Kỹ thuật sử dụng cần trục tháp trong xây dựng (Tái bản): Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:133

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn sách "Cần trục tháp xây dựng" cung cấp cho người đọc các kiến thức: Các phương pháp cơ bản tính toán cần trục tháp, các tải trọng tính toán và các tổ hợp của chúng, các phương pháp tính toán ổn định cần trục tháp, xác định áp lực lên đế cần trục tháp, đặc điểm tính toán các kết cấu chịu tải của cần trục tháp, xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp theo tiêu chuẩn Việt Nam. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật sử dụng cần trục tháp trong xây dựng (Tái bản): Phần 2

C hương 7 CÁC PHƯƠNG PHÁP C ơ BẢN TÍNH TOÁN CẦN TRỤC THÁP V ấn đề đặt ra dầu tiên cho việc tính toán C T T là sơ bộ chọn kích thước của cần trục và các thành phần cùa nó sao cho bảo đảm độ tin cậy cần thiết. Đ en thời điểm hiện nay, phương pháp tính toán cần trục vẫn chư a được xây d ự n g m ộ t cách hoàn hảo, có m ột số vấn đề trong tính toán còn phải dựa theo kinh nghiệm . C ùng với sự phát triển nhanh chóng cùa lĩnh vực chế tạo cần trục, việc dẫn xuất dữ liệu dầu vào cho tính toán - thiết kế bằng các cơ sờ thự c nghiệm sẽ gặp những khó khăn nhất định đề hoàn thiện kết cấu cần trục. Đối với C T T thì điều này lại càng gặp khó khăn hơn vì rằng điều liện làm việc của chúng có nhữ ng đặc điểm khác với những cần trục khác. 7.1. C Á C PH Ư Ơ N G PH Á P T ÍN H T hông thirờng, trong các tài liệu người ta tiến hành tính toán riêng biệt cho các cơ cấu cần trục và cho kết cấu thép, trong đó không làm rõ sự phân biệt g iữ a các thành phần cùa cần trục. H iện nay, trên các kết cấu cần trục thư ờ ng ứng dụng công nghệ hàn để liên kết các thành phần với nhau cho nên rất khó phân biệt m ột thành phần thuộc nhóm này hoặc nhóm kia. Phư ơng pháp tính toán cần của cần trục phải đượ c xây d ự ng trên c ơ sở nghiên cứu m ôi tnròm g h o ạt đ ộ n g c ù a cần trụ c, m ô i tn rờ n g đ ó đ ư ợ c đ ặ c trư n g b ờ i: các đ iề u k iệ n nơi Cần trục làm việc; loại hình và tần suất hỏng hóc; hậu quả kinh tế kỹ thuật do hỏng hóc gây ra. N gười ta phân biệt hai trạng thái của cần trục: trạng thái làm việc v à trạng thái không làm việc. M ỗi trạng thái cùa cần trục đều được đặc tru n g bời các điều kiện chịu tải, trong đó có m ột số cần trục khi ờ trạng thái không làm việc được đặc trưng bời m ột vài dạng chịu tải. N ếu theo điều kiện công nghệ, khi C T T đang dừ ng thì trên nó chi có sự tác dụng cùa trọng lượng bản thân và lực gió. N goài ra, nhữ ng c ô n g đoạn sau đây cũng được coi là trạng thái không làm việc đối với C T T: tháo, lắp, vận chuyển cần trục. N hữ ng thao tác này xẩy ra vài lần trong m ột năm , c ũ n g gây nên tải trọng cho các thành phần cùa cần trục và đã có những trường hợp xẩy ra sự cố (cần trục bị gẫy khi vận chuyển) hoặc ít hơn thì cũng gây nên các hòng hóc khác cho cần trục. C ư ờ ng đ ộ hóng hóc có liên quan trụ c tiếp đến các đ iề u k iện v à dữ liệu đ ầ u vào cho việc tính to án bền, tính to án ổn đ ịnh cần trục khi c ần trụ c c h ịu sự tác d ụ n g đột 152
b iế n của tải trọ n g cự c đ ại h o ặ c c h o v iệc tín h tính toán độ bền lâu th eo hàng loạt các tải trọ n g khác. Đốn thời điểm hiện nay, phư ơ ng pháp tính toán cần trục vẫn dựa trên giả thiết rằng: sự lựa chọn d ư bền hay dư ổn đ ịnh sẽ bào đảm cho việc kết cấu cần trục không bị phá hủy. Rất nhiều kết q u ả nghiên cứ u cho hay rằng tất cà các nguyên nhân được đề cập trong tính toán đều là nhữ ng đại lượng ngẫu nhiên và theo quan điểm cùa độ tin cậy thì n hũng giả thiết nêu trên được coi chưa phải là tuyệt đối đúng. Q ua kết quà phân tích các sự cố cùa m ột số C T T ta thấy rang: có thể xẩy ra những trường hợp (m ặc dù là rất hiếm ) là tài trọng tăng lên đến m ức m à không có độ dư bền hay dư ổn định nào có thể chống lại sự gãy hoặc m ất ổn định của cần trục. H iện tượng quá tài thư ờ ng xẩy ra do không tuân thù quy phạm vận hành cần trục. N hung cũng có những trư ờ ng hợ p cần trục bị gãy hay bị lật không phái do quá tải, mà có thể vi n hũng nguyên nhân khác nh ư do khuyết tật khi chế tạo, khi sứa chữa hoặc lắp ráp, do đối trọng không cân bàng, do ch ất lượng đường ray dưới cần trục v.v... G iới hạn của việc tải trọng tăng cao và của việc giảm khà năng chịu tải đối với kết cấu C T T chưa thể xác định đượ c m ột cách chính xác. T rên cơ sờ cùa hàng loạt thí nghiệm ta chi cỏ thể tìm được xác suất xuất hiện