Đồ án Quy trình công nghệ chế tạo kết cấu thép cầu trục một dầm

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN GẦU NGOẠM 2.1. Công dụng, phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của gầu ngoạm. 2.1.1. Công dụng chung: Gầu ngoạm hàng rời là thiết bị mang hàng chuyên dùng để bốc xúc các loại hàng rời dạng hạt,cục… ví dụ như các laọi ngủ cốc(lúa, ngô, khoai, sắn,….), các loại vật liệu xây dựng(xi măng, thạch cao, clinkerr, cát, đá,sỏi,….), trong công tác khai khoáng(khai thác than, quặng,…),các loại phân hóa học(đạm, lân, kali,…). Ngoài ra gầu ngoạm có thể dùng trong công việc nạo vét kênh mương, vệ sinh môi trường,vv…. Gầu ngoạm hàng rời bốc xúc theo nguyên lý ngoạm hàng vào gầu. Gầu ngoạm là thiết bị xếp dở hàng rời mang tính tự động cao, khi sử dụng gầu ngoạm để bốc xếp hàng rời tạo ra năng suất cao, tốn ít sức lao động chân tay của con người. Gầu ngoạm được sử dụng rất rộng rải và được lắp trên cần trục để xếp dở hàng rời ở các cảng biển, các kho bải, các nhà ga, các công trường khai thác cát sỏi, các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng. 2.1.2. Phân loại: - Thông thường gầu được chia làm hai loại gầu ngoạm : + Gầu ngoạm có hai cánh : Thường dùng để bốc dỡ các loại vật liệu cục nhỏ và vừa hoặc vật liệu dạng hạt. + Gầu ngoạm có nhiều cánh : Thường dùng để bốc dỡ các loại vật liệu dạng cục lớn - Theo cách điều khiểu ta có thể chia ra làm hai loại : + Loại điều khiển bằng cơ khí + Loại điều khiển bằng thuỷ lực Với nhu cầu bốc dỡ có năng suất lớn và sự linh hoạt khi bốc xếp ta chọn gầu ngoạm hai má dẫn động bằng thuỷ lực. 2.1.3. Cấu tạo của gầu ngoạm: Chú thích 1: Má gầu 2: Xi lanh đóng mở gầu 3: Xi lanh quay gầu 4: Chốt Hình 2.1.Sơ đồ động của gầu ngoạm 2.1.4. Nguyên lý hoạt động của gầu ngoạm: Khi có tín hiệu mở gầu, xi lanh mở gầu co lại làm gầu mở ra đồng thời lúc ta có thể điều khiển xi lanh quay xoay gầu làm cho gầu có thể xoay vòng 3600. Khi có tín hiệu đóng gầu thì hai xi lanh đóng mở gầu duỗi ra làm hai má gầu khép lại và tiến hành ngoạm vật liệu vàu trong gầu. 2.2.Các thông số cơ bản của gầu ngoạm: Với năng suất 600 (T/h) ta chọn gầu có các thông số sau : + Thể tích có ích : 5.5 (m3) + Trọng lượng gầu : 4.2 (T) + Các kích thước khác : (trong bản vẽ) 2.3. Vật liệu chế tạo gầu: 2.3.1: Phân nhóm vật liệu chế tạo: Do điều kiện và tính năng làm việc mà gầu ngoạm có cấu tạo phực tạp cả về nguyên lý hoạt động, về kết cấu và vật liệu chế tạo. Để chế tạo các chi tiết cảu gầu ngoạm, dùng chủ yếu các loại thép các bon, thép tấm. Chúng ta có thể chia nhóm các chi tiêt của gầu ngoạm theo vật liệu chế tạo như sau: Nhóm 1: Vật liệu làm kết cấu