khảo sát động lực học thiết bị công tác của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

lê anh sơn Khảo sát động lực học thiết bị công tác của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hà Nội - năm 2007... Tổng quan về tình hình nghiên cứu động lực học th

lê anh sơn

Khảo sát động lực học thiết bị công tác của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hà Nội - năm 2007

lê anh sơn

Khảo sát động lực học thiết bị công tác của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

Chuyên ngành: Kỹ thuật xe máy quân sự, Công binh

Ngày giao đề tài luận văn : 02/02/2007

Ngày hoàn thành luận văn : 17/05/2007

Người thực hiện:

Họ và tên : Lê Anh Sơn Cấp bậc: Thiếu tá

Lớp : Kỹ thuật xe máy Công binh Khoá: 17

Hệ đào tạo : Tập trung

Cán bộ hướng dẫn:

Họ và tên: Lê Hồng Phương Cấp bậc: Thượng tá

Học hàm, học vị: TS Đơn vị công tác: Viện kỹ thuật CGQS - TCKT

Hà Nội - Năm 2007

Cd Nhiệt dung riêng của dầu nhờn kJ/kgoC

Mj Khối l−ợng các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến kg

PR Lực quán tính ly tâm của khối l−ợng tham gia

chuyển động tịnh tiến quay

MN

Qd Nhiệt l−ợng của động cơ truyền cho dầu nhờn J/s

Vb N¨ng suÊt cña b¬m dÇu m /h

1.1 Các thông số cơ bản của động cơ DSC-80 5 1.2 Các thông số cơ bản của động cơ DSC-80TA 6 1.3 Kích thước cơ bản của cổ trục và chốt khuỷu động cơ DSC-80 14 2.1 Các thông số nhiệt động chu trình động cơ DSC-80TA 23 2.2 Kết quả tính toán các lực tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục thanh

truyền theo góc quay trục khuỷu α của động cơ DSC-80TA 34 2.3 Kết quả tính toán các phản lực tác dụng lên cổ trục (2.3)

theo góc quay trục khuỷu α của động cơ DSC-80TA

40

1.1 Đường đặc tính ngoài của động cơ DSC-80 6 1.2 Đường đặc tính ngoài của động cơ DSC-80TA 7 1.3 Mặt cắt dọc và mặt cắt ngang động cơ DSC-80TA 8

1.5 Sơ đồ hệ thống bôi trơn động cơ DSC-80 18 2.1 Đồ thị lực khí thể pkt theo góc quay trục khuỷu α 27 2.2 Đồ thị lực quán tính pj theo góc quay trục khuỷu α 31 2.3 Lực và mô men tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền 32 2.4 Đồ thị lực khí thể pkt, pJ, pΣ theo góc quay trục khuỷu α 33 2.5 Sơ đồ trục khuỷu động cơ DSC-80TA 37 2.6 Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ trục 2-3 động cơ

DSC-80TA

43

2.7 Đồ thị triển khai đồ thị véc tơ phụ tải theo góc quay α trục khuỷu 44 3.1 Biểu đồ áp suất thuỷ động tác dụng lên ổ 46 3.2 áp suất thuỷ động của ổ phân bố theo chiều trục 48

3.4 Đồ thị xác định hệ số phụ tải của ổ trục 51 3.5 Các đường cong hệ số tiêu hao dầu và sức cản 53 3.6 Kích thước ống làm mát dầu động cơ DSC-80 59

Mở đầu 1

Chương 1- Tổng quan về máy xúc một gầu dẫn động

thuỷ lực và khái quát các công trình

nghiên cứu liên quan đến đề tài

4

1.1 lịch sử phát triển lĩnh vực máy xúc 4 1.2 Đặc điểm khai thác máy xúc và khái quát về loại máy xúc dự

kiến sẽ chế tạo tại Việt Nam

6

1.3 Đặc điểm kết cấu thiết bị công tác của máy xúc một gầu dẫn

động thuỷ lực kiểu PC200-3

10

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu động lực học thiết bị công

tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

14

Chương 2- Xác định và khảo sát qui luật thay đổi lực

trong các khâu của thiết bị công tác máy

tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

20

gầu

2.3.3 Xây dựng chương trình máy tính xác định các nội lực ứng

với các trường hợp cắt và tích đất trong quá trình đào của

3.3.1 Xây dựng mô hình tính toán động lực học 74 3.3.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động 77

4.3.6 Biểu đồ lực biểu diễn các lực dọc trục của liên kết bốn

Mở đầu

Máy xúc một gầu được xếp vào nhóm máy chủ đạo trong tổ chức thi công công trình, cứu hộ, cứu nạn, khai thác hầm lò Khối lượng đào, xúc đất của nó chiếm trên 60% khối lượng đào, xúc của tất cả các máy làm đất khác Máy xúc một gầu rất đa dạng về chủng loại và kết cấu song do tính ưu việt nổi trội của dẫn