vấn đề trên trong m ột khoảng thời gian định trước. Liên quan đến vấn đề nêu trên, giáo sư người N ga N .x . X trelexki đã đề xuất đánh giá độ bền v à đ ộ ồn định cần trục khi gia tài đột biến bàng cách thiết lập các đườ ng cong phân bố xác suất tải trọng và khả năng chịu tải. Các đườ ng cong phân b ố đã biểu thị trên hình 7.1 cất nhau tại m ột điểm , tại điểm dó khả năng ch ịu tải R n b ằn g tải trọng Q n. H ỏng hóc có th ể xẩy ra trong những trường hợp khi khả năng ch ịu tài H ình 7.1. Các đường cong phán bố tài trọng và thấp hơn R n hoặc tải trọ n g lớn hơn Q„. khá năng chịu tài cùa CTT N hư vậy, xác suất hòng hóc đa được biểu thị bời điều kiện Q > R sẽ đượ c xác định: P(Q > R ) = p(Q > Q n).p(R < R n) (7.1) Các đại lượng ở vế bên phài chính là diện tích tương ứng co, và co2 cùa các đường cong phân bố, tức là: p ( Q > R ) = co,G)2 153
B iết được quy luật phân bố cùa Q và R, nhận được các g iá trị giới hạn xác định của Qn v à Rn trong truờ ng hợ p chất tải đột biến, ta có thể tìm đượ c xác suất hòng hóc trong khoảng thời gian xem xét v à c uờ ng độ hỏng hóc trung bình: X = n.p(Q > R ) trong đó: n- số lần chất tải, được lấy trên cơ sờ cùa việc xác định quy luật phân bố tải trọng. N ếu xác định được độ giảm giới hạn cho phép của khả năng ch ịu tài R thì thời hạn phục vụ đến lúc hỏng (tiềm năng) của cần trục khi chịu tác d ụ n g của tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần được xác định bằng phương pháp th ử nghiệm n h ư là hàm số của các đại lượng: điều kiện gia tải, kích thước và vật liệu chế tạo đối vớ i th àn h phần xem xét. Lúc này, số lượng hỏng hóc trung bình: trong đó: T - khoảng thời gian xem x é t; h- tiềm năng của cần trục. K ết quả thống kê các hòng hóc của cần trục trong điều kiện khai thác cho ta m ột quy luật xuất hiện hỏng hóc, trên cơ sờ đó ta có thể so sánh các số liệu thực tế và số liệu tính toán. T rên h ình 7.2 biểu thị các đườ ng cong xác suất về tín h k hông hỏng cù a các phần từ cần trục m à được coi là thông số quan trọng của đ ộ tin cậy. C ường độ hỏng hóc phụ thuộc vào những tổn thất do nó gây ra. R õ rà n g rằng tổn thất do phải ngừng m áy vì m áy hỏng càng lớn thì chứng tỏ đ ộ tin cậy c ủ a các phần từ cần trục càng thấp. V iệc giảm xác suất hỏng hóc của cần trục chi có thể đ ạt đượ c bàng cách tăng k h ả năng chịu tải của k ết cấu. a) bì H ình 7.2. Đuờng cong phân bố xác suất về tinh không hóng cùa cần trục a) Bộ truyền động cơ cấu quay cần trục KB-100 (quy luật Pauxon); b) Cơ cấu di chuyến cần trục KB-IOO (quy luật Veibul). 154
T ừ đ ó ta su y ra k ết luận cần phải tồn tại m ột g iá trị tối ưu về xác suất hỏng hóc để bảo đ ả m được hiệu q u ả sử dụng cần trục. M ục tiêu tối ư u ở đây có thể là cực tiểu chi phí phát sinh trong quá trình sử dụng cần trục và các th àn h phần củ a nó phụ thuộc vào độ tin cậy. C ác chi phí này đượ c xác đ ịnh theo biểu thức: a) C hi phí p h á t sinh do hòng hóc vì chất tải đột biến với giá trị cực đại: Z c = P(Qn > R„ )n (C 0 + Cj + c 2) + c 3 (7.2) b) C hi phí phát sinh do hòng hóc vì chất tải thay đồi nhiều lần: ỵ c = Co + C ' + C ĩ + C } (7.3) h trong đó: Co- giá th àn h c ù a th àn h phần cần trục hay của cần trục; nếu hỏng hóc làm cho cần trục phải loại bỏ thì đại lượng này được tính toàn bộ; nếu hỏng hóc buộc phải sử a ch ữ a cần trụ c thì chi tính theo chi phí sử a chữa; Cj - chi phí phải th ay thế th àn h phần cần trục hay thay thế cần trục; C 2 - tổn th ất d o phải ngừ ng m áy trong thời gian khấc phục hỏng hóc; C 3- chi phí khai thác trong khoảng thời gian xem xét, đại lượng này p hụ thuộc vào độ tin cậy củ a m áy. N ếu biết đư ợ c các đại lư ợ ng trong biểu thức (7.2) và (7.3) thì sẽ dễ dàng xác định được xác suất hỏng hóc tối ư u hoặc tiềm năng tối ưu của cần b ụ c từ điều kiện: K hi chất tải đ ộ t biến: ^ =0 (7.4) dp K hi ch ất tải nh iều lần: =0 (7.5) dh T ừ các điều k iện (7.4) v à (7.5) ta có thể nhận được g iá trị tối ư u xác suất hỏng hóc [p] khi ch ất tải đ ộ t biến, g iá b ị tương ứng của khả năng chịu tải giới hạn v à giá trị tối ưu tiềm năng [h] củ a m áy. V iệc tiến tới đ ạt m ục tiêu cự c tiểu chi phí đòi hỏi phải thay ràng buộc m ột chiều các ứng su ất tính toán, tải trọ n g v à tiềm năng bằng ràng buộc hai chiều. Lúc này biểu thức tính to án đượ c biến đổi th àn h dạng: K hi ch ất tải đ ộ t biến p (Q n > R 0) = [p] hoặc ơ « [ơ] thay cho