thép cảu các chi tiết như: má gầu,cụm dẫn động, vv..Yêu cầu vật liệu của nhóm này là thép nhóm C, vừa có khả năng chịu lực, vừa có tính hàn tốt( thỏa mãn cả về cơ tính và cả thành phần hóa học). Nhóm 2: Vật liệu làm xi lanh ( thỏa mãn tính chất chịu kéo, nén, uốn và chịu va đập vào thành tàu). Nhóm 3: Vật liệu làm các chi tiết dạng trục như: Chốt, trục của má gầu, vv …Yêu cầu vật liệu của nhóm này là thép đảm bảo cơ tính ( nhóm A), đảm bảo độ bền, độ cứng, chịu mài mòn,vv.. Vật liệu làm khớp răng của gầu có thể dùng chung trong nhóm này. Nhóm 4: Vật liệu làm lưỡi cắt: phải chịu sự mài mòn cao nhất so với tất cả các chi tiết khác. Nhóm 5: Vật liệu làm bạc cho ổ trượt( chịu mài mòn, được bôi trơn), khi mòn có thể thay thế bạc mà không cần thay đổi chốt hay trục. 2.3.2. Chọn vật liệu chế tạo: Các bảng sau đây đưa ra vật liệu chế tạo cho từng nhóm, vật liệu chế tạo có thể thay thế bằng vật liệu có tính chất tương đương. Do điều kiện thực tế nên có thể chấp nhận các vật liệu chế tạo theo bảng sau đây: 2.3.2.1. Thành phần hóa học và cơ tính của thép chế tạo các chi tiết nhóm 1 và 2 Bảng 02 – Cơ tính của thép CCT34, CCT38 (TCVN 1765 – 75 (trang 18, {03}): Mác thép Giới hạn bền kéo Rm, kG/ mm2 Giới hạn chảy R0,2 kG/ mm2 cho độ dày,mm Độ dãn dài tương đối A5,cho độ dày, mm Uốn 1800, a-độ dày mẫu, đ-đường kính gối uốn cho độ dày ≤ 20 20÷40 40÷100 >100 ≤ 20 20÷40 >40 Không nhỏ hơn Không nhỏ hơn ≤ 20 >20 CCT34 34÷44 23 22 21 20 32 31 29 d=0 (*) CCT38 38÷49 25 24 23 21 26 25 23 d=0.5a (*) (*)- Đường kính gối uốn tăng lên theo độ dày của mẫu Bảng 03 – thành phần hóa học % của thép CCT38 (TCVN 1765 – 75 (trang 23, {03}): Mác thép C Mn Si P, max S, max Cr, max Ni, max Cu, max CCT34 0.09-0.15 0.25-0.30 0.12-0.30 0.04 0.05 0.30 0.30 0.30 CCT38 0.14-0.22 0.40-0.65 0.12-0.30 0.04 0.05 0.30 0.30 0.30 Ghi chú: R0,2 -Giới hạn chảy quy ước, (б0,2) ; Mpa; Rm –Giới hạn bền, (бb); Mpa 2.3.2.3. Thành phần hóa học và cơ tính của thép chế tạo các chi tiết nhóm 3 và 4: -Vật liệu chế tạo các chi tiết nhóm 3 và nhóm 4 ( có thể chấp nhận) là thép 45. Bảng 05 – Thành phần hóa học % của thép 45 – (TCVN 1766 – 75): Mác thép C Mn Si, P, max S, max Cr max Ni, max Mo, max Ng.tố khác C45 0.42-0.50 0.50-0.80 0.17-0.37 0.040 0.040 0.25 0.25 - - Bảng 06 – Cơ tính thép 45 – (TCVN 1766 -75 ): Nhãn hiệu thép Đườngkính phôi mm Giới hạn bền kéo, бbk, N/mm2 Giới hạn chảy бc, N/mm2 Độrắn HB 45 Thường hóa Dưới 100 600 300 170 –220 100 – 300 580 290 300 – 500 560 280 500 – 750 540 270 45 Tôi cải thiện 060 – 090 750 – 850 450 210 – 240 090 – 120 700 – 800 400 190 – 220 180 – 250 650 – 750 350 180 – 210 Ghi chú các phương án chế tạo lưỡi cắt. – PA1 : Có thể dùng thép nhóm 1 , sau đó hàn bằng các que hàn chịu mài mòn để tăng cứng cho bề mặt lưỡi cắt. – PA2 : Chế tạo toàn bộ lưỡi cắt bằng vật liệu chống mài mòn. – PA3 : Chế tạo lưỡi cắt bằng thép 45 sau đó đem nhiệt luyện để tăng độ cứng bề mặt. Do điều kiện thực tế nên có thể chấp nhận các vật liệu chế tạo lưỡi cắt theo PA3. 