động thủy lực so với dẫn động cơ khí nên trong những năm gần đây máy xúc một gầu dẫn động thủy lực được sử dụng rất rộng rãi, không những trong quân sự mà còn cả trong các lĩnh vực nền kinh tế quốc dân Hiện nay trên thế giới có hơn 80 nước đã sản xuất được loại máy xúc này ở Việt Nam để trang bị các loại máy xúc này phải nhập ngoại, Quân đội nói riêng và Nhà nước ta nói chung phải tốn rất nhiều ngoại tệ để nhập cả máy lẫn phụ tùng bảo đảm Do chủng loại và chất lượng của nó đa dạng nên trong quá trình khai thác sử dụng gặp rất nhiều khó khăn, không phát huy hết được tính năng kỹ thuật của máy Với sự phát triển của nền công nghiệp trong nước hiện nay hoàn toàn có thể cho phép tiến hành thiết

kế, chế tạo máy xúc thủy lực một gầu dẫn động thủy lực nói riêng và các máy thi công công trình nói chung theo kiểu tích hợp hệ thống Theo tinh thần đó, Bộ xây dựng đang chỉ đạo chương trình tính toán, thiết kế chế tạo máy xúc một gầu (gầu ngược) dẫn động thuỷ lực kiểu PC200-3 do tổng công ty lắp máy Việt Nam – LILAMA làm chủ dự án cùng với sự cộng tác của một số cơ quan nghiên cứu khoa học liên quan khác trong lĩnh vực này như Viện nghiên cứu phát triển Máy xây dựng thuộc Bộ xây dựng, Bộ môn xe máy Công binh, Học viện KTQS v.v…

Để góp phần vào việc thực hiện nhiệm vụ đó tôi được giao nhiệm vụ thực hiện

luận văn “ khảo sát động lực học thiết bị công tác của máy xúc một gầu dẫn

động thuỷ lực” - Là một phần của đề tài thuộc chương trình nói trên Với mục

tiêu đặt ra là thiết kế chế tạo máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực có độ bền cao,

có chất lượng động học và động lực học tốt đảm bảo máy làm việc êm dịu nên trong nhiệm vụ của luận văn phải giải quyết hai vấn đề chính

- Một là xác định lực và nội lực trong hệ thống thiết bị công tác tương ứng với các trường hợp cắt và tích đất khác nhau làm cơ sở xác định được chế độ tải trọng lớn nhất phục vụ cho việc tính bền các chi tiết của thiết bị công tác trong quá trình tính toán thiết kế

- Hai là khảo sát động học, động lực học hệ thống thiết bị công tác đảm bảo sự làm việc êm dịu cho thiết bị công tác nói riêng và toàn máy nói chung

Trong luận văn đã trình bày việc xác định lực và nội lực trong hệ thống thiết bị công tác bằng phương pháp giải tích khi tách các khâu và xét điều kiện cân bằng của chúng Khảo sát sự thay đổi lực và nội lực trong quá trình làm việc cần phải xét cho từng trường hợp để từ đó xác định các lực tác dụng lên thiết bị công tác theo các trường hợp khác nhau làm cơ sở cho việc phân tích so sánh và

đưa ra chế độ tải lớn nhất Tuy nhiên hai trường hợp cắt và tích đất bằng xi lanh quay gầu và xi lanh quay tay gầu được sử dụng chủ yếu trong quá trình đào đất nên tác giả đã tập trung khảo sát cho hai trường hợp này

Mô hình động học và động lực học thiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn

động thuỷ lực được xây dựng trên cơ sở lý thuyết cơ học hệ nhiều vật Mô hình

động học và động lực học này đã được phát triển từ nền tảng lý thuyết tay máy rôbốt Mô hình động học được tính toán theo nguyên lý Denavit – Hartenberg còn mô hình động lực học thì sử dụng các phương trình Newton – Euler viết cho các khâu Trong luận văn tác giả đã sử dụng các thông số kích thước của máy xúc Komatsu PC200-3 làm các thông số để phục vụ tính toán (lý do là máy xúc dự kiến chế tạo tại Việt Nam theo kiểu như PC200-3) và sử dụng phần mềm Matlab

để giải hệ phương trình vi phân chuyển động

Nội dung chính của luận văn bao gồm 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực và khái quát các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài

Chương 2: Xác định và khảo sát quy luật thay đổi lực và nội lực trong các khâu của thiết bị công tác

Chương 3: Thiết lập mô hình động học và động lực học của thiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

Chương 4: Xác định và khảo sát các tham số động lực học cơ bản của thiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

Mặc dù tác giả của luận văn đã rất cố gắng song do trình độ và thời gian

có hạn nên không tránh khỏi có những thiếu sót, kính mong được sự đóng góp, giúp đỡ của các thầy và các đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Cùng với thời gian máy xúc một gầu không ngừng được cải tiến và hoàn thiện về mọi mặt

Về nguồn động lực, động cơ hơi nước đã được thay thế bằng động cơ đốt

trong từ không có tăng áp đến có tăng áp ở một số máy xúc khổng lồ chuyên

dùng, người ta đã sử dụng động cơ điện để dẫn động riêng cho từng cơ cấu và thiết bị công tác

Về mặt dẫn động các cơ cấu công tác, hiện nay máy xúc một gầu của tất cả các hãng sản xuất đều sử dụng dẫn động thuỷ lực vì các đặc tính ưu việt của

nó như kết cấu máy nhỏ gọn, điều khiển nhẹ nhàng, tạo được lực cắt đất lớn và cho năng suất cao, dẫn động cơ khí (cáp) chỉ còn sử dụng ở một số máy xúc đặc chủng đào và xúc ở độ sâu lớn

Hệ thống điều khiển trên các loại máy xúc thuỷ lực của các hãng trên thế giới đang sử dụng là điều khiển cơ khí, khí nén - thuỷ lực, điện - thuỷ lực hoặc

điện tử - thuỷ lực Trên các máy thế hệ mới người ta sử dụng hệ thống điều khiển

điện tử - thuỷ lực với bộ xử lý trung tâm với các chương trình nạp sẵn Các máy loại này cho phép điều khiển nhẹ nhàng nhanh chóng, chính xác và cho năng suất cao

