Thiết kế hệ thống điều khiển từ xa cần cẩu cổng tải trọng 2 tấn - Đàm Thị Liên

Chuyên khảo phân tích Thiết kế hệ thống điều khiển từ xa cần cẩu cổng tải trọng 2 tấn, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Đàm Thị Liên
• Người hướng dẫn: Trần Kim Khôi
• Trường học: Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Công nghiệp Phát triển Nông thôn
• Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển từ xa cần cẩu cổng tải trọng 2 tấn
• Loại tài liệu: Đề tài tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Xuân Mai

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế hệ thống điều khiển từ xa cần cẩu 2 tấn

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, việc ứng dụng máy móc và công nghệ tự động vào sản xuất là yếu tố then chốt để nâng cao năng suất và đảm bảo an toàn lao động. Cần cẩu cổng, đặc biệt là loại cần cẩu cổng 2T, là một thiết bị nâng hạ không thể thiếu tại các nhà máy, xí nghiệp, bến cảng. Tuy nhiên, các phương pháp điều khiển truyền thống bằng tay hoặc có dây bộc lộ nhiều hạn chế về an toàn và hiệu quả. Đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển từ xa cần cẩu cổng tải trọng 2 tấn” ra đời nhằm giải quyết những vấn đề này, đề xuất một giải pháp công nghệ tiên tiến, giúp giải phóng sức lao động và tối ưu hóa quy trình vận hành. Hệ thống này sử dụng công nghệ điều khiển không dây, cho phép người vận hành điều khiển cần cẩu từ một khoảng cách an toàn, với tầm quan sát rộng và độ chính xác cao. Việc nâng cấp hệ thống điều khiển cần cẩu từ thủ công sang tự động không chỉ là một xu thế tất yếu mà còn là một bước đi chiến lược, mang lại lợi ích kinh tế to lớn và cải thiện môi trường làm việc. Nghiên cứu tập trung vào việc tính toán, lựa chọn thiết bị và xây dựng một bộ điều khiển từ xa cần cẩu hoàn chỉnh dựa trên nguyên lý sóng hồng ngoại, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, tin cậy và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt. Đây là một giải pháp khả thi và có tính thực tiễn cao, đặc biệt phù hợp với các doanh nghiệp có quy mô sản xuất vừa và nhỏ đang tìm cách cải tiến dây chuyền của mình.

1.1. Sự cần thiết của việc hiện đại hóa thiết bị nâng hạ

Hiện đại hóa thiết bị nâng hạ không chỉ là việc thay thế máy móc cũ bằng máy móc mới, mà còn là quá trình cải tiến công nghệ điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất. Tại nhiều doanh nghiệp, đặc biệt là các công ty có quy mô nhỏ, việc bốc dỡ, vận chuyển hàng hóa cồng kềnh như kính, nhôm, inox vẫn còn phụ thuộc nhiều vào sức người. Phương pháp thủ công này không chỉ tốn kém thời gian, nhân công mà còn tiềm ẩn nguy cơ tai nạn lao động cao. Theo tài liệu nghiên cứu, việc vận chuyển một sản phẩm có thể cần đến 2-4 công nhân, gây lãng phí nguồn lực và giảm năng suất. Việc áp dụng một hệ thống vận chuyển hiện đại như cần cẩu cổng 2T là một giải pháp cấp bách. Hơn nữa, việc tích hợp điều khiển không dây cho cổng trục sẽ giúp khắc phục hoàn toàn những nhược điểm của phương pháp điều khiển trực tiếp, đảm bảo an toàn vận hành cần cẩu và tăng độ chính xác trong các thao tác phức tạp.

1.2. Phân loại và ứng dụng của cần cẩu cổng trong công nghiệp

Cần trục là thiết bị dùng để nâng hạ, bốc xếp và vận chuyển hàng hóa, được phân loại theo nhiều tiêu chí kết cấu như cần trục kiểu cầu, cần trục tháp, cần trục giàn, và cần cẩu cổng (cầu trục cổng). Cần cẩu cổng đặc biệt hữu ích trong các không gian mở như nhà kho, bãi chứa vật liệu, hoặc các công trường xây dựng. Chúng có kết cấu vững chắc với hai chân đế hình chữ A di chuyển trên đường ray, tạo ra một không gian làm việc rộng lớn bên dưới. Với tải trọng 2 tấn, loại cần cẩu này phù hợp cho việc bốc dỡ các vật liệu xây dựng, sản phẩm gia công cơ khí, hoặc các tấm kính lớn. Việc trang bị remote điều khiển cầu trục cho phép người vận hành đứng ở vị trí tốt nhất để quan sát toàn bộ quá trình, tránh các điểm mù và xử lý tình huống linh hoạt, từ đó nâng cao hiệu quả công việc một cách rõ rệt.

