KẾT CẤU KIM LOẠI

Chia sẻ: Hoang Lam | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:32

Thêm vào BST

Báo xấu

169
lượt xem 26
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Không chỉ trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, cầu, bến cảng… kết cấu thép chiếm phần khối lượng rất lớn. Trong ngành thiết bị nâng, kết cấu kim loại cũng chiếm đến 60 ¸ 80% khối lượng kim loại của toàn bộ thiết bị nâng. Vì thế, việc chọn kim loại thích hợp cho kết cấu kim loại để sử dụng chúng một cách kinh tế nhất là rất quan trọng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: KẾT CẤU KIM LOẠI

CHƯƠNG 6 : KẾT CẤU KIM LOẠI 6.1 Giới thiệu chung về kết cấu kim loại trong máy trục 6.1.1 Vật liệu Không chỉ trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, cầu, bến cảng… kết cấu thép chiếm phần khối lượng rất lớn. Trong ngành thiết bị nâng, kết cấu kim loại cũng chiếm đến 60 ÷ 80% khối lượng kim loại của toàn bộ thiết bị nâng. Vì thế, việc chọn kim loại thích hợp cho kết cấu kim loại để sử dụng chúng một cách kinh tế nhất là rất quan trọng. Trong kết cấu kim loại của thiết bị nâng, người ta thường sử dụng thép Cacbon thường, thép hợp kim và hợp kim nhôm, trong đó thép Cacbon thường được sử dụng rộng rãi. Trong thép Cacbon, Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức và cơ tính của thép Cacbon và cả thép hợp kim. Quy luật chung là khi thành phần Cacbon tăng lên thì độ bền, độ cứng của thép tăng lên, còn độ dẻo, độ dai giảm đi. Tuy nhiên, độ bền chỉ tăng lên theo Cacbon đến giới hạn 0,8 ÷ 1%C, vượt quá giới hạn này độ bền lại giảm đi. Hiện nay trong ngành xây dựng ở nước ta đang sử dụng rộng rãi thép Cacbon thường theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765-75 và thép xây dựng của Nga theo ГОСТ 380-71. Tiêu chuẩn Việt Nam ký hiệu chữ viết tắt là CT là thép Cacbon thường, các chữ số đứng sau chỉ giới hạn bền kéo tính bằng daN/mm2. Ví dụ: CT31; CT33; CT35; CT38. Ở Việt Nam, thép Cacbon thường được chia ra ba nhóm : • Nhóm A – bảo đảm tính chất cơ học. • Nhóm B – bảo đảm thành phần hoá học. • Nhóm C – bảo đảm tính chất cơ học và thành phần hoá học. Trong đó ký hiệu nhóm A thì không cần ghi chữ “A” lên đầu, còn nhóm B, C thì phải ghi chữ “B”, “C” phía trước chữ CT. Ví dụ : BCT31; BCT33; BCT34; CCT34; CCT38; CCT42. Theo ГОСТ 380-71 thép Cacbon thường được ký hiệu bằng chữ CT hay Cm, với các số thứ tự 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 (số càng lớn độ bền và lượng Cacbon càng lớn), và được chia ra làm ba nhóm A, Б, B. Trong kết cấu thép của thiết bị nâng, các thanh chịu tải thường dùng thép CT3. Ưu điểm của thép CT3 là bảo đảm tính hàn (sau khi hàn xong không bị nứt) và đảm bảo tính dẻo. Đối với các thanh phụ, không chịu tải, dàn bảo vệ, cầu thang, tay vịn, sàn lát, … dùng thép CT0; CT1; CT2. Trong ngành thiết bị nâng, người ta dùng chủ yếu thép Cacbon thường hay thép hợp kim thấp làm