Khi chất tài nhiều lần h * [h] thay cho h< [h] D ấu gần đúng trong biểu thức (7.6) nói lên rằng các hàm chi phí trong m iền tối ưu không cần đến độ chính xác cao khi tính toán, độ sai lệch cho phép có thể nằm trong giới hạn ± (1 0 - ỉ- 15)% . T rong nhiều trường hợp, hai bài toán (cho độ bền và cho độ bền lâu) được quy về làm m ột thông qua hệ số quy đổi. T uy vậy, hiện nay người ta không áp dụng cách tính đó, bới vì những phép tính này biểu thị các quá trinh vật lý khác nhau và nh ư vậy là trong m ỗi phép tính sẽ có những dạng tải trọng khác nhau, cho nên phải tiến hành tính toán riêng biệt. T rong trường hợp thứ nhất cần kể đến sự tác dụng đột biến của tải trọng cực đại, còn trong trường hợp thứ hai thỉ cần chú ý đến tất cả tổ hợp tác dụng từ thời điểm bắt đầu làm việc của thành phần xem xét đến khi xuất hiện hỏng hóc. N hư vậy sẽ có những kết quả tính toán khác nhau. N ếu trong trường hợp thứ nhất cho ta sự so sánh về ứng suất hoặc tải trọng tác dụng lên thành phần cần trục thì trong trường hợp th ứ hai là xác định tiềm năng của các thành phần đó đến khi hỏng. K hông phải lúc nào cũng cần thực hiện cả hai phép tính. V í dụ, đối với kết cấu thép cần trục loại nhẹ thì ý nghĩa quan trọng nhất là tính toán độ bền và đ ộ ổn định theo tải trọng 'cực đại tác dụng đột biến, trong khi đó đối với cần trục loại nặng thỉ lại cần tính toán cho độ bền lâu. C ác chi tiết quay nhanh của các c ơ cấu cũng cần tính toán kiểm tra độ bền lâu. Đ ã có nhữ ng k ết quả n ghiên cứ u đượ c công bố làm c ơ sở c h o v iệc xây dựng phư ơ n g pháp tín h to án thự c tế đối với cần trục thô n g q u a k in h n ghiệm thiết kế và vận h àn h chúng. Dirới đây chúng ta sẽ xem xét phirorng pháp thực tế tính toán độ bền và độ ổn định cần trục trong trường hợ p không phải chất tải m ột lần, đồng thời giới thiệu những kết quả đầu tiên của việc xác định độ bền lâu tối ưu. Biểu thức (7.4) có thể sử dụng để chọn động c ơ và phanh theo m ô m en cực đại. 7.2. PH Ư Ơ N G PH Á P T ÍN H T O Á N T H ự C N G H IỆ M C H O Đ ộ B ÊN V À Đ ộ ỐN D ỊN H CẰ N TR Ụ C T H Á P K hi tính toán thực nghiệm , có những trường hợ p khó xác định tải trọng giới hạn Q" và tương ứng là ứng suất ơ , lúc đó ta có thể lấy theo giá trị tải trọng đ ịnh m ức Q h cùng với các hệ số chất tải tương ứng là n. Các hệ số này chi được đưa vào cho các tải trọng khai thác cùa cần trục (trọng lượng hàng, sức cản tĩnh và các tải trọ n g động), tự trọng của cần trục thì trong thực tế được coi như là m ột hàng số, còn tải trọng gió (chi được đề cập tới khi tính toán các cần trục làm việc ngoài trời) thì không có ý nghĩa nhân vói m ột hệ số nào cả. 156
C ác hệ số ch ất tài của các tải trọng khai thác phụ thuộc vào chế độ làm việc của các c ơ cấu, m ặc dù điều này chưa thực sự được chứng m inh m ột cách đầy đủ. T ương tự ta có khả năng chịu tải tối ưu [R] có thể được đưa về dạng khả năng chịu tài định m ức R h nhân với các hệ số đồng nhất k và hệ số điều kiện làm việc m. T heo các sổ liệu định m ức, hệ số đồng nhất k đối với thép C T 3 lấy bằng 0,85; đổi với n h ữ n g thép bền hơn lấy bằng 0,75 H-0,85, đối với thép đúc thì k = 0,7. H ệ số điều kiện làm việc m trước hết phụ thuộc vào cấp độ trách nhiệm của cần trục m à được đặc tn m g bời tổn thất do cần trục phải ngừng làm việc. D ựa theo sự so sánh g iữ a giá trị tổ n thất trong m ột ca ngừng việc cùa cần trục và giá m ua cần trục ta có thể p hân chia các C T T ra b a cấp độ trách nhiệm (bảng 7.1). M ột cần trục có thể được xếp vào các cấp độ khác nhau phụ thuộc vào điều kiện m à tại đó cần trục làm việc. D ự a theo cấp độ trách nhiệm của cần trục người ta có thể lấy các trị số tính toán xác suất hỏng hóc tối ưu. T rong các công thức tính toán thực nghiệm tốt nhất là nên nhân hệ số điều kiện làm việc m i với khả năng chịu tải tính toán (ứng suất, tải trọng). B àng 7.1. Đ ặc tính các cấp độ trách nhiệm của cần trục Giá trị tổn thất (%) do một ca ngừng việc Đến 1 Từ 14-3 Lớn hơn 3 của cần trục so với giá mua của nó Cấp độ trách nhiệm I II UI Hệ số mi 1,0 0,9 0,8 N ếu xem x é t các hỏng hóc của cần trục và các phần tử của nó theo quan điểm kinh tế thì dẫn đến m ột khái niệm về tính hợp lý hạn chế sự xuất hiện hòng hóc, có nghĩa là phải làm giảm xác suất hỏng hóc của những phần tử m à có khả năng gây hỏng hóc cho các phần từ khác bên cạnh. T rong tính toán thực nghiệm cần đư a thêm hệ số phụ về điều kiện làm việc (n i 2 ), hệ số này làm giảm khả năng chịu tải tín h toán của các phần từ cần trục; trị số cùa hệ số này được giới thiệu trong