II. Thách thức khi vận hành cần cẩu cổng bằng phương pháp cũ

Việc vận hành cần cẩu cổng bằng các phương pháp truyền thống, dù là điều khiển trực tiếp trên cabin hay thông qua hệ thống dây nối, đều tồn tại những thách thức và rủi ro đáng kể. Vấn đề lớn nhất chính là an toàn vận hành cần cẩu. Người điều khiển phải di chuyển theo cần cẩu, thường xuyên làm việc trong môi trường nhiều tiếng ồn, bụi bẩn và gần khu vực tải nặng, làm tăng nguy cơ tai nạn. Tài liệu nghiên cứu gốc chỉ ra rằng, “dây cáp móc hàng có thể bị mài mòn, mục nát dễ bị đứt trong quá trình vận chuyển”. Hơn nữa, việc điều khiển trực tiếp làm hạn chế nghiêm trọng tầm quan sát của người vận hành, đặc biệt khi phải xử lý các loại hàng hóa cồng kềnh hoặc đặt tải vào những vị trí chính xác. Thách thức thứ hai là về hiệu suất. Thao tác điều khiển bằng dây đòi hỏi người vận hành phải liên tục di chuyển, làm giảm tốc độ chu kỳ làm việc và gây mệt mỏi. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến năng suất mà còn làm tăng khả năng xảy ra lỗi do con người. Việc thiếu đi một bộ điều khiển từ xa cần cẩu hiện đại khiến doanh nghiệp khó có thể tối ưu hóa quy trình logistics nội bộ, gây lãng phí chi phí nhân công và thời gian. Quá trình bảo trì hệ thống điện cầu trục có dây cũng phức tạp hơn do dây điều khiển dễ bị hư hỏng, đứt gãy trong môi trường làm việc khắc nghiệt.

2.1. Rủi ro mất an toàn do hạn chế tầm nhìn và di chuyển

Khi điều khiển cần cẩu bằng tay bấm điều khiển từ xa có dây, người vận hành buộc phải đi theo hướng di chuyển của tải. Điều này tạo ra nhiều “điểm mù” nguy hiểm, khiến họ không thể bao quát hết không gian xung quanh. Họ có thể không nhận thấy các chướng ngại vật trên đường đi hoặc sự hiện diện của những người khác trong khu vực làm việc. Việc phải tập trung đồng thời vào việc điều khiển và di chuyển làm tăng áp lực và nguy cơ vấp ngã. Đặc biệt, trong các nhà xưởng có không gian hẹp hoặc nhiều máy móc, rủi ro va chạm là rất cao. Việc nâng cấp hệ thống điều khiển cần cẩu lên không dây cho phép người vận hành chọn một vị trí cố định, an toàn với tầm nhìn tốt nhất, từ đó loại bỏ gần như hoàn toàn các rủi ro liên quan đến di chuyển và tầm nhìn hạn chế.

2.2. Hiệu suất thấp và chi phí vận hành cao với điều khiển có dây

Hệ thống điều khiển có dây không chỉ kém an toàn mà còn ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất công việc. Tốc độ di chuyển của người vận hành thường chậm hơn tốc độ của cần cẩu, làm kéo dài thời gian mỗi chu kỳ nâng hạ. Dây điều khiển cũng có thể bị vướng vào máy móc hoặc hàng hóa, gây gián đoạn công việc. Chi phí bảo trì cũng là một vấn đề lớn. Dây và các nút bấm thường xuyên phải chịu tác động vật lý, dễ bị hư hỏng, đòi hỏi phải sửa chữa bộ điều khiển từ xa và thay thế định kỳ. Tổng hợp lại, các chi phí ẩn như thời gian chết do sự cố, năng suất thấp, và chi phí bảo dưỡng khiến phương pháp điều khiển có dây trở nên kém hiệu quả về mặt kinh tế trong dài hạn so với việc lắp đặt điều khiển từ xa cho palăng và cần cẩu.

