tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật mô HÌNH hóa và TÍNH lực tại các KHỚP máy xúc KHI HOẠT ĐỘNG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM NGỌC QUANG MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH LỰC TẠI CÁC KHỚP MÁY XÚC KHI HOẠT ĐỘNG Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – 2013 1 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Người hướng dẫn khoa học: TS. HOÀNG VỊ Phản biện 1: …………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………. Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: ……………………………………………………………………………… Vào hồi:……….giờ…… ngày…….tháng……năm 20…. Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên và Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp 2 I. Mở đầu Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ trong đó có kỹ thuật máy tính, công tác nghiên cứu để nâng cao năng suất, chất lượng, hiệu quả khai thác sử dụng máy móc, trang thiết bị, trong đó có nội dung hoàn thiện kết cấu luôn mang ý nghĩa thực tiễn lớn và mang tính khả thi cao. Khối lượng thi công tất cả các công trình máy xúc thường là chiếm tỉ phần lớn. Có thể nói máy xúc quyết định đến tiến độ thực hiện nhiều hạng mục, công trình. Chính vì lí do đó mà công nghệ và kỹ thuật sản xuất chế tạo máy xúc nói chung được ưu tin và quan tâm của rất nhiều cơ sở khoa học, trung tâm nghiên cứu, hãng sản xuất và của đông đảo các nhà khoa học trong và ngoài nước. Đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về cả chất lượng và khối lượng, máy xúc thủy lực ngày càng hoàn thiện nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại. Tuy nhiên do tính chất phức tạp của thiết kế, của hệ thống, của chất lượng làm việc, của môi trường công tác nên việc hoàn thiện tiếp các loại máy xúc nói chung và máy xúc một gầu dẫn động thủy lực là một làm rất vấn đề lớn và khó khăn. Một trong những hướng nghiên cứu chính quan trọng là đi vào nghiên cứu hoàn thiện kết cấu máy xúc thủy lực gầu nghịch. Vì vậy, đề tài: “Mô hình hoá và tính lực tại các khớp máy xúc khi hoạt động” là một vấn đề nghiên cứu rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao. Mục tiêu chính của đề tài là: Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo và hoạt động của máy xúc, từ đó xây dựng mô hình hình học của một loại máy xúc thường gặp là máy xúc thủy lực một gầu. Đặt lực, xây dựng các mô hình vật lý và mô hình toán học. Khảo sát mô hình toán học để xác định quy luật thay đổi của các thông số động lực học và các phản lực, mô men trong các khớp liên kết của cơ cấu công tác của máy xúc, vận tốc, gia tốc và chuyển vị của các khâu. Sử dụng phần mềm Matlab –Simulink xây dựng mô hình động lực học của thiết bị công tác máy xúc. Nghiên cứu xây dựng mô hình máy xúc trên phần mềm ADAM, để mô phỏng động lực học quá trình đào đất của máy xúc. 3 Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thu được đưa ra khuyến cáo cho nhà sản xuất trong quá trình thiết kế và nhà sử dụng trong quá trình khai thác vận hành máy góp phần nâng cao hiệu quả, tính năng của máy xúc. II. Tổng quan Để nghiên cứu lực tại các khớp máy xúc khi hoạt động, ta chọn đối tượng nghiên cứu là máy xúc thủy lực một gầu. Đây là loại máy xúc phổ biến đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế hiện nay. Trước hết ta cần nghiên cứu các đặc điểm chung về cấu tạo, điều khiển, hoạt động và các quá trình động lực học của máy xúc thủy lực một gầu làm cơ sở cho việc tính toán và mô hình hóa áp lực tại các khớp khi máy xúc hoạt động. II.1. Cấu tạo và hoạt động chung Cấu tạo của máy xúc thuỷ lực gồm các bộ phận chủ yếu sau: Cabin (1) là nơi tập trung các cơ cấu điều khiển hoạt động của máy; hệ thống di chuyển xích (8) dùng để di chuyển máy trong công trường; cơ cấu quay sàn (9) giúp cho máy có thể thay đổi được vị trí của gầu trong mặt phẳng ngang để đào