Thiết Bị Cầu Trục

Thiết bị cầu trục là tập hợp các cụm cơ khí và điện cấu thành nên một chiếc cầu trục, cổng trục hay palăng: động cơ nâng hạ và di chuyển, hộp giảm tốc, phanh, tang cuốn cáp, móc cẩu, bánh xe, điện trở, biến tần, tủ điện, ray điện và các thiết bị an toàn. Chất lượng và sự tương thích giữa các thiết bị cầu trục quyết định cầu trục nâng đúng tải, chạy êm, dừng chính xác và an toàn trong suốt nhiều năm khai thác.

Danh mục thiết bị cầu trục gồm các nhóm chính là motor cẩu trục, hộp giảm tốc cầu trục ZQ và phanh cầu trục. Bên cạnh đó, cầu trục còn sử dụng nhiều thiết bị truyền động chung như hộp giảm tốc, motor giảm tốc, động cơ điện và biến tần để điều khiển tốc độ nâng hạ, di chuyển.

1. Thiết bị cầu trục là gì?

Cầu trục là máy nâng chạy trên ray đặt cao trong nhà xưởng, gồm dầm chính bắc ngang giữa hai đường ray, xe con chạy dọc dầm mang cơ cấu nâng. Cổng trục có chân đỡ chạy trên ray dưới đất, dùng ngoài trời, bãi vật liệu, bến cảng. Mỗi cầu trục có ba chuyển động cơ bản: nâng hạ hàng, xe con di chuyển ngang và cầu (hoặc cổng) di chuyển dọc nhà xưởng. Mỗi chuyển động được thực hiện bởi một cơ cấu gồm động cơ, phanh, hộp giảm tốc và bộ phận công tác.

Thiết bị cầu trục là tên gọi chung cho tất cả các chi tiết và cụm máy này. Chúng được thiết kế riêng cho chế độ làm việc của máy nâng: khởi động, dừng, đảo chiều liên tục, chịu tải va đập và yêu cầu an toàn rất cao.

2. Ứng dụng của thiết bị cầu trục

• Nhà xưởng cơ khí, kết cấu thép: nâng hạ phôi, khuôn, chi tiết máy, cấu kiện thép.
• Nhà máy luyện kim, đúc: nâng thùng rót, phôi nóng, cuộn thép; cần thiết bị chịu nhiệt và chế độ làm việc nặng.
• Kho bãi, cảng, ga: cổng trục, bán cổng trục bốc xếp container, thép, gỗ, vật liệu xây dựng.
• Nhà máy bê tông đúc sẵn: nâng cấu kiện, cọc, dầm, cống.
• Nhà máy thủy điện, nhiệt điện, xử lý nước: cầu trục gian máy, cổng trục đóng mở cửa van.
• Xưởng sửa chữa, bảo dưỡng: cầu trục treo, cầu trục quay, palăng nâng động cơ, máy móc.

3. Ưu điểm của thiết bị cầu trục chuyên dụng

• Chịu chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại: motor cầu trục được thiết kế cho số lần đóng cắt lớn, hệ số làm việc 25%, 40%, 60%.
• Mô-men khởi động lớn: nâng tải nặng ngay từ vị trí đứng yên, không bị quá nhiệt khi khởi động liên tục.
• An toàn: phanh thường đóng, tự giữ tải khi mất điện; có công tắc hạn vị, bộ chống quá tải.
• Bền với va đập và rung: hộp giảm tốc bánh răng tôi cứng, vỏ gang hoặc thép hàn dày.
• Dễ thay thế: kích thước lắp đặt theo tiêu chuẩn phổ biến, thay thế từng cụm mà không phải thay cả cơ cấu.

4. Cấu tạo cầu trục và các nhóm thiết bị chính

a. Kết cấu thép

Dầm chính (dầm đơn hoặc dầm đôi), dầm biên, chân cổng trục, đường ray, dầm đỡ ray. Đây là phần chịu lực chính, được thiết kế theo tải trọng và khẩu độ.

b. Cơ cấu nâng

Gồm động cơ nâng, phanh, hộp giảm tốc, tang cuốn cáp, cáp thép, cụm puly và móc cẩu. Với cầu trục nhỏ, cơ cấu nâng thường là palăng cáp điện hoặc palăng xích liền khối; với cầu trục lớn là cụm xe con tời riêng.

c. Cơ cấu di chuyển xe con và di chuyển cầu

Gồm motor giảm tốc hoặc motor và hộp giảm tốc, phanh, trục truyền, bánh xe chạy ray, cụm dầm biên. Tốc độ di chuyển thường lớn hơn tốc độ nâng và cần khởi động, dừng êm để hàng không lắc.

d. Hệ thống điện và điều khiển

Tủ điện, contactor, biến tần hoặc điện trở khởi động, bộ khống chế, ray điện an toàn, cáp dẹt treo con chạy, tay bấm điều khiển hoặc điều khiển từ xa.

e. Thiết bị an toàn

Công tắc hạn vị nâng, hạn vị di chuyển, bộ chống quá tải, giảm chấn cuối ray, còi đèn cảnh báo, nút dừng khẩn cấp.