bàng 7.2. B ả n g 7.2. C ác giá trị cùa hệ số hạn chế xu ất hiện h ỏn g hóc (1112) Những hỏng hóc khác Đặc tính điều kiện làm việc Những hòng hóc Không gây nên Gây nên hỏng hóc của cụm hay mà không phải hòng hóc cho cụm cho phần tử bên Gây nên sự hỏng của phần tử dừng cần trục hay phần tử bên hóc hoàn toàn đoi cạnh và buộc phài cần trục cạnh, nhưng buộc với cần trục dừng cần trục phải dừng can trục Ví dụ các cụm Cơ cấu di Cơ cấu đi chuyển Cáp treo cần, tháp, Phần di chuyển của và các phần từ chuyển cần trục cần trục và xe cọn cac cơ cấu nâng cần trục. Toàn bộ cần trục có xe con mang mang hàng, cơ cấu hàng và nâng cần, cần trục khi tính toán hàng di chuỵển quay, vòng đỡ- công xon đỡ đối ổn định chống lật đọc theo cần quãy cùa cần trọng phía trên Giá trị của hệ 1,2 1,0 0,9 0,8 số rri2 157
N goài hai yếu tố đ ã nêu trên, khi đề cập tới điều kiện làm việc của các phần từ cần trục cần phải chủ ý tới m ộ t số yếu tố chưa hoàn thiện có thể có. Đ ổi với nhữ ng phần từ có m ặt cát nhỏ thi yếu tố này luôn tồn tại và không b ị phụ thuộc bởi hệ số đồng nhất. Đ ối với những thanh thép dập định hình có m ặt cắt nhỏ thông thư ờng không thỏa m ãn được điều kiện đúng tâm của thanh. D o vậy trong tín h to án sẽ phát sinh các m ô m en uốn và xoắn, trong trường hợp này cần phải bổ sung thêm hệ số m 3. H ệ số m 3 được sử dụng để chuyển đổi tín h toán độ bền theo m ột phươ ng pháp độc nhất cho các phần tử đó m à từ trước đến nay đều được tính toán riêng biệt. T rong bảng (7.3) giới thiệu các giá trị của hệ số m 3 . B àng 7.3. C ác giá trị của hệ số m3 Tên gọi các phần tử của cần trục Hệ số m3 Tên gọi các phần tử cùa cần trục Hệ số m 3 - Kết cấu thép tấm có bề dày 4mm. - Thép góc không đều cạnh: Thép góc đều cạnh đến 65x65x6 và + Liên kết bằng bản cánh nhỏ 0,75 không đều cạnh 50x90x7. Thép + Liên kết bằng bản cánh lớn 0,85 ống có dường kính đến 40 mm và bề dày đến 3mm. Thép chữ I và - Động cơ điện và phanh khi thử tải chữ u số 8. 0,9 theo mô men cực đại: - Các thanh xiên từ thép góc đều + ĐCĐ của cơ cấu nâng 0,95 cạnh dược liên kết bằng một mép: + ĐCĐ của cơ cáu quay và di chuyển 0,85 + Dàn không có cụm trùng khớp ở - Ổ bi cầu khi tính toán theo tải 1,50 bè m ịt lân cận 0,8 trọng tĩnh + Dàn có cụm lân cận 0,9 - Các dây c ỉp khi tính to in theo - Thép chữ U: điều kiện đứt: + Liên kết bẳng b in bụng 0,9 + Quán trên puly hay trên tang 0,25 + Liên kết bằng bản cánh 0,75 + Không quấn trên puly hay tang 0,35 N h ư vậy, việc phân tích các điều kiện khai thác cần trục đ â cho ta ba thành phần của hệ số điều kiện lim việc. N hữ ng thành phần này giúp ta có c ơ sở để tính toán cần trục m ộ t cách a n toàn hơn. Đ ẻ chuyển đổi các tải trọng ngoài sang m ô m en v à nội lực trong các phần tử cần trục c ần phải chú ý đén các vị trí có thể của hàng nâng v à của các bộ phận cần trục. K hông phải vị trí nào cũng thỏa m ẫn điều kiện tính toán. V í dụ như, đối vớ i cần trục 5T có cần nâng-hạ đ ượ c, khi dùng đ ể láp ráp các cấu k iện cho n h à năm tầng th ì tầm với trung bình cùa cần là 89% , như ng cũng đối với cần trục đó m à có x e con m an g h àng thì tầm với chi đ ạt 66 % so với tầm với cực đại và n hư v ậy là xác suất đạt m ô m en câu hàng địnhTtiức ở trường hợp th ứ n hất s ỉ lớn hơn trường hợp th ứ hai. 1Ỉ8
N hữ ng điều nêu trên từ tính toán thực nghiệm cho ta thấy rằng cần phải đưa vào trong tính toán cần trục m ột hệ số m à được gọi là “hệ số vị trí” , hệ số này đề cập tới xác suất làm việc của cần trục tại các vị trí xem xét. T uy vậy, đến nay thì điều này vẫn chưa đ ạt được. V ới nhận thức rằng cùng đồng thời có nhiều tải Ưọng tác dụng lên cần trục, cho nên phái đi sâu phân tích phép tính m à ta đã nêu lên ở trên (biểu thức 7.6) theo các điều kiện tính toán sau đây: a) T ính toán theo tải trọng (độ ổn định của cần trục và các bộ phận chống lật, độ bền cùa cáp, cùa các 0 bi cầu v .v ...) X Q .n * m k [ R ] (7.7) trong đó: Q- tài trọng định m ức riêng biệt; [R]- khả năng chịu tài định m ức (m ô m en câu hàng, giới hạn kéo đứt cùa cáp, tải trọng tĩnh giới hạn của ồ bi v.v...); n- hệ số chất tải (chi lấy theo tải trọng khai thác phụ thuộc vào chế độ làm việc cùa cơ cấu ch ịu tải); m- hệ số điều kiện làm việc: m = m in i 2ni 3; mi - hệ số trách nhiệm của cần trục; m 2- hệ số hạn chế hỏng hóc; m 3- hệ số không hoàn thiện của kết cấu; k- hệ số đồng nhất. b) T ính toán theo ứng suất (độ bền của các phần tử kết cấu thép và của các cơ cấu) £ ơ n « m k[ơ] (7.8) trong