2.3.2.4. Chọn que hàn Que hàn được sử dụng là : E7018 – G hay E7016 – G theo tiêu chuẩn của hiệp hội hàn hoa kỳ AWS (American Welding Society ) hoặc các que hàn khác có cơ tính và thành phần hóa học tương đương. Theo AWS cơ tính của que hàn E7016 – G là: Cường độ tiêu chuẩn ( giới hạn bền kéo): Rtc,g = 550 Mpa = 5600 kG/cm2. Cường độ tiêu chuẩn ( giới hạn chảy ): Rch = 460 Mpa = 4690 kG/cm2. Như đả lựa chọn ở phần trên chúng ta có các bảng để lựa chọn vật liệu chế tạo gầu. Sau đây chúng ta tiến hành xác định ứng suất cho phép của các phần tử cảu gầu. Để chế tạo các chi tiết của gầu ngoạm , chủ yếu ta dùng các loại thép cacbon và thép tấm. Với các chi tiết như : xi lanh,ống lót,trục má gầu,lưỡi gầu dùng vật liệu là thép 45 tôi cải thiện. a) Định ứng suất cho phép của thép nhóm 1, và 2: Ta chọn vật liệu chế tạo là thép CT34, hoặc CCT38 có các ưu điểm sau: Độ bền cơ học đảm bảo; Tính dẻo cao; Tính hàn tốt; Giới hạn chảy : бch = 230 ( N/mm2) = RH Ứng suất cho phép : [ б ] = m0. K0 . RH = 0,684.0,9.230 = 142 (N/mm2) Trong đó : RH : là sức bền định mức của vật liệu chế tạo. m0 : hệ số điều kiện làm việc: m0 = m1.m2 .m3 = 0,684 (2.1) m1 : hệ số tính đến mức độ quạn trọng của phần tính toán; m1 = 0,9 m2 : là hệ số tính đến sự sai lệch kích thước hình học của kết cấu và chất lượng liên kết giữa các phần tử của chúng; m2 = 0,8 m3 : là hệ số tính đến ảnh hưởng do việc tính toán không hoàn hảo ; m3 = 0,95 K0 : hệ số đồng chất của vật liệu chế tạo, với thép cacbon lấy K0 = 0,9 b) Định ứng suất cho phép của thép nhóm 3, và 4: Độ rắn sau nhiệt luyện : HB = 190 – 220 Giới hạn chảy : бch = 400 (N/mm2 ) = RH Ưùng suất cho phép : [ б ] = m0. K0 . RH = 246 (N/mm2 ) Trong đó : RH : là sức bền định mức của vật liệu chế tạo. m0 : hệ số điều kiện làm việc: m0 = m1.m2 .m3 = 0,684 (2.1) m1 : hệ số tính đến mức độ quạn trọng của phần tính toán; m1 = 0,9 m2 : là hệ số tính đến sự sai lệch kích thước hình học của kết cấu và chất lượng liên kết giữa các phần tử của chúng; m2 = 0,8 m3 : là hệ số tính đến ảnh hưởng do việc tính toán không hoàn hảo ; m3 = 0,95 K0 : hệ số đồng chất của vật liệu chế tạo, với thép cacbon lấy K0 = 0,9 2.4. Tính toán xi lanh đóng mở gầu: 2.4.1: Tính toán khi đóng gầu: - Khi đóng gầu xi lanh chịu tác động của các lực : trọng lượng gầu và