Các máy xúc thuỷ lực đầu tiên được chế tạo vào cuối những năm 1940 tại

Mỹ, sau đó là ở Anh, Liên Bang Đức, Pháp, Italia, Liên Xô (cũ), Nhật, Hàn Quốc Từ đầu những năm 1960, máy xúc thuỷ lực đã được sản xuất với số lượng lớn, được sử dụng rộng rãi ở tất cả các nước công nghiệp phát triển Vào những năm 1966 ở Đức, 1969 ở Nhật, số lượng máy xúc thuỷ lực được xuất khẩu đã chiếm hơn nửa số máy xúc được xuất khẩu của họ Nửa sau thập kỷ 60 nhiều nước đã sản xuất các máy xúc thuỷ lực cỡ lớn với trọng lượng 18 – 40 tấn, dung tích gầu 3 – 4 m3 để dùng chủ yếu cho khai thác đá, khai thác mỏ

Trong thập kỷ 70 và nửa đầu thập kỷ 80 công nghệ chế tạo và khai thác sử dụng máy xúc thuỷ lực ở các nước phát triển đã đạt trình độ cao, các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến của các lĩnh vực khoa học cơ bản, vật liệu, điện tử, chế tạo máy đã được ứng dụng triệt để Các máy xúc dẫn động thuỷ lực được chế tạo trong thời kỳ này đã đạt mức chất lượng cao, có kết cấu tương đối hoàn thiện,

có các chỉ tiêu năng xuất, công nghệ, độ tin cậy, tuổi thọ, có tính đa năng cao,

điều kiện làm việc của người vận hành được cải thiện

Từ sau thập kỷ 80 cho đến nay, công nghệ chế tạo và khai thác máy xúc thuỷ lực của các nước phát triển đã chuyển sang một giai đoạn mới, một bước chuyển với trình độ khoa học công nghệ cao hơn nhiều trong nghiên cứu, chế tạo, sản xuất và khai thác các máy xúc thuỷ lực thế hệ 2 Các máy xúc thuỷ lực thế hệ 2 được chế tạo, có chất lượng vượt hẳn các máy xúc thuỷ lực thế hệ 1 Như áp suất công tác trong hệ thống thuỷ lực đạt giá trị rất cao (32 – 40 MPa),

có hệ thống điện tử kiểm tra, điều khiển bơm theo tải cho phép của động cơ (xác lập chế độ làm việc tối ưu để không quá tải, chi phí nhiên liệu ít và ồn rung nhỏ nhất), điều khiển tối ưu các chế độ làm việc của các phần tử thuỷ lực

Với sự phát triển ở trình độ cao và tốc độ lớn của khoa học công nghệ thế giới hiện nay trong các lĩnh vực như công nghệ vật liệu, cơ điện tử, công nghệ tin

học là điều kiện thuận lợi và cũng đặt ra nhiều vấn đề phức tạp cần được giải quyết kịp thời để ngành công nghiệp nặng nói chung và công nghiệp chế tạo máy xúc thi công công trình nói riêng phát triển tương xứng với sự phát triển của khoa học công nghệ thế giới hiện nay

1.2 Đặc điểm khai thác máy xúc và khái quát về loại máy xúc dự kiến sẽ

chế tạo tại Việt Nam

ở thị trường Việt Nam có rất nhiều nhiều loại máy xúc nhập ngoại nhưng các máy xúc điều khiển điện thuỷ lực được sử dụng rộng rãi hơn cả vì nó vẫn đạt hiệu quả điều khiển tốt mà kết cấu đơn giản, dễ sử dụng và sửa chữa , giá thành

rẻ

Số lượng máy xúc bánh xích được lưu hành và sử dụng chiếm tỷ lệ cao hơn

so với máy xúc bánh lốp do khả năng ổn định làm việc cao hơn, áp lực trên nền

đất nhỏ nên khả năng di chuyển và làm việc trên các nền đất yếu tốt hơn, giá thành thấp, thời gian triển khai và thu hồi nhanh, năng suất cao

Các máy xúc của Mỹ và Châu âu sản xuất có độ tin cậy làm việc cao, độ bền và tuổi thọ lớn nhưng có kết cấu phức tạp, khả năng tiếp cận khi tháo lắp khó, phụ tùng vật tư hiếm, khả năng lắp lẫn thấp dẫn đến việc khai thác và sửa chữa gặp nhiều khó khăn, ngoài ra do tính nhiệt đới hoá không cao nên nhiều chi tiết điện tử hay bị hỏng và đặc biệt là giá thành quá cao

Máy xúc của Nhật Bản và Hàn Quốc có nhiều đặc điểm kết cấu và tính năng kỹ thuật phù hợp với điều kiện khai thác và sử dụng ở Việt Nam hơn Các

đặc tính ưu việt của nó như hình dáng, kích thước hình học và trọng lượng phù hợp với sức vóc của người Việt Nam, kết cấu nhỏ gọn, khả năng tiếp cận tháo lắp

dễ dàng, các chi tiết đã được nhiệt đới hoá cao, khả năng khai thác sử dụng và sửa chữa dễ, phụ tùng, vật tư thay thế dễ kiếm và có khả năng lắp lẫn cao

Các hãng sản xuất máy xúc của Nhật và Hàn Quốc hiện nay đều thiết kế

chế tạo theo kiểu tích hợp, tức hầu hết đều dựa trên cơ sở lựa chọn các phần cơ

bản (động cơ, bơm thuỷ lực ) của các hãng nổi tiếng rồi tổ hợp chúng theo

thiết kế của riêng mình (trừ hãng Komat’su)

