TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
NÂNG – HẠ CỦA CẨU TRỤC CONTAINER

Ngành:

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

Chuyên Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Võ Công Phương

Mã học phần:

033123.

Sinh viên thực hiện:
1. Lê Anh Dũng.

MSSV: 1451030091.

Lớp: TD14

2. Trần Lê Mân.

MSSV: 1451030111.

Lớp: TD14

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12/2018
BM-TN-05


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................................. 1
MỤC LỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................................ 4
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1.
1.1.

1.2.

TỔNG QUAN VỀ CẨU TRỤC NÂNG HẠ HÀNG ................................. 9

Tổng quan cẩu trục nâng hạ hàng ................................................................................... 9
1.1.1.

Giới thiệu cẩu trục nâng hạ hàng ...................................................................... 9

1.1.2.

Kết cấu thép .................................................................................................... 12


1.1.3.

Cơ cấu nâng hạ................................................................................................ 12

1.1.4.

Cơ cấu di chuyển ............................................................................................ 13

1.1.5.

Tủ điện được điều khiển trên cẩu trục ............................................................ 16

Giới thiệu đề tài luận văn ............................................................................................. 18
1.2.1.

Tên đề tài ........................................................................................................ 18

1.2.2.

Mục tiêu đề tài ................................................................................................ 18

1.2.3.

Giới thiệu thông số kỹ thuật chung của cẩu trục container ............................. 18

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ....................................................................................................... 19
CHƯƠNG 2.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NÂNG – HẠ HÀNG CỦA
HỆ THỐNG CẨU TRỤC CONTAINER ............................................................................. 20

2.1.

Giới thiệu về cơ cấu nâng – hạ ..................................................................................... 20

2.2.

Sơ đồ truyền động cơ cấu nâng – hạ............................................................................. 22

2.3.

Nguyên lý hoạt động .................................................................................................... 22

2.4.

Các dữ liệu ban đầu để tính toán cơ cấu nâng – hạ ...................................................... 22

2.5.

Tính toán chọn động cơ cơ cấu nâng – hạ .................................................................... 23

2.6.

2.5.1.

Tính chọn động cơ .......................................................................................... 23

2.5.2.

Tính chọn bộ truyền cho cơ cấu nâng – hạ ..................................................... 24


2.5.3.

Kiểm tra động cơ ............................................................................................ 25

2.5.4.

Tính chọn và kiểm tra phanh .......................................................................... 27

Xây dựng bản vẽ nguyên lý cho mô hình hệ thống nâng – hạ ..................................... 30
2.6.1.

Tính toán, lựa chọn thiết bị điện ..................................................................... 30

2.6.2.

Xây dựng bản vẽ nguyên lý hệ thống điện ..................................................... 31

2.6.3.

Bản vẽ hệ thống mạng PLC S7-300, sinamic S120 và Simotion D435.......... 33

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ....................................................................................................... 33
CHƯƠNG 3.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG NÂNG – HẠ
HÀNG TỰ ĐỘNG CHO CẨU TRỤC CONTAINER ......................................................... 34
3.1.

Danh mục các thiết bị sử dụng cho mô hình thực nghiệm ........................................... 35

GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương


1


Luận văn tốt nghiệp

3.2.

3.3.

3.4.

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

3.1.1.

Nguồn cấp 24 VDC ......................................................................................... 35

3.1.2.

PLC S7-318..................................................................................................... 35

3.1.3.

Module ngõ vào/ra của PLC ........................................................................... 37

3.1.4.

Module truyền thông ....................................................................................... 37


3.1.5.

Simotion D435 ................................................................................................ 37

3.1.6.

Màn hình điều khiển HMI .............................................................................. 38

3.1.7.

Sinamic S120 .................................................................................................. 39

3.1.8.

Encoder Baumer Incremental HOG 10 D 1024 I ........................................... 40

3.1.9.

Động cơ ........................................................................................................... 41

Giới thiệu các phần mềm lập trình điều khiển mô hình thực nghiệm .......................... 42
3.2.1.

Giới thiệu về phần mềm Step 7....................................................................... 42

3.2.2.

Giới thiệu về Simotion Scout .......................................................................... 52

3.2.3.


Giới thiệu về WinCC Flexible 2008 ............................................................... 53

Sơ đồ đấu nối phần cứng .............................................................................................. 58
3.3.1.

Sơ đồ đấu nối mạch động lực.......................................................................... 59

3.3.2.

Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển ....................................................................... 60

3.3.3.

Sơ đồ mạng truyền thông ................................................................................ 60

Giải pháp thực hiện....................................................................................................... 61

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ....................................................................................................... 63
CHƯƠNG 4.
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU
KHIỂN, GIÁM SÁT VÀ AN TOÀN HỆ THỐNG .............................................................. 64
4.1.

Giải thuật ...................................................................................................................... 64

4.2.

Lưu đồ Thuật toán ........................................................................................................ 64


4.3.

Cài đặt cấu hình phần cứng mô hình thực nghiệm ....................................................... 66
4.3.1.

Cấu hình phần cứng PLC S7-318 ................................................................... 66

4.3.2.

Cấu hình phần cứng Simotion D435 ............................................................... 66

4.3.3.

Cấu hình phần cứng biến tần, động cơ, và encoder ........................................ 67

4.3.4.

Cấu hình phần cứng HMI ............................................................................... 68

4.3.5. Cấu hình màn hình HMI giám sát, điều khiển mô hình hệ thống nâng – hạ tự
động cẩu trục container................................................................................................. 68
4.3.6.
4.4.

