CT 2 LựA CHọN Hệ CầN TRụC - PHAO NổI THI CÔNG TRÊN SÔNG NƯớC THEO ổN ĐịNH TĩNH ths. nguyễn Hữu CHí Bộ môn Máy xây dựng – Xếp dỡ Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo giới thiệu tóm tắt kết quả nghiên cứu về ổn định tĩnh của hệ Cần trục – Phao nổi khi làm việc trên sông. Từ đó có thể lựa chọn hệ trên có các thông số kết cấu và thông số làm việc thích hợp nhằm nâng cao tính năng kinh tế – kỹ thuật của chúng. Summary: The article briefly presents the results of the study on static stabilization of the Cranes - Barge system when operating on the river, in order to select the system with proper structural and operation parameters to enhance their eco-technical properties. Hiện nay việc khai thác cát, nạo vét kênh mương ở các tỉnh Nam bộ người ta hay dùng một cần trục bốc xếp lắp gầu ngoạm đặt (neo) trên một phao nổi tạo thành một hệ gọi là hệ cần trục - phao nổi (CT-PN). Do cần trục đặt trên phao nổi, khi làm việc phao sẽ bập bềnh, do đó đối với hệ CT-PN phải đặc biệt chú ý đến tính ổn định (đứng vững) trên mặt nước, không bị lật (đổ). Vấn đề này liên quan trực tiếp đến các thông số của cần trục và kích thước của phao. Việc lựa chọn hệ CT-PN hợp lý tránh hiện tượng phao quá lớn - cần trục quá nhỏ hoặc ngược lại là việc làm cần thiết. Khi hệ CT-PN làm việc trên sông nước hệ chịu tác dụng của nhiều lực như: tải trọng vật nâng, lực quán tính khi nâng hạ, khi quay, tác dụng của sóng nước, gió… Hệ làm việc ổn định là khi làm việc không bị lật và phao và cần trục được lựa chọn tạo thành cặp “hợp lý”. Nghiên cứu đầy đủ về hệ CT-PN nổi thì phải nghiên cứu ổn định tĩnh và ổn định động. Trong khuôn khổ bài báo này người viết trình bầy về lựa chọn hệ cần trục phao nổi theo ổn định tĩnh. Còn ổn định động sẽ được đề cập ở phần khác. Thường thì phao nổi được chế tạo ở Việt Nam thường có tỉ số chiều dài /chiều rộng (L/B) bằng 3 nên ổn định hệ theo phương dọc phao lớn còn theo phương vuông góc với chiều dài phao nhỏ hơn khả năng xẩy ra mất ổn định là lớn nhất hay khả năng bị lật nhiều nhất, chính vì thế việc nghiên cứu trường hợp ổn định ngang của hệ là việc cần quan tâm. Để nghiên cứu ổn định của hệ ta dùng công thức xác định tọa độ trọng tâm của một máy hay hệ máy được xác định theo công thức: Tọa độ trọng tâm theo trục x:    i ii c G X.G X (1) CT 2 Tọa độ trọng tâm theo trục y:    i ii c G Y.G Y (2) Tọa độ trọng tâm theo trục z:    i ii c G Z.G Z (3) trong đó: G i : Trọng lượng của các máy thành phần thứ i cấu thành nên hệ, (kG). X i : Tọa độ trọng tâm theo phương x của máy thành phần thứ i, (m). Y i : Tọa độ trọng tâm theo phương y của máy thành phần thứ i, (m). Z i : Tọa độ trọng tâm theo phương z của máy thành phần thứ i, (m). - Để đảm bảo độ ổn định (đứng vững) của cần trục và đảm bảo hệ CT-PN giữ nguyên vị trí (không chao lắc thêm) thì tổng mômen của các ngoại lực đối với điểm trọng tâm D của khối nước bị chiếm chỗ phải bằng 0. Khi đó, ta có các kí hiệu và giả thiết sau: - Tâm nghiêng M (tâm định