Bảng dưới đây sẽ cho ta thấy rõ điều đó

Các cụm cơ bản Tên hãng

Kobellco Mitsubishi KAWASAKI Komat’su KOMAT’SU KOMAT’SU

Máy xúc một gầu chủ yếu dùng để đào và khai thác đất, cát phục vụ công

việc xây dựng cơ sở hạ tầng trong các lĩnh vực: Xây dựng dân dụng và công

nghiệp, khai thác mỏ, xây dựng thuỷ lợi, xây dựng cầu đường…Cụ thể, nó có thể

phục vụ các công việc sau:

+ Trong xây dựng thuỷ lợi: Đào kênh, mương; nạo vét sông ngòi, bến

cảng, ao, hồ,…; khai thác đất để đắp đập, đắp đê…

+ Trong xây dựng cầu đường: Đào, móng, khai thác đất, cát để đắp

đường; nạo, bạt sườn đồi để tạo ta luy khi thi công đường sát sườn núi…

+ Trong khai thác mỏ: Bóc lớp đất tẩm thực vật phía trên bề mặt đất; khai

thác mỏ lộ thiên (than, đất sét, cao lanh, đá sau nổ mìn…)

+ Trong các lĩnh vực khác: Nhào trộn vật liệu trong các nhà máy hoá chất (phân lân, cao su,…) Khai thác đất cho các nhà máy gạch, sứ,…Tiếp liệu cho các trạm trộn bê tông, bê tông át phan…Bốc xếp vật liệu trong các ga tầu, bến cảng Khai thác sỏi, cát ở lòng sông…

Ngoài ra, máy cơ sở của máy xúc một gầu có thể lắp các thiết bị thi công khác ngoài thiết bị gầu xúc như: cần trục, búa đóng cọc, búa khoan đục bê tông, kìm cắt, gắp; thiết bị ấn bấc thấm,…

Như phần đầu tác giả đã trình bày, dự án chế tạo máy xúc tại Việt Nam là loại máy xúc kiểu PC200-3 Dưới đây là khái quát về loại máy xúc này

Kết cấu của máy được thể hiện trên hình 1.1, gồm hai phần chính: phần máy cơ sở (máy kéo xích) và phần thiết bị công tác (thiết bị làm việc)

Phần máy cơ sở: Cơ cấu di chuyển chủ yếu để cơ động máy xúc trong

công trường Nếu cần di chuyển máy với cự ly lớn phải có thiết bị vận chuyển chuyên dùng Cơ cấu quay dùng để thay đổi vị trí của gầu trong mặt phẳng ngang của quá trình đào và xả đất Trên bàn quay người ta bố trí động cơ, các bộ phận truyền động cho các cơ cấu… Ca bin nơi bố trí cơ cấu điều khiển toàn bộ hoạt

động của máy Đối trọng là bộ phận cân bằng toa quay và tạo sự ổn định của máy

Phần thiết bị công tác: Cần (3) một đầu được lắp khớp trụ với toa quay còn

đầu kia được lắp khớp trụ với tay gầu Cần được nâng lên hạ xuống nhờ xi lanh nâng cần (4) Điều khiển gầu xúc (8) nhờ xi lanh quay gầu (7) Gầu thường được lắp thêm các răng để làm việc ở nền đất cứng

Máy xúc loại này thường làm việc ở nền đất thấp hơn mặt bằng đứng của máy (cũng có những trường hợp máy làm việc ở nơi cao hơn, nhưng nền đất mềm

và chủ yếu dùng xi lanh quay gầu để thực hiện quá trình cắt đất) Đất được xả qua miệng gầu Máy xúc làm việc theo chu kỳ và trên từng chỗ đứng Một chu kỳ

làm việc của máy bao gồm những nguyên công sau: Máy đến vị trí làm việc, đưa gầu vươn xa máy và hạ xuống, răng gầu tiếp xúc với nền đất, gầu tiến hành cắt

đất và tích đất vào gầu từ vị trí I đến II trên hình 1.2 và 1.3 nhờ xi lanh quay gầu

7 hoặc xi lanh quay tay gầu 5

Hình 1.1 Cấu tạo chung máy xúc thuỷ lực, gầu ngược

1- Cơ cấu di chuyển, 2- Xe cơ sở, 3 – Cần, 4- Xi lanh nâng cần

5- Xi lanh quay tay gầu, 6- Tay gầu, 7- Xi lanh quay gầu, 8- Gầu

Quỹ đạo chuyển động của đỉnh răng gầu trong quá trình cắt đất là một

đường cong Chiều dày phoi cắt thông thường thay đổi từ bé đến lớn Vị trí II gầu

đầy nhất và có chiều dày phoi cắt lớn nhất Đưa gầu ra khỏi tầng đào và nâng gầu lên nhờ xi lanh cần 4 Quay máy về vị trí xả đất nhờ cơ cấu toa quay Đất có thể xả thành đống hoặc xả vào thiết vị vận chuyển Đất được xả ra khỏi miệng gầu nhờ xi lanh quay gầu 7 Quay máy về vị trí làm việc tiếp theo với một chu kỳ hoàn toàn tương tự

Hình 1.2 Khi máy xúc làm việc bằng xi lanh quay gầu 7

Hình 1.3 Khi máy xúc làm việc bằng xi lanh quay tay gầu 5

1.3 Đặc điểm kết cấu thiết bị công tác của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực kiểu PC200-3