5. Nguyên lý hoạt động của các cơ cấu cầu trục

Khi người vận hành nhấn nút nâng, phanh của cơ cấu nâng được nhả ra, động cơ quay, qua hộp giảm tốc làm tang quay chậm với mô-men lớn, cuốn cáp và kéo cụm móc đi lên. Khi nhả nút, động cơ ngắt điện, phanh đóng lại bằng lực lò xo và giữ tang đứng yên. Nguyên lý "phanh thường đóng" này đảm bảo khi mất điện hàng vẫn được giữ trên cao.

Các cơ cấu di chuyển hoạt động tương tự: motor qua hộp giảm tốc quay bánh xe chạy trên ray. Với motor rotor dây quấn, tốc độ và mô-men khởi động được điều chỉnh bằng cách cắt dần các cấp điện trở mắc vào mạch rotor; với motor lồng sóc, tốc độ được điều khiển bằng biến tần hoặc motor hai cấp tốc độ.

6. Phân loại thiết bị cầu trục

a. Motor cầu trục

Motor cẩu trục gồm motor rotor dây quấn (dòng YZR) có mô-men khởi động lớn, khởi động và điều chỉnh tốc độ bằng điện trở rotor, dùng cho cơ cấu nâng tải lớn; motor rotor lồng sóc chuyên dụng cầu trục (dòng YZ) dùng cho cơ cấu di chuyển và nâng tải vừa, thường kết hợp biến tần; motor có phanh côn dùng trong palăng cáp điện. Motor cầu trục được ghi chế độ làm việc S3 kèm hệ số làm việc FC 25%, 40% hoặc 60%.

b. Phanh cầu trục

Phanh cầu trục phổ biến là phanh má thủy lực điện (dòng YWZ), dùng cụm đẩy thủy lực để mở má phanh khi có điện và lò xo đóng phanh khi mất điện; phanh đĩa điện từ dùng cho motor nhỏ và palăng. Phanh được chọn theo mô-men phanh, đường kính tang phanh và cỡ cụm đẩy thủy lực.

c. Hộp giảm tốc cầu trục

Hộp giảm tốc cầu trục ZQ là hộp bánh răng trụ hai cấp trục song song, vỏ gang, chịu tải nặng, được dùng nhiều cho cơ cấu nâng và cơ cấu di chuyển. Ngoài ra còn các dòng hộp số bánh răng mặt răng cứng, hộp giảm tốc ba trong một (motor, phanh, hộp số liền khối) cho cơ cấu di chuyển.

d. Điện trở và bộ điều khiển điện trở

Dùng cho motor rotor dây quấn: điện trở nhiều cấp mắc vào mạch rotor, bộ khống chế (tay trang) hoặc contactor cắt dần từng cấp điện trở để motor khởi động êm và có nhiều cấp tốc độ. Ở các cầu trục cải tạo, hệ điện trở có thể được thay bằng biến tần chuyên dụng cầu trục.

e. Móc cẩu, tang cuốn cáp, puly và cáp thép

Móc cẩu đơn hoặc móc đôi, rèn từ thép hợp kim, được chọn theo tải trọng định mức. Tang cuốn cáp có rãnh xoắn dẫn cáp, đường kính tang và puly phải tương xứng với đường kính cáp để cáp không bị mỏi gãy sớm. Cáp thép chọn theo tải trọng, số nhánh treo và hệ số an toàn.

f. Hộp giảm tốc nâng hạ vít me

Hộp giảm tốc nâng hạ kiểu vít me (dòng SWL) dùng cho các cơ cấu nâng chậm, nâng bàn, điều chỉnh cao độ, cửa van nhỏ. Cơ cấu vít me có khả năng tự hãm, tải trọng từ vài trăm kg đến hàng chục tấn tùy cỡ.

g. Thiết bị điện và an toàn

Biến tần cầu trục, contactor, rơ le nhiệt, ray điện an toàn, cáp dẹt, con chạy, tay bấm, bộ điều khiển từ xa, công tắc hạn vị, bộ chống quá tải, đèn còi. Đây là nhóm thiết bị quyết định khả năng vận hành an toàn của cầu trục.