khuynh); - V: Thể tích chiếm nước của phao; J : là mômen quán tính của mặt nổi đối với trục nghiêng - Bán kính tâm nghiêng V J M  (4) M mang dấu (+) khi a lớn tức là M ở trên C h M mang dấu (-) khi a lớn tức là M ở dưới C h - C h là trọng tâm của hệ cần trục – phao nổi. - A : Lực đẩy Acsimet tác động vào phao. - Theo hình 2 ta có mômen phục hồi M F = A.C h B : là mômen do lực đẩy Acsimet tác động vào phao. - Mômen M n là mômen do tải trọng tác động vào hệ làm nghiêng hệ. Khi M F = M n : Hệ ổn định. - Khi đó, hệ số ổn định của hệ tính trong trường hợp hệ làm việc được xác định theo công thức (5) và hệ số ổn định của hệ tính trong trường hợp không làm việc được xác định theo công thức (5b): Hình 2. Mặt cắt ngang phao Hình 1. H ệ cần trục – phao n ổi đang nạo vét kênh mương CT 2 15,1 M M k n F  (5a) 4,1 M M 'k n F  (5b) Hình 3. Xác định các lực trong điều kiện hệ đang làm việc và không làm việc Bài toán xác định độ ổn định ngang của cần trục đặt trên phao: Theo hình 4, xét hệ CT-PN khi làm việc bị nghiêng theo phương ngang, khi bị nghiêng tâm nổi D di chuyển tới vị trí D’. Do đó ta cần xác định khoảng cách DD’. Giả thiết khi làm việc hệ CT-PN bị nghiêng một góc. Cặp lực G h và A bằng nhau về giá trị tuyệt đối, có phương song song và hướng tác dụng ngược chiều nhau tạo thành mômen gọi là mômen phục hồi. *. Mục đích của bài toán là tìm mômen phục hồi để hệ trở lại trạng thái cân bằng. Do đó ta xét tổng thể của hệ theo phương ngang như sau: Hình 4. Xác định các lực tác dụng vào hệ theo phương ngang Ta có mômen phục hồi: h1hhhF G.xG.BCA.BCM  (6) trong đó: A - lực đẩy Acsimet bằng trọng lượng hệ CT - PN ; A = G h G h - Trọng lượng toàn bộ của hệ CT - PN . G h = G P + G tải + G m (Tấn) Với : G m là trọng lượng của cần trục. G P :Trọng lượng của phao ta có thể xác định theo công thức: CT 2 G m : trọng lượng cần trục (Tấn) Q= G tải : Trọng lượng vật nâng ( cả cơ cấu mang hàng) (Tấn) 1 h xBC  : Khoảng cách từ điểm đặt lực A đến trọng tâm C h của hệ. Ta đặt: DD’ = x; C h D = e Theo hình vẽ ta có được :  sin.exx 1 (7) Để xác định khoảng cách DD’ = x ta xét trường hợp hệ nghiêng ngang như sau: Hình 5. Xác định các thông số khoảng cách theo phương ngang. O : Trọng tâm của phần tam giác ABC; D : Tâm nổi ban đầu;  : Góc nghiêng ngang.(độ) ; D’ : Vị trí mới của tâm nổi H : Chiều cao mớn nước ; và pp h LB G H  với: B p : Chiều rộng phao (m); L p : chiều dài phao (m) Lập phương trình cân bằng mômen so với D’ ta được: B.h.x 2 B B. 3 2 B).hH.(x              (8) Từ phương trình (8) ta suy ra : H . 6 B.h x  (9) Theo hình vẽ 5 ta có : 2 tg.B h B h.2 tg   (10) Thay (10) vào phương trình (9) ta được:    cos.H.12 sin.B x 2 (11) CT 2 Với o 6 nên 1cos  nên H . 12 sin.B x 2   (12) Thay (12) vào (7) ta được:    sin.e H . 