III. Hướng dẫn chọn động cơ và thiết bị cho cần cẩu cổng 2T

Việc lựa chọn động cơ và các thiết bị cơ điện là bước nền tảng quyết định đến hiệu suất và độ ổn định của toàn bộ hệ thống điện cổng trục. Một cần cẩu thường có ba chuyển động chính: nâng-hạ tải, di chuyển ngang của xe con (palăng), và di chuyển dọc của toàn bộ giàn cẩu trên đường ray. Mỗi cơ cấu này đòi hỏi một động cơ có công suất và đặc tính phù hợp. Theo tài liệu nghiên cứu, các động cơ này thường làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, yêu cầu khả năng đảo chiều quay và mô-men khởi động lớn. Quá trình tính toán công suất động cơ phải dựa trên phụ tải tĩnh và phụ tải động. Ví dụ, để tính công suất cho cơ cấu nâng hạ, cần xác định mô-men tĩnh khi nâng có tải và không tải, sau đó quy đổi về công suất định mức theo hệ số tiếp điện (TĐ%). Dựa trên các tính toán chi tiết, nghiên cứu đã lựa chọn động cơ mã hiệu MTKF 012-6 (công suất 3kW) cho cơ cấu nâng hạ và động cơ MTKF 011-6 (công suất 1,5kW) cho cơ cấu di chuyển. Việc sử dụng biến tần cho cầu trục cũng là một giải pháp được khuyến nghị để điều khiển tốc độ động cơ một cách mượt mà, giúp khởi động và hãm êm, giảm sốc cơ khí và tăng tuổi thọ cho thiết bị nâng hạ.

3.1. Phương pháp tính toán công suất động cơ cho thiết bị nâng hạ

Để chọn đúng động cơ, việc tính toán công suất là bắt buộc. Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng hạ được xác định dựa trên trọng lượng tải (G), trọng lượng bộ lấy tải (Go), bán kính tang nâng (Rt), hiệu suất cơ cấu (ηc) và tỉ số truyền (i). Công thức tính mô-men khi nâng có tải là: Mn = (G + Go)Rt / (uiηc). Dựa trên các thông số của cần cẩu cổng 2T (G = 20000 N), đề tài đã tính toán được mô-men trung bình là Mtb = 17,50 Nm. Sau khi quy đổi theo hệ số tiếp điện tiêu chuẩn (TĐ% = 15%), công suất định mức cần thiết là Pđm = 2,25 kW. Từ đó, động cơ MTKF 012-6 với Pđm = 3kW được chọn để đảm bảo dự phòng và thỏa mãn điều kiện mở máy cũng như khả năng quá tải.

3.2. Lựa chọn động cơ và thông số kỹ thuật cho cơ cấu di chuyển

Tương tự cơ cấu nâng hạ, động cơ cho cơ cấu di chuyển cần cẩu được lựa chọn dựa trên lực cản chuyển động. Lực cản này bao gồm lực ma sát lăn trên đường ray và lực ma sát trong cổ trục bánh xe. Sau khi tính toán tổng lực cản và nhân với hệ số dự trữ, công suất cản tĩnh được xác định. Theo nghiên cứu, công suất định mức cần thiết sau khi quy đổi là 0,67 kW. Động cơ được chọn là MTKF 011-6 có công suất 1,5kW, đảm bảo mô-men khởi động lớn hơn mô-men cản (27,54 Nm > 15,02 Nm) và thỏa mãn điều kiện quá tải. Việc lựa chọn chính xác các động cơ này là tiền đề cho việc thiết kế tủ điện điều khiển cần cẩu và các mạch lực tương ứng.

IV. Bí quyết thiết kế bộ điều khiển từ xa cần cẩu bằng sóng IR

Trái tim của hệ thống chính là bộ điều khiển từ xa cần cẩu, bao gồm hai thành phần chính: máy phát và máy thu. Nghiên cứu này lựa chọn công nghệ hồng ngoại (IR) vì tính đơn giản, chi phí thấp và dễ triển khai. Máy phát có nhiệm vụ biến đổi lệnh từ các nút nhấn thành tín hiệu số, mã hóa chúng, sau đó điều chế với một sóng mang tần số cao và phát đi thông qua LED hồng ngoại. Máy thu, đặt trên cần cẩu, sẽ nhận tín hiệu hồng ngoại, khuếch đại, tách sóng để loại bỏ sóng mang, giải mã tín hiệu để khôi phục lệnh điều khiển ban đầu. Lệnh này sau đó sẽ được đưa đến mạch chấp hành (rơle) để cấp điện cho các động cơ tương ứng. Để đảm bảo tín hiệu không bị nhiễu và các lệnh không bị lẫn lộn, phương pháp điều chế mã xung (PCM) được ưu tiên sử dụng. PCM biến đổi mỗi lệnh thành một chuỗi bit nhị phân duy nhất, giúp tăng độ tin cậy và khả năng chống nhiễu của hệ thống điều khiển không dây cho cổng trục. Thiết kế này cho phép người vận hành điều khiển các chuyển động nâng/hạ, di chuyển trái/phải và tiến/lùi một cách độc lập và chính xác từ xa.