7. Thông số cần biết khi chọn thiết bị cầu trục

Ước tính nhanh công suất motor nâng: P (kW) ≈ Q (kg) × 9,81 × v (m/s) / (1000 × η). Ví dụ tải 5 tấn, tốc độ nâng 8 m/phút (khoảng 0,133 m/s), hiệu suất cơ cấu 0,85: P ≈ 5000 × 9,81 × 0,133 / (1000 × 0,85) ≈ 7,7 kW; tùy chế độ làm việc sẽ chọn motor 7,5 kW đến 11 kW với hệ số FC phù hợp.

8. Cách chọn thiết bị cầu trục

• Chọn theo cơ cấu: xác định thiết bị dùng cho cơ cấu nâng hay cơ cấu di chuyển, vì yêu cầu mô-men, phanh và tốc độ của hai cơ cấu khác nhau.
• Chọn motor theo công suất và chế độ làm việc: không chỉ nhìn kW mà phải đúng hệ số FC, số cực (tốc độ), kiểu rotor và kích thước lắp.
• Chọn phanh theo mô-men phanh: mô-men phanh cơ cấu nâng thường bằng khoảng 1,5–2 lần mô-men tải quy về trục phanh; đường kính tang phanh khớp với khớp nối.
• Chọn hộp giảm tốc theo tỉ số truyền và công suất cho phép: tra bảng công suất của hộp số theo tốc độ vào và chế độ làm việc, kiểm tra kiểu lắp, chiều trục ra.
• Chọn móc, cáp, tang đồng bộ: theo tải trọng, số nhánh cáp và hệ số an toàn.
• Thay thế thiết bị cũ: ghi lại đầy đủ thông số trên nhãn, kích thước chân đế, tâm trục, đường kính trục, kiểu khớp nối để chọn thiết bị lắp lẫn được.

9. Thiết bị cầu trục và các dòng thiết bị truyền động khác

Ngoài các thiết bị chuyên dụng, cầu trục dùng nhiều thiết bị truyền động thông dụng. Cơ cấu di chuyển nhỏ thường dùng motor giảm tốc liền khối có phanh; cơ cấu nâng phụ, tời, cửa van dùng hộp giảm tốc trục vít hoặc bánh răng ghép động cơ điện 3 pha. Khi cần khởi động mềm, chống lắc hàng và nhiều cấp tốc độ, người ta dùng biến tần cho motor lồng sóc thay cho điện trở.