đó: ơ n - ứ n g suất từ những tải trọng tính toán riêng biệt bằng Q n; [ ơ ]- giới hạn bền định m ức (đối với thép là giới hạn chảy). D ưới đây sẽ trình bày sự so sánh kết quả tính toán theo phương pháp cũ (theo ứng suất cho phép) và theo phương pháp mới. Ở trong C hương 8 sẽ xem xét các tải trọng riêng biệt và các tồ hợp cùa chúng khi tính toán độ bền và độ ồn định của cần trục. 7.3. SO SÁ N H C Á C K Ế T Q U Ả TÍN H T O Á N Đ ộ B Ê N V À Đ ộ Ỏ N Đ ỊN H CTT T H E O T R Ạ N G T H Á I G IỚ I H ẠN V À T H E O Ứ N G SU Ẩ T C H O PH ÉP Khi tính toán theo trạng thái giới hạn, hệ số dự trữ được thay đổi bằng hệ số đồng nhất k và h ệ số điều kiện làm việc m. T ích của hai hệ số này đối với thép cán sẽ dao động trong khoảng 0,8 - 0,4, tương ứng với độ dự trữ bền là 1,25 - 2,5. 159
T hông thường, độ dự trữ bền của kết cấu th ép cần trục khi sử dụng phư ơ n g pháp tính toán theo ứng suất cho phép được lấy bằng 1,4 - 1,7. P hư ơ ng p h áp tính to án m ới cho ta m iền thay đổi hệ số dự trữ lớn hơn, ừ o n g đ ó có p h ụ th u ộ c vào đ iều kiện làm việc v à kết cấu của phần từ xem xét. Các giá trị tải trọng cũng thay đổi trong m ột k h oảng rộng, điều n à y c ó k ể đến hệ số chất tải n, ứ o n g đó có ảnh hườ ng cùa tải trọ n g gió. S ự áp d ụ n g các hệ số ch ất tải khác nhau cũng m ang những đặc tính khác nhau. C húng ta xem x ét m ột trường hợp đơn giản nhất đó là sự tác dụng c ủ a hai tải trọng: tự trọng G và trọng lượng của hàng Q. K hi cộng cả hai tải trọ n g đó với nhau thì tải trọng so sánh giới hạn theo phương pháp m ới sẽ bàng: S' = (n ,Q + n 2G ) - Ị - (7.9) mk trong đó: ni và 112- các hệ số chất tải; m - hệ số điều kiện làm việc; k- hệ số đồng nhất. Tải trọng giới hạn theo phương pháp ứng suất cho phép: S* = (Q + G ).n 0 (7.10) trong đó: IV hệ số d ự trữ bền. B iến đổi (7.9) và (7.10) qua tỷ số Ỵ ta có: (7.11) S' (a + l)kmn0 Ở đây: a = — G N ế u g iá trị y > 1 thỉ có n g h ĩa là theo p h ư ơ n g p h á p tín h to á n m ớ i, tả i trọ n g tính to án (v à su y ra là m ặt cắt th an h ) sẽ nhận đ ư ợ c g iá trị lớ n h ơ n so v ớ i p h ư ơ n g pháp tín h to án cũ. T ừ biểu thức (7.11) ta thấy ràng với giá trị nhỏ củ a a , tứ c là khi Q nhỏ h ơ n nhiều so với G thì Ỵ sẽ tiến tới y . = — - . N gư ợc lại, tro n g nhữ n g trư ờ ng h ợ p khi tự trọng km n0 không có ý nghĩa thực tế ( a -> 00 ), thì Y ^—. km n0 Trên hình 7.3 biểu thị các đường cong Y = f(c t) cho các trị số TÌ2 = 1; no = 1,7; k = 0,8; m = 1 ,0 ,9 và 0,8; ni = 1,6 v à 1,2. 160
H ình 7.3. Đồ thị Ỵ = f ( a ) cho trirờng hợp khi tài trọng lừ trọng lượng bàn thân và trọng lượng hàng có cùng dấu C ũng trên hình 7.3 ta thấy đối với cần trục loại nhẹ (ri| = 1,6), các đường cong y = f ( a ) kéo dài sẽ đi cao hơn đư ờ ng Y = 1, tức là với phương pháp tính toán m ới thì chi phí kim loại cho kết cấu cù a cần trục loại nhẹ sẽ tăng hơn. C ác đường cong đối với cần trục loại nặng (n I = 1,2) đi thấp hom đườ ng y = 1, tức là phươ ng pháp m ới tạo ra khà năng giảm chi phí cho kết cấu loại nặng. T rong trư ờ ng hợ p a > 2 , kết q u ả tính toán theo phương pháp cũ và m ới không khác nhau nhiều. N him g tro n g vùng tư ơ ng ứng vói a
Sau đây chúng ta xem xét từng trường hợp một. T rư ờ n g hợp th ứ nhất: M ặt cắt của thanh được xác định chi theo nội lực từ trọng lượng bản thân S'| = — G (theo phươ ng pháp m ới), hoăc S 3 = n„G (theo phư ơ n g pháp mk cũ), hoặc theo nội lực từ trọng lượng bản thân và trọng lượng hàng, tương ứng là: s ; - ĩ ^ £ h o í c s ; . 2 ^ „ . km
* T rong trường hợp, khi SỊ < S '2 và S ' < S j , a = ((p + 1 ) -ỉ-0 , ta có: n ,a -ru Y: = (7.14) (a-l)k m n 0(p T ừ biểu thức (7.14) ta thấy y 2 là m ột hàm số cùa a và cp. Khi a - » o o thì y2 kmn0(p tức là Ỵ sẽ tiến tới m ột giá trị m à tại đó nội lực từ trọng lượng hàng và trọng lượng bản thân kết cấu được gộp với nhau và có kể đến ảnh hưởng cùa
G iá trị các tọ a độ cùa m ặt phảng Y phụ thuộc vào tỷ số các hệ số chất tải cùa trọng lượng bản thân 112 và trọng lượng hàng ri|. Đối với các cần trục loại nặng thì ni = 1,2 với S '2 v à S’ > S” hệ số y sẽ đượ c xác đ ịnh theo công thức (7.14). T ừ điều kiện SỊ > S'2 ta xác đ ịnh đượ c trị số a thỏa m ãn với biếu thứ c (7.14).T ương tự n h ư phần trên a = 0 -H— l í i E J tức là khác b iệt với k ết quả nhận được trong trường n, < p hợp th ứ nhất ờ chỗ là đại lượng a ,đ ư ợ c ch ia cho (p . K hi (p = l thì các giá trị cùa a trùng nhau, còn khi (p g iảm thì a tăng theo sự so sánh với các k ết quả nhận được trong trư ờng h ợ p th ứ nhất. * T rong trư ờ ng hợp, khi SỊ < v à S ' > S" , giống n h ư ở trư ờ ng hợp thứ nhất, 2 cc = ctj -ỉ- (*2 » tro n g đ ó
