Nghiên cứu động lực học của cần trục khi mang hàng và di chuyển
Nghiên cứu động lực học của cần trục
khi mang hàng và di chuyểnTS. Nguyễn văn vịnh
Bộ môn Máy xây dựng – Xếp dỡ
Khoa Cơ khí
Trường ĐH Giao thông Vận tảiTóm tắt: Bμi báo trình bμy tóm tắt kết quả nghiên cứu động lực học của cần trục trong trường hợp cần trục mang hàng và di chuyển có kể đến ảnh hưởng của sự lắc hμng treo trên cáp.
Summary: The article presents briefly the result of a study on dynamics of cranes when moving and carrying loads with regards to the swinging of hanging on the rope
7 trang |
Chia sẻ: banmai | Lượt xem: 1909 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem nội dung tài liệu Nghiên cứu động lực học của cần trục khi mang hàng và di chuyển, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Nghiªn cøu ®éng lùc häc cña cÇn trôc
khi mang hµng vµ di chuyÓn
TS. NguyÔn v¨n vÞnh
Bé m«n M¸y x©y dùng – XÕp dì
Khoa C¬ khÝ
Tr−êng §H Giao th«ng VËn t¶i
Tãm t¾t: Bμi b¸o tr×nh bμy tãm t¾t kÕt qu¶ nghiªn cøu ®éng lùc häc cña cÇn trôc trong
tr−êng hîp cÇn trôc mang hμng vμ di chuyÓn cã kÓ ®Õn ¶nh h−ëng cña sù l¾c hμng treo trªn
c¸p.
Summary: The article presents briefly the result of a study on dynamics of cranes when
moving and carrying loads with regards to the swinging of hanging on the rope
i. §Æt vÊn ®Ò
Khi CÇn trôc di chuyÓn, do biÕn d¹ng cña c¸c chi tiÕt quay trong bé m¸y di chuyÓn vµ hµng
treo trªn c¸p l¾c xung quanh ®Ønh cÇn lµm ph¸t sinh t¶i träng ®éng lín trong thêi kú qu¸ ®é vµ
c¶ trong thêi kú chuyÓn ®éng æn ®Þnh. CT 2
Sù l¾c cña hµng treo trªn c¸p xung quanh ®Ønh cÇn lµm t¨ng t¶i träng ®éng t¸c dông lªn
kÕt cÊu thÐp vµ trong bé m¸y di chuyÓn, ®ång thêi cã thÓ g©y ra hiÖn t−îng quay tr−ît b¸nh xe
khi khëi ®éng hoÆc khi di chuyÓn æn ®Þnh. HiÖn nay c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu lý thuyÕt vÒ vÊn
®Ò nµy cßn rÊt h¹n chÕ vµ chñ yÕu sö dông m« h×nh ®éng lùc häc víi mét vµi khèi l−îng quy
kÕt. Trong c«ng tr×nh nghiªn cøu tr×nh bµy ë phÇn tiÕp theo, chóng t«i xin giíi thiÖu kÕt qu¶
nghiªn cøu thu ®−îc víi viÖc sö dông m« h×nh ®éng lùc häc cã kÓ ®Õn biÕn d¹ng cña c¬ cÊu di
chuyÓn vµ sù l¾c cña hµng treo trªn c¸p.
ii. Néi Dung
1. X©y dùng m« h×nh ®éng lùc häc cña cÇn trôc khi mang hµng vµ di chuyÓn
a. C¸c gi¶ thiÕt tÝnh to¸n
B−íc ®Çu ®Ó x©y dùng m« h×nh ®éng lùc häc chóng t«i sö dông mét sè gi¶ thiÕt sau:
- Toµn bé khèi l−îng cña cÇn trôc ®−îc quy ®æi vÒ träng t©m cña nã.
- Khi cÇn trôc di chuyÓn, hµng treo trªn d©y c¸p sÏ thùc hiÖn dao ®éng l¾c xung quanh ®Ønh
cÇn cña cÇn trôc (trong mÆt ph¼ng song song víi h−íng di chuyÓn cña cÇn trôc).
- ChØ xÐt ®Õn biÕn d¹ng trong bé m¸y di chuyÓn cña cÇn trôc.
- Ch−a xÐt ®Õn biÕn d¹ng cña kÕt cÊu thÐp cña cÇn trôc.
- XÐt tr−êng hîp cÇn trôc di chuyÓn trªn ®−êng n»m ngang ch−a tÝnh ®Õn ®é dèc vµ ch−a
xÐt ®Õn ¶nh h−ëng cña giã.
b. X©y dùng m« h×nh ®éng lùc häc (§LH)
M« h×nh §LH cña cÇn trôc khi di chuyÓn thÓ hiÖn trªn h×nh 1.