4.5.

Cấu hình truyền thông..................................................................................... 69

Một số đoạn chương trình của mô hình hệ thống ......................................................... 71
4.4.1.


Chương trình Simotion điều khiển biến tần .................................................... 71

4.4.2.

Đoạn chương trình PLC điều khiển hệ thống nâng hạ tự động ...................... 71

Giám sát hệ thống qua màn hình hmi .......................................................................... 74

GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

2


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

4.5.1.

Khi hệ thống vận hành ở chế độ nâng container ............................................. 74

4.5.2.

Khi hệ thống vận hành ở chế độ hạ container ................................................. 75

4.6.

Hiển thị các cảnh báo lỗi của hệ thống ......................................................................... 76


4.7.

Kết quả và ứng dụng thực tiễn của hệ thống ................................................................ 77
4.7.1.

Kết quả hệ thống thực nghiệm so với yêu cầu ban đầu .................................. 77

4.7.2.

Phân tích ưu, nhược điểm của mô hình hệ thống............................................ 77

4.7.3.

Ứng dụng thực tiễn ......................................................................................... 77

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ....................................................................................................... 78
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................................................. 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 80

GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

3


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Cẩu trục 1 dầm tiêu chuẩn. ......................................................................................... 9

Hình 1.2. Cẩu trục 2 dầm tiêu chuẩn. ....................................................................................... 10
Hình 1.3. Hệ thống nâng – hạ của cẩu trục............................................................................... 11
Hình 1.4. Sơ đồ truyền động cơ cấu nâng hạ. ........................................................................... 13
Hình 1.5. Sơ đồ truyền động cơ cấu di chuyển cẩu trục. .......................................................... 14
Hình 1.6. Hình thực tế cơ cấu di chuyển cẩu trục tại cảng ....................................................... 14
Hình 1.7. Sơ đồ truyền động và xe tời. ..................................................................................... 15
Hình 1.8. Hình thực tế cơ cấu di chuyển xe tời tại cảng. ......................................................... 15
Hình 1.9. Hình thực tế tủ điện của cẩu trục tại cảng. ............................................................... 17
Hình 1.10. Hình thực tế màn hình giám sát tất cả hệ thống của cẩu trục tại cảng. .................. 17
Hình 1.11. Phòng điều khiển của lái cẩu. ................................................................................. 17
Hình 2.1. Hình thực tế cẩu trục container nâng hạ hàng. ......................................................... 20
Hình 2.2. Hình thực tế cơ cấu nâng hạ tại cảng. ....................................................................... 21
Hình 2.3. Hình thực tế cơ cấu nâng hạ tại cảng. ....................................................................... 21
Hình 2.4. Sơ đồ cơ cấu nâng..................................................................................................... 22
Hình 2.5. Bảng chọn động cơ của hàng Siemen. ...................................................................... 23
Hình 2.6. Động cơ dẫn động. .................................................................................................... 24
Hình 2.7. Loại phanh đĩa điện thủy lực thường đóng SB8.2 EB 500/60 .................................. 27
Hình 2.8. Phanh BUBENZER. ................................................................................................. 28
Hình 2.9. Hình ảnh thực tế cơ cấu nâng hạ sau khi lắp đặt hoàn thiện. ................................... 30
Hình 2.10. Sơ đồ mạch Single Line cho hệ thống nâng – hạ cẩu trục. ..................................... 31
Hình 2.11. Bản vẽ nguyên lý cho hệ thống điều khiển cẩu thật. .............................................. 32
Hình 2.12. Kết nối mạng Profibus và DriveCilQ. .................................................................... 33
Hình 3.1. Các phần tử trong mô hình phần cứng 1. ................................................................. 34
Hình 3.2. Các phần tử trong mô hình phần cứng 2. ................................................................. 34
Hình 3.3. Các phần tử trong mô hình phần cứng 3. ................................................................. 35
Hình 3.4. Siemen PS307. .......................................................................................................... 35
Hình 3.5. PLC S7-318 .............................................................................................................. 35
Hình 3.6. Module ngõ vào/ra của PLC. .................................................................................... 37
Hình 3.7. CP340 RS232 và CP341-lean. .................................................................................. 37
Hình 3.8. Màn hình HMI. ......................................................................................................... 38

Hình 3.9. Sinamic S120. ........................................................................................................... 39
Hình 3.10. Encoder Baumer Incremental HOG 10 D 1024 I. .................................................. 40
Hình 3.11. Thông số kỹ thuật encoder. .................................................................................... 41
GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

4


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

Hình 3.12. Động cơ có gắn encoder hãng Baumer. .................................................................. 41
Hình 3.13. Mục quản lý các khối chương trình trong Step 7. .................................................. 42
Hình 3.14. Cửa sổ khai báo cấu hình phần cứng HW Config. ................................................. 43
Hình 3.15. Cửa sổ soạn thảo chương trình. .............................................................................. 43
Hình 3.16. Cửa sổ khai bảo cấu hình mạng NetPro. ................................................................ 44
Hình 3.17. Bảng giá trị các biến trong chương trình. ............................................................... 46
Hình 3.18. Cửa sổ khởi động chương trình Step 7. .................................................................. 47
Hình 3.19. Cửa sổ lập trình Step 7. .......................................................................................... 48
Hình 3.20. Cửa sổ thiết lập cấu hình. ....................................................................................... 48
Hình 3.21. Cửa sổ thiết lập các biến ......................................................................................... 49
Hình 3.22. Cấu trúc lắp đặt CPU và các module. ..................................................................... 51
Hình 3.23. Tạo project mới. ..................................................................................................... 53
Hình 3.24. Cửa sổ Device selection. ........................................................................................ 54
Hình 3.25. Chú thích một số tùy chọn phổ biến. ...................................................................... 54
Hình 3.26. Cấu hình truyền thông HMI với PLC ..................................................................... 55
Hình 3.27. Chọn phương thức truyền thông. ............................................................................ 55
Hình 3.28. Tạo biến truyền thông với PLC. ............................................................................. 55
Hình 3.29. Đặt tên cho nút nhấn. .............................................................................................. 56

