Nghiên cứu vùng làm việc của đầu cắt mở luồng lắp trên máy đào cần hai đoạn

Bài báo đã trình bày nội dung tích hợp đầu cắt thay thế gầu xúc trên máy đào thủy lực cần hai đoạn phục vụ công tác mở luồng. Các kết quả thu được cho thấy vùng phạm vi làm việc của bộ công tác đã thay đổi cơ bản so với máy nguyên bản khi thay thế gầu xúc bằng đầu cắt.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU VÙNG LÀM VIỆC CỦA ĐẦU CẮT MỞ LUỒNG LẮP TRÊN MÁY ĐÀO CẦN HAI ĐOẠN WORKING AREA OF DREDGING DRUM CUTTER ATTACNED ON EXCAVOR WITH TWO-PIECE BOOM TRỊNH VĂN HẢI1*, TRẦN HỮU LÝ2 Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân Viện Kỹ thuật giới Quân sự, Tổng cục Kỹ thuật *Email liên hệ: hai.tv@lqdtu.edu.vn Tóm tắt Tích hợp thiết bị cơng tác dạng đầu cắt thay gầu xúc máy đào thủy lực gầu nghịch sử dụng rộng rãi thi cơng có cơng tác mở luồng Việc nghiên cứu khả làm việc dạng thiết bị máy đào nội dung quan trọng lớp toán liên quan đến việc lắp thiết bị thay lên máy đào để hồn thiện tổ hợp máy theo tiêu chí thiết kế, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật không gian làm việc thi công Bài báo nghiên cứu vùng làm việc đầu cắt mở luồng tích hợp lên máy đào thuỷ lực với kết cấu cần hai đoạn Từ khóa: Đầu cắt, vùng làm việc, cần hai đoạn, máy đào thủy lực, thiết bị mở luồng Abstract Attaching drum cutter working equipment to replace bucket on backhoe hydraulic excavator has been widely used in construction including dredging task The study of the working range of these types of devices on the excavator is an important content in the class of problems related to the installation of replacement equipment on the excavator to complete the machine according to either the designing criteria or the technical requirements and workspace during construction The paper studies on changing the working area of the dredging drum cutter attached on an excavator with two-piece boom Keywords: Drum cutter, working area, two-piece boom, backhoe hydraulic excavator, dredger Đặt vấn đề Thiết bị công tác máy đào dạng cần-tay gầugầu xúc (hoặc công tác đa khác) đời tồn với phát triển hệ máy đào từ dẫn động khí đơn giản đến điều khiển điện điện SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) tử đại, điều cho thấy tính ưu việt dạng kết cấu tay máy Cùng với hệ thống di chuyển xích lốp có tính thơng qua phù hợp với điều kiện thi công kết cấu ưu việt công tác nguyên máy đào cho phép việc triển khai vận hành công tác kèm cách linh hoạt để tiếp cận dạng đối tượng thi cơng Thêm vào việc dùng máy đào sở thay sử dụng nhiều công tác lúc cho phép nâng cao hiệu kinh tế kỹ thuật đa dạng phương án tổ chức thi công Phạm vi làm việc hay với tới máy đào thông số xác định với máy cụ thể Tuy nhiên, lắp thiết bị thay lên máy đào phạm vi công tác tổ hợp thiết bị mở rộng sở phạm vi nguyên cộng với kích thước nối dài khâu lắp thêm [1, 2] Như ngồi góc độ thêm khâu động, tăng phạm vi làm việc tăng công máy đào, việc điều khiển tổ hợp máy trở nên phức tạp hơn, độ ổn định thiết bị, mức độ an toàn cho người thiết bị xung quanh vấn đề phải lưu ý nghiên cứu tích hợp thiết bị đa nói chung, phương án lắp đầu cắt lên máy đào để thực chức với sâu thiết bị cắt tổ hợp mở luồng trường hợp cụ thể Với lý nêu trên, báo tập trung nghiên cứu phạm vi làm việc đầu cắt lắp máy đào thủy lực gầu nghịch cần hai đoạn sử dụng tổ hợp mở luồng hàng hải Mục đích đặt đánh giá thay đổi phạm vi làm việc thiết bị so sánh với kết cấu nguyên Tích hợp đầu cắt lên máy đào sở Thiết bị công tác máy đào