CT 2
o
m3
R3
R2
A
m3(x3,y3)
R3
A
R2
B B'
m2
m2
f
X2
Sθ1M(q1) Sq1
q2
q3
y2
y
x
D
x0
X2
f
y0
H×nh 1. M« h×nh ®éng lùc häc (3 bËc tù do)
trong ®ã:
XOY - lµ hÖ to¹ ®é tuyÖt ®èi
m3 - Khèi l−îng quy ®æi cña toµn bé cÇn trôc vÒ träng t©m cña nã
m2 - Khèi l−îng cña hµng vµ côm mãc c©u
f - ChiÒu dµi c¸p hµng tõ mãc c©u tíi ®Ønh cÇn
(x2,y2) - To¹ ®é cña hµng ë thêi ®iÓm xÐt
(x0,y0) - To¹ ®é ban ®Çu cña bé m¸y di chuyÓn
1θ - M«men qu¸n tÝnh quy ®æi vÒ trôc ®éng c¬ cña bé m¸y di chuyÓn
- §−êng ®Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ )( 1
•
qM
D - §−êng kÝnh b¸nh xe
S - §é cøng quy ®æi cña bé m¸y di chuyÓn vÒ trôc ®éng c¬
R3 - Kho¶ng c¸ch tõ bé m¸y di chuyÓn ®Õn träng t©m cÇn trôc
R2 - Kho¶ng c¸ch tõ bé m¸y di chuyÓn ®Õn ®Ønh cÇn
(x3,y3) - To¹ ®é träng t©m cña cÇn trôc ë thêi ®iÓm xÐt
q1,q2,q3 - C¸c to¹ ®é suy réng
víi: q1 - §é dÞch chuyÓn gãc cña trôc ®éng c¬, (rad)
q2 - §é di chuyÓn theo ph−¬ng n»m ngang cña cÇn trôc,(m)
q3 - ChuyÓn vÞ gãc cña c¸p hµng quanh ®Ønh cÇn,(rad)
- X¸c ®Þnh to¹ ®é c¸c khèi l−îng:
Tõ c¸c quan hÖ h×nh häc trªn h×nh 1, chóng ta cã:
3303
33203
32202
322202
sinRyy
cosRqxx
qcosfsinRyy
qsinfcosRqxx
ϕ+=
ϕ−+=
−ϕ+=
+ϕ+=
- TiÕn hµnh ®¹o hµm theo thêi gian chóng ta cã:
0y;qx
qqsinfy;qqcosfqx
323
3323322
==
=+=
•••
•••••
- B×nh ph−¬ng vËn tèc chóng ta cã:
2
2
2
3
2
3
2
3
332
2
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
qyxv
qcosqqf2qfqyxv
•••
••••••
=+=
++=+=
CT 2
- Hµm ®éng n¨ng:
233
2
22
2
11 vm2
1
vm
2
1
q
2
1
T ++θ= • (1)
Thay kÕt qu¶ trªn vµo biÓu thøc (1), chóng ta cã ®−îc ®éng n¨ng cña hÖ nh− sau:
)qm
2
1
)qcosqqf2qfq(m
2
1
q
2
1
T
2
23332
2
3
2
2
22
2
11
•••••• ++++θ= (2)
§Æt
i
i
i q
T
q
T
dt
d
D ∂
∂−
⎟⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂= •
§¹o hµm theo ta cã
•
1q 111 qD
••θ= (3)
T−¬ng tù:
2
332332232
2
3322322333222
2
qqsinfmqqcosfmq)mm(
q
T
dt
d
qqcosfmq)mm(qmqqcosfmqm
q
T
•••••
•
•••••
•
−++=
⎟⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
++=++=
∂
∂
Cuèi cïng:
2
3323322322 qqsinfmqqcosfmq)mm(D
••••• −++= (4)
3232
3
32322323
2
2
3
2323
2
2
3
qqqsinfm
q
T
qqqsinfmqqcosfmqfm
q
T
dt
d
qqcosfmqfm
q
T
••
••••••
•
••
•
−=∂
∂
−+=
⎟⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+=
∂
∂
cuèi cïng, chóng ta nhËn ®−îc:
2323
2
2
3
3
3 qqcosfmqfmq
T
q
T
dt
d
D
••••
• +=∂
∂−
⎟⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂= (5)
- Hµm thÕ n¨ng:
3322
2 gymgym)(S
2
1
U ++ϕΔ= (6)
mµ:
R
q
q
D
i2
qq 2121 −=−=ϕΔ
víi:
i2
D
R = CT 2
Thay c¸c biÓu thøc tÝnh , yϕΔ 2, y3 vµo c«ng thøc (6), chóng ta cã c«ng thøc tÝnh thÕ n¨ng
cña hÖ ®Çy ®ñ nh− sau vµ tiÕn hµnh ®¹o hµm riªng cña U theo qi, ta cã:
( )[ ] ( )330332202221 sinRygmqcossinRygmRqqS21U ϕ++∫−ϕ++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛ −=
21
2
1
1
1 qR
S
Sq
R
q
qS
q
U
N −=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −=∂
∂=
32
3
3
221
2
1
2
2
qsingm
q
U
N
q
R
S
q
R
S
R
q
q
R
S
q
U
N
∫=∂
∂=
−−=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −−=∂
∂=
- Lùc suy réng:
0Q
)q(gwsign)mm(wFQ
)q(MQ
3
232N2
11
=
+−=−=
=
•
•
(7)
Víi - hÖ sè c¶n di chuyÓn riªng, v× gãc nhá nªn ω 333 qqsin;1qcos ≈≈
Tõ ph−¬ng tr×nh: Di + Ni = Qi sau khi s¾p xÕp l¹i chóng ta nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh chuyÓn
®éng d¹ng ma trËn nh− sau:
⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
ω+−
=
⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
−−−
−
+
⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
+
θ
0
)q(signg)mm(
)q(M
q
q
q
.
