PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN KẾT CẤU CƠ CẤU XÚC LẬT CẢI TIẾN

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

3.2. PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN KẾT CẤU CƠ CẤU XÚC LẬT CẢI TIẾN

3.2.1 Yêu cầu kỹ thuật của kết cấu khâu, khớp bộ phận làm việc xúc lật:

Căn cứ vào tình hình thực tế sử dụng máy xúc lật ở nước ta hiện nay, máy xúc lật chủ yếu được sử dụng rộng rãi và nhiều nhất ở các trạm trộn bê tông xi măng, bê tông nhựa Atphal và các mỏ khai thác vật liệu xây dựng. Do vậy, trong phạm vi đề tài thiết kế này tôi trình bày các bước thiết kế cải tiến máy xúc lật theo phương án để làm việc trong đô thị và xây dựng có khối lượng nâng chuyển nhỏ, khoảng cách nâng chuyển dưới 30m.

Sơ đồ kết cấu các khâu, khớp liên kết phía trước với máy kéo như hình sau:

Các yêu cầu kỹ thuật chính của liên hợp máy sau cải tiến là:

- Cơ cấu đơn giản, có ít số lượng liên kết khâu chính và khâu phụ, các khớp.. - Sử dụng bơm, bộ điều khiển và các xi lanh thủy lực có sẵn trên máy kéo Kubota L1500.

- Bảo đảm khả năng làm việc linh hoạt ở tất cả các vị trí: đẩy xúc khi thấp nhất tại mặt bằng, xúc đầy gầu, nâng được đến độ cao trên 2.000 mm (phía trên thùng chứa xe ô tô tải nhỏ..) đổ trút vật liệu hoàn toàn.

- Bảo đảm khả năng di chuyển của liên hợp máy có tải đầy gàu (0,2 m3) một cách ổn định, không lật dọc và lật ngang.

- Điều khiển dễ dàng, bảo đảm an toàn cho máy và người khi làm việc.

3.2.2. Xác định cáccơ cấu làm việc khâu, khớp chính và chọn vật liệu:

Căn cứ sơ đồ liên kết hình 3.5. ta có:

- Hai cần chính song hành để nâng, hạ gầu là khâu: A1FG trên hình vẽ liên kết với khung máy kéo bằng khớp bản lề, một đầu của khâu liên kết với gầu xúc. Sử dụng thép tấm bản dày 50mm - C45.

- Hai cần phụ để điều chỉnh gầu xúc là khâu CD, một đầu của khâu liên kết với gầu xúc, đầu kia với xilanh lực. Sử dụng thép tấm bản dày 50 mm - C45.

- BC là các khâu dẫn trung gian. Và các kết cấu nối tiếp liên kết với khung máy bằng các bu-lông chịu lực.

- EF là khâu động (2 xi lanh thủy lực nâng chính, có chiều dài tối đa 900 mm) - AB là khâu động (2 xi lanh thủy lực điều khiển gầu xúc 3 vị trí, có chiều dài tối đa 900 mm)

- Gầu xúc bao gồm: thân gầu có hình lòng chảo không đều, mép dưới gắn lưỡi xúc với các kích thước theo bản vẽ thiết kế. Lưỡi xúc chế tạo riêng bằng thép tấm C45, dày 10 mm, tôi phần lưỡi; liên kết bằng các bu lông chìm với thân gầu. Thân gầu xúc sử dụng thép tấm C30, dày 5 mm. Mặt sau hàn các khâu có khớp bản lề nối với cần chính và cần phụ.

3.3. LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHO CƠ CẤU XÚC LẬT3.3.1. Tính tải trọng nâng lớn nhất của gầu xúc: 3.3.1. Tính tải trọng nâng lớn nhất của gầu xúc:

a)Tải trọng gầu xúc khi làm việc đầy gầu:

Trong đó:

QH: Tải trọng nâng lớn nhất

QH = Vh.Kd. (2)

Vh = 0,2 m3

: dung tích gầu

Kd = 1,25: Hệ số điền đầy gầu (hệ số chứa). Khi xúc đầy hơn thể tích gầu.