điển hình gồm khâu cần, tay cần gầu xúc liên kết với khớp lề O1, A1 B1 (Hình 1) Các kích thước liên kết a1 = O1A1, a2 = A1B1, a3 = B1C1 khả quay quanh khớp liên kết (góc quay giới hạn): αa(=αad+αat), αb, αc định đến phạm vi với tới gầu xúc (C1) Tùy vào lĩnh vực sử dụng công suất máy mà thiết bị cơng tác có kích thước 327 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 dài a1, a2 a3 thích hợp, góc quay chọn theo: αat = 40÷45o, αad = 45÷55 o; αb = 95÷115o αc = 140÷160o [4] Phạm vi làm việc gầu xúc (Hình 1, gốc O giao điểm đường thẳng qua tâm quay sàn máy đứng, gốc O1 (khớp quay chân cần máy) có hồnh độ cách đoạn r0 tung độ cao khoảng H0) xây dựng nhờ việc quay kích thước liên kết theo góc giới hạn theo nguyên lý làm việc máy (chi tiết xem tài liệu [1, 5]) Hình 3, máy đào sở lựa chọn có cơng hai đoạn cần (gồm 01 đoạn cần phụ) khâu cần I tay gầu có kích thước dài so với máy đào thơng thường Hình Khi tích hợp cơng tác này, máy đào làm việc độc lập vùng nước nông, đặt phương tiện để thi công mở luồng hàng hải C1 B1 A1 ac ab aat r0 C7 H 3max C9 C8 B4 ac aa O1 H 2max H0 O aad C6 ac C5 C4 B3 Hình Sơ đồ liên kết khâu động thiết bị A2 công tác máy đào cần hai đoạn lắp đầu cắt H 1max ab B2 ac C2 C3 Rmax Hình Sơ đồ xác định vùng làm việc gầu xúc Như vậy, tích hợp đầu cắt lên máy đào cần hai đoạn, kích thước khâu động số lượng khâu động tăng lên dẫn đến hình dáng kích thước vùng làm việc có nhiều thay đổi Chi tiết đề cập phần lại báo Xác định vùng làm việc đầu cắt Để xác định vùng làm việc tổ hợp thiết bị, báo sử dụng phương pháp biến đổi Denavit Hartenberg (D-H) [6] để tìm phụ thuộc toạ độ điểm quan tâm khâu công tác theo dịch chuyển khâu dẫn động Ở đó, quan hệ vị trí hai khâu thể tham số khớp Với tốn khơng gian, vị trí hệ toạ độ khớp (Oxyz)i hệ toạ độ khớp (Oxyz)i-1 xác dịnh thông số D-H gồm ai, ai, di qi (chi tiết tham khảo Chương tài liệu [3]) Hình Đầu cắt mở luồng dạng trống ngang Bảng Các tham số Denavit - Hartenberg hệ ai di qi a1(O1O2) q1 a2(O2O3) q2 a3(O3O4) q3 a4(O4Q) q4 Khâu Đầu cắt phục vụ công tác mở luồng hàng hải có nhiệm vụ cắt phá vụn đất đá từ nền, tạo điều kiện cho thiết bị bơm hút dòng vật liệu khỏi luồng hàng hải [5] Kết cấu đầu cắt dạng trống ngang Hình dạng kết cấu phổ biến Để tăng phạm vi với tới công tác dạng đầu cắt phục vụ công tác mở luồng, đặc biệt nhu cầu với sâu, thiết bị công tác máy đào lựa chọn dạng hai đoạn cần [7] Như thể 328 Khơng tính tổng qt, báo xem xét tốn phẳng (cơ cấu quay sàn khơng làm việc) Xem máy đào hệ gồm vật (khâu) rắn tuyệt đối: SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 khung gầm-cabin (0); cần máy I (1); cần máy II (2); tay gầu (3) đầu cắt (4) Các khâu liên kết với khớp lề Oi (liên kết khâu i-1 với khâu i, với i = 1¸4) Để quan sát chuyển động hệ, ta gắn vào hệ hệ toạ độ đề cố định O1x1y1z1 có gốc trục quay toa máy đào Các hệ toạ độ O2x2y2z2, O3x3y3z3 O4x4y4z4 có gốc gắn điểm liên kết khâu máy thiết bị cắt (chú ý Oizi vng góc với mặt phẳng thể hiện) Sử dụng tham số D-H hệ liệt kê Bảng 1, ta xác định ma trận chuyển hay ma trận phép biến đổi D-H khâu (i) khâu (i-1) với i = 1¸4: (1) Theo ma trận biến đổi khâu (đầu cắt) với hệ tọa độ cố định tính theo cơng thức sau: a3 = 1,551m, q1 = [-55o 60o], q2 = [0o 160o], q3 = [40o 150o]; (ii) Máy đào cần hai đoạn: a1 = 10,951m, a = 2,756m, a = 8,832m, a = 1,492 m, q1 = [-45 o 45 o], q2 = [0 o 90 o], q3 = [0 o 110 o], q4 = [0 o 150 o]; (iii) Đầu cắt: đường kính trống cắt rc = 300mm kích thước O4Q = 1,492m (với Q tâm trống cắt) Cụ thể, đường bao vùng làm việc gồm cung tròn liệt kê Bảng (ABCDEFGHIA) minh hoạ đường bao kín Hình Riêng cung DEF cần lưu ý, tuỳ vào kích thước tương đối khâu mà giá trị d lựa chọn cho phù hợp (với trường hợp khảo sát, d = 0,95) Một điểm nằm đường bao kín xác định việc cho giá trị góc quay khâu dẫn khoảng giới hạn [qiL qiU] Mỗi giá trị góc quay qi với i = 1¸4 xác định điểm nằm vùng làm việc (thể dấu chấm trịn Hình 4) Bảng Xác định cung đường bao vùng làm việc Với c1 i = cos -s1234 c1234 0 å i j =1 å å q4 q2 (AB) [q1U q1L] q2L q3L q4L (BC) q1L [q2L q2U] q3L q4L (CD) q1L q2U [q3L d.q3U] q4L 4 (DE) [q1L q1U] q2U dq3U q4L i =1 (EF) q1U q2U [dq3U q3U] q4L (FG) q1U q2U q3U [q4L q4U] (GH) q1U [q2U q2L] q3U q4U (HI) q1U q2L [q3U q3L] q4U (IA) q1U q2L q3L [q4L q4U] Thay ma trận thành phần công thức (1) công thức (2), nhận kết sau: éc ê 1234 ês D04 = ê 1234 ê ê ë q3 q1 Cung (2) c1 i ù ú ú a s i i i =1 ú ú ú û q j , s1 i = sin å i j =1 (3) qj Do vậy, toạ độ tâm trục trống cắt Q tính: (4) Từ giới hạn góc qi =[qiL qiU] với i =1¸4, xác định vùng làm việc đầu cắt theo phương pháp tương tự sơ đồ Hình Chi tiết thơng số đầu vào kết tính tốn liên quan trình bày phần sau Kết nhận xét Để thể kết tính tốn, báo lựa chọn máy đào sở máy Hitachi EX400LC-5 [7] đầu cắt MB-R800 với số thông số sau: (i) Máy đào cần đoạn: a1 = 7,253m, a2 = 3,051m, SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Vùng làm việc đầu cắt máy đào Từ kết nhận Hình thấy rằng, vùng làm việc thiết bị thay đổi lớn thay đổi công tác kết cấu cần - tay gầu Lưu ý để đơn giản đồ thị vùng làm việc đầu cắt 329 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 hai vùng làm việc trình bày Bảng Hai thông số quan trọng tầm với xa (R1max) chiều sâu (H1max) với tới đầu cắt có giá trị lớn gần gấp hai lần giá trị toạ độ làm việc đỉnh gầu Thơng số diện tích vùng làm việc (Sw) tăng đến 3,84 lần nằm phần thấp mặt máy đứng Điều phù hợp cho khả hoạt động đầu cắt phục vụ mở luồng sử dụng cần hai đoạn Việc tăng chiều dài khâu dẫn đến thu hẹp vùng với cao gần vị trí đứng máy, điều ảnh hưởng tới khả với số dạng thiết bị đa khác thao tác cao mặt băng máy đứng Hình So sánh vùng làm việc đầu cắt (tô màu) Bảng Các thông số vùng làm việc tỷ gầu xúc (nét đứt) lắp máy đào lệ thay đổi thay gầu xúc đầu cắt vẽ sở tâm trống cắt, với bán kính trống cắt rc điểm với tới cắt có phạm vi mở rộng thêm 0,3m phía ngồi (thể đường tròn nhỏ dọc theo biên vùng làm việc Hình 5) Trên đó, vùng làm việc gầu xúc thể đường bao đứt, vùng tô màu thể phạm vi làm việc đầu cắt Tỷ lệ thay đổi số tham số ệ ề ứ 330 đầ Tham số thay đổi kích thướ h 5, nét đứ ảnh/đậ ứ Gầu xúc Đầu cắt Tỷ lệ thay đổi Rmax (m) 12.20 24.38 1.99 H1max (m) 9.18 19.53 18.29 597.42 2.13 1.58 3.84 H3max (m) 11.56 Sw (m2) 155.72 ầ ầ ả ầu (c) đầ 75 /tăng ộ (d): đườ ị SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Việc mở rộng vùng làm việc hai khu vực cần phải kiểm soát gồm: (i) vùng với sâu phía phần đứng chân máy đào để tránh va chạm với cọc định vị phao nổi, (ii) vùng với cao sát phần thân cần để đầu cắt khơng va vào cần máy I Có thể nói rằng, thay đổi kích thước liên kết khâu giới hạn chuyển động khâu dẫn qi (hành trình xy lanh công tác) ảnh hưởng đến vùng làm việc Tiếp đến, nghiên cứu ảnh hưởng điều chỉnh kích thước dài khâu góc giới hạn khơng đổi Kết khảo sát Hình 6a đến Hình 6d trình bày thay đổi vùng làm việc đầu cắt thay đổi từ a1 đến a4 Ở hình thành phần, đường đứt mảnh cho giá trị kích thước giảm 75% đường đứt đậm cho giá trị tăng 125% kích thước ban