Hình 3.30. Lập trình cho nút nhấn ............................................................................................ 56
Hình 3.31. Lập trình cho nút nhấn. ........................................................................................... 57
Hình 3.32. Tạo switch và lựa chọn kiểu switch........................................................................ 57
Hình 3.33. Tạo đèn báo trạng thái. ........................................................................................... 57
Hình 3.34. Hình ảnh thực tế sau khi đấu nối phần cứng. ......................................................... 58
Hình 3.35. Mạch động lực của mô hình. .................................................................................. 59
Hình 3.36. Mạch điều khiển của mô hình. ............................................................................... 60
Hình 3.37. Sơ đồ mạng truyền thông của mô hình. .................................................................. 60
Hình 3.38. Vị trí đặt cảm biến và quy định tầng container. ..................................................... 61
Hình 3.39. Cảm biến laser của hàng Omron để phát hiện container tầng. ............................... 61
Hình 3.40. Vị trí đặt cảm biến gù và cảm biến khối lượng load cell. ....................................... 62
Hình 3.41. Cảm biến tiệm cận kim loại hãng Omron dùng để kiểm tra khóa gù container. .... 62
Hình 3.42. Cảm biến load cell của hàng Omron dùng để phát hiện và đo container. .............. 62
Hình 4.1. Lưu đồ thuật toán mô hình thực nghiệm hệ thống nâng hạ cẩu trục container. ....... 65
Hình 4.2. Cấu hình phần cứng PLC S7-318. ............................................................................ 66
Hình 4.3. Cấu hình phần cứng Simotion D435. ....................................................................... 66
Hình 4.4. Cấu hình biến tần Sinamic, động cơ và encoder. ..................................................... 67
GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

5


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

Hình 4.5. Cấu hình phần cứng HMI. ........................................................................................ 68
Hình 4.6. Màn hình khởi động mô hình hệ thống nâng – hạ tự động....................................... 68
Hình 4.7. Màn hình điểu khiển và giám sát thông số qua HMI của mô hình hệ thống nâng – hạ
tự động. ..................................................................................................................................... 69

Hình 4.8. Các màn hình cấu hình truyền thông PLC-Simotion................................................ 69
Hình 4.9. Cấu hình truyền thông HMI-PLC. ............................................................................ 70
Hình 4.10. Tạo biến truyền thông với PLC. ............................................................................. 70
Hình 4.11. Chương trình Simotion điều khiển biến tần. .......................................................... 71
Hình 4.12. Đoạn chương trình PLC điều khiển hệ thống nâng – hạ. ....................................... 71
Hình 4.13. Đoạn chương trình PLC điều khiển hệ thống nâng – hạ. ....................................... 72
Hình 4.14. Đoạn chương trình PLC điều khiển hệ thống nâng – hạ. ....................................... 73
Hình 4.15. Đoạn chương trình PLC điều khiển hệ thống nâng – hạ. ....................................... 74
Hình 4.16. Giám sát vị trí, tốc độ hệ thống nâng container tầng 1 qua màn hình HMI. .......... 75
Hình 4.17. Giám sát vị trí, tốc độ hệ thống nâng container tầng 2 qua màn hình HMI ........... 75
Hình 4.18. Giám sát vị trí, tốc độ hệ thống nâng container tầng 3 qua màn hình HMI. .......... 75
Hình 4.19. Giám sát vị trí, tốc độ hệ thống hạ container tầng 3 qua màn hình HMI. .............. 75
Hình 4.20. Giám sát vị trí, tốc độ hệ thống hạ container tầng 1 qua màn hình HMI ............... 76
Hình 4.21. Màn hình thông báo lỗi khi cảm biến gù container chưa được đóng chặt.............. 76

GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

6


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

LỜI MỞ ĐẦU
Nước ta đang trong thời kỳ Công nghiệp hoá – Hiện đại hoá đất nước, với tốc độ
tăng trưởng kinh tế cao, trong đó hiện đại hóa máy móc đang dần thay thế sức lao
động của con người; Với xu hướng đó đã làm tăng năng suất lao động, nâng cao chất
lượng sản phẩm, hạ giá thành…nền kinh tế đi lên giúp con người tăng thu nhập; trong
lĩnh vực kinh tế vận tải biển đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Hàng