 = 1,7 T/ m3

: Khối lượng thể tích của sỏi. Đặt G1 là tải trọng nâng lớn nhất ta có: G1= Vh.Kd. = 0,2.1,25.1700 = 425 (kG).

b) Tải trọng do khối lượng tự có của các khâu, khớp và gầu xúc: G2 = 300 kG c)Tổng tải trọng cần nâng: Tải trọng cộng với tự trọng lớn nhất là:

G0 = G1 + G2 = 725 (kG)

3.3.2. Xác định lực đẩy gầu lớn nhấtđể xúc vật liệu:

Lực kéo lớn nhất PKmax đặt trên bánh chủ động được tính theo khả năng bám của liên hợp máy như sau:

PKmax= Gb x b (kG) (3) Trong đó:

Gb: trọng lượng bám của máy . Gb= 0,8 x m = 0,8 x 700 = 560 (kG)

b: hệ số bám của bánh với nền (b= 0,8)

Thay số ta có: PKmax= Gb x b= 560 x 0.8 = 448 (kG)

PKmax đủ khả năng đẩy gầu xúc vào vật liệu rời, bảo đảm xúc đầy gầu.

3.3.3 Lập biểu thức cân bằng mô men chống lật để xác định thông số hình học của các khâu theo tải trọng tối đa của cơ cấu xúc lật: các khâu theo tải trọng tối đa của cơ cấu xúc lật:

Để xác định được các khoảng cách của khâu phù hợp trên cơ sở tải trọng max mà vẫn bảo đảm lực nâng được của 2 xi lanh thủy lực chính, ta cần lập phương trình cân bằng mô men chống lật dọc cho liên hợp máy khi làm việc với tải lớn nhất đã xác định.

Khi nâng gầu toàn tải, tải trọng đè lên 2 bánh trước, đồng thời sẽ tạo ra mô men ngược dồn toàn bộ khối lượng phía sau máy kéo cùng đè lên 2 bánh trước.

Hình 3.6. Sơ đồ xác định lực nâng tối đa của cơ cấu xúc lật

Các điều kiện đầu khi nâng gầu ở trạng thái cân bằng của liên hợp máy là: -g: là gia tốc trọng trường (m/s2)

-G1: Tự trọng của gầu (35 kg);

-G2: Tải trọng xúc khi đầy gầu (390 kg) -G3: Tự trọng của khung + 2 xilanh (300 kg); -Gmk là trọng lượng máy kéo = 700 kg;

-G đt là khối lượng đối trọng phía sau.

-l1; l2; l3; … là các kích thước (mm) được xác định từ quan hệ cơ cấu trên hình vẽ. -Khối lượng thể tích của sỏi, đá dăm cở 1-2 mm (ɤ0 =1700 kg/m3);

-Gđt (kg) là khối lượng của đối trọng cần lắp để cân bằng bảo đảm chống lật dọc. -Các kích thước khác đo thực tế trên máy kéo Kubota L1500.

Phương trình cân bằng chống lật của liên hiệp máy xúc lật cải tiến, khi làm việc với tải trọng tối đa sẽ là:

Khi tính cân bằng lật dọc thì điểm đặt lực ở vị trí là hai bánh trước, còn khi tính toán lực nâng tối đa thì điểm đặt lực tại chốt quay của cần chính (chân cần).

Rõ ràng để không lật khi xúc nâng thì phải thỏa mãn điều kiện:

g (G1+G2).lcần + g.G3 . lcần g (Gmk (2(l1 + l2)/3) + g (Gđt(l1 + l2 + l3)

10 x 420 x 1,75 +10 x 300 x 0,875 ≤ 10 x 700 x 0,9 + 10 x Gđt x 2,05 3.587,3 ≤ 20,5 Gđt => Gđt ≥ 174,9 (kG)

Từ điều kiện này, thay các số liệu trên vào biểu thức ta chọn được các điều kiện, thông số và kích thước chính của cơ cấu như sau:

- Với kết cấu được chọn trên hình 3.6 hệ thống khi nâng tải không bị lật, có hệ số an toàn đến 2 lần tải trọng nâng.