4.1. Sơ đồ khối và nguyên lý của remote điều khiển cầu trục

Một hệ thống remote điều khiển cầu trục hồng ngoại tiêu chuẩn gồm: Máy phát (Transmitter) và Máy thu (Receiver). Máy phát bao gồm khối phát lệnh (nút nhấn), khối mã hóa (biến lệnh thành mã nhị phân), khối dao động tạo sóng mang (thường là 38kHz), khối điều chế (trộn mã với sóng mang) và khối khuếch đại để phát qua LED IR. Máy thu bao gồm LED thu (photodiode hoặc phototransistor), khối khuếch đại tín hiệu, khối tách sóng (lọc bỏ tần số sóng mang), khối giải mã (đọc chuỗi bit) và khối chấp hành (kích hoạt rơle). Nguyên lý hoạt động dựa trên việc truyền một chuỗi xung hồng ngoại đã được mã hóa. Khi một nút trên tay bấm điều khiển từ xa được nhấn, một mã lệnh duy nhất được phát đi, máy thu chỉ nhận và xử lý đúng mã đó, đảm bảo các cần cẩu khác trong cùng khu vực không bị ảnh hưởng.

4.2. Lựa chọn linh kiện thu phát cho điều khiển không dây cổng trục

Việc lựa chọn linh kiện thu phát quyết định đến khoảng cách và độ ổn định của hệ thống. Bên phát thường sử dụng LED hồng ngoại (IRED) có bước sóng khoảng 0,8µm đến 0,9µm, có hiệu suất cao và tuổi thọ dài (lên đến 100.000 giờ). Bên thu, các linh kiện như photodiode, phototransistor hoặc các module thu tích hợp sẵn (ví dụ: TSOP) được sử dụng. Phototransistor có độ nhạy cao hơn photodiode và được ưu tiên trong các ứng dụng cần khuếch đại tín hiệu lớn. Tài liệu gốc đã phân tích chi tiết đặc tính của các linh kiện này, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn linh kiện có phổ đáp ứng trùng với phổ phát của LED để đạt hiệu quả thu tín hiệu tối đa. Việc này đảm bảo hệ thống điều khiển không dây cho cổng trục hoạt động ổn định ngay cả trong môi trường công nghiệp.

V. Sơ đồ mạch điện điều khiển cầu trục và thiết bị bảo vệ

Sau khi lựa chọn động cơ và thiết kế nguyên lý điều khiển, bước tiếp theo là xây dựng sơ đồ mạch điện điều khiển cầu trục. Hệ thống điện bao gồm hai phần chính: mạch động lực và mạch điều khiển. Mạch động lực chịu trách nhiệm cung cấp nguồn điện ba pha cho các động cơ, bao gồm các thiết bị đóng cắt và bảo vệ công suất lớn như aptomat (CB), contactor (khởi động từ). Mạch điều khiển sử dụng điện áp thấp hơn, nhận tín hiệu từ bộ thu và điều khiển các cuộn hút của contactor trong mạch động lực. Việc thiết kế tủ điện điều khiển cần cẩu đòi hỏi phải lựa chọn chính xác các thiết bị bảo vệ như cầu chì, rơle nhiệt để bảo vệ động cơ khỏi các sự cố quá tải, ngắn mạch. Theo tính toán trong Bảng 4.2 của tài liệu, các thiết bị như cầu chì (3NA2 805), aptomat (G4CB3020C) và rơle (MK2P-IAC220) đã được lựa chọn cẩn thận dựa trên dòng điện định mức và dòng khởi động của từng động cơ. Sơ đồ mạch được thiết kế logic với các khóa chéo an toàn để ngăn chặn các thao tác xung đột, ví dụ như không thể vừa cấp lệnh nâng vừa cấp lệnh hạ cùng lúc, đảm bảo tuyệt đối an toàn vận hành cần cẩu.

5.1. Phân tích chi tiết sơ đồ mạch điện động lực và điều khiển

Sơ đồ mạch động lực (Hình 4.1) cho thấy nguồn điện 3 pha (L1, L2, L3) đi qua cầu dao tổng (CD), aptomat tổng (Ap) rồi được chia nhánh đến các aptomat riêng cho từng động cơ (Ap1, Ap2, Ap3). Mỗi nhánh động cơ được điều khiển bởi một cặp contactor (ví dụ K1, K2 cho động cơ nâng hạ) để thực hiện việc đảo chiều quay. Rơle nhiệt (RT) được mắc nối tiếp để bảo vệ quá tải. Sơ đồ mạch điều khiển (Hình 4.2) sử dụng nguồn điện riêng, nhận tín hiệu từ bộ thu để cấp điện cho các cuộn hút contactor (K1-K6). Mạch này còn tích hợp các công tắc hành trình (NC1, NC2,...) để giới hạn phạm vi di chuyển của cần cẩu, tự động ngắt mạch khi cần cẩu đi đến cuối đường ray hoặc khi móc cẩu lên đến vị trí cao nhất, đây là một phần quan trọng của hệ thống điện cổng trục.

5.2. Hướng dẫn lắp đặt điều khiển từ xa cho palăng và cổng trục

Quy trình lắp đặt điều khiển từ xa cho palăng và cần cẩu cổng bao gồm các bước chính. Đầu tiên là khảo sát và lắp đặt bộ thu tín hiệu lên vị trí cao, thông thoáng trên thân cẩu, tránh các vật cản kim loại lớn có thể che khuất tín hiệu. Tiếp theo, kết nối ngõ ra của bộ thu với tủ điện điều khiển cần cẩu hiện có. Các dây tín hiệu từ bộ thu sẽ được nối song song hoặc thay thế các nút bấm có dây cũ để điều khiển các rơle hoặc contactor tương ứng. Cuối cùng, cần kiểm tra kỹ lưỡng hệ thống dây nối, cấp nguồn và thử nghiệm tất cả các chức năng trên tay bấm điều khiển từ xa ở chế độ không tải trước khi đưa vào vận hành chính thức. Việc lắp đặt cần được thực hiện bởi kỹ thuật viên có chuyên môn để đảm bảo an toàn điện và hoạt động chính xác.

VI. Tương lai nâng cấp hệ thống điều khiển cần cẩu và bảo trì

Thiết kế thành công hệ thống điều khiển từ xa bằng hồng ngoại cho cần cẩu cổng 2T là một bước tiến quan trọng, nhưng công nghệ không ngừng phát triển. Tương lai của việc nâng cấp hệ thống điều khiển cần cẩu mở ra nhiều hướng đi mới để tăng cường hiệu suất và an toàn. Một trong những hướng đi tiềm năng là chuyển đổi từ công nghệ hồng ngoại (IR) sang sóng vô tuyến (RF). Hệ thống RF có ưu điểm là khoảng cách điều khiển xa hơn, không yêu cầu đường thẳng giữa bộ phát và bộ thu, và ít bị ảnh hưởng bởi ánh sáng mặt trời hay các nguồn sáng mạnh khác. Ngoài ra, có thể tích hợp thêm các cảm biến thông minh như cảm biến tải trọng để chống quá tải, cảm biến tiệm cận để chống va chạm, hoặc hệ thống camera giám sát để người vận hành có cái nhìn trực quan hơn. Bên cạnh việc nâng cấp, công tác bảo trì hệ thống điện cầu trục đóng vai trò sống còn trong việc duy trì hoạt động ổn định và an toàn. Việc bảo trì định kỳ không chỉ giúp phát hiện sớm các hư hỏng tiềm ẩn mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị nâng hạ, giảm thiểu thời gian dừng máy và chi phí sửa chữa bộ điều khiển từ xa.