gfqm
qfmR/SR/S
R/SS
q
q
q
.
fmfm
fmmm
232
1
3
2
1
32
2
32
2
3
2
1
2
22
232
1
&
&
&
&&
&&
&&
(8)
hay: M + Sq = f(t)
••
q
trong ®ã: M - Ma trËn khèi l−îng;
S - Ma trËn ®é cøng;
f(t) - VÐc t¬ lùc kÝch thÝch.
2. Gi¶i ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng (PTC§)
§Ó minh häa, chóng t«i ®· tiÕn hµnh gi¶i PTC§ (8) víi c¸c sè liÖu cô thÓ cña cÇn trôc th¸p
Kб 160 - 2 nh− sau:
M ( ) = -9,005 + 950; m
•
1q 1q
•
2 = 5342 kg; m3 = 77.400 kg; f = 42,3 m; g = 9,81 m/s
2 ;
ω= 0,01 N/N ; S = 100 Nm/rad; R = 0,00313 m; 1θ = 0,05 kgm2.
Sö dông ch−¬ng tr×nh MATLAB - SIMULINK víi thuËt to¸n Runge Kutta bËc 4. S¬ ®å khèi
thuËt to¸n ®Ó gi¶i PTC§ nh− sau:
CT 2
H×nh 2. S¬ ®å khèi thuËt to¸n gi¶i PTC§
M« men ®éng trong liªn kÕt ®µn håi:
M = S(q1 -
R
q2 )
Lùc c¨ng c¸p hµng t¸c ®éng vµo ®Ønh cÇn theo ph−¬ng ngang:
Fx = m2gfq3
C¸c kÕt qu¶ nhËn ®−îc sau khi ch¹y ch−¬ng tr×nh nh− sau:
(s)
H×nh 3. ChuyÓn vÞ q1
CT 2
H×nh 4. ChuyÓn vÞ q2
(rad)
(m)
(rad)
(s)
(s)
H×nh 5. ChuyÓn vÞ q3
(Nm)
(s)
H×nh 6. M« men ®éng trong bé m¸y di chuyÓn
(N)
(s)
H×nh 7. Lùc c¨ng trong c¸p hμng t¸c dông vμo ®Ønh cÇn theo ph−¬ng ngang (Fx)
Ngoµi ra cßn cã thÓ nhËn ®−îc c¸c gi¸ trÞ vËn tèc , gia tèc vµ x©y dùng ®−îc c¸c ®å
thÞ kh¸c theo yªu cÇu.
iq
•
iq
••
CT 2
NhËn xÐt: Tõ h×nh 5, chóng ta thÊy chiÒu dµi cña c¸p hµng (f) ¶nh h−ëng lín ®Õn chu kú vµ
tÇn sè dao ®éng cña hµng treo, tõ ®ã ¶nh h−ëng ®Õn t¶i träng ®éng ph¸t sinh:
khi f = 42,3 m th× tÇn sè b»ng 0,071 Hz;
f = 30 m th× tÇn sè b»ng 0,11 Hz.
III. KÕt luËn
1. M« h×nh §LH ë h×nh 1 cho phÐp x¸c ®Þnh t¶i träng ®éng ph¸t sinh trong bé m¸y di
chuyÓn cña cÇn trôc khi di chuyÓn cã tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng cña sù l¾c hµng treo trªn c¸p.
2. Khi cÇn trôc di chuyÓn, tuú thuéc vµo c¸c th«ng sè cña kÕt cÊu, tèc ®é chuyÓn ®éng vµ
chiÒu dµi treo hµng (f) biªn ®é dao ®éng cña hµng thay ®æi rÊt lín, g©y ra t¶i träng ®éng ph¸t
sinh trong m¸y, ®iÒu ®ã lµm ¶nh h−ëng ®Õn ®iÒu kiÖn lµm viÖc tiªu chuÈn cña cÇn trôc.
3. Cã thÓ më réng kÕt qu¶ nghiªn cøu cho c¸c lo¹i cÇn trôc kh¸c nhau vµ nghiªn cøu víi
m« h×nh §LH phøc t¹p h¬n khi kÓ ®Õn ¶nh h−ëng cña giã vµ ®é dèc cña nÒn.
Tµi liÖu tham kh¶o
[1]. TS NguyÔn V¨n VÞnh. Bµi gi¶ng §éng lùc häc MXD – XD. Tr−êng §¹i häc GTVT, 2004.
[2]. Pristyak. A. Emelo Gepek dinamikai Vizsgalata. Budapest 1985 ¡
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- can truc.pdf