kết cấu dàn và dầm chịu tải. Trong luận văn này ta sẽ nghiên cứu tính toán, sử dụng kết cấu thép trong máy cào liệu. 6.1.2 Các kiểu liên kết Liên kết giữa các thanh kim loại với nhau trong kết cấu thép chủ yếu là liên kết hàn và liên kết bulông, đinh tán. Trước đây, liên kết đinh tán được sử dụng rất phổ biến, nay trong kết cấu thép người ta ít sử dụng chúng, đặc biệt là trong ngành máy xây dựng thì lại ít sử dụng hơn nữa, mà chủ yếu sử dụng mối liên kết hàn. So với mối liên kết bulông, đinh tán thì liên kết hàn có những ưu điểm sau : • Gia công nhanh và rẻ. Hàn có năng suất cao so với các phương pháp khác do giảm được số lượng nguyên công, giảm được cường độ lao động và tăng độ bền chắc của kết cấu. Giảm được khối lượng kim loại từ 10 ÷ 20% so với liên kết đinh • tán, bulông vì không có các phần đầu đinh tán, bulông. • Độ bền mối hàn cao, mối hàn kín. • Giảm được tiếng động khi sản xuất. • Thiết bị hàn tương đối đơn giản và dễ chế tạo. Tuy nhiên liên kết hàn cũng có những nhược điểm : • Kết cấu bị biến hình do sau khi hàn vẫn tồn tại ứng suất dư. • Vật liệu bị giòn do quá trình nung nóng khi hàn. • Khó kiểm tra các khuyết tật bên trong mối hàn. • Chất lượng mối hàn phụ thuộc vào trình độ công nhân hàn. • Khả năng chịu tải trọng động kém. 6.1.3 Các loại hình kết cấu Kết cấu thép được sử dụng trong các máy xếp dỡ – xây dựng chủ yếu gồm hai loại hình kết cấu: kết cấu dầm và kết cấu dàn. Kết cấu dầm : là một loại hình kết cấu được sử dụng rất rộng rãi trong chế tạo kết cấu thép của các loại máy trục. Ví dụ trong các loại cổng trục, cầu trục…. Về mặt chịu lực thì dầm chủ yếu chịu uốn. Theo đặc điểm cấu
tạo tiết diện của dầm người ta chia dầm làm hai loại: dầm hình và dầm tổ hợp. a. Dầm hình Dầm hình là dầm làm từ các thép hình, thường là các loại thép chữ I, chữ U chữ C v.v…, được chế tạo từ cán hay dập. Dầm hình có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, chi phí thấp nên giá thành dầm hình thấp hơn giá thành dầm tổ hợp. Hình 6.1. Dầm hình. a, b – thép cán phổ thong. c – thép cán chữ I cánh rộng. d, e – thép hình thành mỏng dập. b. Dầm tổ hợp Dầm tổ hợp là loại dầm chế tạo từ các loại thép tấm hoặc từ các thép tấm kết hợp với các thép hình liên kết lại với nhau bằng phương pháp hàn hoặc đinh tán. Nếu dùng liên kết hàn để liên kết cấu kiện của dầm thì đó là dầm tổ hợp hàn. Nếu dùng đinh tán hoặc bulông để liên kết các cấu kiện của dầm thì gọi đó là dầm tổ hợp đinh tán hoặc dầm tổ hợp bulông.
Trong kết cấu kim loại máy trục thường sử dụng hai loại tiết diện dầm tổ hợp: dầm 1 thành (tiết diện chữ I – kết cấu gồm 1 tấm thành và 2 tấm biên), và dầm 2 thành (tiết diện hộp – kết cấu gồm 2 tấm thành và 2 tấm biên). Khi kết cấu dàm tổ hợp, ngoài các phần tử kết cấu chính là tấm thành và tấm biên, người ta còn kết cấu thêm các phần tử phụ: đó là các gân tăng cứng trên dầm 1 thành và vách ngăn trên dầm 2 thành nhằm mục đích đ ảm bảo ổn định cục bộ của các tấm. Kết cấu dàn : là một loại hình kết cấu được sử dụng trong kết cấu kim loại máy trục với kết cấu có chiều dài (khẩu độ) lớn, chịu tải trọng nhỏ, khi đó nếu dùng dầm thì trọng lượng của dầm lớn hơn dàn. Trên thực tế dàn được sử dụng để chế tạo cần của các cần trục có cần, cầu