Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán, thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp ở việt nam

-i- LỜI CẢM ƠN Lời xin bày tỏ kính trọng lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Phạm Quang Dũng, Trường Đại học Xây dựng trực tiếp hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô Bộ môn Máy xây dựng, Khoa Cơ khí Xây dựng nhà khoa học Trường Đại học Xây dựng, Viện Cơ điện Nông nghiệp Công nghệ sau thu hoạch, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Trường Đại học Công nghệ giao thông Vận tải, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nhiều nhà khoa học khác trực tiếp đọc góp ý vào nội dung luận án Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Xây dựng, Khoa Đào tạo Sau đại học, Khoa Cơ khí Xây dựng, phịng nghiên cứu thực nghiệm khí, tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi q trình nghiên cứu để hồn thành nhiệm vụ đạt kết mong muốn Cuối xin gửi lời cảm ơn tới thành viên gia đình, bố mẹ, anh chị em gia đình, bạn bè thân thiết tạo điều kiện động viên tơi để hồn thành luận án - ii - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sỹ “Nghiên cứu sở khoa học tính toán, thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thi cơng điều kiện địa hình chật hẹp Việt Nam” cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tất nội dung tham khảo kế thừa trích dẫn đầy đủ Người cam đoan Trần Văn Viết - iii - MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN ……………………………………………………………… i LỜI CAM ĐOAN ……………………………………………………………… ii MỤC LỤC ……………………………………………………………………… iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU …………………………………………………… vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ………………….……………………………… x DANH MỤC CÁC BẢNG ……………………………………………………… xi MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………… 1 Lý lựa chọn đề tài ………………………………………………………… Mục đích, nội dung nghiên cứu ……………………………………………… Đối tượng phạm vi nghiên cứu …………………………………………… Cơ sở khoa học……………………………………………………………… Phương pháp nghiên cứu …………………………………………………… Đóng góp luận án …………………………………………………… Cấu trúc luận án ………………………………………………………… CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ………………… 1.1 Tình hình giới hóa thi cơng cơng tác đất điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ có khối lượng thi cơng nhỏ lẻ Việt Nam ………………… Tổng quan máy đào cỡ siêu nhỏ ……………………………………… 1.2.1 Máy đào gầu cỡ siêu nhỏ ……………………………………………… 1.2.2 Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục ………………………… 11 1.2 1.3 Tổng quan cơng trình nghiên cứu q trình làm việc phận cơng tác máy đào đất ……………………………………………………………… 19 Công dụng yêu cầu máy đào cỡ siêu nhỏ cần thiết lập …… 30 1.4 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT Q TRÌNH LÀM VIỆC CỦA BỘ PHẬN CƠNG TÁC MÁY ĐÀO CỠ SIÊU NHỎ …………… 34 - iv - 2.1 Nguyên tắc thiết lập máy đào cỡ siêu nhỏ đề xuất phương án phận cơng tác máy …………………………………………………………… 34 2.2 Phân tích cấu trúc q trình làm việc phận cơng tác ………………… 37 2.3 Xây dựng mơ hình tốn học cho công đoạn cắt đất phận công tác …… 43 2.3.1 Nghiên cứu động học trình làm việc phận công tác …………… 43 2.3.2 Xác định thành phần lực cản cắt đất lưỡi cắt ………………… 47 2.3.3 Xác định thông số kỹ thuật (các thông số đầu ra) cho công đoạn cắt đất phận công tác ……………………………………………………… 48 2.4 Xác định thông số kết cấu hợp lý lưỡi cắt …………………………… 51 2.4.1 Đặt toán ………………………………………………………………… 51 2.4.2 Phương pháp xác