Gầu xúc Gầu xúc được chế tạo bằng phương pháp hàn hoặc đúc Đáy gầu

được chế tạo liền với các thành gầu thành một khối Số răng gầu lắp trên đài trước của gầu phụ thuộc vào chiều rộng của gầu và công dụng của máy (đối

tượng làm việc của máy) Kết cấu của gầu được thể hiện trên hình 1.4

Hình 1.4. Sơ đồ cấu tạo gầu xúc của máy đào gầu ng−ợc dẫn động thuỷ lực 1- Đai miệng gầu; 2- Tai với tay gầu; 3- Tai lắp với tay đòn điều khiển quay gầu; 4- Thành sau; 5- Thành bên; 6- Chốt răng gầu; 7- Răng bên; 8- Bộ phận lắp răng gầu; 9- Răng gầu

Tay gầu Tay gầu có kết cấu thể hiện trên hình 1.5:

Tay gầu của máy xúc gầu ngược có kết cấu hàn hình hộp Một đầu liên kết

với cần bằng khớp trụ, còn đầu kia liên kết với gầu xúc thông qua tai gầu và cơ cấu liên động

Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo tay gầu của máy xúc gầu ngược dẫn động thuỷ lực 1- Bản thép bên số 1; 2- Vòng lắp bu lông hãm trục; 3- Tai lắp cán pít tông xi lanh quay tay cần; 4- Bản thép đệm; 5- Bản thép phía sau; 6- Tai lắp xi lanh gầu; 7- Vòng lắp bu lông hãm trục; 8- Bản thép gia cường; 9- Bản thép bên số 2; 10- Bản thép trên; 11- Bản thép gia cường; 12- ống thép lắp chốt đòn gánh; 13- ống thép lắp chốt gầu; 14- Bản thép bên số 3; 15- Bản thép phía dưới

Cần Cần của máy xúc loại này được thể hiện trên hình 1.6:

Cần có kết cấu hình hộp được chế tạo bằng phương pháp hàn Ngoài ra còn có các lỗ và tai để lắp xi lanh thuỷ lực Cần có hình dạng hơi cong, mục đích là hạ thấp đầu cần, để tăng chiều sâu đào

Hình 1.6. Sơ đồ cấu tạo cần của máy xúc gầu ngược dẫn động thuỷ lực 1- Tai lắp tay gầu; 2- Bản thép trên; 3- Bản thép bên; 4- Tai lắp xi lanh tay gầu; 5- Bản thép phía dưới; 6- Bản thép gia cường; 7- Bản thép đệm; 8- ống thép lắp chốt pít tông xi lanh nâng cần; 9- Chốt chân cần; 10- ống thép lắp chốt chân cần; 11- Vòng lắp bu lông hãm trục

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu động lực học thiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

Như trong phần 1.1 đã nêu, trên thế giới có hơn 80 nước đã sản xuất được máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực và cũng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về máy xúc nói chung và về động lực học nói riêng Trong các công trình đó trước hết phải kể đến công trình khoa học của BolCốp Đ.P nghiên cứu về độ bền

và động lực học máy xúc một gầu; của VetPob I.A; của Đômbơrobski N.G về tính toán thiết kế máy xúc một gầu; của Khôlôđob A.M về những vấn đề cơ bản liên quan đến động lực học của máy làm đất trong đó có máy xúc một gầu Ngoài

ra còn có những công trình khác cũng đã được công bố trên các tạp chí “Máy xây dựng và máy làm đường” của nhiều nước Tuy các công trình được công bố tương

đối phong phú và đa dạng song các tác giả chủ yếu chỉ công bố tóm tắt các kết quả nghiên cứu của mình Một số lớn trong đó vẫn nghiên cứu động lực học theo các phương pháp truyền thống không xác định đầy đủ được các đặc trưng động lực học và lập trình rất khó và phức tạp

ở Việt Nam cũng đã có một số công trình khoa học nghiên cứu về máy xúc được công bố như Luận án tiến T.S của Nguyễn Quán Thăng, PGS.TS Trần Quang Hùng, T.S Phạm Quang Dũng nhưng nghiên cứu về động lực học thiết

bị công tác thì chưa thấy được công bố và cũng chưa có cơ sở sản xuất nào thiết

kế và chế tạo máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

1.5 Nhiệm vụ đặt ra của đề tài

Xuất phát từ mục đích của đề tài là phục vụ cho dự án chế tạo máy xúc trong nước nên nhiệm vụ đặt ra của đề tài là xác định lực và nội lực trong hệ thống thiết bị công tác và xây dựng mô hình động lực học thiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực từ đó xác định các thông số động lực học cơ bản

của thiết bị công tác (chuyển dịch, vận tốc, gia tốc, phản lực liên kết của các khâu khớp, các tải trọng động tác dụng lên các khâu,…)

Kết luận:

Nội dung chương đã chỉ ra được những nét chính về lịch sử phát triển, đặc

điểm khai thác, sử dụng máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực ở Việt Nam

Chỉ ra những đặc điểm kết cấu của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực nói chung và thiết bị công tác nói riêng mà dự kiến sẽ chế tạo tại Việt Nam Đồng thời khái quát được tình hình nghiên cứu động lực học thiết bị công tác máy xúc thuỷ lực một gầu trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay

Kết quả nhận được làm cơ sở để thiết lập và tính toán lực, nội lực cũng như tính toán động học, động lực học máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực theo cách thức mới đầy đủ hơn