6.1. Xu hướng công nghệ điều khiển cho thiết bị nâng hạ hiện đại

Công nghệ điều khiển cho thiết bị nâng hạ đang phát triển theo hướng thông minh và tự động hóa cao hơn. Các hệ thống PLC (Programmable Logic Controller) đang dần thay thế các mạch rơle truyền thống, mang lại sự linh hoạt trong lập trình và dễ dàng mở rộng tính năng. Việc tích hợp biến tần cho cầu trục trở thành tiêu chuẩn để điều khiển tốc độ chính xác, tiết kiệm năng lượng và vận hành êm ái. Hơn nữa, xu hướng IoT (Internet of Things) cho phép kết nối cần cẩu với hệ thống quản lý trung tâm, giúp theo dõi tình trạng hoạt động, cảnh báo lỗi và lên kế hoạch bảo trì từ xa. Những công nghệ này hứa hẹn sẽ tạo ra một thế hệ cần cẩu thông minh, an toàn và hiệu quả hơn trong tương lai.

6.2. Quy trình bảo trì hệ thống điện cầu trục để đảm bảo an toàn

Để đảm bảo an toàn vận hành cần cẩu, một quy trình bảo trì hệ thống điện cầu trục chặt chẽ là điều bắt buộc. Quy trình này nên bao gồm: kiểm tra định kỳ các đầu nối điện, đảm bảo chúng được siết chặt và không bị oxy hóa; vệ sinh tủ điện điều khiển cần cẩu để loại bỏ bụi bẩn có thể gây ngắn mạch; kiểm tra hoạt động của các thiết bị bảo vệ như rơle nhiệt và aptomat; kiểm tra tình trạng cáp điện, dây điều khiển và các công tắc hành trình. Đối với bộ điều khiển từ xa cần cẩu, cần kiểm tra pin của tay bấm và tình trạng của các nút nhấn. Việc lập kế hoạch và thực hiện bảo trì định kỳ sẽ giúp ngăn ngừa các sự cố bất ngờ, đảm bảo hệ thống luôn ở trạng thái hoạt động tốt nhất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cấu tạo, hoạt động và tính toán lựa chọn các động cơ điều khiển cho cần cẩu cổng. Chương 3: Lý thuyết điều khiển từ xa – Sóng hồng ngoại Chương 4: Chọn các thiết bị bảo vệ và điều khiển - Thiết kế mạch điều khiển từ xa Chương 5: Kết luận - Khuyến nghị 1. Phương pháp nghiên cứu Ở đây tôi chủ yếu sử dụng phương pháp nghiên cứu các nguồn tài liệu về trang thiết bị điện cho cầu trục kết hợp với phương pháp điều tra thực tế để lựa chọn tính toán cho phù hợp với đặc điểm sản xuất hiện nay của công ty. 6 Chương 2 CẤU TẠO - HOẠT ĐỘNG VÀ TÍNH TOÁN LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ CHO CẦN CẨU CỔNG 2.

Cấu tạo - Hoạt động 2.1 Cấu tạo Các thông số của cần cẩu cổng: Chiều dài đường ray: l = 18,3 m Khẩu độ = 4,2 m chiều cao nâng hạ = 0,5 m Khoảng cách từ mặt đất đến khung đỡ = 3,8 m Chiều dài của cần cẩu = 6,1m Chiều rộng của chân hình chữ A = 2 m Tải trọng nâng Q = 20000 N Hình 2.1: Sơ đồ cẩn cẩu 7 Hình 2.2: Động cơ di chuyển dọc 2. Nguyên lý hoạt động: Cần cẩu di chuyển trên đường ray đến vị trí bốc hàng hoá nhờ có hai động cơ đồng tốc được lắp ở hai chân đế chữ A của cần cẩu. Móc treo vật được nối với cáp kéo qua xích, được dẫn động bởi động cơ nâng hạ qua bộ truyền đai được nối với tời quấn cáp và nâng (hạ) vật. Hệ thống cẩu có thể di chuyển từ đầu bên này tới đầu bên kia của dầm cần cẩu nhờ động cơ điện.

Tính chọn công suất động cơ Cần trục thường có ba chuyển động: - Chuyển động nâng hạ (của bộ phận nâng tải ). - Chuyển động ngang - Chuyển động dọc đường ray Động cơ truyền động các cơ cấu của cần trục có những đặc điểm nổi bật sau: 8 Thứ nhất, về loại phụ tải: Đặc điểm của các động cơ truyền động trong cơ cấu cần trục nói chung là đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có số lần (tần số) đóng điện lớn. Thứ hai, về yêu cầu đảo chiều quay: Động cơ truyền động cần trục, nhất là cơ cấu nâng hạ, phải có khả năng đảo chuyền quay, có mômen thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt. Theo khảo sát từ thực tế thì khi không có tải trọng (không tải) mômen động cơ không vượt quá (15  20)%Mđm; đối với cơ cấu nâng của cần trục ngoạm đạt tới 50% Mđm Thứ ba, yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ truyền động các cơ cấu của máy nâng, yêu cầu quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm, đặc biệt đối với thang máy và thang chuyên chở khách.