1 .6 .1 .4 -1 ,1 .0 ,4 1 .4 -1 .0 ,8 5 .1 .1 ,7 Phương pháp m ới trong trư ờng hợp này sẽ làm giảm m ặt cắt th anh x uống 21 %. T rư ờ n g h ọ p t h ứ ba: N gư ời ta xác định m ặt cắt thanh theo nội lực từ trọng lượng bản thân SỊ = (theo phư ơ ng pháp m ới) hoăc S’ = (theo phươ ng pháp cũ) và từ krmp
C hương 8 CÁC TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN VÀ CÁC TỎ HỢP CỦA CHÚNG 8.1. Đ Ặ C T ÍN H C H U N G C Ủ A T Ả I T R Ọ N G N ếu coi các tải trọ n g tác dụ ng lên C T T nh ư là các đại lượng ngẫu nhiên thì có thể sử dụng cách phân loại của N .x . X treleski để phân ch ia chúng thành các loại sau: tải trọng cố định, tải trọng khai thác và tải trọng khí động học. Tài trọng cố định bao gồm : trọ n g lượng bàn th ân cần trục, trọng lượng đổi trọng, trọng lượng cụm m óc câu. N hữ ng tải trọng này sẽ bảo toàn g iá trị trong suốt thời gian làm việc của cần trục. T rong m ôi trư ờng sản xuất hàng loạt, độ sai lệch về trọng lượng bản thân cùa cần trục so với thiết kế không vượ t q u á 5% , do vậy tro n g tính toán không cần đề cập tói hệ số trọng lượng bản thân. Tải trọng khai thác là trọng lượng tĩn h của hàng nâng và nhữ ng yếu tố tác dụng động phát sinh trong thời gian làm việc của cần trục, nhữ ng yếu tố n à y p h ụ thuộc vào điều kiện khai thác và vào k ết cấu của cần trục. N ếu dùng cho tính toán, ta lấy tải trọng do trọng lượng định m ức c ủ a hàng sinh ra làm tải trọng khai thác, còn nếu để đề cập tới khả năng quá tải củ a cần trục thi cần dư a thêm hệ sổ quá tải tư ơ n g ứ n g n. Các g iá trị cùa hệ số q u á tải đối với ư ọ n g lượng hàng n ân g có thể được xác định trên c a sở phân tíc h các trư ờ ng h ợ p sự cố của càn trục. B ảng 8.1 giới thiệu 272 trứ ờ ng hợ p sự cố do q u á tải của m ột số loại C T T trong vòng 10 năm [13]. B ản g 8.1. Phân bố các tr ư ò n g h ọp sự cố do q u á tải của C T T Sức nâng cùa Tỷ lệ quá tài, % cần trục ờ tầm Tổng với lớn nhất Đến 30 31-50 51-100 101-150 - > 150 cộng Đến 1 T 24 36 50 13 11 134 1,1-1,5 T 14 20 49 29 8 120 1,6-5,0 T 1 3 11 2 - 17 Lớn hơn 5,0 T 1 - - - - 1 Tổng cộng 40 59 110 44 19 272 166
Các số liệu nêu tro n g bảng 8.1 cho ta thấy ràng với tỳ lệ quá tải từ 51-100% thì số lượng sự cố là lớn nhất. T rong khi đó, với tỷ lệ q u á tải lớn hơn 100% thì số lượng sự cố lại giảm , điều n à y c ũ n g dễ hiểu vì rằng trư ờng hợ p quá tải vư ợ t quá 10 0 % là ít xẩy ra. N gược lại, khi tỷ lệ quá tải nhò hom 50% thì số lượng sự cố cũng k hông nhiều, bời vi với m ức quá tải n à y thì cũng ít xẩy ra sự cố. K hi trọng lượng hàng vượ t ch ư a quá 50% m à có thề xẩy ra sự cố chi trong trư ờng hợp cần trục chịu sự tác động của tổ hợ p các lực khác nữa. C ũng từ bảng 8.1 ta nhận thấy rằng với sức n ân g của cần trục càng tăng thì số lượng sự cố càng giảm . Đ iều này được giải thích là tro n g điều kiện công nghệ xây dựng hiện nay thì m ức độ sừ dụng nhữ ng C T T có sức nâng lớn càng giảm , dẫn tới số lượng sự cố không nhiều. N goài ra, n h ũ n g cần trục có sức nâng lớn hơn 5T hiện nay chi đượ c sử dụng chù yếu cho công việc lắp ráp các cấu kiện có trọ n g lượng lớn cho n h à c ô n g n ghiệp hoặc các công trinh thủy điện, nh ữ n g công việc này chiếm tỷ lệ thời gian k hông nhiều. T rong khi đó, những cần trục có sứ c nâng nhỏ thi đượ c sử dụng nh iều hơn cho việc nâng - chuyển các loại vật liệu v à cấu kiện xây dự n g trong q u á trình x â y d ự n g nhà cao tần g dân dụng. Đ ề làm rõ các trư ờ ng hợp sự cố của C T T do quá tải, c húng ta tìm hiếu m ột số liệu thống kê để so sánh g iữ a số lượng sự cố với số lượng cần trục tham g ia vào quá trình khai thác và số lần n ân g do các cần trục đó thự c hiện ữ o n g thời gian khai thác. N hững số liệu này được thể hiện tro n g bảng 8 .2 [13]. B ảng 8.2. Số lưọrng sự cố v ó i số lưựng C T T v à sổ lần n â n g do cần trụ c th ự c hiện Số lượng trung Số lần nâng trung binh do Số lượng Số lượng sự cổ của Sức nâng cùa binh cùa cần trục cần trục thực hiện tính sự cố do cần trục tính cho cần trục, T hoạt động trong trong 10 năm, quá tải một triệu lần nâng một năm (triệu lần) Đến 1 T 134 5036 302,2 44 1,1-1,5 T 120 9277 464,0 28 1,6-5,0 T 17 3183 127,0 15 Lớn hơn 5 T 1 1300 26,0 4 T ừ bảng 8.2 ta có c ơ sở để rú t ra k ết luận cho việc đ ề xuất giá trị hệ số q u á tải phụ thuộc vào sức n ân g v à chế độ làm việc c ủ a cần trục, hệ số nảy đượ c nhân vào với giá trị tải trọng định m ức khi tín h toán. Sức nâng cùa cần trục, T : Đ ến 1,5 1 ,5 -1 0 L ớn h ơ n 10 H ệ số quá tải n với các c h ế đ ộ làm việc: - C hế độ nhẹ: 1 ,2 1,15 1 ,1 - C hế độ trung bình: 1,4 1,25 1 ,2 - C hế độ nặng: 1,5 1,35 1,3 1 6 7