Chương 2 Xác định vμ khảo sát quy luật thay đổi lực vμ nội lực

trong các khâu của thiết bị công tác

2.1 Cơ sở tính toán thiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

Khi tính toán thiết kế thiết bị công tác của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực cần phải cho trước cấp đất lớn nhất mà máy phải làm việc (điều kiện làm việc), năng xuất và dung tích gầu Từ đó làm cơ sở cho việc xác định hệ thống lực tác dụng lên các cụm kết cấu, các xi lanh thuỷ lực, vận tốc chuyển động, công suất máy

Để xác định được các thông số trên trước hết là phải xác định đúng các kích thước cơ bản của thiết bị công tác Sau đó, lựa chọn các chế độ làm việc điển hình, tổ hợp lực tác dụng lên các thiết bị công tác, đặc biệt là lực tác dụng lên các

xi lanh thuỷ lực có giá trị lớn nhất

Sau khi xác định được hệ thống lực sẽ tiến hành tính toán kết cấu thép

Để tính toán hệ thống truyền động thuỷ lực trên thiết bị công tác của máy xúc một gầu, thông thường người ta dựa theo lực (mô men) và vận tốc chuyển

động để quyết định công suất, từ đó lựa chọn áp suất, lưu lượng của bơm chính (nguồn) Hành trình và tốc độ làm việc của các xi lanh có thể định ra trong bước tính toán sơ bộ Đường kính và các thông số khác của xi lanh sẽ được xác định sau khi tính được lực tác dụng lớn nhất lên nó

Tính toán thiết bị gầu xúc phụ thuộc vào các cách cắt đất và tích đất Từ đó phân tích các lực tác dụng lên gầu theo các trường hợp khác nhau làm cơ sở cho việc phân tích so sánh để đưa ra chế độ tải lớn nhất

Quá trình cắt đất và tích đất của máy xúc một gầu dẫn động bằng thuỷ lực

có thể được tiến hành theo các cách sau đây:

- Gầu và tay gầu cố định, cần chuyển động nhờ xi lanh nâng cần

- Cần và gầu cố định, tay gầu chuyển động nhờ xi lanh quay tay gầu

- Cần và tay gầu cố định, gầu chuyển động nhờ xi lanh quay gầu

- Cần và tay gầu hoạt động đồng thời nhờ các xi lanh tương ứng… Hình 2.1 đưa ra một mô hình tính toán điển hình cho trường hợp cần và tay gầu cố định, gầu quay quanh khớp bản lề nối với tay gầu nhờ xi lanh quay gầu, mô hình mô tả sơ đồ lực tác dụng lên thiết bị gầu ở trạng thái tính toán

Hình 2 1. Sơ đồ lực tác dụng lên thiết bị gầu xúc

2.2 Lực tương hỗ giữa bộ phận công tác và đất

Quy trình tác động tương hỗ giữa bộ phận công tác và đất trong khi máy làm việc là một quá trình phức tạp Quá trình đào đất có thể phân thành hai trường hợp đó là:

- Cắt đất thuần tuý, đất được cắt thành từng lớp dưới tác dụng của lưỡi cắt giống như ta dùng cuốc, xẻng; nhưng để đo lực cản thống nhất thường người ta

sử dụng bằng lưỡi đào mẫu

- Cắt đất và tích đất lại khi chúng được cắt thành từng lớp dưới tác dụng của lưỡi đào (gầu xúc)

Trong hàng loạt trường hợp khác nhau, năng lượng cần thiết cho quá trình cắt đất và tích đất lại trong gầu xúc lớn hơn nhiều so với quá trình cắt đất thuần tuý trong cùng điều kiện về chất đất, hình dạng lưỡi cắt và kích thước phoi cắt

Hình 2.2. Biểu diễn lực tương tác giữa gầu và đất

Trên hình 2.2 biểu diễn lực tương tác giữa gầu và đất, hình dạng lưỡi cắt và kích thước phoi cắt

Quan sát quá trình cắt đất thuần tuý có thể thấy như sau: Đầu tiên đất trước lưỡi cắt bị dồn lại, khi lực cắt lớn bằng sức chống cắt tối đa thì đất bị cắt thành từng lớp tạo ra phoi cắt

Đào đất có thể gặp ba trường hợp:

- Trường hợp thứ nhất gặp khi xuất phát đào (ngoài lực cản cắt chính diện xuất hiện cả lực cản cắt hai bên thành gầu)

- Trường hợp thứ hai là đào lấn dần (chỉ xuất hiện thêm lực cản cắt một bên thành gầu)

- Trường hợp thứ ba đó là đào hớt, chỉ có lực cản cắt chính diện trước lưỡi

đào

Môi trường đất là môi trường rất phức tạp, thiết bị công tác đào đất và phương pháp đào cũng rất khác nhau, điều này cũng ảnh hưởng đến sự xác định lực cản cắt, cho đến nay, một công thức chính xác để tính lực cản cắt đất dù là cắt đất thuần tuý, vẫn chưa có Nhiều nhà khoa học đã bỏ công sức nghiên cứu vấn đề này như: E Dinlinger; Nerlo – Nerli; N.G Dombrovski; M.I Galperin; Ju.A.Vetrov; A.N.Zelenin…

Trong số các phương pháp tính lực cản cắt thì phương pháp của N.G Dombrovski được đánh giá là dễ sử dụng và đủ chính xác N.G Dombrovski phân lực cản cắt thuần tuý F0 thành tổng hai thành phần Ft và Fn (hình 2.2)

Thành phần lực cản cắt tiếp tuyến Ft có dạng:

F t =k 1 b.h

b, h – chiều rộng và chiều dày của phoi đất cắt

k1 – lực cản đào riêng bao gồm lực cản cắt, lực ma sát của gầu với

đất, lực cản chuyển động của đất khi tích vào gầu Lực cản đào riêng được xác

định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào cấp đất đào Giá trị được xác định theo bảng 2.1:

Fn tính theo Ft như sau:

F n = Ψ.F t

Trong đó: Ψ =0,1ữ0,45 là hệ số phụ thuộc vào góc cắt, các điều kiện cắt

và sự mòn cùn đi của lưỡi đào

Bảng 2.1 Lực cản đào riêng k1Cấp đất Loại đất đào Lực cản đào riêng k 1 , KG/cm 2

2.3 Khảo sát sự thay đổi lực và nội lực trong hệ thống thiết bị công tác

Quá trình cắt đất và tích đất của máy xúc một gầu dẫn động bằng thuỷ lực

có thể được tiến hành theo các cách sau đây:

1 Gầu và tay gầu cố định, cần chuyển động nhờ xi lanh nâng cần

2 Cần và gầu cố định, tay gầu chuyển động nhờ xi lanh quay tay gầu

3 Cần và tay gầu cố định, gầu chuyển động nhờ xi lanh quay gầu

4 Cần và tay gầu hoạt động đồng thời nhờ các xi lanh tương ứng…

Để xác định sự thay đổi lực và nội lực trong quá trình làm việc cần phải khảo sát cho từng trường hợp Tuy nhiên cắt và tích đất theo cách 2 và 3 là hay

được sử dụng nhất, nên tác giả tập trung nghiên cứu cho hai cách trên Dưới đây

trình bày phương pháp xác định cũng như khảo sát sự thay đổi lực và nội lực của hai cách cắt đất và tích đất nói trên

2.3.1 Đối với trường hợp cắt và tích đất bằng xi lanh quay gầu

a Giả thiết khi xây dựng mô hình

- Cần cố định nhờ xi lanh nâng cần và khớp trụ chân cần

- Tay gầu liên kết với cần nhờ xi lanh quay tay gầu và khớp trụ đầu cần

- Gầu quay để cắt và tích đất nhờ xi lanh quay gầu

- Tại vị trí bắt đầu đào (vị trí I)

- Kết thúc quá trình đào (vị trí II)

b Xây dựng mô hình tính toán

Mô hình tính toán được thể hiện trên hình 2.3:

Hình 2.3 Sơ đồ khảo sát nội lực trong thiết bị công tác khi cắt đất và tích đất

bằng xi lanh quay gầu

Lùc vµ néi lùc trong tr−êng hîp nµy bao gåm:

- Lùc ®Èy trong xi lanh quay gÇu: Pqg;

- Lùc trong xi lanh quay tay gÇu: FIF;

Các thành phần lực và cánh tay đòn trên sơ đồ nh− sau:

FIF – Phản lực từ xi lanh quay tay gầu tác dụng sang;

F23 – Phản lực từ cần tác dụng sang, x y

F F

F23 = 23 + 23:

//

;// 23

23 ox F oy

F x y

Ft – lực cản cắt tiếp tuyến với với quỹ đạo cắt;

Fn – lực cản cắt pháp tuyến với với quỹ đạo cắt;

Phân tích: F t + F n = P X + P Y

G3 – trọng l−ợng của tay gầu;

G4 – trọng l−ợng của gầu + đất;

t PY n

t G

G IF

PX n

t

PY n

t G

G IF

IF

O

r

r F

F r

F F

r G r G

F

r F

F

r F

F r

G r G r

F

F

M

).cos.sin

.()

sin.cos

.(

0)

cos.sin

(

)

sin.cos

.(

0)

(

1 1

1 1

4 4 3 3

1 1

1 1

4 4 3 3

2

αα

αα

αα

αα

−+

++

Hay:

.).cos

.(sin)

.sin

.(cos

3

IF

PX PY

n PX PY

t G G

IF

r

r r

F r

r F

r G r G

- Ph−¬ng tr×nh c©n b»ng lùc cho c¶ hÖ:

0

23 23 4

++

n t

F (2.1) + ChiÕu ph−¬ng tr×nh (2.1) theo ph−¬ng OX ta cã:

1 1

1 23

1 1

1 23

sin.cos

.cos

0sin

.cos

.cos

αα

β

αα

β

n t

IF

x

n t

IF

x

F F

F

F

F F

F

F

++

=

⇒

=+

++

−

1 1

1 1

1 4

4 3

3. . .(cosα . sinα . ) .(sinα . cosα . )⎥.cosβ

n PX PY

t G G

r

r r

F r

r F

r G r

sin.cossin

.sin.cos

cos.coscos

cos

cos

1 1

1 1 1

1 1

1 1

1 1

4 4 1

n

IF

PX PY

t IF

G IF

G

r

r r

F

r

r r

F r

r G r

r

G

αβ

αβ

α

αβα

βα

ββ

+ ChiÕu ph−¬ng tr×nh (2.1) theo ph−¬ng OY ta cã:

.cos.sin

.sin

0cos

.sin

.sin

1 1

4 3 1 23

1 1

4 3 1 23

αα

β

αα

β

n t

IF

y

n t

IF

y

F F

G G F

F

F F

G G P

F

−+

++

=

⇒

=+

4

3

1 1

1 1

1 4

4 3

3

cos.sin

sin).cos

.(sin)