liệu, lực ma sát giữa liệu và gầu, ma sát giữa các hạt liệu với nhau. - Sơ đồ lực như sau : Hình 2.2.Sơ đồ tính toán lực khi đóng gầu * Tính lực ma sát giữa các hạt liệu với nhau + Lực ma sát giữa các hạt liệu với nhau chia làm hai loại : Lực chống cắt và lực dính. Do là vật liệu dạng cát khô nên lực dính không đáng kể + Lực chống cắt Hình 2.3. Sơ đồ tính lực cắt giữa các hạt vật liệu Trong đó là hệ số ma sát giữa các hạt vật liệu, tra theo bảng 1.3[VI], ta có , với a là góc ma sát trong của vật liệu là ứng suất pháp trên mặt trượt, với P là trọng lượng liệu S1 là diện tích mặt trượt Vậy ta có * Lực ma sát giữa gầu và vật liệu + Là lực ma sát ngoài, nó phụ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liệu và bề mặt của bộ phận công tác. Hệ số ma sát tăng khi độ ẩm tăng và áp lực của bộ công tác tăng. Lực ma sát được tính như sau : Trong đó f là hệ số ma sát giữa đất và thép, tra theo bảng 1.5[VI] N là phản lực tác dụng lên bề mặt tiếp xúc, N = 4.15(T) Vậy ta có * Tính lực tác dụng lên xi lanh + Theo sơ đồ lực ta có mômen với điểm A là : => Vậy ta có * Tính áp suất cần thiết + Chọn xi lanh có D = 125 (mm), d = 90 (mm) Vậy ta cài đặt áp suất an toàn tại van an toàn là 290 (bar) b: Tính toán khi mở gầu: - Khi mở gầu chỉ có trọng lượng gầu liệu tác dụng lên xi lanh, gầu mở đến một vị trí thì vật liệu rơi xuống khi đó ta có sơ đồ lực tác dụng như hình vẽ: Hình 2.3. Sơ đồ tính toán lực khi mở gầu - Mômen với điểm A ta có - Áp suất cần thiết Vậy ta cài đặt áp suất an toàn tại van an toàn là 250 (bar) 2.4.3. Tính chốt xoay giữa cần nhỏ và gầu ngoạm: Các chốt xoay trên cần cẩu là một chi tiết quan trọng, việc tính toán phải chính xác nếu không sẽ gây hư hại nghiêm trọng và gây ra mất an toàn cho người sử dụng Chốt xoay giữa cần nhỏ và gầu ngoạm Kết cấu của chốt như hình vẽ Hình 5.1 Chốt xoay giữa cần nhỏ và gầu ngoạm Khi làm việc chốt chịu các lực tác dụng như : lực quán tính ly tâm của gầu ngoạm, trọng lượng của gầu ngoạm và trọng lượng của vật liệu. Ta gọi tổng trọng lượng của gầu ngoạm và vật liệu chứa trong gầu là G, gọi lực quán tính ly tâm là ta có sơ đồ lực như sau : Hình 2.6 Sơ đồ lực tính toán chốt xoay giữa cần nhỏ và gàu ngoạm - Vậy ta có hợp lực là Mà = N1 = 8224 (N) G = 125000(N) Vậy Khi máy làm việc thì chốt chịu cắt và chịu uốn do chốt có chiều dài khá lớn do đó khi tính đường kính chốt ta tính theo mômen tương đương và kiểm tra theo ứng suất cắt. Ta có biểu đồ mômen của chốt Hình 2.7 Biểu đồ momen tính chốt - Tổng lực theo phương đứng ta có : (1) - Tổng mômen tại A ta có : (2) Từ 1 và 2 ta có : Mômen tại B là : Chọn vật liệu cho chốt : + Khi làm việc chốt chịu lực