năm đóng góp một lượng tài sản lớn vào ngân sách quốc gia, góp phần giải quyết
công ăn việc làm cho hàng triệu lao động Việt Nam. Đây là ngành kinh tế mũi nhọn
được Đảng và nhà nước quan tâm đặc biệt và tạo điều kiện phát triển hiện nay. Đồng
thời nó còn là động lực to lớn thúc đẩy nhiều ngành công nghiệp khác phát triển nhất
là ngành công nghiệp cán thép, cơ khí, xây dựng… Là một quốc gia với hơn 3200 km
đường bờ biển, có rất nhiều cảng biển phân bố từ Bắc xuống Nam. Đây là điều kiện
hết sức thuận lợi cho ngành công nghiệp khai thác cảng biển và ngành vận tải biển
phát triển. Đồng thời với xu thế phát triển hiện nay thì ngành công nghiệp đóng mới
thiết bị khai thác cảng đang có xu hướng chuyển dần sang các nước đang phát triển
như Việt nam.
Các cảng biển ở Việt Nam và trên thế giới, cần trục – cầu trục cảng có vị trí hết
sức quan trọng trong công nghiệp bốc xếp hàng hoá, là nhóm thiết bị nâng vận chuyển
và lưu thông hàng hóa xuất nhập khẩu của cảng biển. Công nghiệp bốc xếp và vận
chuyển hàng hóa bao gồm nhiều công đoạn như bốc xếp hàng hóa từ tàu thủy lên kho
bãi, lên phương tiện vận tải đường bộ và bốc xếp hàng hóa theo chiều ngược lại cho
tàu thủy. Trên các cảng, lượng hàng hóa trung chuyển qua các cảng được lưu kho bãi
rất lớn, khối lượng hàng hóa bốc xếp trong cảng cũng được cần trục – cần cẩu đảm
nhiệm. Chính vì vậy mà nước ta đang có điều kiện hết sức to lớn để phát triển ngành
công nghiệp đóng mới thiết bị cần cẩu và cầu trục cho các cảng biển, cảng sông, cảng
cạn. Song cũng còn ra nhiều thử thách hết sức to lớn quyết định sự tồn tại và phát triển
của ngành công nghiệp đóng thiết bị khai thác cảng, đó là vấn đề cạnh tranh giữa các
quốc gia. Nó đòi hỏi các nhà máy phải liên tục mở rộng sản suất nâng cao chất lượng,
hạ giá thành đóng mới cũng như sửa chữa.
Khi đánh giá mức độ hiện đại hóa cảng biển, đầu tiên phải kể đến cơ sở hạ tầng
kỹ thuật của cảng như luồng vào ra cho các tàu biển, cầu cảng và bộ máy quản lý cảng.
Sau đó phải kể đến nhóm thiết bị bốc xếp hàng hóa chính là cần trục – cần cẩu cảng.
Năng suất, tốc độ luân chuyển hàng hóa hàng năm của cảng phụ thuộc nhiều vào số
lượng và trọng tải nâng chuyển của cẩu trục – cần trục cảng cũng như phải đổi mới
công nghệ, áp dụng tự động hóa vào quá trình sản xuất. Trong những năm vừa qua rất
nhiều máy móc và dây truyền hiện đại phục vụ ngành khai thác cảng được nhập về.

Tổng công ty Tân Cảng là đơn vị lớn nhất và hàng đầu của cả nước tiên phong trong
đầu tư thiết bị, nội địa hóa của ngành khai thác cảng biển Việt Nam. Rất nhiều máy
móc thiết bị hiện đại đã và đang được Tổng Công Ty nhập về trong đó đáng quan tâm
nhất lá các cần cẩu có sức nâng lớn. Hầu hết các hệ thống này đều sử dụng thiết bị
điều khiển khả trình PLC, nó có khả năng tự động hóa và tối ưu điều khiển rất cao.
GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

7


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

Thiết bị điều khiển khả trình PLC đã và đang được áp dụng rãi trong các dây chuyền
sản xuất, nó làm giảm giá thành công nghệ, giảm độ phức tạp của mạch điều khiển, có
khả năng làm việc trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên nó cũng đòi hỏi đội ngũ
kĩ sư và công nhân kỹ thuật lành nghề để vận hành, bảo quản bảo dưỡng hệ thống an
toàn cho con ngƣời và cho thiết bị cũng như đạt năng suất và hiệu quả cao nhất. Sau
quá trình học tập tại trường chúng em được giao đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế và xây
dụng mô hình hệ thống nâng – hạ của cẩu trục container”. Đi sâu nghiên cứu cơ
cấu nâng hạ hàng và hệ thống điện điều khiển tự động của hệ thống.” Đồ án có bố cục
gồm 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về cẩu trục nâng hạ hàng.
Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống nâng hạ hàng của cẩu trục container.
Chương 3: Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống nâng – hạ hàng tự động cho
cẩu trục container.
Chương 4: Xây dựng thuật toán và viết chương trình điều khiển, giám sát và an
toàn hệ thống.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của PGS. TS. Võ Công Phương và Đồng

chí Phạm Việt Hùng – phó trưởng phòng Kỹ Thuật – Vật Tư Tổng Công Ty Tân Cảng
Sài Gòn, chúng em đã hoàn thành bài báo cáo này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
TP. HCM, ngày 22 tháng 12 năm 2018

GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

8


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẨU TRỤC NÂNG HẠ HÀNG
1.1. TỔNG QUAN CẨU TRỤC NÂNG HẠ HÀNG
1.1.1. Giới thiệu cẩu trục nâng hạ hàng
Cầu trục trong tiếng anh có nghĩa là (Overhead crane), là loại thiết bị dùng để
nâng hạ – di chuyển hàng hóa trong nhà xưởng cũng như làm việc ngoài trời. Thông
thường cầu trục thường được sử dụng trong nhà xưởng còn dùng ngoài trời người ta
dùng Cổng trục. Việc sử dụng cầu trục rất tiện lợi và hiệu quả cao trong công việc, bôc
xếp hàng hóa, các vật nặng cồng kềnh như sắt, thép của các nhà máy thép. Nó có sức
nâng lớn nhất lên đến 500 tấn, khẩu độ lớn. Được vận hành chủ yếu bằng động cơ điện
nên được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệp, nhà máy thép, thủy điện,
cũng như dân dụng…
Hiện nay được phân làm 2 loại:
 Theo kết cấu gồm:
 Cẩu trục 1 dầm tiêu chuẩn

Hình 1.1. Cẩu trục 1 dầm tiêu chuẩn.