định ……………………………………………………… 54 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA BỘ PHẬN CÔNG TÁC ………………………… 58 3.1 Chương trình phương pháp tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ………… 58 3.1.1 Chương trình nghiên cứu thực nghiệm …………………………………… 58 3.1.2 Phương pháp NCTN sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm ………… 59 3.2 Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm …………………………… 66 3.2.1 Mơ hình nghiên cứu thực nghiệm ………………………………………… 66 3.2.2 Thiết bị đo ………………………………………………………………… 69 3.2.3 Thiết lập mô hình đất mơ hình phận cơng tác ……………………… 74 3.3 Kết nghiên cứu thực nghiệm …………………………………………… 75 3.3.1 Kiểm chứng thực nghiệm mơ hình tốn học cho công đoạn cắt đất … 75 3.3.2 Nghiên cứu tối ưu thông số kỹ thuật phận công tác phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố …………………………………………… 77 CHƯƠNG ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN …… 90 4.1 Phương pháp tính tốn thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ ………………… 90 4.2 Thiết kế, chế tạo thử nghiệm máy đào cỡ siêu nhỏ MDM-1E dẫn động -v- động điện ………………………………………………………………… 96 4.2.1 Tính tốn thiết kế máy ……………………………………………………… 96 4.2.2 Chế tạo thử nghiệm máy ……………………………………………… 100 KẾT LUẬN ………………… ………………………………………………… 104 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CƠNG BỐ ……… 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO … ………………………………………………… 107 PHỤ LỤC (CHƯƠNG 2) …………………………………………………… PLI PHỤ LỤC (CHƯƠNG 3) …………………………………………………… PLII PHỤ LỤC (CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN) …………………………….… PLIII - vi - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Diễn giải Đơn vị δ Góc cắt - góc mặt trước lưỡi cắt hướng cắt Góc sắc - góc mặt trước mặt sau lưỡi cắt Góc sau - góc mặt sau lưỡi cắt hướng cắt Góc nhọn đỉnh lưỡi cắt Chiều rộng lưỡi cắt chiều rộng phoi đất Chiều dày phoi đất (chiều sâu cắt đất) Vận tốc cắt - Vận tốc di chuyển lưỡi cắt theo hướng cắt Vận tốc di chuyển máy Lực cản tiếp tuyến Lực cản pháp tuyến Hệ số cản cắt riêng Hệ số lấy theo trạng thái đất lưỡi cắt (theo công thức 1.2) Hằng số xác định theo tính chất lý đất Chiều dày phoi đất Hệ số kể đến ảnh hưởng góc cắt thơng số b, c Chiều dày vùng đất bị nứt phoi cắt Độ sâu tới hạn vệt cắt Lực cản phía trước mũi lưỡi cắt Lực cản phần đất bị nứt vỡ hai bên lưỡi cắt Lực cản cắt túy hai cạnh lưỡi cắt phía phần đất bị nứt vỡ Diện tích mặt cắt trước mũi lưỡi cắt Diện tích tiết diện phần đất bị nứt vỡ hai bên lưỡi cắt Chiều dài cạnh cắt túy hai cạnh lưỡi cắt Lực cản cắt riêng vùng trước mũi lưỡi cắt Lực cản riêng phần đất bị nứt vỡ hai bên Lực cản cắt riêng cạnh cắt túy hai bên Lực cản riêng vùng trước mũi lưỡi cắt Hệ số lực cản cắt riêng vùng trước mũi lưỡi cắt Hệ số lực cản riêng phần đất bị nứt vỡ hai bên Nhóm thơng số đầu vào Nhóm thơng số kết cấu cắt đất Độ Độ Độ Độ cm cm m/s m/s N N  β α b h vc v P N k1 1 A cz z h1 hT PM Pc Pcc FM Fc Lcc pM pc pcc mM mc mcc ĐV KCcđ cm cm cm N N N cm2 cm2 cm N/cm2 N/cm2 N/cm N/cm2 - vii - Pdccđ Nhóm thơng số kết cấu vận chuyển đất Nhóm thơng số động học Mơ hình tốn học tổng quát trình làm việc phận cơng tác Chi phí lượng riêng Lực cản cơng tác theo phương di chuyển Mômen cản quay rôto Năng suất kỹ thuật máy Trọng lượng máy Lực giữ tay lái máy Chiều dài cánh chuyển đất Chiều rộng rãnh đào Bán kính làm việc rơ to Chiều sâu lần đào đào chiều sâu tối đa rãnh đào Độ xa vận chuyển đất theo nguyên lý văng ly tâm