và xả đất; sàn quay (10) là nơi bố trí cabin, các bộ truyền động và đối trọng; đối trọng (11) dùng để cân bằng sàn quay và đảm bảo sự ổn định của máy trong quá trình làm việc; động cơ và các bộ truyển động (12) là nơi cung cấp nguồn động lực để duy trì hoạt động của máy, trên máy xúc người ta thường sử dụng động cơ có turbo tăng áp. Từ động cơ, thông qua hệ thống dẫn động thuỷ lực thuỷ tĩnh, truyền năng lượng dẫn động di chuyển máy và các các thao tác làm việc của thiết bị công tác. Thiết bị công tác của máy gồm: cần (2) có hai đầu được lắp với sàn quay và tay gầu (5) nhờ khớp trụ; xi lanh cần (3) dùng để điều khiển việc nâng hạ cần; tay gầu (5) là nơi gá lắp và điều khiển hoạt động của gầu; xi lanh tay gầu (4) 4 dùng để điều khiển việc co duỗi tay gầu; gầu xúc (7) thường được lắp thêm các răng để giảm lực cản cắt đất, điều khiển hoạt động của gầu được thực hiện nhờ xi lanh gầu (6). II.2. Quá trình động lực học của máy xúc một gầu dẫn động thủy lực Máy đào một gầu dẫn động thủy lực là một hệ thống cơ học phức tạp, gồm các khâu động lực học hoàn chỉnh, các khâu nằm trong sự tương tác động lực học khi thực hiện quá trình công tác bao gồm: Động cơ - hệ thủy lực – bộ dẫn động – mạch phân phối – thiết bị công tác. Quá trình hoạt động bao gồm tất cả các khâu chức năng của hệ thống và người lái. Người lái tạo thành một mạch kín: Động cơ – hệ thủy lực – dẫn động – người lái – bộ công tác – động cơ. Quá trình tăng tốc và phanh hãm thiết bị công tác về bản chất cơ học là quá trình xảy ra đột ngột, còn quá trình đào, cắt đất, nâng hạ thiết bị là quá trình xảy ra bình ổn. Các quá trình này khác nhau về bản chất: Nếu trong quá trình động học xảy ra đột ngột, lực quán tính đóng vai trò chủ yếu, ngược lại quá trình động học xảy ra bình ổn thì quy luật biến thiên lực cản đào trong quá trình tương tác giữa gầu và đất, lực nâng, hạ thiết bị công tác đóng vai trò chủ yếu. Để nghiên cứu động lực học máy xúc thủy lực thường sử dụng lý thuyết cơ học hệ nhiều vật, và tiến hành theo các bước sau: Bước 1: Xây dựng mô hình vật lý Từ một cơ hệ thực tế với các số liệu đầu vào, biểu diễn tất cả các yếu tố động học, động lực học, xây dựng mô hình vật lý phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo. Bước 2: Xây dựng mô hình toán 5 Từ mô hình vật lý, dựa vào các định lý tổng quát động lực học để xây dựng các phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ. Trong nhiều hệ vật thường sử dụng các phương trình Lagrange loại II và Lagrange nhân tử hoặc sử dụng phương trình Nuitơn-Ơle để viết các phương trình chuyển động cho mỗi khâu của cơ hệ. Việc sử dụng các phương trình Lagrange cho các tín hiệu vật lý để biểu diễn các kết quả của phương trình thường ở dạng tổ hợp, còn các phương trình Niutơn-Ơle mô tả động lực học các khâu sát thực hơn. Bước 3: Khảo sát mô hình toán Thực chất của khảo sát mô hình toán là sử dụng các thuật toán để giải hệ phương trình vi phân chuyển động được xây dựng trong bước 2 và khảo sát các thông số động lực học, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng. Các bước trên đều có ý nghĩa quan trọng đến việc xây dựng mô hình, mô hình vật lý. Mô hình vật lý càng được xây dựng sát với mô hình thực thì hệ phương trình vi phân sẽ biểu diễn đầy đủ quan hệ giữa các thông số động lực học của cơ hệ, mô hình càng hoàn thiện thì các kết quả tính toán cho phép đánh giá chính xác chất lượng động lực học của máy. II.3. Nghiên cứu động lực học quá trình đào đất của máy xúc thủy lực một gầu II.3.1. Xây dựng mô hình vật lý mô tả động lực học quá trình đào đất của máy xúc Trong mô hình khảo sát động lực học thiết bị công tác để tính toán lực trong các khớp liên kết của TBCT, để giảm tính phức tạp mà vẫn đảm bảo độ tin cậy của kết quả nghiên cứu, thừa nhận một số giả thiết sau: - Máy xúc được tách thành 4 khâu gồm: Toa quay, cần, tay