 Cẩu trục 2 dầm tiêu chuẩn

GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

9


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

Hình 1.2. Cẩu trục 2 dầm tiêu chuẩn.

 Theo phạm vi phục vụ:
 Cầu trục cho cầu cảng: Với sức nâng hàng hóa lớn
 Cầu trục luyện kim: làm việc trong các phân xưởng luyện kim có nhiệt độ
cao
 Cầu trục phòng nổ: Cho các nhà máy ga, khí, hầm lo than…
 Cầu trục thủy điện: Nâng hạ các vật liệu xây dựng
 Cầu trục gầu ngoạm: cầu trục có móc cẩu dạng gầu ngoạm chuyên dùng
bốc xếp vật liệt rời (cát, đá, than…)
 Cầu trục mâm từ: Cầu trục có móc cẩu là các cụm nam châm điện chuyên
dùng để bốc thép tấm…
 Còn rất nhiều loại tùy thuộc vào công dụng và công việc của nó mà có các
loại cầu trục khác nhau.
 Theo cơ cấu dẫn động:
 Cầu trục dẫn động bằng điện: Được sử dụng động cơ điên ( palang cáp điện,
palang xích điện)
 Cầu trục dẫn động bằng tay: Được dẫn động bằng hệ thống tời kéo tay (hệ

thống đĩa xích kéo tay…)
 Các cơ cấu chính của cầu trục:
 Kết cấu thép: dầm chính, dầm biên
 Cơ cấu nâng hạ: Palang xích điện, palang cáp điện
 Cơ cấu di chuyển: Thường dùng cụm bánh xe di chuyển được dẫn động
bằng động cơ điện.
GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

10


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

 Tủ điện điều khiển cầu trục: Được sử dụng và lắp ráp các thiết bị như ( biến
tần, Contactor, aptomat…) để điều khiển toàn bộ hệ thống cầu trục.
 Hệ thống cấp nguồn điện cầu trục: Gồm máng cáp đỡ con lăn chạy dọc nhà
xưởng, thanh nối máng cáp hình chữ C, con lăn dẫn cáp cho cấp điện sâu
đo, kẹp máng cáp chữ C, cáp dẹt điều khiển.
 Hệ ray điện an toàn.
 Hệ bánh xe và di chuyển cầu trụ.

Hình 1.3. Hệ thống nâng – hạ của cẩu trục.

 Chú thích:
 1. Dầm dọc: sử dụng thép hoặc thép tổ hợp.
 2. Bát chặn dọc.
 3. Ray dọc: sử dụng loại ray xe lửa, ray vuông hoặc ray dẹp.
 4. Dầm biên: được chế tạo từ thép hình chữ U hoặc dạng dầm hộp. Ở hai

đầu biên có lắp cao su giảm chấn
 5. Cao su giảm chấn
 6. Dầm ngang:
 Dầm đôi: dạng hộp hoặc dầm I tùy khẩu độ và tải trọng. Trên dầm ngang
được trang bị hàng lang bảo dưỡng
 Dầm đơn: dạng hộp hoặc dầm I hoặc dạng hộp kết hợp dầm I tùy khẩu
độ và tải trọng.
 7. Ray ngang: sử dụng ray vuông hoặc ray dẹp.
 8. Cấp điện ngang: sử dụng ray điện hoặc dây cáp điện tùy khẩu độ, tải
trọng và môi trường sử dụng.
GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

11


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

 9. Nút bấm điều khiển.
 10. Móc cẩu.
 11. Palăng hoạt động bao gồm: nâng - hạ, di chuyển dọc theo dầm ngang.
 12. Cấp dọc điện: sử dụng ray điện an toàn.
 13. Bát chặn ngang.
 14. Tủ điều khiển.
 15. Hành lang bảo dưỡng.
 16. Lan can an toàn
1.1.2. Kết cấu thép
Kết cấu thép cẩu trục giữ vai trò quan trọng và chiếm một tỷ trọng đáng kể trong
khối lượng riêng toàn máy. Nó ko chỉ làm giá đỡ cho toàn bộ cơ cấu máy mà còn là