10. Câu hỏi thường gặp về thiết bị cầu trục

• Vì sao cầu trục dùng motor rotor dây quấn mà không dùng motor thường? Motor rotor dây quấn cho phép mắc điện trở vào mạch rotor để tăng mô-men khởi động, giảm dòng khởi động và tạo nhiều cấp tốc độ, rất phù hợp nâng tải nặng với tần suất khởi động cao. Motor lồng sóc thường khi khởi động liên tục dễ quá nhiệt. Ngày nay nhiều cầu trục dùng motor lồng sóc chuyên dụng kết hợp biến tần để đạt hiệu quả tương tự.
• Hệ số FC 25%, 40% trên motor cầu trục nghĩa là gì? Đó là tỉ lệ thời gian motor có điện trong một chu kỳ làm việc (thường 10 phút). FC 40% nghĩa là trong 10 phút motor chạy tổng cộng khoảng 4 phút, nghỉ 6 phút. Cùng một motor, công suất cho phép ở FC 25% lớn hơn ở FC 40% hay 60%. Chọn sai hệ số FC là nguyên nhân phổ biến làm motor cầu trục nóng và cháy.
• Phanh thủy lực và phanh điện từ khác nhau thế nào? Phanh má thủy lực điện dùng cụm đẩy thủy lực để mở má phanh, đóng phanh êm, ít va đập, mô-men phanh lớn, phù hợp cơ cấu nâng và di chuyển cầu trục cỡ vừa và lớn. Phanh điện từ dùng nam châm điện, tác động nhanh, gọn, thường dùng cho motor nhỏ, palăng. Cả hai đều là phanh thường đóng.
• Có thể thay hộp giảm tốc cầu trục bằng hộp số thông thường không? Chỉ nên thay khi hộp số mới đáp ứng được công suất, mô-men xoắn trục ra, tải va đập và chế độ làm việc của cơ cấu, đồng thời khớp kích thước lắp đặt. Hộp giảm tốc cầu trục được thiết kế cho tải nặng, khởi động dừng liên tục; dùng hộp số không đủ cấp có thể gãy răng, gây mất an toàn khi đang nâng hàng.
• Tốc độ nâng của cầu trục bao nhiêu là phù hợp? Phần lớn cầu trục nhà xưởng nâng khoảng 3–10 m/phút. Hàng chính xác, khuôn mẫu cần tốc độ chậm hoặc có tốc độ vi chỉnh; kho bãi cần năng suất cao có thể dùng tốc độ lớn hơn. Nhiều cầu trục dùng hai tốc độ hoặc biến tần để vừa nâng nhanh vừa đặt hàng chính xác.
• Có nên dùng biến tần cho cầu trục không? Biến tần giúp khởi động và dừng êm, giảm lắc hàng, giảm mòn phanh và cơ khí, cho phép nhiều cấp tốc độ và tiết kiệm điện. Với cơ cấu nâng, cần dùng biến tần có chức năng điều khiển phanh, điện trở hãm và cài đặt đúng để tránh tụt tải khi chuyển tốc độ.
• Thay motor cầu trục cần biết những thông số gì? Công suất, tốc độ (số cực), điện áp, kiểu rotor (dây quấn hay lồng sóc), hệ số FC, kiểu lắp (chân đế, mặt bích), chiều cao tâm trục, đường kính và chiều dài trục, vị trí hộp đấu dây. Với motor rotor dây quấn cần thêm điện áp và dòng điện rotor để chọn điện trở phù hợp.
• Phanh cầu trục yếu có nguy hiểm không? Rất nguy hiểm, đặc biệt với cơ cấu nâng vì có thể gây tụt tải. Khi phanh trượt, dừng không dứt khoát hoặc hàng bị trôi xuống sau khi nhả nút, phải ngừng sử dụng cầu trục và kiểm tra ngay má phanh, lò xo, cụm đẩy và khe hở phanh.
• Móc cẩu cầu trục chọn theo tiêu chí nào? Theo tải trọng định mức của cầu trục, số nhánh cáp treo, kiểu móc đơn hay móc đôi và kích thước cụm puly. Móc phải có chốt an toàn chống tuột cáp và có ghi tải trọng. Không dùng móc có vết nứt, biến dạng miệng móc hoặc bị mòn quá giới hạn cho phép.
• Cầu trục có cần kiểm định không? Tại Việt Nam, cầu trục, cổng trục, palăng điện là thiết bị có yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn lao động, phải được kiểm định kỹ thuật an toàn trước khi đưa vào sử dụng và kiểm định định kỳ theo quy định. Khi thay thế các bộ phận quan trọng như motor nâng, phanh, hộp số, móc, cáp, cần kiểm tra lại theo quy định.
• Cầu trục dầm đơn và dầm đôi khác nhau thế nào? Cầu trục dầm đơn có một dầm chính, palăng chạy dưới dầm, nhẹ, rẻ, phù hợp tải nhỏ và trung bình. Cầu trục dầm đôi có hai dầm chính, xe con tời chạy trên đỉnh dầm, nâng được tải lớn hơn, chiều cao nâng tốt hơn và phù hợp chế độ làm việc nặng.
• Ray điện an toàn và cáp dẹt dùng khi nào? Ray điện an toàn (ray điện kín) cấp điện cho cơ cấu di chuyển cầu chạy dọc nhà xưởng, an toàn và gọn. Cáp dẹt treo trên con chạy thường dùng cấp điện cho xe con chạy dọc dầm. Cả hai thay thế cho hệ ray trần cũ kém an toàn.
• Cầu trục làm việc ngoài trời cần lưu ý thiết bị gì? Motor, phanh, tủ điện cần cấp bảo vệ cao và có mái che; cổng trục cần thiết bị chống gió như kẹp ray, neo chống bão; sơn chống gỉ cho kết cấu và hộp số. Môi trường gần biển cần sơn phủ và vật liệu chịu ăn mòn tốt hơn.
• Vì sao motor cầu trục bị nóng khi làm việc? Nguyên nhân thường gặp là chọn motor có hệ số FC thấp hơn thực tế, nâng quá tải, phanh không nhả hết gây kéo rê, điện áp thấp hoặc mất pha, điện trở rotor bị hỏng cấp, hoặc tần suất đóng cắt quá dày. Đo dòng điện và theo dõi thời gian chạy trong chu kỳ sẽ giúp xác định nguyên nhân.
• Có thể nâng cấp tải trọng cầu trục bằng cách thay motor lớn hơn không? Không. Tải trọng cầu trục bị giới hạn bởi kết cấu dầm, ray, bánh xe, móc, cáp, tang, hộp số và phanh, không chỉ riêng motor. Nâng tải trọng phải được tính toán lại toàn bộ kết cấu và cơ cấu, cải tạo theo thiết kế và kiểm định lại.