gầu và gầu, khối lượng các khâu được đặt tại trọng tâm của chúng; - Các khâu của máy xúc được coi là vật rắn tuyệt đối; - Bỏ qua tổn hao ma sát trong các khớp trong quá trình tính toán; - Vị trí máy xúc đứng coi như cứng tuyệt đối; 6 - Chỉ nghiên cứu máy đào trong trường hợp góc tạo bởi phần trên và phần dưới sàn quay bằng không và sự chuyển động của các khâu diễn ra trong mặt phẳng thẳng đứng; - Trọng tâm của cần, tay gầu và gầu xúc nằm trong mặt phẳng chuyển động của cơ hệ khảo sát; - Các lực dẫn động trong các xy lanh cần, tay gầu và gầu xúc được quy đổi tương ứng thành các mô men M 1 , M 2 , M 3 . - Trong quá trình cắt xem như lực các thành phần lực cản cắt chỉ thay đổi về phương và không thay đổi về độ lớn, tức phoi cắt có chiều dày không đổi và hệ số lực cản không thay đổi. - Khối lượng lượng của gầu được tính bằng tổng khối lượng đất và gầu, tọa độ trọng tâm của gầu không thay đổi trong quá trình cắt đất. II.3.2. Xây dựng mô hình toán quá trình chuyển động của máy xúc trong quá trình đào đất Xây dựng mô hình toán quá trình chuyển động của máy xúc trong bằng phương pháp Lagrange loại II II.3.3. Xây dựng mô hình toán phản lực tại các khớp liên kết II.3.4. Xây dựng bộ thông số đầu vào để khảo sát mô hình toán quá trình động lực học máy xúc Để có cơ sở dữ liệu khảo sát phương trình chuyển động của cơ hệ và khảo sát phản lực tại các khớp, cần thiết phải có các thông số về hình dáng, kích thước, khối lượng và mô men quán tính của các khâu của một máy xúc thủy lực cụ thể. Để kết quả nghiên cứu mang tính thực tiễn cao luận văn chọn máy xúc Solar 130W-V của hãng Solar chế tạo. Đây là loại máy xúc tương đối hiện đại có dung tích gầu là trung bình và được sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay. Khó khăn trong việc xác định các thông số cần thiết trên là tài liệu đi cùng máy chỉ đơn thuần là tài liệu thương mại mang tính chất phục vụ khai thác vận hành. Do vậy để có được bộ thông số trên luận văn đã giải quyết bằng cách thiết kế 3D máy xúc và thu thập các dữ liệu phục vụ nghiên cứu trên các công cụ của phần mềm thiết kế 3D khá thông dụng là Inventor. Tiến hành đo các kích thước kết cấu trên máy thật của tất cả các chi tiết cần thiết để có bộ thông số 2D cho bản vẽ thiết kế. Sử dụng các tính năng 7 xây thiết kế 2D và công cụ 3D để vẽ các chi tiết của máy theo tỉ lệ 1:1. Sau khi có bản vẽ 3D của các chi tiết, tiến hành lắp ráp các cụm chi tiết chính với nhau để tạo ra các bản lắp 3D của các cụm. Tiếp theo là lắp các cụm với nhau để tạo thành máy xúc hoàn chỉnh. III. Khảo sát mô hình toán quá trình động lực học của máy xúc bằng phương pháp số III.1. Sơ đồ khối chương trình tính toán động lực học thiết bị công tác của máy xúc trong quá trình đào đất III.2. Kết quả khảo sát mô hình toán quá trình động lực học của máy xúc bằng phương pháp số 8 9 III.3. Kết quả khảo sát về động lực học 10 [...]... lực học và phản lực tương tác giữa các khâu và các khớp của máy xúc Các mô hình này mang tính tổng quát có thể áp dụng khảo sát cho các loại máy xúc khác nhau 3 Từ các mô hình vật lý, nghiên cứu xây dựng mô hình toán quá trình động lực học và lực liên kết trong các khớp của máy xúc Mô hình toán được thành lập theo phương pháp LagarangII, đảm bảo tính tổng quát cao 4 Nghiên cứu các phần mềm mô phỏng...11 III.4 Mô hình hóa quá trình động lực học của máy xúc bằng Matlab-Simulink Mô hình hóa quá trình động lực học của máy xúc là sử dụng các khâu, các khối có sẵn trong thư viện của Matlab-Simulink để giải mô hình toán của máy xúc bằng Simulink Mô hình toán được xây dựng là mô hình khá tổng quát, vì vậy việc tìm hàm truyền giữa các khâu là rất phức tạp Do đó tác giả chọn phương pháp mô hình từng phần... xây dựng mô hình 3D máy xúc kiểu SOLAR 130W-V, để xác định bộ thông số đầu vào khảo sát các mô hình toán của máy xúc 5 Nghiên cứu xây dựng