Q u y đ ịn h c ù a m ột số nướ c ví dụ n hư M ỹ, T hụy Đ iể n từ lâu đ ã đư a hệ số q u á tải v à o tro n g th iế t kế các loại cần trụ c (tro n g đ ó có C T T ) đ ể tín h to á n bền v à tín h to án ồ n đ ịn h cho cần trục. T ải trọ n g đ ịn h m ức đượ c đề cập ở trên c h ín h là sức n ân g đ ịnh m ứ c c ủ a cần trục. Số liệu thống kê trong 10 năm cùa V iện N ghiên cứu M áy xây dự ng và làm đườ ng thuộc LB N ga cho thấy rằng, nếu phân tích nguyên nhân các sự cổ của C T T thì tý lệ sự cố xẩy ra do quá tài chiếm hơn 50% ; tỷ lệ này đirợc liệt kê dưới đây (% ) [15]: - D o cần trục làm việc q u á tải 55 - D o vi phạm các quy định về sử dụng cần trục 12 - D o chất lượng không tốt của đường ray 9 - D o sai sót trong thiết kế, chế tạo, sửa chữa 8 - D o sại sót trong lắp ráp 4 - D o tác dụng của gió 4 - D o các nguyên nhân khác 8 T rong quá trình C T T làm việc, ngoài sự tác dụng của tải trọng tĩnh nh ư đã nêu ở trên thì còn có sự tác dụng của tải trọng động. Tải trọng động xuất hiện trong thời gian làm việc cùa cần trục được phân biệt khác với tải trọng tĩnh; đó là những lực xuất hiện ở các p h ần tử cần trục khi khởi động hoặc khi phanh các c ơ cấu. V iệc xác đ ịnh tải trọ n g động đ ư ợ c trình bày ờ m ột phần riêng trong chương này. T ải trọng khí động học: Đ ối với các loại C T T thì loại tải trọng n à y chính là lực tác d ụ n g của gió và nó có ảnh hưở ng rất lớn đến độ ổn định c ủ a C T T , bời vì hầu hết các C T T đều có chiều cao lớn. Tải trọng gió là những đại lượng ngẫu nhiên, m à q u y luật p h ân bố sẽ được xác định theo các điều kiện vật lý cục bộ tại v ù n g lănh thổ. T ải trọng nà y k h ô n g p hụ thuộc vào các điều kiện khai thác của cần trục. Q u y luật phân bố của tải trọng gió đ ẫ được ngành khí tư ợ ng thủy văn nghiên cứu nhiều. V iệc áp dụng tính toán tải trọng gió tác dụng lên C T T được trin h b à y sau đây. 8.2. T Ả I T R Ọ N G G IÓ T ải trọng gió được xác định bàng cách nhân cường độ gió với diện tích bề m ặt chắn gió có kể đến hệ số cản khí động học c liên quan tới tính xuyên dòng cùa kết cấu cần trục v à h ệ số động p liên quan tới sức giật của gió lên cần trục [4]. w = PcqF, kG (8.1) tro n g đó: p - hệ số động, được xác định phụ thuộc vào độ cao cần trục v à chu kỳ biên độ cơ bàn thuộc dao động riêng của cần trục; c- hệ số cản khí động học, được xác định theo tiêu chuẩn riêng phụ thuộc vào cấp gió và kết cấu thép của cần trục. T uy nhiên, để thuận tiện trong tính toán ta quy đổi 16 8
hai hệ số này về m ột hệ số chung ko và được gọi là hệ số khí động học quy đổi. G iá trị cùa hệ số k 0 được cho như sau: đối với kết cấu dạng dầm hoặc dàn, k 0= 1 , 1 ; đối với cabin và đối trọng, k0= 1 , 2 ; đối với các loại ống có đườ ng kính từ 200 đến 500m m , k0= 0,7; đường kính > 500m m , k 0= 0,9. q- áp lực gió tính toán, kG /m 2; chọn theo bảng 8.3 và 8.4. F- diện tích chắn gió, m 2: F = Fk + Fh Ở đây: Fh- d iệ n tíc h c h ắ n gió cùa hàng nâng, m 2; tro n g tín h to án sơ bộ có thể chọn th eo b ản g 8.5. Ffc- diện tích chắn gió của kết cấu, m 2 Fk= F b. a Fb- diện tích hình bao của kết cấu, m 2 a - hệ số tính đến phần rỗng của kết cấu. Đối với kết cấu dàn, a = 0,3 - 0,4; đối với k ết cấu kín, a = 1 ; đối với các bộ m áy, a = 0,8 - 1 , 0 . N h ư vậy, ta có th ể viết biểu thức (8.1) thành m ột dạng khác: W = k 0q ( F ba + F h) (8.2) B ảng 8.3. Á p lực gió ở trạng thái làm việc, kG /m 2 Cần trục chân đế và Các cần trục khác Các phép tính toán cho cần trục cần trục nổi (trong đó có CTT) Tính toán kết cấu thép, các bộ máy 40 25 và tính toán ổn định cho cần trục Tính công suất động cơ 25 15 Tính toán sức bền mỏi 5 5 B ản g 8.4. Á p lực gió ở trạng thái kh ông làm việc, kG /m 2 Chiều cao cần trục 10 0 tính từ mặt đất, m Áp lực gió 100 115 130 150 165 180 B ản g 8.5. D iện tích chán gió cùa hàng nâng, m2 Sức nâng Q, T 1 2 3 5 10 20 30 50 75 100 Fh 2 3 5 7 10 15 20 25 30 35 169