trên của cần trục cổng, cầu chuyển tải, cầu trục v.v…. Trong kết cấu kim loại máy trục chủ yếu sử dụng các dàn không gian có tiết diện ngang của dàn là hình tam giác hay hình chữ nhật. Dàn tam giác có độ cứng chống xoắn nhỏ, khó bố trí các thiết bị trên dàn, dùng làm cần của các cần trục, ít khi dùng làm cầu. Dàn hình chữ nhật độ cứng chống uốn theo hai phương và độ cứng chống xoắn khá lớn, dễ bố trí thiết bị trên đó, và được sử dụng rộng rãi. Ưu điểm của dàn là đơn giản, dễ chế tạo, đễ bảo quản (sơn chống gỉ). Nhược điểm của kết cấu dàn là độ bền mỏi thấp, công chế tạo cao do khó sử dụng phương pháp hàn tự động. Hình 6.3. Các tiết diện thanh thường dùng
Hình 6.4. Các tiết diện thanh dàn nặng. Người ta phân loại dàn theo các đặc điểm sau : a. Theo công dụng : Bao gồm dàn mái nhà công nghiệp, mái nhà dân dụng; dàn cầu, dàn thép dùng trong máy trục, tháp trụ, cột điện, tháp khoan v.v…. b. Theo cấu tạo của các thanh trong dàn • Dàn nhẹ : là dàn có nội lực trong các thanh là nhỏ, các thanh dàn được cấu tạo từ một thép góc hoặc thép tròn. • Dàn thường : là loại phổ biến, nội lực trong các thanh biên nhỏ hơn 5000 kN. Các thanh dàn được ghép bởi hai thép góc, tiết diện ngang dạng chữ T. • Dàn nặng : dùng cho các công trình chịu tải trọng nặng, như dàn làm cầu, nội lực lớn nhất trong thanh biên không dưới 5000 kN. Tiết diện thanh dàn dạng thanh tổ hợp. c. Theo hình dáng bên ngoài • Dàn có biên song song (cần của cần trục tháp …). • Dàn có biên trên dốc một phía thường dùng cho cần trục có xe con di chuyển ở biên dưới. • Dàn có đường biên dưới gãy khúc (dùng cho cầu trục, cổng trục, cầu chuyển tải). • Dàn có đường bao hình tam giác (làm vi kéo mái nhà dân dụng, công nghiệp). d. Theo kết cấu hệ thanh bụng
• Dàn có thanh bụng tam giác: loại có thanh chống đứng (hình 6.5 a, b, c, d, e) và loại không có thanh chống đứng (hình 6.5 g). • Dàn có hệ thanh bụng nghiêng về một phía (hình 6.5 i). a - Đường biên song song; b - Đường biên dốc một phía; c - Đường biên dưới gãy khúc; d - Đường biên tam giác; e - Hệ thanh bụng kiểu tam giác có thanh chống đứng; g - Hệ thanh bụng không có thanh chống đứng; h - Hệ thanh bụng kiểu tam giác có thanh chống đứng chủ yếu cho thanh biên trên. • Dàn có hệ thanh bụng giao nhau kiểu chéo nhau chữ K (hình 6.5 n). • Dàn có hệ thanh bụng giao nhau kiểu hình thoi (hình 6.5 l, p). • Dàn không có thanh xiên (hình 6.5 m). • Dàn phân nhỏ (hình 6.5 o).
i - Dàn có hệ thanh bụng nghiêng về một phía; k, m - Dàn không có thanh xiên; l, p - Dàn có hệ thanh bụng giao nhau kiểu hình thoi; n - Dàn có hệ thanh bụng giao nhau kiểu chữ K; o - Dàn phân nhỏ; q - Các kích thước hình học của dàn. Một số kiểu liên kết kết cấu dàn :
Hình 6.6 Mối nối tại mắt dàn.a- dùng tấm ốp thẳng góc; b- dùng tấm ốp cắt xiên.
Hình 6.7. Kết cấu mối hàn trực tiếp (a, b) và mối hàn có bản tiếp điểm (c)
Hình 6.8. Kết cấu mối hàn các thanh xiên có bản mã phụ trợ.
Hình 6.9. Kết cấu các nút của dàn thép ống
Hình 6.10. Kết cấu mắt dàn thép ống. (1÷4)- Không dùng bản mã; (5÷10)- Dùng bản mã; (11÷13)- Mắt dàn có gia cố.