nơi chịu lực cho tất cả các loại tải trọng đặt lên.
1.1.3. Cơ cấu nâng hạ
 Cơ cấu nâng hạ cho cẩu trục gồm 2 loại chính:
 Cho cẩu trục 1 dầm là palang điện hoặc tay.
 Các loại dầm khác được chế tạo và đặt trên xe con.
 Cấu tạo cơ cấu nâng hạ:
 Xe cẩu: là khung sắt hình chữ nhật được thiết kế với kết cấu chịu lực, gồm
một dầm chính chế tạo bằng thép, đặt cách nhau một khoảng tương ứng với
khoảng cách của bánh xe con, bao quanh là một dàn khung. Hai cầu dầm
được liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành một khung chữ nhật trong
mặt phẳng ngang. Các bánh xe của cẩu trục được thiết kế các dầm ngang
của khung để cầu trục có thể chạy dọc suốt nhà xưởng một cách dễ dàng.
 Xe con: là bộ phận chuyển động trên đường ray trên xe cẩu, trên đó có đặt
cơ cấu nâng hạ và cơ cấu di chuyển cho xe con. Tùy theo công dụng của
cẩu trục mà trên xe con có một hoặc hai, ba cơ cấu nâng hạ, gồm một cơ
cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ. Xe con di chuyển trên xe
cẩu và xe cẩu di chuyển dọc theo phân xưởng hoặc nhà máy đáp ứng việc
vận chuyển hàng đến mọi nơi trong phân xưởng.
 Cơ cấu nâng hạ: có 2 loại chính
 Loại dùng cho cẩu trục một đầm là palang điện hay là palang tay đều có
khả năng di chuyển dọc theo dầm chính để nâng hạ hàng. Các loại palang
này được chế tạo theo tải trọng và tốc độ nâng yêu cầu.

GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

12


Luận văn tốt nghiệp


Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

 Đối với các loại dầm thông thường, cơ cấu nâng hạ được chế tạo và đặt
trên xe con để di chuyển dọc theo dầm chính. Trên xe con thường có từ
một đến ba cơ cấu nâng hạ.
 Ngoài ra còn có cơ cấu phanh hãm. Phanh dùng trong cầu trục có ba loại:
phanh guốc, phanh đĩa, và phanh đai. Nguyên lý hoạt động của các loại
phanh này cơ bản đều giống nhau.
 Cơ cấu hãm phanh:
 Má phanh.
 Cuộn dây nam châm phanh.
 Đối trọng phanh.

Hình 1.4. Sơ đồ truyền động cơ cấu nâng hạ.

 Chú thích:
 1. Tang quấn cáp.
 2. Khớp nối.
 3. Hộp giảm tốc.
 4. Trục truyền.
1.1.4. Cơ cấu di chuyển
Cơ cấu di chuyển của cẩu trục gồm cơ cấu di chuyển cẩu trục và xe tời. Hệ
truyền động điện của hai cơ cấu này là tương tự nhau. Gồm 3 phương án thiết kế hệ
truyền động điện cơ cấu di chuyển này:
 Phương án 1: Dùng roto dây quấn.
 Phương án 2: Dùng động cơ một chiều kết hợp bộ chỉnh lưu.
 Phương án 3: Dùng động cơ roto lồng sóc kết hợp bộ biến tần.

GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương


13


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

1.1.4.1. Cơ cấu di chuyển xe cẩu

Hình 1.5. Sơ đồ truyền động cơ cấu di chuyển cẩu trục.

 Chú thích:
 1. Động cơ điện.
 2. Khớp nối mềm động cơ điện và hộp giảm tốc.
 3. Hộp giảm tốc trục vít bánh vít.
 4. Dầm cân bằng.
 5. Trục.
 6. Cụm bánh xe
 7. Khớp bản lề liên kết chân cổng và cụm chân
 8. Trục
 9. Khớp bản lề liên kết chân cổng và cụm chân
 10. Phanh điện thủy lực cơ cấu di chuyển

Hình 1.6. Hình thực tế cơ cấu di chuyển cẩu trục tại cảng
GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

14


Luận văn tốt nghiệp


Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

1.1.4.2. Cơ cấu di chuyển xe tời

Hình 1.7. Sơ đồ truyền động và xe tời.

 Chú thích:
 1. Phanh.
 2. Động cơ điện.
 3. Hộp giảm tốc.
 4. Bánh xe di chuyển.

Hình 1.8. Hình thực tế cơ cấu di chuyển xe tời tại cảng.
GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

15


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

1.1.5. Tủ điện được điều khiển trên cẩu trục
 Tủ điện:
 Các tủ điện sẽ chế tạo từ thép tấm dày từ 1,2  1,5 mm, gắn với bản lề nâng
ở trước cửa để cho phép việc thay thế thiết bị điện mà không cần phải tháo
bảng cách điện. Các tủ điện sẽ đảm bảo kín nước, đạt chỉ số IP65.
 Mọi thiết bị sẽ được gắn trên mặt phẳng.
 Sau khi chế tạo, các khối sẽ được rửa và lau sạch dầu mỡ, xử lý phosphat,

thí dụ sơn lót, sơn lớp đầu và cho hai lớp tráng men. Mọi khối điện và bảng
sẽ ở vị trí được bao che để cho phép kiểm tra hay duy trì trong mọi thời tiết.
 Contactor:
 Các contactor AC sẽ làm việc ở chế độ nặng tải loại AC – 3 và loại AC – 4
với cuộn dây hoạt động AC và sẽ tuân theo những tiêu chuẩn thích hợp.
 Các contactor DC sẽ là loại làm việc nặng hay tương đương sẽ gắn với các
công tắc đầu cực tháo ráp được.
 Quá tải – Bảo vệ ngắn mạch:
 Tất cả các hệ thống thiết bị điện lắp đặt trên cần trục được bảo vệ chống
ngắn mạch, bảo vệ quá dòng bằng các ACB và cầu chì cắt nhanh;
 Bảo vệ quá tải bằng các relay nhiệt ngoài ra các motor được cấp nguồn
bằng biến tần sẽ được bảo vệ thông qua việc cài đặt và giám sát thông số
của các biến tần cấp nguồn cho motor.
 Thiết bị máy điện:
 Mọi motor sẽ chống thấm nước và được bảo vệ với mọi điều kiện thời tiết.
Motor sẽ được hoàn toàn thích hợp với môi trường nước biển để chịu đựng
không khí biển cả và chống chọi với chất muối, bụi bẩn.
 Các thiết bị điện, motor sẽ có công suất định mức thích hợp với việc bảo vệ
chống vượt tải.
 Motor sẽ được lắp bộ sấy nhiệt để tránh tích tụ trong lúc thời tiết ẩm ướt khi
cẩu không làm việc.
 Motor AC sẽ có thể khởi động từ bất kỳ tải trọng nào đến đầy tải khi nguồn
cung cấp điện thế là 85% điện bình thường.
 Mọi motor sẽ hoạt động không bị rung và với tiếng ồn ít nhất. Motor sẽ
được cần bằng tĩnh và cân bằng động.
 Ổ đỡ của motor sẽ có chỗ dễ bơm mỡ tránh việc ổ đỡ bị kẹt.
GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