Á p lực gió ở trạng thái làm việc đượ c d ù n g đ ể tín h to án sứ c bền tĩnh (xem trường hợp II ở phần “Các tổ hợ p lực tín h to án ”), tín h ổn đ ịnh khi cần trục m an g hàng, tính kiểm tra thời gian m ờ m áy di c h u y ển cần trục ngư ợ c chiều gió v à thòi gian phanh cần trục khi di chuyên theo chiều gió. Á p lực gió ở trạng thái không làm việc đượ c d ù n g đ ể tín h to án th iế t bị kẹp ray cho cần trục và phanh, tính ổn định bản th ân cần trụ c v à tín h toán các bộ phận k ế t cấu chịu áp lực gió (trường hợp III). Đ ể bảo đảm an toàn, khi tính toán các thiết bị k h ó a hãm hoặc kẹp ray cho cần trục có thể lấy áp lực gió 250 kG /m 2. 8.3. T Ả I T R Ọ N G Đ Ộ N G Tải trọng động tác dụng lên cần trục bao gồm tải trọ n g quán tín h và tải trọng phát sinh do va chạm của các phần từ cần trục trong q u á trình làm việc. T ải trọng quán tính xuất hiện khi khởi động h oặc phanh các c ơ cấu (các bộ m áy) cần trục do sự tác dụng của gia tốc. c ầ n trục là m ộ t hệ đàn hồi, cho nên lực quán tính sẽ tạo nên dao động cho các phần từ củ a cần trục, dao đ ộ n g n à y sẽ tiếp diễn m ộ t thời gian sau khi đ ã kết thúc quá trình chuyển tiếp. C huyển động của cần trục thường là chuyển động kết hợ p đồng thời, do vậy dao động sỗ phát sinh dưới tác dụng đồng thời cùa lực quán tính thuộc các c ơ cấu khác nhau. N guồn gốc của tải trọng động là d o sự v a ch ạm p h á t sin h ra lực tư ơ n g đối lớ n khi các bộ truyền động có khe h ở lớn, các m ối nối đ u ờ n g ray k h ô n g bảo đàm ch ất lượng hoặc do c ơ cấu đ õ - quay bị m òn v .v ... T ải trọng động phát sinh tại nh iều đ iểm của cần trụ c v à đư ợ c x ác đ ịnh bằng tíc h số g iữ a k h ố i lư ợ n g v à g ia tố c c ù a v ậ t c h u y ể n d ộ n g . C ác số liệu thực nghiệm cho hay nh ữ n g tải trọ n g n à y g â y n ê n ứ n g suất có m iền thay đổi rộng và luôn có giá trị vư ợ t q u á ứ ng su ất d o ừ ọ n g lư ợ ng h àn g g â y ra. D o vậy, phương p háp tín h to án dựa ư ê n việc sử dụng hệ số đ ộ n g đ ể nhân với các tải trọng tĩnh là không thật sự tín cậy, bởi vì ch ư a đ ề cập tớ i bản c h ất v ậ t lý c ủ a h iện tượng. V ì vậy, theo quan điềm khác là n ê n tách riên g tải trọ n g đ ộ n g ra k hỏi tải trọng tĩn h và /iệ c tín h to án chúng phải dự a vào đặc tín h củ a q u á trinh chu y ển tiếp, vào sự phân bố khối lượhg và độ đàn hồi của h ệ thống. Các nghiên cứu thực nghiệm về cần trục do viện N ghiên cứu M áy xây dựng và làm iư ờ ng cùa LB N ga thực hiện, đồng thời các kết quả tính toán của hai giáo sư người N ga G. Fraxkevich và v .p . Trerenkov cho thấy với độ chính xác đ ủ tin cậy để có thể coi kết cấu thép của C T T như là m ột hệ đàn hồi hai khối lượng với hai bậc tự do. T rong các quá trinh :huyển tiếp (khởi động và phanh hãm ) cù a cần trục thì hệ này chịu sự tác dụng của động cơ và phanh, gây ra gia tốc cho hàng nâng v à các phần tử chuyển động của cần trục. 1 7 0
Ờ những cần trục có chế độ khai thác hợp lý thì khe hở trong các m ối ghép cùa các khâu riêng biệt thuộc hệ thố n g k hông ảnh hư ở n g nh iều đến dao đ ộng của cần trục. N ếu trong kết cấu c ù a cần trụ c k hông có thiết bị chu y ên dùng để dập tắt dao động thì có thể coi rằng các lực cản bên tro n g do biến dạng, ở giai đoạn đầu của khời động hoặc phanh hãm cần trục k hông ảnh hư ờ n g đến biên độ củ a dao động. T ừ nhữ ng g iả th iế t n h ư v ậ y ta n h ậ n đ ư ợ c c ô n g th ứ c ẹ h u n g để xác đ ịnh các tải trọ n g động: Pđ = m a P , kG (8.3) trong đó: m - khối lượng cù a v ật xem xét, kg.s 2/m ; a- gia tốc c ủ a h à n g n â n g v à c ủ a các phần tử chu y ển động, m /s2; p - hệ số kể đến sự dao đ ộ n g c ủ a khối lượng đ a n g xem xét. Khi xác đ ịnh trị số a c h o các C T T có động c ơ điện dòng xoay chiều thì trong thời gian khời động v à p h an h cần trục sẽ có sự tác d ụ n g c ủ a m ột m ô m en dư cố định Md, m ô m en này có giá trị tín h to án đượ c cho n h ư tro n g bảng 8 .6 : G ia tốc cùa c ơ cấu do m ô m en d ư sinh ra đ u ợ c xác định theo biểu thức: M a= r — m/ s (8.4) Ji'n trong đó: r- bán kính tín h to án củ a tang, đ u ợ c đ o đến tâm c ủ a cáp quấn ữ ê n tang (đối với c ơ cấu nâng hàng), hoặc th eo tầm với của hàng n ân g (đối với cơ cấu quay), m; j- tổng m ô m en q u án tín h quy đổi về trục đ ộ n g c ơ điện cùa tất cả các phần tử cần trục chuyển d ộ n g tro n g khi c ơ cáu làm việc, củ a chinh bản thăn cơ cấu và của hàng nâng, k G .cm .s2; i- tỷ số truyền c hung c ủ a c ơ cấu; in- bội suất p alăn g c ơ cấu nâng b àn g c áp (n ân g h àn g v à n âng cần). B ả n g 8.6. C ác giá trị tín h toán của Md Chuyển động ngang Các cơ cấu Nâng hàng (quay, di chuyển xe con, di chuyển cần trục) Giá trị M