thuật toán khảo sát mô hình toán quá trình động lực học của máy xúc bằng phương pháp số Sử dụng phần mềm Matlab để lập trình và khảo sát, tính toán lực trong các khớp liên kết thiết bị công tác của máy xúc Hàm hóa hàm lực cản cắt theo biên dạng cắt để đưa vào giải... áp lực trong các khớp trong quá trình đào bằng xy lanh tay gầu và xy lanh quay gầu ở các chế độ cắt khác nhau và với các cấp đất khác nhau 6 Nghiên cứu các phần mềm mô phỏng động lực học hiện đại, lựa chọn phần mềm MSC.ADAMS để mô phỏng động lực học máy xúc Kết quả tính toán bằng phương pháp số được kiểm nghiệm bằng mô hình tính toán ở mô hình 3D trên phần mềm MSC.ADAMS 7 Mô hình hóa các quá trình động. .. các kết quả nghiên cứu liên quan đến giải bài toán động lực học máy xúc 2 Trên cơ sở nghiên cứu đặc điểm làm việc của máy xúc, đặc biệt là một chu kỳ làm việc của máy Phân tích lựa chọn giai đoạn đào đất để đặt ra vấn đề nghiên cứu áp lực trong các khớp của thiết bị công tác của máy xúc Nghiên cứu đưa ra các giả thiết để thiết lập mô hình hình học, từ đó xây dựng các mô hình vật lý quá trình động lực. .. từng phần tử trong mô hình toán, và sử dụng các hàm toán học của Simulink để kết nối các phần từ và giải mô hình III.5 Kiểm nghiệm kết quả khảo sát quy luật phản lực trong các khớp liên kết của TBCT máy xúc bằng mô phỏng Kết quả khảo sát tính toán bằng phương pháp số có thể kiểm nghiệm bằng đo thực nghiệm hoặc bằng kết quả mô phỏng trên phần mềm tính toán, khảo sát động lực học Luận văn sử dụng phần... Vịnh Động lực học máy xây dựng, NXB Giao thông vận tải, 2004 [4] Trần Xuân Hiển, Máy xúc thủy lực, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà nội 2008 [5] Nguyễn Văn Khang, Động lực học hệ nhiều vật, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà nội 2007 [6] Trần Xuân Hiển, Giáo trình khai thác máy xây dựng, NXB Lao động - xã hội, Hà nội 2007 [7] Nguyễn Viết Trung, Thiết kế tối ưu, NXB Xây dựng, 2003 [8] Tạ Văn Đĩnh, Phương pháp tính, ... MSC.ADAMS để mô phỏng động lực học máy xúc SOLAR 130W-V Phần mềm ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System) là phần mềm mô phỏng động lực học và phân tích chuyển động hệ thống cơ khí nhiều vật được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới Adams giúp các kỹ sư nghiên cứu sự động học của bộ phận chuyển động, giải pháp đặt tải trọng và các lực lượng phân bố trên toàn hệ thống cơ khí để cải thiện và tối... khí để cải thiện và tối ưu hóa hiệu suất và các chỉ tiêu kỹ thuật các sản phẩm thiết kế Phần mềm cho phép các nhà thiết kế dễ dàng tạo ra và thử nghiệm nguyên mô hình ảo của các hệ thống cơ khí trong một thời gian ngắn và chi phí cần thiết cho xây dựng và thử nghiệm mô hình vật lý Khả năng liên kết với các ngôn ngữ 3D khác cho phép phầm mềm ADAMS có khả năng liên kết với các phần mềm liên kế 3D chuyên... thác khi cần thay thế các chi tiết, phần tử thì kết quả nghiên cứu trên chính là cơ sở khoa học người khai thác đưa ra mô hình để tính toán thiết kế, lựa chọn các phần tử thay thế làm việc an toàn IV Kết luận và kiến nghị 13 IV.1 Kết luận Trong quá trình nghiên cứu và khảo sát luận văn đã tập trung giải quyết được các vấn đề sau: 1 Tổng quan lại các vấn đề liên quan đến nội dung thực hiện của luận văn . các quá trình động lực học của máy xúc thủy lực một gầu làm cơ sở cho việc tính toán và mô hình hóa áp lực tại các khớp khi máy xúc hoạt động. II.1. Cấu tạo và hoạt động chung Cấu tạo của máy. NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM NGỌC QUANG MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH LỰC TẠI CÁC KHỚP MÁY XÚC KHI HOẠT ĐỘNG Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN. hoạt động của máy xúc, từ đó xây dựng mô hình hình học của một loại máy xúc thường gặp là máy xúc thủy lực một gầu. Đặt lực, xây dựng các mô hình vật lý và mô hình toán học. Khảo sát mô hình