16



Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

Hình 1.9. Hình thực tế tủ điện của cẩu trục tại cảng.

Hình 1.10. Hình thực tế màn hình giám sát tất cả hệ thống của cẩu trục tại cảng.

Hình 1.11. Phòng điều khiển của lái cẩu.
GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

17


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

1.2. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
1.2.1. Tên đề tài
Qua việc tìm hiểu, nghiên cứu những vấn đề đã nêu ra ở Phần Mở đầu, chúng em
lấy tên đề tài “Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống nâng hạ hàng của cần trục
container”.
1.2.2. Mục tiêu đề tài
Với nội dung đề tài như trên, chúng em đề ra những mục tiêu nghiên cứu, học tập
để đạt được kết quả mong muốn như sau:
 Tính toán, thiết kế hệ thống nâng hạ hàng của hệ thống cẩu trục container.
 Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống nâng hạ hàng.
 Viết chương trình điều khiển, giám sát và an toàn hệ thống.

 Đánh giá kết quả hệ thống trên mô hình thực nghiệm.
1.2.3. Giới thiệu thông số kỹ thuật chung của cẩu trục container
 Thông số kỹ thuật cần trục container:
 Sức nâng lớn nhất dưới khung chụp: 36 tấn.
 Khoảng cách hai ray cổng trục: 26 m.
 Khoảng cách hai ray xe tời: 12 m.
 Tầm với phía nước: 14 m.
 Tầm với phía bờ: 8 m.
 Chiều cao nâng hàng:
 Trên mặt ray: 11,5 m.
 Dưới mặt ray: -3 m.
 Tổng chiều cao nâng: 14,5 m.
 Vận tốc khai thác:
 Tốc độ nâng (có tải/không tải): 18/36 (m/phút).
 Tốc độ di chuyển xe tời (có tải/không tải): 50/70 (m/phút).
 Tốc độ di chuyển cẩu có (tải/không tải): 40/40 (m/phút).
 Áp lực lớn nhất trên bánh xe: 27 tấn.
 Đường kính bánh xe: 600 mm.
 Tổng số bánh xe di chuyển: 20 chiếc.
 Số lượng bánh xe/góc:
 Phía nước: 06.
GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

18


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container


 Phía bờ: 04.
 Nguồn điện cung cấp: AC 380V – 50Hz – 3 pha.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Qua quá trình thực tập tại Cảng, chúng em đã được tiếp xúc với các hệ thống cẩu
trục nâng – hạ container hiện đại khác nhau tại Cảng như cẩu bờ, cẩu khung, máy
nâng, xe tời,…
Từ đó đem lại cho chúng em sự tò mò, thích thú với các hệ thống cẩu trục, do đó
chúng em quyết định cùng nhau nghiên cứu về mảng này và đặt mục tiêu cho đề tài
của luận văn tốt nghiệp nghiên cứu, tìm hiểu cơ cấu quan trọng nhất của hệ thống cẩu
trục container.
Hệ thống cẩu trục có ba cơ cấu chính, bao gồm cơ cấu nâng – hạ hàng, cơ cấu xe
tời, cơ cấu di chuyển cẩu,… Trong đó cơ cấu nâng – hạ hàng là cơ cấu quan trọng nhất
vì nó phải hoạt động với cường độ tần suất lớn, dễ xảy ra sự cố, độ rủi ro cao trong quá
trình vận hành. Cơ cấu nâng – hạ đỏi hỏi tính chính xác, khả năng của người vận hành
phải tốt, độ ổn định của cơ cấu phải cao thì mới làm việc tốt được.
Nhưng hiện tại thì chúng em thấy rằng cơ cấu quan trọng nhất này đang hoạt
động theo phương thức thủ công dưới sự điều khiển của người lái cẩu. Do đó, chúng
em muốn tìm hiểu sâu hơn và đưa ra giải pháp tốt hơn để nâng cao hệ số an toàn cho
hệ thống cẩu trục container.

GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

19


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container


CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NÂNG – HẠ
HÀNG CỦA HỆ THỐNG CẨU TRỤC CONTAINER

Hình 2.1. Hình thực tế cẩu trục container nâng hạ hàng.