đầu (máy cần hai đoạn) Nhìn chung, thay đổi kích thước cần II kích thước dài đầu cắt (Hình 6b 6d), vùng làm việc thay đổi không đáng kể Ngược lại, thay đổi kích thước cần I tay gầu, vùng làm việc thay đổi lớn kích thước vị trí Với cần I, vùng làm việc có xu hướng giảm tăng tầm với, tay gầu khiến cho vùng làm việc thu hẹp phát triển hướng (tương ứng với kích thước 75% 125%) Việc sử dụng tay gầu ngắn làm tăng khả với cao gần chân máy Điều tương đồng với kết nghiên cứu [1, 8] tăng kích thước liên kết tổng cộng cần I II Kết luận Bài báo trình bày nội dung tích hợp đầu cắt thay gầu xúc máy đào thủy lực cần hai đoạn phục vụ công tác mở luồng Các kết thu cho thấy vùng phạm vi làm việc công tác thay đổi so với máy nguyên thay gầu xúc đầu cắt Cụ thể, nhận thấy việc tăng kích thước số lượng khâu động với việc sử dụng kết cấu cần hai đoạn đạt mục đích máy mở rộng vùng làm việc xuống phía mặt máy đứng, phù hợp cho nhu cầu công tác mở luồng Tuy nhiên, cần phải kiểm soát vùng làm việc khơng an tồn đầu cắt Sự thu hẹp khả với cao công tác khác (búa kìm phá dỡ) khu vực gần vị trí đứng điểm hạn chế sử dụng dạng cần hai đoạn đề cập đến khối lượng tích hợp thêm lực tương tác với mơi trường không cố định hay neo máy với hay sàn công tác Lời cám ơn Bài báo cảm ơn tài trợ Đề tài nghiên cứu phát triển công nghệ Quốc gia, mã số ĐTĐL.CN38/20-C TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Văn Hải nhóm nghiên cứu, Nghiên cứu khả mở rộng phạm vi làm việc dạng thiết bị thay lắp máy đào thủy lực gầu, Tạp chí khí Việt Nam, 2015 [2] Nguyễn Văn Hiển nhóm nghiên cứu, Nghiên cứu tích hợp đầu cắt lên máy đào thuỷ lực gầu nghịch phục vụ công tác thi công hầm, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 2020 [3] Nguyễn Văn Khang, Động lực học hệ nhiều vật, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2007 [4] Крикун В.Я., Манасян В., Расчет основных параметров гидравлических экскаваторов с рабочим оборудованием обратная лопата, 2001 [5] Vlasblom, W.J, Lecture on dredging equipment, Central Dredging Association, 2003 [6] Denavit, J., and Hartenberg, R.S A kinematic notation for lower-pair mechanisms based on matrices Trans ASME J Appl Mech Vol.23: pp.215-221, 1955 [7] Hitachi Coporation, operating manual Excavator EX400LC-5 [8] Yu, X., Wang, Z., Li, Z., and Sun, C Design and Kinematics Analysis of Four-linkage Excavator In Proceedings of the 2019 International Conference on Robotics, Intelligent Control and Artificial Intelligence, pp.605-610, 2019 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 27/6/2021 06/8/2021 15/8/2021 Hướng nghiên cứu tiếp xét đến toán động học cho việc xác định mối liên hệ dịch chuyển xy lanh thuỷ lực tốc độ di chuyển đầu cắt chiều dày phoi cắt vệt cắt Thêm vào đó, khai thác cần xem xét điều kiện ổn định khả an toàn thiết bị vùng mở rộng phải kể SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 331 ... thiết bị A2 công tác máy đào cần hai đoạn lắp đầu cắt H 1max ab B2 ac C2 C3 Rmax Hình Sơ đồ xác định vùng làm việc gầu xúc Như vậy, tích hợp đầu cắt lên máy đào cần hai đoạn, kích thước khâu... lựa chọn máy đào sở máy Hitachi EX400LC-5 [7] đầu cắt MB-R800 với số thơng số sau: (i) Máy đào cần đoạn: a1 = 7,253m, a2 = 3,051m, SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Vùng làm việc đầu cắt máy đào Từ kết... nhóm nghiên cứu, Nghiên cứu khả mở rộng phạm vi làm việc dạng thiết bị thay lắp máy đào thủy lực gầu, Tạp chí khí Việt Nam, 2015 [2] Nguyễn Văn Hiển nhóm nghiên cứu, Nghiên cứu tích hợp đầu cắt