Chiều rộng cánh chuyển đất Chiều rộng phoi đất tách từ Chiều dày phoi đất tách từ Tốc độ quay rơto Chi phí lượng riêng cơng đoạn cắt đất Lực cản công tác theo phương di chuyển công đoạn cắt đất M qcđ Mômen cản quay rôto công đoạn cắt đất Nm Số lượng cánh chuyển đất Vận tốc góc rơto cánh rad/s Vận tốc dài mặt phẳng quay rôto Lực cản cắt lưỡi cắt theo phương tiếp tuyến Lực cản cắt lưỡi cắt theo phương pháp tuyến Góc ma sát ngồi đất thép Góc nghiêng đường xoắn ốc tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động lưỡi cắt theo rãnh đào Công suất quay rô to cắt đất m/s N N Độ Độ Công suất di chuyển máy cắt đất kW Công suất tiêu hao trực tiếp để dẫn động phận công tác cắt đất kW KCvc ĐH ĐR E Pdc Mq Q Gm Pg l B R H HT LVC c bc hc n Ecđ no r vr Pi Ni µ  N qcđ cđ N dc Nccđ Wh/m3 N Nm m3/h N N cm m m m m m cm cm cm v/ph Wh/m3 N kW - viii - Ecđ Sh X1 Chi phí lượng riêng cho phận cơng tác q trình cắt đất Wh/m3 Diện tích tiết diện rãnh đào m2 Thông số điều khiển chiều rộng cách chuyển đất c cm X2 Thông số điều khiển tốc độ di chuyển máy v m/s X3 Thông số điều khiển tốc độ quay rôto n v/ph Xi Giá trị mã hóa thơng số điều khiển thứ i i Y G Gb Si2 Khoảng biến thiên giá trị thực thơng số điều khiển thứ i Mơ hình biểu thị phương trình hồi quy bậc Hàm phương sai theo chuẩn Kohren Giá trị Kohren Phương sai thí nghiệm thứ i Si2max Phương sai thí nghiệm lớn Sa2 Phương sai tuyển chọn Sb2 Phương sai nhiễu tạo nên yi Giá trị trung bình thực nghiệm hàm thí nghiệm thứ i yˆ i Giá trị tính tốn theo mơ hình điểm i k* m Ftt Số hệ số mô hình hồi quy Số lần lặp thí nghiệm i Giá trị tính tốn chuẩn Fisher ys X Bii Hàm mục tiêu Các thông số vào hệ tọa độ Hệ số phương trình tắc Y(X) G(X) p01 p02 pdc pq pm1 Hàm mục tiêu dạng hồi quy bậc hai tuyến tính Hàm điều kiện dạng hồi quy bậc hai tuyến tính Giá trị trung bình áp lực dầu xilanh thủy lực cơng đoạn cắt đất Giá trị trung bình áp lực dầu mô tơ thủy lực công đoạn cắt đất Áp lực dầu trung bình xilanh thủy lực cho chu kỳ Áp lực dầu trung bình mơ tơ thủy lực cho chu kỳ Giá trị trung bình cực trị áp lực dầu xilanh thủy lực thời điểm sập lõi đất, lấy trung bình cho chu kỳ N/cm2 N/cm2 N/cm2 N/cm2 N/cm2 - ix - pdccđ Giá trị trung bình cực trị áp lực dầu mô tơ thủy lực thời N/cm2 điểm sập lõi đất, lấy trung bình cho chu kỳ Áp lực dầu trung bình xilanh cho công đoạn cắt đất N/cm2 pqcđ Áp lực dầu trung bình mơ tơ thủy lực cho công đoạn cắt đất q Hiệu suất dẫn động mô tơ thủy lực  dc Hiệu suất dẫn động piston b Hệ số bám bánh lốp với đất Hệ số an toàn bám pm2 kb θo θmax θmin  Pdc dk Gmin Gm ax  Pg max Độ dốc máy di chuyển Độ dốc máy di chuyển lớn Độ dốc máy di chuyển nhỏ Giá trị giới hạn lực cản công tác theo phương di chuyển theo điều kiện bám Trọng lượng nhỏ máy Trọng lượng lớn máy Lực giữ tối đa người điều khiển lái N/cm2 Độ Độ Độ N N N N M qcđtn Giá trị giới hạn mô men cản quay theo điều kiện đảm bảo ổn Nm định máy Chi phí lượng riêng thực nghiệm cho phận cơng tác q Wh/m3 trình cắt đất Chi phí lượng riêng trung bình thực nghiệm cho phận cơng Wh/m3 tác q trình cắt đất Mômen cản quay rôto thực nghiệm công đoạn cắt đất Nm M qcđtn Mơmen cản quay rơto trung bình thực nghiệm công đoạn cắt đất Nm Pdccđtn Lực cản công tác thực nghiệm theo phương di chuyển cơng đoạn cắt đất Lực cản cơng tác trung bình thực nghiệm theo phương di chuyển công đoạn cắt đất Sai số lực cản di chuyển lý thuyết thực nghiệm N % Sai số mô men cản quay rô to lý thuyết thực nghiệm %  ssE