12 sin.B x 2 1 (13) Hay           sin.e H.12 B x 2 1 (14) Công thức (14) dùng để xác định cánh tay đòn ổn định ngang của mômen phục hồi M F . Thay công thức (14) vào (6) ta được: h 2 F G.sin.e H.12 B M           (15) Tính Mômen nghiêng M n : Để đảm bảo ổn định khi làm việc của hệ thì 15,1 M M K l cl od  và trường hợp có tính đến tải trọng gió và quán tính … thì 4,1 M M K l cl od  với M cl - Mômen chống lật T.m ; M l – Mômen lật T.m ; Theo hình vẽ 3 có ) 2 Bm r(GmM cl  Mômen làm lật hệ được tính theo công thức: M l = M gíó + M tải + M cần M tải = Q.R; trong đó: Q - là tải nâng (kể cả đồ mang hoặc gầu chứa hàng) T; R - tầm với của cần trục m; M gíó - tải trọng do gió tác động vào cần trục theo chiều phía sau cần trục (làm cho hệ bị lật về phía trước). M cần - Mômen do trọng lượng cần gây ra; M cần = G c .(0,5L c .cos  + b); Với G c - trọng lượng cần (T); L c - chiều dài cần (m); b - khoảng cách từ chốt cần đến tâm quay (m),  - góc nghiêng cần (độ) Ta có M n = M l – M cl Vậy M n = (M gíó + M tải + M cần ) – G m ( r + 2 B m ) Tính chọn hệ Cần trục – phao nổi: Để tính chọn một hệ CT - PN có thể có 2 cách đó là dùng bảng tính Excel hoặc viết một phần mềm tính chọn. Do khuôn khổ của bài báo nên ở đây người viết chỉ lập các bảng tính với một số ít cần trục và phao nổi (trong thực tế có thể lập bảng với rất nhiều cần trục, phao nổi). CT 2 a) Chọn hệ CT - PN bằng bảng tính Excel Bước 1: Lập bảng các thông số kỹ thuật của cần trục hay sử dụng Các thông số của cần trục Cần Trục Hm Dm Rm Gm Lc Vg LS-78J 3.26 3.82 2.39 19.5 18 0.6 LS-108BJ 4.54 3.92 2.45 32.5 18 0.8 LS-78LS 4.16 4.14 2.59 26.1 18 0.6 U-106ASL-2 3.09 4.22 2.64 23.4 18 0.8 U106AL-2 3.07 4.22 2.64 18.7 18 0.8 LS-78RS 4.38 4.24 2.65 30.9 18 0.6 325 3.16 4.3 2.69 26.3 18 0.8 320 H 3.16 4.3 2.69 24.9 18 0.8 335A-S 3.16 4.3 2.69 32.7 18 0.8 440-S 3.26 4.5 2.81 38.1 18 0.8 Bước 2: Lập bảng các thông số kỹ thuật của phao nổi. PHAO Lp Bp Hp Zc Zd Gp NAD - 0130PT 12.5 4 1.1 0.55 0.43 7.97 NAD - 0132PT 13 4 1.3 0.65 0.51 8.67 NF - 0213PT 14.4 4 1.45 0.73 0.57 9.86 SG 00742 18 7.2 1.4 0.7 0.55 19.29 NF - 0215PT 20 6 1.5 0.75 0.59 18.6 NAD - 0152PT 21 6 1.5 0.75 0.59 19.48 SG 00428 22 8.5 1.4 0.7 0.55 26.87 PT501 – HC 24.45 6 1.4 0.7 0.55 22.15 NF - 0306PT - HC 25.7 8.45 1.5 0.75 0.59 31.4 NF - 0219PT 27 8.5 1.5 0.75 0.59 33.08 Bước 3: Lập bảng bảng tính theo dạng sau Viết các hàm để tính M f , M n , K ôđ cho từng cần trục với trường hợp góc nghiêng phao là 3 0 và góc nghiêng cần là 30 0 . Với Mf = (DX7^3 * DW7/12 - (0.4*DP7 + DY7 - EA7) * DS7 - (0.25 * DT7 + 0.3 * DP7 + DY7 - EA7) * 2.7 * DU7 - (DZ7 - EA7) * EB7) * 0.0523 Với Mn = 0.4 * 2.7 * $DU$7 * (0.866 *$DT$7 + 0.3 * $DQ$7) với : K ôđ = D4/E4; K 1 = Sức nâng của phao/ Trọng lượng cần trục; CT 2 K 2 = Tầm với cần trục/ Chiều rộng của phao Sau đó copy các công thức trên cho tất cả các phao và các cần trục Excel sẽ tự tính ra kết quả. TT 1 2 LS - 78J LS - 108BJ C ần Trục Phao Mf Mn Kôđ K1 K2 Mf Mn Kôđ K1 K2 1 NAD - 0130PT 0.90 10.84 0.08 1.93 4.37 -1.53 14.48 - 0.11 1.16 4.39 2 NAD - 0132PT 0.90 10.84 0.08 2.36 4.37 -1.62 14.48 - 0.11 1.41 4.39 3 NF - 0213PT 1.17 10.84 0.11 2.92 4.37 -1.41 14.48 - 0.10 1.75 4.39 4 SG 00742 26.40 