- Chiều dài của 2 cần chính l = 1750 mm; Trong đó:

-G0: trọng lượng toàn bộ của bộ phận công tác khi có tải = 725 kg. -G0 = GmK0 (kG)

-Gmk : trọng lượng máy cơ sở. -Gmk = 700 kg  686 (kG) -K0: Hệ số thực nghiệm. -K0= 0,25-0,35

-Ta chọn K0 = 0,25  G0= 686 x 0.25 = 171,5 (kG)

-Các khoảng cách l (trên hình vẽ), a, b, ta xác định được cho thiết kế, chế tạo là: l = 1690 (mm) a = 450 (mm) b = 900 (mm)

Chiều dài tổng của cần lcần =1750 mm, với 02 khớp bản lề theo kích thước. - Do phương trình ổn định trên đường ngang có sai lệch không lớn (vài cm) của điểm đặt lực ở khâu chính, phù hợp với điều kiện cải tiến do đó chúng tôi sử dụng phương trình này có thể điều chỉnh một vài kích thước của cần chính và cần phụ nhằm tạo điều kiện cho việc cải tiến những thiết bị khác.

- Ta tính theo khối lượng ban đầu của máy vì khi khối lượng của máy có thêm tải trọng, lúc này lực bám sẽ lớn hơn và chúng tôi sử dụng lực truyền nhỏ do đó lực đẩy sẽ lớn hơn.

- Hệ thống phanh ở tỉ số truyền nhỏ trên mặt bằng ngắn của công trình,hệ thống phanh có quá tải, nhưng vẫn đủ khả năng làm việc.

3.3.4. Lập biểu thức để xác định lực nâng tối đa theo các thông số tải trọng của xi lanh thủy lực: lanh thủy lực:

Dựa vào phương trình cân bằng chống lật của toàn máy, với để ý rằng, vị trí nâng ban đầu (sau khi xúc đầy gầu) của cơ cấu nâng cần chính (hình vẽ 3.6) dùng 2 xi lanh thủy lực đẩy lên cần có góc nghiêng α nhỏ nhất và cánh tay đòn lực là lớn nhất do đó đây là vị trí đòi hỏi lực đẩy của 2 xi lanh phải là lớn nhất.

Ngược lại, vị trí khi nâng gầu đến độ cao nhất thì lực đẩy của 2 xi lanh là nhỏ nhất (khi α lớn nhất, gần 900 khi đó Sin α = 1).

Chú ý: α là góc nghiêng tạo ra giữa trục của xi lanh nâng cần chính với phương ngang, góc α ban đầu xác định trực tiếp trên cơ cấu là 300. Như vậy để tạo ra lực nâng theo phương đứng, tại vị trí thấp nhất sau khi xúc (đầu hành trình) thì cơ cấu nâng này cần có lực đẩy của 2 xi lanh lớn hơn rất nhiều so với vị trí đẩy cuối hành trình do phương của lực và góc α của 2 xi lanh không trùng phương nâng đứng.

Để xác định lực đẩy cực đại vị trí nâng ban đầu cần thiết ta cần xác định lực nâng tối đa cần thiết, theo phương đứng là F đứng-max (kG) (khi tốc độ nâng nhỏ, bỏ qua lực quán tính):

F đứng max = G0.g = 625 kg x 9,81 m/s2 600 kG (5)

Để xác định lực đẩy cực đại F xilanh-max của 2 xi lanh tại vị trí nâng ban đầu cần thiết, ta phải lập biểu thức cân bằng lực khi nâng gầu xúc đầy vật liệu như sau:

F đứng-max ≤ 2. F xilanh-max . sin α . (g (G1+G2) . lcần + g. G3 . lcần ) x 1,52 m. (6)

Từ đó rút ra:

F xilanh-max ≥ 1,52 . F đứng-max / 2 (sin α . (g (G1+G2)/lcần + g. G3 . lcần ).