Sai số chi phí lượng riêng lý thuyết thực nghiệm % Dbx Đường kính bánh xe di chuyển m  M q  dk Ecđtn Ecđ tn Pdccđtn  ssP  ssM N -x- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Hình 1.1 Tên gọi Máy đào gầu cỡ siêu nhỏ (micro-excavator) Trang 10 Hình 1.2 Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục 12 Hình 1.3 Hình 1.4 Sáng chế số 459563 – Bộ phận công tác máy đào đất nạo vét kênh mương (CHLB Nga) Sáng chế số 308158 –Bộ phận công tác đào –vận chuyển đất (CHLB Nga) 13 14 Hình 1.5 Sáng chế số 291006 – Máy đào cỡ siêu nhỏ (CHLB Nga) 14 Hình 1.6 Sáng chế số 2798314 – Cơ cấu đào đất (Mỹ) 15 Hình 1.7 Máy đào cỡ siêu nhỏ ZMTI-1 16 Hình 1.8 Bộ phận cơng tác máy đào cỡ siêu nhỏ theo GPHI số 4364476 18 Hình 1.9 Sơ đồ cắt đất lưỡi cắt hình nêm 21 Hình 1.10 Tính khơng gian vệt cắt 23 Hình 1.11 Vị trí tương đối lưỡi cắt so với đất 23 Hình 1.12 Lực cản cắt đất phụ thuộc vào kích thước phoi đất 24 Hình 1.13 Sơ đồ xác định thành phần lực cản tiếp tuyến 25 Hình 2.1 Bộ phận cơng tác máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục 35 Hình 2.2 Cấu trúc trình làm việc phận cơng tác 43 Hình 2.3 Sơ đồ biểu diễn chuyển động phận cơng tác 44 Hình 2.4 Sơ đồ tác động tương hỗ lưỡi cắt đất 47 Hình 2.5 Sơ đồ đặt lực cản cắt đất lên phận cơng tác 49 Hình 2.6 Đồ thị hàm Ecđ = f(,) 56 Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo mơ hình nghiên cứu thực nghiệm 68 PLII-9 Hình 3.1 Tủ điều khiển vi xử lý (PLC) Hình 3.2 Đồ thị giá trị Ecđ , M qcđ , Pdccđ lý thuyết thực nghiệm v biến thiên từ 1,2 ÷ 2,0 m/ph PLII-10 Hình 3.3 Đồ thị giá trị Ecđ , M qcđ , Pdccđ lý thuyết thực nghiệm n biến thiên từ 400 ÷ 700 v/ph Hình 3.4 Hình chung mơ hình thực nghiệm lắp phận cơng tác PLII-11 Hình 3.5 Bộ phận cơng tác chạy khơng tải Hình 3.6 Bộ phận cơng tác làm việc có tải Hình 3.7 E Hàm 650 lượng riêng 600 YE phụ 550 thuộc vào 500 cặp yếu tố 450 (X1, X2) 400 X3=0.286 350 0.5 0.5 0 -0.5 X2 -0.5 -1 -1 X1 PLII-12 0.8 0.6 0.4 382 X1 0.2 39 0 -0.2 45 -0.4 -0.6 54 -0.8 -1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 X2 0.2 0.4 0.6 0.8 Hình 3.8 Đường đồng mức hàm lượng riêng YE phụ thuộc vào cặp yếu tố (X1, X2) X3=0.286 700 E 600 500 400 300 0.5 0.5 0 -0.5 X3 -0.5 -1 -1 X1 Hình 3.9 Hàm lượng riêng YE phụ thuộc vào cặp yếu tố (X1, X3) X2=0.125 PLII-13 0.8 0.6 0.4 38 X1 0.2 39 -0.2 41 -0.4 45 -0.6 -0.8 54 -1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 X3 0.2 0.4 0.6 0.8 Hình 3.10 Đường đồng mức hàm lượng riêng YE phụ thuộc vào cặp yếu tố (X1, X3) X2=0.125 750 700 650 E 600 550 500 450 400 350 -1 -1 X3 -0.5 0.5 X2 Hình 3.11 Hàm lượng riêng YE phụ thuộc vào cặp yếu tố (X2, X3) X1=0.313 PLII-14 0.8 0.6 0.4 X2 0.2 38 -0.2 39 -0.4 41 -0.6 45 -1 -1 54 -0.8 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 X3 0.2 0.4 0.6 0.8 Hình 3.12 Đường đồng mức hàm lượng riêng YE phụ thuộc vào cặp yếu tố (X2, X3) X1=0.313 Hình 3.13 Định dạng liệu file nguồn OPT.xls PLIII PHỤ LỤC (CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN) PLIII-1 Chương trình : Chương trình tính tốn Matlab_Tinh_alpha_delta.m %%Matlab_Tinh_alpha_delta.m del=[30:2.5:60]; al=[30:2.5:60]; delta=sym('delta',[length(del),1]);% góc delta alpha=sym('alpha',[length(al),1]);% góc alpha phi=sym('phi',[length(del),1]); E=sym('E',[length(del),length(al)]); Pdc=sym('Pdc',[length(del),length(al)]); % giá tr? phi=[0.78 0.78 0.78 0.78 0.85 0.93 1.13 1.35 1.53 1.7 1.88 2.05]; fori=1:length(del) delta(i,1)=del(i); if delta(i,1)