10.84 2.43 6.34 2.43 23.84 14.48 1.65 3.80 2.44 5 NF - 0215PT 15.87 10.84 1.46 6.30 2.92 13.27 14.48 0.92 3.78 2.92 6 NAD - 0152PT 16.81 10.84 1.55 6.61 2.92 14.21 14.48 0.98 3.97 2.92 7 SG 00428 55.94 10.84 5.16 9.15 2.06 53.38 14.48 3.69 5.49 2.06 8 PT501 - HC 20.11 10.84 1.85 7.18 2.92 17.55 14.48 1.21 4.31 2.92 9 NF - 0306PT - HC 64.52 10.84 5.95 11.40 2.07 61.92 14.48 4.28 6.84 2.08 10 NF - 0219PT 69.19 10.84 6.38 12.05 2.06 66.59 14.48 4.60 7.23 2.06 b) Tính chọn CT - PN bằng phần mềm Bài toán chọn hệ CT - PN có nhiều thông số nên người viết đã lập một chương trình tính toán và chọn. Chương trình được viết bằng Microsoft.net Các giao diện chính của chương trình: a. Các menu chính CT 2 b. Giao diện nhập dữ liệu: Với cửa sổ này, người dùng dễ dàng nhập thêm dữ liệu khảo sát Phao và Cần trục vào cơ sở dữ liệu. Sau khi phập dữ liệu vào các cửa sổ và nhấn vào nút “Lưu”. c. Giao diện kiểm tra dữ liệu: Với cửa sổ này, người dùng kiểm tra, lựa chọn loại phao và cần trục để khảo sát độ ổn định của hệ trong cơ sở dữ liệu. CT 2 d. Giao diện bảng kết quả: Sau khi chọn loại phao và cần trục nhấn vào nút “Đồng ý” thì màn hình kết quả hiện ra và kết quả cho biết việc lựa chọn có đảm bảo ổn định hay không. Có thể xuất kết quả ra giấy bằng lệnh in. Về chọn hệ Cần trục – phao nổi bằng bảng tính Excel Qua kết quả tính, thì việc chọn hệ Cần trục- phao nổi theo tĩnh học thì một hệ được chọn là hợp lý khi có: Hệ số ổn định K ôđ = 1,15 đến 2,0 K 1 = Sức nâng của phao/ Trọng lượng cần trục = 3,28 đến 6,3 K 2 = Tầm với cần trục/ Chiều rộng của phao = 2,44 đến 3,0 KếT LUậN Qua nghiên cứu về ổn định ngang của hệ Cần trục - phao nổi khi làm việc trên sông nước theo quan điểm tĩnh học thì có một số kết luận sau: Về kết cấu : L p /B p = 3 Hệ số ổn định K ôđ = 1,15 đến 2,0 K 1 = Sức nâng của phao/ Trọng lượng cần trục = 3,28 đến 6,3 K 2 = Tầm với cần trục/ Chiều rộng của phao = 2,44 đến 3,0 CT 2 Tài liệu tham khảo [1]. Nguyễn Văn Hợp. Nhà XB Giao thông Vận tải. Máy trục vận chuyển. [2]. Vũ Liêm Chính. Nhà XB Khoa học và kỹ thuật. Sổ tay Máy xây dựng. [3]. Trường THGTVT khu vực 2, Nhà XB Giao thông Vận tải. Sử dung MXD. [4]. Nguyễn Đức Ân. Nhà XB Khoa học và kỹ thuật. Sổ tay kỹ thuật đóng tàu thuỷ, tập 1. [5]. Nhà XB Khoa học và kỹ thuật. ổn định tầu thuỷ. [6]. Trương Quốc Thành. Nhà xuất bản KH&KT. Máy và thiết bị nâng. [7]. Microsoft office 2003. [8]. Microsoft.net . ta hay dùng một cần trục bốc xếp lắp gầu ngoạm đặt (neo) trên một phao nổi tạo thành một hệ gọi là hệ cần trục - phao nổi (CT-PN). Do cần trục đặt trên phao nổi, khi làm việc phao sẽ bập bềnh,. LựA CHọN Hệ CầN TRụC - PHAO NổI THI CÔNG TRÊN SÔNG NƯớC THEO ổN ĐịNH TĩNH ths. nguyễn Hữu CHí Bộ môn Máy xây dựng – Xếp dỡ Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo giới thi u. lựa chọn có đảm bảo ổn định hay không. Có thể xuất kết quả ra giấy bằng lệnh in. Về chọn hệ Cần trục – phao nổi bằng bảng tính Excel Qua kết quả tính, thì việc chọn hệ Cần trục- phao nổi theo