cắt và mômen uốn không chịu mômen xoắn nhiều nên vật liệu không cần có tính chịu mòn cao chỉ yêu cầu về độ cứng và độ dẻo. Từ yêu cầu đó ta chọn vật liệu là thép CT45 có , + Tính ứng suất cho phép [s], đối với vật liệu dẻo ta có : (cth 1.11a[V] trang 22 ) Trong đó : sch là ứng suất chảy cho phép của vật liệu khi kéo [s] là hệ số an toàn cho phép e là hệ số kích thước * Tính hệ số an toàn cho phép (cth 1.19[V] trang 30) Trong đó : . S1 là hệ số xét đến ảnh hưởng của mức chính xác khi tính toán và thiết kế chi tiết, giá trị từ 1,2÷1,3 . S2 là hệ số xét đến ảnh hưởng tính đồng nhất của cơ tính vật liệu dùng chế tạo chi tiết, giá trị từ 1,2÷1,3 (đối với thép hợp kim và thép các bon có nhiệt độ ram cao); từ 1,5÷2 (đối với thép có đôï bền cao nhưng tính chất dẻo thấp hoặc với các chi tiết chế tạo từ kim loại màu ; từ 2÷2,5 (đối với gang có độ bền cao). . S3 là hệ số tính đến mức độ quan trọng của chi tiết, giá trị 1 (đối với chi tiết không quan trọng, khi hỏng không làm ngừng máy ) ; từ 1,1÷1,2 (đối với chi tiết khi hỏng làm ngừng máy ) ; từ 1,.2÷1,3 ( đối với chi tiết khi hỏng gây sự cố ). vậy ta có * Tính hệ số kích thước : tra theo đồ thị 1.7 [V] trang 16 ) ta có e = 0,75 từ đó ta có . Tính đường kính chốt : Trong đó : Mtd là mômen tương đương, do chỉ có mômen uốn nên vậy ta có đường kính của chốt là : , theo tiêu chuẩn ta lấy d = 90 mm * Kiểm tra theo ứng suất cắt - Ứng suất cắt là : Trong đó : là ứng suất cắt cho phép F = 62785 (N) là lực cắt tác dụng lên chốt d = 90 (mm) là đường kính chốt vậy ta có t = 10 (Mpa) < [t], đường kính đã chọn thỏa mãn điều kiện cắt 2.5. Tính toán các phần tử của má gầu: 2.5.1. Điều kiện đảm bảo độ cứng của đáy thùng gầu: Chiều dày của lưỡi cắt (lưỡi miệng gầu) được xác định theo công thưc kinh nghiệm sau: Trong đó: : là hệ số. Đối với vật liệu rời,mảnh nhỏ lấy = 0,012 m3/T V: dung tích cảu gầu, V= 5,5 m3 : Khối lượng riêng cảu vật liệu, = 1,4 T/m3 Giá trị nhận được sẽ xác định chính xác hơn trong quá trình gia công theo bản vẽ công nghệ. Để tăng khả năng chịu mòn, phần đầu lưỡi cắt cảu miệng gầu thường được hàn đắp bằng que hàn chống mòn, hoặc chọn loại vật liệu có tính chống mòn tốt,đồng thời phải đảm bảo về độ bền và độ cứng khi làm việc. 2.5.2. Tính toán độ bền lưỡi cắt(lưỡi miệng gầu) theo điều kiện bền uốn: Chiều rộng của lưỡi cắt (lưỡi miệng gầu) Chiều rộng của đáy thùng gầu : B = 2500 (mm) Ưùng suất uốn cho phép của vật liệu làm lưỡi miệng gầu: Ưùng suất uốn của lưỡi miệng gầu được xác định theo công thức sau: Kết luận:lưỡi miệng gầu thỏa mãn về độ bền Trong đó: là tải trọng giả định,tác dụng vào lưỡi cắt,lấy bằng sức nâng cần trục = 12500 (kG)