng : PGS.TS. Đinh Văn Phong Sinh viên thực hiện : Vũ Duy Phớc Lớp : Cơ Điện Tử 1_K47 Hà Nội 2007 Mục Lục Nhiệm vụ thiết kế đồ án Bản nhận xét tốt nghiệp Lời nói đầu 1 Những kí hiệu dùng trong đồ án 2 Chơng I: Giới thiệu về cầu trục chân dê đập tràn và phạm vi đồ án tốt nghiệp 3 1 1. Tổng quan về cầu trục 3 2. Giới thiệu về cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện SêSan 4 4 2.1 ý nghĩa, công dụng của cầu trục chân dê đập tràn 4 2.2 Điều kiện vận hành 4 2.3 Thành phần cấu tạo 4 2.4 Đặc điểm và nguyên lý làm việc 4 2.5 Đặc tính kỹ thuật 5 3. Phạm vi của đồ án tốt nghiệp 6 3.1 Tính toán động lực học cầu trục 6 3.2 Kiểm nghiệm làm việc ổn định của cầu trục 6 3.3 Thiết kế khung dầm cầu trục 6 3.4 Kiểm tra khung dầm bằng phần mềm Cosmos 6 3.5 Mô phỏng chuyển động của cầu trục 7 Chơng II: Tính toán động lực học cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện SêSan 4 8 1. Cơ sở tính toán thiết kế cầu trục theo phơng pháp thông thờng 8 1.1 Cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu di chuyển 9 1.2 Cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu nâng 12 2 1.3 Cơ sở tính toán thiết kế và kiểm tra các thiết bị khác của cầu trục 14 2. Tính toán động lực học cầu trục cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện SêSan 4 18 2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán động lực học cầu trục 18 2.1.1 Phơng trình Lagrange loại 2 19 2.1.2 Đặc trng động học của cơ cấu 20 2.1.2.1 Mômen quán tính quy dẫn 20 2.1.2.2 Các mômen trong một pha làm việc 24 2.1.2.3 Thời gian mở máy và thời gian phanh 32 2.2 Thiết lập phơng trình chuyển động cho cầu trục 33 2.2.1 Mô hình cơ học của cầu trục 33 2.2.2 Thiết lập phơng trình chuyển động 41 2.2.3 Giải bài toán động lực học cầu trục 50 3. Kiểm nghiệm sự an toàn của dây cáp 56 4. Tính ổn định cho cầu trục 58 4.1. Kiểm tra ổn định của cầu trục khi đang làm việc theo phơng dọc với đờng ray di chuyển cầu trục 58 4.2. Kiểm tra ổn định của cầu trục khi đang làm việc theo phơng vuông góc với đờng ray di chuyển cầu trục 60 3 5. Thiết kế khung dầm cho cầu trục 62 5.1 Cơ sở thiết kế kết cấu khung cầu trục 62 5.2 Thiết kế khung dầm cho cầu trục đập tràn SêSan 4 67 5.3 Các thông số để kiểm nghiệm cầu trục trên phần mềm Cosmos 68 6. Kết luận 69 Chơng III: Mô phỏng cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện SêSan 4 71 1. Giới thiệu và kiểm nghiệm bằng phần mềm Cosmos 71 1.1 Giới thiệu về phần mềm Cosmos 71 1.1.1. Khái quát chung về phần mềm CosmosDesignSTAR 71 1.1.2 Một số khả năng phân tích trong số CosmosDesignSTAR 71 1.2 Kiểm nghiệm khi cầu trục làm việc bằng phần mềm Cosmos 75 2. Mô phỏng chuyển động của cầu trục 85 2.1 Giới thiệu th viện đồ hoạ OPENGL 85 2.2 Tạo giao diện cho chơng trình 85 2.3 Vẽ hình 86 2.4 Mô tả chuyển động của cầu trục 86 3. Kết luận 88 Chơng IV : Tổng kết chung 89 4 Tài liệu tham khảo 90 Phụ lục 91 Lời nói đầu Cầu trục là loại máy trục kiểu cầu có kết cấu giống chiếc cầu có bánh xe lăn trên đờng ray chuyên dùng nên còn gọi là cầu lăn đợc sử dụng phổ biến trong các ngành kinh tế và quốc phòng để nâng chuyển vật nặng trong các phân xởng, nhà kho cũng có thể dùng để xếp dỡ hàng. Chính khả năng làm việc của cầu trục với các thiết bị có trọng lợng, lu lợng 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 thờng sử dụng ph- ơng pháp thông thờng 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 hởng đến sự làm việc ổn định cũng nh 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 đợc 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 5 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 Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội và các anh chị kỹ s phòng Tự Động Hoá Thiết Kế thuộc Viện Nghiên Cứu Cơ Khí đã tận tình chỉ bảo hớng 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 Phớc Một số kí hiệu dùng trong đồ án : ứng suất tính toán [] : ứng suất cho phép của vật liệu E : Môđun đàn hồi của vật liệu F : Lực tác dụng m : Khối lợng g : Gia tốc trọng trờng R : Bán kính : Vận tốc góc : Hiệu suất k : Hệ số an toàn i : Tỉ số truyền động n : Số vòng quay của vật quay Q : Tải trọng G : Trọng lợng M : Mômen J, j : Mômen quán tính S : Lực căng (2.1) : Công thức 2.1 [10] : Theo tài liệu 10 Cosmos : COSMOSDesignSTAR 6 Chơng 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 đợc dùng chủ yếu trong các phân xởng, nhà kho, bãi tổ hợp thiết bị để nâng hạ và vận chuyển hàng hoá với lu lợng và trọng lợng lớn. Kết cấu của một cầu trục dạng dầm hộp hoặc dàn, trên đó đặt xe con có cơ cấu nâng. Cầu trục đợc sử dụng trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân với các thiết bị mang vật rất đa dạng nh móc treo, thiết bị cặp, nam châm điện, gầu ngoạm Cầu trục đợc 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 thờng đợc 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 thờng đợc 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 đợc 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 đợc 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 thờng là dầm chữ I hoặc dầm tổ hợp với các dàn thép tăng cứng cho dầm. Cầu trục một dầm thờng 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. 