Hình 6.11 Kết cấu các tai mấu liên kết ở đầu mút của thanh; các biện pháp công nghệ giảm hiện tượng tập trung ứng suất tại đầu các mối hàn.
Hình 6.12 Kết cấu tai liên kết ở đầu mút thép ống (1÷7), và sơ đồ tính tai. 6.2 Kết cấu kiểu hộp của dầm chính 6.2.1 Tải trọng tính Kết cấu kim loại của dầm chính máy cào được tính trong trường hợp phối hợp tải trọng dưới tác dụng của các tải trọng chính do trọng lượng cabin, đ ối trọng và cần cào cùng với tải trọng phụ do lực quán tính lớn nhất có thể xảy ra khi phanh hay mở máy cào hay mở các cơ cấu khác của máy cào như cơ cấu thay đổi tầm với, cơ cấu dẫn động xích cào … Hình 6.13 sơ đồ phân bố lực Sơ bộ lấy trọng lượng của dầm chính , khi đó tải trọng phân bố diều theo chiều dài dầm là :
Trong đó : q – tải trọng không di động phân bố đều dọc theo chiều dài của kết cấu. k1 – hệ số hiệu chỉnh kể đến các hiện tượng va đập khi di chuy ển máy, với ta lấy k1 = 1. Để đơn giản quá trình tính toán, ta có thể mô hình hoá lại các lực phân bố lên dầm chính máy cào như sau : Hình 6.14 Mô hình hoá sơ đồ phân bố lực. Với : : trọng lượng của đối trọng. : trọng lượng của cabin và các thiết bị khac đặt trên dầm chính. : mômen uốn do lực dàn cào tác dụng lên dầm chính. 6.2.2 Xác định kích thước tiết diện dầm chính. Chiều cao của dầm chính ở tiết diện giữa phụ thuộc vào tầm rộng của dầm và được lấy bằng : Chọn H = 950 mm. Chiều cao của dầm ở tiết diện gối tựa : Chiều dài đoạn nghiêng : C = (0,1 ÷ 0,2).L = (0,1 ÷ 0,2).14000 =1400 ÷ 2800 mm Lấy C = 1900 mm. Chiều rộng của thanh biên trên và dưới : Lấy Để đảm bảo độ cứng của dầm khi xoắn, bề rộng B giữa các thanh đứng được tính bằng :
(6.39. [9]) Và : Lấy Vật liệu của dầm chính là thép CT3. Thanh biên trên của dầm dùng bằng thép tấm dày δ1 = 10 mm. Thanh biên dưới δ2 = 10 mm, chiều dày thanh đứng δ3 = 10 mm. Từ các kích thước trên, ta có thể xác định các đặc tính cơ bản của tiết diện giữa dầm. Diện tích tiết diện : • Thanh biên trên : . • Thanh biên dưới : . • Thanh đứng : • Tổng diện tích : . Trong đó: - là chiều cao thanh đứng. Mômen tĩnh của tiết diện đối với trục x1 – x1: • Thanh biên trên : . • Thanh biên dưới : • Thanh đứng : . Tổng mômen tĩnh : . Toạ độ trọng tâm của tiết diện đối với trục x1 – x1 : . Mômen quán tính của tiết diện đối với trục x – x : • Thanh biên trên : • Thanh biên dưới :
• Thanh đứng : Tổng mômen quán tính: . Mômen chống uốn của tiết diện đối với trục x – x : • Đối với lớp kim loại ngoài cùng của thanh biên trên : . Trong đó : . • Đối với lớp kim loại ngoài cùng của thanh biên dưới : . Mômen quán tính đối với trục y-y: • Thanh biên trên : . • Thanh biên dưới : . • Thanh đứng : . Tổng mômen quán tính: . Mômen chống uốn đối với trục y-y: . * Với các phép tính tương tự ta có thể xác định được đặc tính tiết diện dầm cuối. Hình 6.16 Tiết diện ngang của dầm chính****(tham khảo) 6.2.3 Ứng suất ở tiết diện giữa của dầm chính Hình 6.15 sơ đồ phân bố lực Tính phản lực và mômen uốn tại gối tựa của dầm chính : Xét lực tác dụng tại A ta có :