2.1. GIỚI THIỆU VỀ CƠ CẤU NÂNG – HẠ
Cơ cấu nâng là cơ cấu dùng để nâng hạ vật nâng theo phương thẳng đứng. ngoại
lực tác dụng lên cơ cấu là trọng lực và lực quán tính. Cơ cấu nâng có thể là một bộ
phận của máy hoặc là một máy làm việc độc lập. Theo cách truyền lực lên phần
chuyển động phân ra:
 Tời cáp và tời xích với tang quấn cáp hoặc puly ma sát.
 Kích bánh răng, kích vít với truyền động bánh răng hay truyền động vít.
 Kích thủy lực.
 Cơ cấu nâng quan trọng và được dùng phổ biến với tời cáp với tang cuốn cáp.
Ở thang máy chủ yếu dùng puly ma sát.

GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

20


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

Hình 2.2. Hình thực tế cơ cấu nâng hạ tại cảng.

Hình 2.3. Hình thực tế cơ cấu nâng hạ tại cảng.
GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương


21


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

2.2. SƠ ĐỒ TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG – HẠ

Hình 2.4. Sơ đồ cơ cấu nâng
1-Tang quấn cáp, 2-Khớp nối, 3-Hộp giảm tốc, 4-Trục truyền

2.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
 Đây là loại sơ đồ động có kết cấu cơ bản. Các liên kết đều được tối ưu hóa
nhằm nâng cao khả năng hoạt động của cơ cấu và giảm kích thước, khối lượng
của cơ cấu.
 Động cơ 6 có vai trò dẫn động cơ cấu, khi động cơ hoạt động(cơ cấu hoạt
động), moment xoắn được truyền tới trục đầu vào của hộp giảm tốc thông qua
khớp nối có gắn đĩa phanh. Hộp giảm tốc 3 được cố định xuống phần kết cấu
thép của xe tời thông qua các thanh giá đỡ. Tại hộp giảm tốc, moment xoắn
truyền từ động cơ tới được khuếch đại, moment xoắn này được truyền cho tời
nâng 1 thông qua trục truyền cũng là trục tang. Moment xoắn được truyền tới
tang giúp tang hoạt động, thực hiện thao tác nâng (hạ) theo yêu cầu.
2.4. CÁC DỮ LIỆU BAN ĐẦU ĐỂ TÍNH TOÁN CƠ CẤU NÂNG – HẠ
 Sức nâng: Q = 36T.
 Trọng lượng bộ phận mang hàng: Qm = 10T.
 Chiều cao nâng: Hn = 11,5 m.
 Chiều sâu hạ: Hh = -3 m.
 Tốc độ nâng khung chụp có tải và không tải: Vn = 20/40 (m/phút).
 Gia/giảm tốc với tải định mức là: 2s.

 Gia/giảm tốc với container rỗng là: 4s.

GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

22


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

2.5. TÍNH TOÁN CHỌN ĐỘNG CƠ CƠ CẤU NÂNG – HẠ
2.5.1. Tính chọn động cơ
 Công suất tĩnh của động cơ trong cơ cấu nâng hạ hàng:

Pt 

Q0 .Vn
i.

 Trong đó:
 Qo = Q + Qm = 46(T).
 Q = 36(T): Tải trọng nâng danh nghĩa.
 Qm = 10(T): Trọng lượng ngáng nâng.
 Vn = 20 m/phút =

1
(m/s): Vận tốc nâng hàng.
3


  = 0,85: Hiệu suất cơ cấu.
 i: Tỉ số truyền
 Thay vào:

1
3  176, 855 kW
Pt 
102.0, 85
46.103.

Hình 2.5. Bảng chọn động cơ của hàng Siemen.

 Để dẫn động cho các cơ cấu máy trục thường sử dụng phổ biến các loại động
cơ không đồng bộ có khả năng làm việc với chế độ quá tải lớn. Dựa vào công
suất động cơ, chế độ làm việc ta chọn động cơ có các thống số sau:
 Số Seri: No: 1LG4317-4AA60-Z (Made in SEC).
 Type: SIEMENS.

GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

23


Luận văn tốt nghiệp

Tính toán, thiết kế hệ thống Cẩu trục Container

 Các thông số cơ bản của động cơ:
k/h


A

AA

AB

AC

AD

AD’

AF

AF’

AG

AH

AQ

g/trị

508

120

610


610

500

500

400

400

380

780

590

k/h

AS

B*

BA

BA’

BB

BC


BE

C

CA*

H

HA

g/trị

154

508

125

176

578

69

110

216

373


315

50

k/h

HH

K

K’

L

L’1

LC2

LL

LM

LM1

D

DB

g/trị


285

28

35

1232

1302

1377

307

1342

1412

65

M20

k/h

E

EB

ED


F

GA

DA

DC

EA

EC

EE

FA

g/trị

140

125

10

18

69

60


M20

140

125

10

18

Hình 2.6. Động cơ dẫn động.

 Thông số động cơ:
 P = 200 (kW): Công suất của động cơ.
 n = 1486 (vòng/phút): Số vòng quay của động cơ.
 U= 400 (V) : Hiệu điện thế.
 Hz = 50 (hec): Tần số.
 J = 3,5 (kg.m2): Moment quán tính của động cơ
2.5.2. Tính chọn bộ truyền cho cơ cấu nâng – hạ

nt 

Vh .ip
.D



20.2
 14, 97  rpm 
.0, 85


 Tỷ số truyền của bộ truyền:

i

n
1486

 99, 26
nt 14, 97

 Theo tỉ số truyền tính toán và công suất của động cơ đã chọn, ta chọn hộp
giảm tốc với số liệu cụ thể như sau:
GVHD: PGS. TS. Võ Công Phương

24