Bởi vậy, mômen động trong quá trình hạn chế quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu của kỹ thuật an toàn. Ở các máy nâng tải trọng, gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng chịu đựng phụ tải động của các cơ cấu. Đối với cơ cấu nâng hạ cần trục, máy xúc gia tốc phải nhỏ hơn khoảng 0,2 m/s2 để không giật đứt dây cáp. Ngoài ra, động cơ truyền động trong cơ cấu này phải có phạm vi điều chỉnh đủ rộng và có các đường đặc tính cơ thoả mãn yêu cầu công nghệ.

Đó là các yêu cầu về dừng máy chính xác, nên đòi hỏi các đường đặc tính cơ thấp, có nhiều đường đặc tính trung gian để mở hãm máy êm. Thứ tư, phạm vi điều chỉnh không lớn, ở các cần trục thông thường D  3  1; ở các cần trục lắp ráp (D = 10  1) hoặc lớn hơn. Độ chính xác điều chỉnh không yêu cầu cao, thường trong khoảng 5%. Thứ năm, yêu cầu về bảo vệ an toàn khi có sự cố: Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện từ, để giữ chặt các trục khi mất điện, bảo đảm an toàn cho người vận hành và các bộ phận khác trong hệ thống sản xuất.

Để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị khi vận hành, trong sơ đồ không chế có 9 các công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu khi chúng đi đến các vị trí giới hạn. Đối với cơ cấu nâng - hạ thì chỉ cần hạn chế hành 10 trình lên mà không cần hạn chế hành trình hạ. Thứ sáu, yêu cầu về nguồn và trang bị điện: Điện áp cung cấp cho cần trục không vượt quá 500V. Mạng điện xoay chiều hay dùng là 220V, 380V; mạng một chiều là 220V, 44V.

Điện áp chiếu sáng không vượt quá 220V. Không được dùng biến áp tự ngẫu để cung cấp cho mạng chiếu sáng sửa chữa. Do đa số đều làm việc trong môi trường nặng nề, đặc biệt ở các hải cảng, nhà máy hoá chất, xí nghiệp luyện kim, sửa chữa.Nên các khí cụ điện trong hệ thống truyền động và trang bị điện của các cơ cấu nâng hạ cần trục yêu cầu phải làm việc tin cậy, bảo đảm về năng suất, an toàn trong mọi điều kiện khắc nghiệt của môi trường, hơn nữa lại phải đơn giản trong thao tác. Năng suất của máy nâng quyết định bởi hai yếu tố: Tải trọng của thiết bị và số chu kỳ bốc, xúc trong một giờ.

Số lượng hàng bốc xúc trong mỗi chu kỳ không như nhau và nhỏ hơn tải định mức, cho nên phụ tải đối với động cơ chỉ đạt (60  70%) công suất định mức của động cơ. Do động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản suất và sinh hoạt, vì vậy ở đây tôi chọn động cơ điện không đồng bộ. - Tốc độ của động cơ điện không đồng bộ là: n  n1 1  s   1  s  60 f (2.1) p S - Hệ số trượt, s = 0,02 ÷ 0,06, chọn s = 0,02 f- Tần số dòng điện, f = 50 p - Số đối cực, chọn P = 2 n 60. Động cơ truyền động cơ cấu nâng - hạ Động cơ truyền động cơ cấu nâng - hạ giữ vai trò quan trọng trong các máy nâng - vận chuyển nói chung và trong cầu trục nói riêng.

Động cơ truyền động cơ cấu nâng - hạ là việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, nên khi chọn công suất động cơ phải tính đến cả phụ tải động. *) Tính toán phụ tải tĩnh. Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng - hạ chủ yếu là do tải trọng quyết định. Để xác định phụ tải tĩnh, phải dựa vào sơ đồ động học của cơ cấu nâng – hạ cụ thể.