.sin

.(cos

αα

βα

αα

α

n t

IF

PX PY

n PX PY

t G G

F F

G

G

r

r r

F r

r F

r G r

G

−+

cos.sin

sin

sin

.sin.sin

cos.sinsin

sin1

sin

1

1 1

1 1

1

1 1 1

1 1

1

4 4

βα

β

αβα

βα

ββ

IF

PX PY

n

IF

PX PY

t IF

G IF

G

r

r r

F

r

r r

F r

r G r

y x

F F

Bước 2: Xác định phản lực khớp trụ quay gầu F O3(F O3 =F34) và lực dọc trục F KP

Sơ đồ tính toán thể hiện trên hình 2.5 Để xác định các lực này ta tách khâu

4 (gầu xúc) và xét điều kiện cân bằng của chúng như hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ tính toán lực đẩy trong xi lanh quay gầu và phản lực tại khớp trụ

quay gầu

Các tham số trên hình 2.5 như sau:

F34 – phản lực từ tay gầu tác dụng sang, x y

F F

F34 = 34 + 34 :

//

;// 34

34 ox F oy

F x y

FKP – phản lực từ khâu KP tác dụng sang;

rP – cánh tay đòn của lực Ft đến khớp O3;

r3 – cánh tay đòn của lực FKP đến khớp O3;

r4 – cánh tay đòn của lực G4 đến khớp O3;

α1 – góc tạo bởi phương của lực Ft với ox;

α2 – góc tạo bởi phương của lực FKP với ox;

Để xác định phản lực khớp trụ quay gầu 34( 34x, 34y)

F F

0

4 4 3

3

=+

+

KP n

F (2.2) + Chiếu phương trình (2.2) theo phương OX ta có:

KP n

t

x

n t

KP x

F F

F

F

F F

F F

.cossin

.cos

0sin

.cos

cos

2 1

1 34

1 1

2 34

αα

α

αα

α

ư+

=

⇒

=+

.cos

.cos

.cossin

.cos

2 3

4 4 1

2 3

1

3

4 4 2 1

1

αα

αα

αα

=

r

r G F

r

r F

r

r F r G F

F

n P

t

P t n

t

+ Chiếu phương trình (2.2) theo phương OX ta có:

4 2

1 1

34

4 1 1

2

34

.sincos

.sin

0)

cos.sin

.(

sin

G F

F F

F

G F

F F

F

KP n

t

y

n t

KP y

++

α

αα

α

4 3

4 4 2 1

1

.sincos

.sin

r

r F r G F

1 2

F r

y x

F F

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán các lực dọc trục trong các thanh của liên kêt bốn khâu

bản lề

Các tham số trên hình 2.6 nh− sau:

Pqg – lực đẩy từ xi lanh gầu tác dụng sang;

FLK – phản lực từ khâu 3 tác dụng sang khâu LK;

FPK – phản lực từ khâu 4 tác dụng sang khâu PK, F PK =ưF KP;

r1 – cánh tay đòn của lực Pqg đến khớp L;

r2 – cánh tay đòn của lực FPK đến khớp L;

ω1, ω2, ω3 – các góc trong đa giác lực lpk

Để xác định lực dọc trục trong các thanh của liên kết bốn khâu bản lề (F , LK F PK) và lực đẩy trong xi lanh quay gầu ( )P qg ta cần thiết phải lập phương trình cân bằng mô men và các phương trình hình chiếu như sau:

- Viết phương trình cân bằng mô men cho nhóm đối với điểm L ta có:

∑M L F F PK r P qg r

1 3

2 1

3

2 4 4 1

2 3

4 4 1

2

r r

r r F r r

r r G r

r r

r F r G r

r F

t P

t PK

sin

sin

sinsin

3 1

3

2 1

3

2 4 4 2

3 2

ϕϕ

ϕϕ

r r F r r

r r G P

F P

t qg

LK qg

LK

sin

sin

2

3 1

3

2 1

3

2 4

r r F r r

r r G

t LK

Bước 4: Xác định lực trong xi lanh nâng cần và khớp trụ chân cần

Để xác định các lực này ta tách riêng cần và xét điều kiện cân bằng của chúng Hình 2.7 là sơ đồ tính toán các lực trong xi lanh cần và phản lực khớp trụ chân cần

Hình 2.7 Sơ đồ tính toán lực trong xi lanh cần và phản lực khớp trụ

F12 = 12 + 12 :

//

;// 12

12 ox F oy

F x y

F32 – phản lực từ tay gầu tác dụng lên cần;

rEB – cánh tay đòn của lực FEB đến khớp O1; r’IF – cánh tay đòn của lực FFI đến khớp O1;

β2– góc hợp bởi phương của lực FEB với ox

Để xác định lực trong xi lanh nâng cần( )F EB và phản lực khớp trụ chân cần ( x y)

IF FI EB EB

IF FI EB

r

r F r F r G r F

EB

x

x FI

EB

x

F F

F

F

F F

F

F

32 1 2

2

32 1 2

2

cos.cos

0cos

.cos

ư+

ư

ββ

ββ

FI EB

FX y Y x G IF

r

r F r F r G r F

32 1 2

32 32

2 2

'

cos.cos

cos

cos1

coscos

2

2 2

2 32

2 32

1 2

'

β

ββ

ββ

EB G

EB

FX y EB

Y x

EB

IF FI

r F

r

r F

EB

y

y FI

EB

y

F G F

F

F

F G F

F

F

32 2 1 2

2

32 2 1 2

2

sin.cos

0sin

.sin

ư

ββ

ββ

y FI

EB

FX y Y x G

IF

r

r F r F r G r F

32 2 1 2

32 32

2 2

'

sin.cos