Xét mômen uốn tại A ta có : Vậy phản lực tại A : Ta có biểu đồ mômen : Hình 6.16 Biểu đồ mômen Ứng suất dưới tác dụng của tải trọng chính : Ứng suất uốn cho phép đối với chế độ làm việc nặng lấy theo bảng 1.2. Mômen uốn do lực quán tính của trọng lượng bản thân dầm gây ra : Ứng suất uốn phụ thuộc : Ứng suất tổng ở tiết diện đang xét dưới tác dụngcủa các tải trọng chính và phụ (trường hợp phối hợp tải trọng thứ hai) : Vậy thoả mãn ứng suất uốn cho phép. Độ võng của dầm dưới tác dụng của tải trọng chính : Độ võng cho phép : Ứng suất tới hạn của tấm (H.8.6a) : Hệ số an toàn ổn định của thanh • Đối với trường hợp phối hợp tải trọng thứ nhất :
• Đối với trường hợp phối hợp tải trọng thứ hai : 6.2.3 Tính mối ghép hàn Các thanh biên và thanh đứng được ghép lại bằng các mối hàn chồng. chiều cao miệng hàn lấy bằng h = 6 mm. Tính mối hàn giữa thanh biên trên và thanh đứng. Lực cắt lớn nhất nằm ở tiết diện gối tựa của dầm, vì vậy ta tính mối hàn ở mặt cắt gối tựa. lực tác dụng lên một đơn vị chiều dài mối hàn được xác định theo : Trong đó : Để đảm bảo độ bền của mối hàn không kém độ bền của các chi tiết hàn làm bằng thép CT3 có độ bền , ta dung loại que hàn , có độ bền . Ứng suất cắt cho phép của mối hàn dưới tác dụng của tải trọng chính : Chiều dài mối hàn cần thiết trên một mép chiều dài dầm ở gối tựa : Cách hàn : Hộp có tính chất đối xứng và dài nên khi hàn cần chú ý hàn đối xứng và hàn phân đoạn. Chiều dài của mối hàn là 50 mm, khoảng cách giữa các mối hàn là 60mm. Vì ứng suất nhỏ nên trong trường hợp này ta không tính đến tải trọng thứ hai. mối nối thanh đứng của dầm đặt cách gối tựa một đoạn . Các thanh biên của dầm được nối ngoài mối nối đó để tránh mối nối chồng lên nhau. mối hàn của các mối nối của thanh đứng tính theo uốn khi bánh xe nằm trên mối nối (H.8.7b). Phản lực ở gối tựa A do trọng lượng xe lăn và vật nâng gây ra :
Mômen uốn do tải trọng này gây ra ở tiết diện đang xét : Tổng mômen uốn ở tiết diện đang xét : Mômen chống uốn ở tiết diện (H.8.2a) : Ứng suất của mối hàn dưới tác dụng của tải trọng chính : Ứng suất cho phép lớn nhất trong trường hợp này là : Ứng suất trong mối hàn dưới tác dụng của các tải trọng chính và tải trọng phụ : Ứng suất lớn nhất trong trường hợp phối hợp tải trọng thứ hai : 6.3 Kết cấu kiểu dàn của cần cào 6.3.1 Chọn các kích thước chính và trọng lượng các phần tử kết cấu kim loại đối với các cần trục quay thay đổi tầm với bằng cách nâng hạ cần, cần là một thanh hay dàn có trục thẳng hay trục gãy với tiêt diện thay đôir theo chiều dài cần. Đầu dưới của cần đặt trên các bản lề cố định trên phần quay củ kết cấu kim loại, đầu trên nối với palăng thay đổi tầm với, vì thế cần được xem như một thanh sắt đặt trên bản lề. Các cần thẳng dùng trong trường hợp khi dây cáp dung để nâng hạ cần nối ở đầu cần. các cần này có ưu điểm là nhẹ hơn và kết cấu đơn giản. Tuy nhiên nó không cho phép vật nâng vật nặng lên cao ở tầm với nhỏ nhất như là cần có trục gãy. nhược điểm của cần trục gãy là dể bị uốn và xoắn dưới tác dụng của tải trọng ngang. Đối với các cần trục có tải trọng nhỏ , ta có thể làm cần bằng một ống.