- Phụ tải tĩnh khi nâng có tải: (G  Go )R t Mn  , [Nm] (2.2) ui c Trong đó: G- Trọng lượng của tải trọng, G = 20000 N Go- Trọng lượng của bộ lấy tải, Go = 2000 N Rt- Bán kính của tang nâng, Rt = 0,14 m u - Bội số của hệ thống ròng rọc, u = 2 ηc- Hiệu suất của cơ cấu, c = 0,82 i- Tỉ số truyền 2Rt .3) V Trong đó: V- tốc độ nâng tải, V = 0,45m/s n- Tốc độ quay của động cơ, n = 25(vg/s) 2.0,82 - Phụ tải tĩnh khi nâng không tải: 12 Go R t M no  [Nm] (2.4) ui c Với c = 0,258 1 2 3 7 4 Fcáp 5 G0 6 G Hình 2.3: Sơ đồ động học của cơ cấu nâng - hạ dùng móc.0,258 - Phụ tải tĩnh khi hạ có tải: Mh  (Go  G) Rt   2 1   2000  20000 0,14 2  1   25,04 Nm   =   ui  c  2.48  0,82  13 - Phụ tải tĩnh khi hạ không tải: Go Rt  1 2000.0,14  1  M ho   2   = 2   = -5,47 Nm ui  c  2.22  0,258  Ta thấy phụ tải tĩnh khi không tải Mho < 0 có nghĩa cơ cấu làm việc ở chế độ hạ động lực. - Phụ tải trung bình: M n t  M not  M h t  M ho M tb  k [Nm] (2.5) 4t K- hệ số, phụ thuộc vào độ nhấp nhô của đồ thị phụ tải, tần số hãm máy, mở máy. K = (1,2  1,3), chọ K = 1,25 39,13  11,31  25,04    5,47  M tb  1,25  17,50 Nm 4 Thời gian xe chạy hết quãng đường: l t (2.6) v Trong đó: l- chiều dài đường ray mà xe di chuyển, l = 6m v- tốc độ di chuyển của xe, v = 0,51(m/s) 6 t  11,7 s 0,51 Hệ số tiếp điện tương đối: 2t.7) 2t  t1  t 2 Trong đó: t1 - thời gian xe dừng để tháo tải trọng, t1 = 80s t2 - thời gian lấy tải, t2 = 120s 2.11,7  80  120 14 Động cơ chế tạo không có hệ số tiếp điện quy chuẩn TĐ% = 10,47%, nên phải quy đổi về động cơ có TĐ% = 15%. TD th % Khi đó: Mtc = M tb (2.8) TDtc % Công suất định mức: M tc .9) 9550 nđc- tốc độ động cơ, nđc = 1470 vg/ph 14,62.1470 Pđm =  2,25 kW 9550 Tra bảng P1.8, chọn động cơ có mã hiệu MTKF 012-6, với các thông số ts =15%; Pđm = 3kW; nđm =785; cos  = 0,86; MMax = 67Nm; uđm = 220V.

- Kiểm tra động cơ theo điều kiện mở máy: Mmm > Mc Mômen định mức của động cơ: P 3 Mđm= 9550.  36,49 Nm ndm 785 M mm  1,1  1,7 (2.36,49 = 54,74 Nm Ta thấy: Mmm > Mc (động cơ đã chọn thoả mãn điều kiện mở máy) - Kiểm tra khả năng quá tải của động cơ: Mcp = 0,82MMax = 0,82.67 = 54,94 Nm Ta thấy: Mcp > Mcản (Động cơ thoả mãn điều kiện quá tải) 15 2. Tính toán động lực học cơ cấu di chuyển cần cẩu cổng G+G0 Hình 2.4: Sơ đồ cơ cấu di chuyển cần cẩu cổng Cơ cấu di chuyển có những thông số đặc trưng cho chuyển động là lực cản trở chuyển động Fn, tốc độ di chuyển Vn(m/s), đường kính của bánh Dk(m), và công suất định mức cần thiết của động cơ truyền động. Phụ tải tĩnh của cơ cấu là do lực cản chuyển động gây ra.

Lực đó bao gồm 2 thành phần chính: Lực ma sát lăn trên đường đi F1 và lực ma sát trong cổ trục bánh xe Fct. Thành phần F1 được xác định theo biểu thức: (G0  G ) f F1 = [N] (2.11) Rb Trong đó: Go - Trọng lượng bản thân cơ cấu [N], Go = 1500(N) G - Trọng lượng tải trọng [N], G = 20000(N) Rb – Bán kính bánh xe (cm), Rb = 7.