Thay số vào, biểu thức có thể viết lại là:

F xilanh-max ≥ 1,52 x 600 kG. / 2 x 0,5 (9,81 x 420 x 1,75 + 9,81 x 300 x x 1,75).

F xilanh-max ≥ 912/ 9785 = 0,09 (6b) Kết quả tính toán là: Fxilanh-max ≥ 0,09

Kiểm tra khả năng đẩy thực tế F xilanh-max của 2 xi lanh thủy lực có sẵn trên máy kéo Kubota L 1500 tương ứng các điều kiện:

Các cơ cấu đã chọn để tái sử dụng được bơm thủy lực trên máy kéo KUBOTA L1500 có các thông số như sau:

-Q = 53 lít/phút

Điều kiện bảo đảm khả năng nâng cho hệ thống: F xilanh-max thực ≥ F xilanh-max

F xilanh-max thực = P. S = 56 . π.D2/4 ≥ F xilanh-max (kG) (7) Trong đó:

- P là áp suất tối đa của bơm.

- S là diện tích đẩy của pít tông – xi lanh thủy lực. D = 0,05 m Fxilanh-max thực = 56 . 3,14. D2/ 4 = 0.11 (kG)

Thay số vào (7) và đối chiếu với (6b); Đối chiếu kết quả tính toán trên, ta có: Fxilanh- max thực = 1,22 x Fxilanh max

- Hai xi lanh thủy lực nâng chính có Dxi lanh TL = 50 mm, có chiều dài (500 -900) mm là phù hợp và bảo đảm khả năng làm việc cùng với cơ cấu xúc lật đã chọn.

Vì xy lanh được thiết kế tiêu chuẩn nên ta chỉ cần tính tải trọng tối đa để chọn xy lanh Phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của máy mà không cần thiết kế và tiến hành kiểm tra xylanh trong thời gian thực nghiệm của máy.

3.4. TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN

CỦA CƠ CẤU XÚC LẬT

3.4.1. Tính toán thiết kế gầu xúc:

A)Xác định hệ thống lực tác dụng lên gầu xúc.

Để tính toán thiết kế gầu xúc, ta tính toán gầu trong trường hợp máy làm việc bất lợi nhất: Máy vừa tịnh tiến lên dốc đi lên đống vật liệu vừa hạ gầu để xúc vật liệu đồng thời nâng và lật gầu để đổ vật liệu vào thùng xe. Do vậy khi gầu xúc làm việc nó vừa di chuyển để tích vật liệu vào gầu như lưỡi ủi,vừa quay gầu như gầu ngửa của máy đào gầu ngửa.

B) lực tác dụng vào lưỡi gầu khi gặp vật cản: rx, ry.

Ta dùng hai lực này để tính bền cho gầu. [5] Rx = PK - W + V . c.m (8)

Trong đó:

Gm= m x g = 700 x 9,8 = 6860 (N) = 686 (kG) W- Lực cản di chuyển W = Gm x f F - Hệ số ma sát F = 0,04 (bánh lốp) Vậy: W = 686 x 0,04 = 27,44 (kG) Thay số ta có: Rx = 448 – 274,4 + 1, 9 x = 568,03 (kG)

*Lực tác dụng lên gầu xúc theo phương nâng gầu

Ry = l a G b Gm.  0.

Hình 3.7. Sơ đồ kết cấu máy xúc lật cải tiến

Trong đó:

G0: trọng lượng của bộ phận làm việc xúc lật. [5]

G0 = GmK0 (kG) (9)

K0: Hệ số thực nghiệm.

K0= 0,25-0,35

Ta chọn K0 = 0,25  G0 = 686 x 0.25 = 171,5 (kG)

Các khoảng cách l, a, b, ta xác định được qua tổng hợp cơ cấu là:

L = 1.690 (mm) a = 450 (mm) b = 900 (mm) Vậy: (10) Các thông số chính để thiết kế gầu xúc.