7 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 dới nền bằng hộp nút bấm. Điều khiển từ dới nền bằng hộp nút bấm thờng 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 đợc dùng để nâng hạ cửa van sửa chữa đập tràn, công trình thuỷ điện Sê San 4, ngoài ra nó còn đợc 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 trờng xung quanh : Trong không khí Nhiệt độ lớn nhất của môi trờng: + 40,5 C Nhiệt độ nhỏ nhất của môi trờng : + 9,2C 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 đợc 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 đờng kính D = 870 mm với 2 đờng 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 đợc trang bị các thiết bị hạn chế tải trọng nâng ( với chế độ vợt 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 đờng kính D = 630 mm. Xe con có hệ thống nhà che bảo vệ các cơ cấu, bộ máy. 8 Cơ cấu di chuyển cầu trục bao gồm 2 cụm chủ động và 2 cụm bị động. Mỗi cụm chủ động đợc lắp trên 1 bánh xe dẫn động D=710 mm. Mỗi cụm bị động đợc 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 nh 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 đợc lắp 2 thiết bị chống xô ray. Thiết bị này đợc 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 Đờng 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 Đờng 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 phơng trình chuyển động trong thời gian khởi động của các cơ cấu dới ảnh hởng các lực cản chuyển động. 9 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 phơng vuông góc với đờng ray, ổn định theo phơng dọc đờng 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 lợng nâng danh nghĩa để thiết kế sơ bộ bộ khung dầm của cầu trục với các dầm chính, chân cầu trục, giằng trên, giằng dới. 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 th viện OpenGL trong môi trờng Visual C ++ , hình ảnh mô hình của cầu trục sẽ đợc thể hiện trên màn hình và có thể cho chúng chuyển động. Phần này sẽ giới thiệu về khả năng của môi trờng đồ hoạ OpenGL và chơng trình mô phỏng cầu trục. 10 [...]... Chơng 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 phơng pháp thông thờng Cầu trục thông thờngđợc tính toán thiết kế theo các bớc tính toán chung sau[1]: a) Xác định các thông số cơ bản của cầu trục nh tải trọng nâng, chiều cao nâng, khẩu độ dầm cầu, các tốc độ nâng hạ vật, di chuyển cầu trục, di chuyển xe... của tải trọng động thì chỉ xét thông qua các hệ số thực nghiệm cho nên kết quả tính toán tải trọng động không đợc chính xác và thuyết phục Vì vậy tôi đã sử dụng phơng trình Lagrange loại 2 để tính toán đợc 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. .. loại cầu trục đã có tơng đơng Các thông số này đợc kiểm tra chính xác lại sau khi thiết kế cầu trục - Ngoài trọng lợng bản thân, các tải trọng tác dụng lên cầu trục cần xác định là: trọng lợng vật nâng cùng thiết bị mang vật, các tải trọng do dốc, quán tính và các tải trọng đặc biệt khác nh tải trọng lắp dựng, động đất v.v Tải trọng gió cần đợc tính toán theo các phơng khác nhau và với áp lực gió trong... cấu công tác của cầu trục nh 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 12 toàn cơ - điện của cầu trục nh thiết bị hạn chế tải trọng nâng, ... J = 30 4g (s) G D 2 n 1 tp = 375(M p M t ) Ta sẽ có GD 2 n 1 tm = 375(M m M t ) (s) Trong công thức trên GD2 đợc tính là N.m2; n1 : tốc độ quay của trục động cơ, vg/ph và các giá trị Mm, Mp, Mt đều đợc tính là N.m 2.2 Thiết lập phơng trình chuyển động cho cầu trục 2.2.1 Mô hình cơ học của cầu trục  34 Cấu tạo của cầu trục chân dê: gồm có 4 phần chính: - Bộ chạy - Khung dầm - Xe con - Thiết bị nâng chuyên... 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 đợc 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 nh sau: Hình chiếu bằng của cầu trục: 35 y z M3... 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: ... 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 Phơng trình Lagrange loại 2 Phơng trình Lagrange loại hai là phơng trình vi phân chuyển động của các chất điểm và các vật rắn hôlônôm Số phơng trình đúng bằng số bậc tự do của hệ Xét hệ hôlônôm gồm n chất điểm và có f bậc tự... của cầu trục (môi trờng 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 phơng án thiết kế b) Xác định các kích thớc hình học và các bộ phận trên cầu trục và tải trọng tính toán - Các kích thớc hình học và trọng lợng 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. .. răng hay truyền động vít - Kích thuỷ lực Cơ cấu nâng quan trọng và đợc dùng phổ biến là tời cáp và tang cuốn cáp Các số liệu cần biết trớc 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) . Tổng quan về cầu trục 3 2. Giới thiệu về cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện SêSan 4 4 2.1 ý nghĩa, công dụng của cầu trục chân dê đập tràn 4 2.2 Điều kiện. 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. cấu nâng 12 2 1.3 Cơ sở tính toán thiết kế và kiểm tra các thiết bị khác của cầu trục 14 2. Tính toán động lực học cầu trục cầu trục chân dê đập tràn tải trọng nâng 2x25 tấn công trình thuỷ điện