Hình 3.8. Sơ đồ tính toán gầu xúc

- Bề rộng của miệng gầu:

Bg= 2 g L + b (9) Trong đó:

Lg - Chiều dài gầu bằng bề rộng máy cơ sở: Lg= 1.100 (mm)

b = 100 200 (mm) Chọn b = 150

Trong đó:

Vg: Dung tích gầu xúc

Vg = 0,2 m3

Vậy chiều sâu của gầu là 300 mm.

Vì lực đẩy để xúc và xoay gầu đều truyền qua hai cần chính và hai cần phụ cùng các xy lanh thủy lực, mặt khác câc lực này nhỏ so với lực nâng cần chính và gàu nên chúng tôi chọn xy lanh thủy lực cùng thông số kỹ thuật.

3.4.2. Tính toán xác định thông số thiết kế 2 cần chính cơ cấu xúc

Xét trạng thái máy xúc chứa đầy vật liệu. Đây là trạng thái làm việc bất lợi nhất bởi máy phải chịu cả lực động và lực ngẫu nhiên do nhiều nguyên nhân gây ra. Lúc đầu hạ gầu xúc xuống đống vật liệu, cho máy chuyển động tịnh tiến, gầu từ từ đẩy vào đống vật liệu với chiều sâu cắm không lớn, sau đó vừa nâng gầu vừa cho máy di chuyển chậm về phía trước, gầu được chất vật liệu dần dần.

Hình 3.9. Sơ đồ mô phỏng lực tác dụng lên cần gầu xúc

Lực tác dụng lớn cần xúc bao gồm:

+ P01: Lực cản đưa gầu cắm vào đống vật liệu. +P02: Lực cản xúc vật liệu khi nâng hoặc đóng gầu. + Gt: Trọng lượng của tay gầu (cần phụ ).

Theo thực nghiệm: P01=1,6.k1.k2.B.S (10) [9] Ở đây: k1- Sức cản riêng đẩy gầu vào đống vật liệu.

+ đối với cát: k1=1x103 kG/m2.

+ đối với đất đá hỗn hợp: k1=2x103 kG/m2. + đối với đá cục Granit: k1=4x103 kG/m2. Chọn: k1=2 x 103 (kG/m2) k2 - Hệ số kích thước hạt vật liệu. khi kích thước hạt a100 mm, k2=1; khi kích thước hạt a200 mm, k2=1,25; khi kích thước hạt a300 mm, k2=1,75; khi kích thước hạt a 400 mm, k2=2,5. Chọn: k2=1,25

Lg - Chiều dài gầu (m), L = 1,1 m.

S - Chiều sâu cắm gầu vào đống vật liệu (m), S = 0,6m Khi đó:

P1 = 1,6 x 2 x 103 x 1,25

Hình 3.10. Sơ đồ biểu thị lực cắt vật liệu của gầu

C: Lực dính bám của vật liệu trên một đơn vị diện tích (kG/m2)

Từ lý thuyết vật liệu xốp, ta thấy trong cân bằng giới hạn, sự trượt xảy ra thuận lợi là theo mặt phẳng nghiêng đặt dưới góc 450- /2 so với phương ứng suất chính.

liệu sẽ là OA và OB. Tại mặt cắt OA lực cản là nhỏ nhất, vật liệu bên phải mặt cắt OA sẽ rơi vào gầu. Để nâng gầu lên phải thắng được lực cản theo mặt trượt OB.

Chiếu lực P02 theo hướng OB và theo hướng vuông góc với nó:

C F tg P F P    /2) sin(45 /2)  45 cos( 0 02 0 02      . . ). 2 45 sin( ) 2 45 cos( 1 . 0 02 CF tg F C p      Trong đó: F là diện tích tiếp xúc (m2), F=h0.B Theo định lý hàm sin: ) 2 45 sin( sin . 0 0      S h

Với Bm - Chiều rộng miệng gầu (m), Bm = 0,7 (m). S - Chiều sâu gầu tiếp xúc vào đống vật liệu (m)