Sau khi xây dựng mô hình 3D các chi tiết, các cụm chi tiết của TTL, tôi tiến hành lắp ráp các chi tiết, cụm chi tiết lên máy kéo Shibaura. Để thực thiện công việc này tôi khởi động Solidworks, vào môi trường lắp ráp Assembly, từ hộp thoại Insert Compoment nhấp chọn Browse để tải máy kéo Shibaura đã được vẽ ở phần trước.
Tiếp theo từ hộp thoại Insert Compoment / Assembly nhấp nút Browse ta có thể chọn các chi tiết còn lại của tay thuỷ lực như cẳng tay, cánh
tay, trụ xoay, ghế ngồi, càng ngoạm, các xilanh thuỷ lực, các loại chốt,….để đưa vào môi trường lắp ráp.
Sau khi đã đưa các chi tiết vào môi trường lắp ráp ta tiến hành lắp ráp các chi tiết lại với nhau bằng cách sử dụng các ràng buộc phù hợp như
Concentric, Distance, Coincident, parallel, perpendicular, .. trong hộp thoại Mate để lắp các chi tiết và các cụm chi tiết của tay thuỷ lực thành kết
Hình 3.14. Tay thuỷ lực lắp sau máy kéo Shibaura 3.2. Mô phỏng động tay thuỷ lực lắp trên máy kéo Shibaura SD 2843.
3.2.1. Mô phỏng tháo, lắp tay thuỷ lực bốc dỡ gỗ.
3.2.1.1. Mô phỏng tháo
Để mô phỏng việc tháo các bộ phận và các chi tiết của tay thuỷ lực ta sử dụng lệnh Explode View để tách lần lượt các bộ phận và các chi tiết của TTL. Sau khi gọi lệnh xuất hiện hộp thoại Explode, ta nhấp chọn chi tiết cần tách khỏi cụm chi tiết. Khi đó xuất hiện biểu tượng hệ trục toạ độ và con trỏ chuột.
Ta nhấp chọn trục để di chuyển chi tiết theo trục đó. Di chuyển con trỏ chuột để xác định khoảng cách hoặc nhập khoảng cách vào hộp thoại Explode sau đó nhấp chọn Apply để mặc định sự di chuyển của chi tiết đó.
Để mô phỏng toàn bộ quá trình tháo tay bốc thuỷ lực tôi tiến hành tháo lần lượt các bộ phận của TTL trước theo trình tự từ cụm ngoạm, xilanh co duỗi cẳng tay, cẳng tay, xilanh nâng hạ cánh tay, cánh tay, ghế ngồi, và cuối cùng là trụ quay như hình 3.15:
Hình 3.15: Mô phỏng tháo tay thuỷ lực
Sau khi đã tháo rời từng bộ phận tôi tiến hành tháo từng chi tiết của từng bộ phận một như cụm ngoạm, cẳng tay, cánh tay, trụ quay,…như hình 3.16:
Hình 3.16: Mô phỏng tháo các bộ phận của tay thuỷ lực
3.2.1.2. Mô phỏng lắp ráp
Sau khi tháo các chi tiết bằng lệnh Explode View để thể hiện trình tự
lắp ráp, bằng hình ảnh động ta tiến hành mô phỏng quá trình lắp ráp. Để làm việc này trước tiên ta chọn trang Configuration Manager. Sau đó nhấp chọn
Explvieww 1 trong cây phả hệ, nhấp phải chuột và chọn Animate Collapse.
Khi đó quá trình lắp ráp sẽ được mô phỏng động trên màn hình đồ hoạ và xuất hiện thanh công cụ với các nút lệnh:
Normal: Mô phỏng quá trình lắp một lần và dừng lại
Loop: Mô phỏng quá trình lắp liên tục cho tới khi ta tiến hành nhấn nút Stop; Reciprocate: Mô phỏng quá trình lắp ráp và tách các chi tiết liên tục cho tới khi ta nhấn nút Stop;
Slow Display: Tốc độ mô phỏng chậm; Fast Display: Tốc độ mô phỏng nhanh; Stop: Dừng mô phỏng;
Save: Lưu kết quả mô phỏng thành file: *.AIV để chạy mô phỏng; Play: Xem lại kết quả mô phỏng sau khi ta dừng.
Sau khi mô phỏng lắp ráp các chi tiết ở trạng thái lắp lại với nhau, để tách các chi tiết ban đầu ta chọn ExplView 1 trong cây phả hệ, nhấp chuột phải và chọn Explode.
3.2.2. Mô phỏng động tay thuỷ lực bốc dỡ gỗ.
3.2.2.1. Lập mô hình mô phỏng
Mô hình 3D của TTL đã được mô phỏng bằng phần mềm SolidWorks. Từ đó chúng ta có thể mô phỏng các quá trình làm việc của TTL bằng Cosmos motion trong Solidworks như sau:
Trong cây thư mục chuyển động, kích chuột phải vào Motion Model, sau đó chọn IntellMotion Builder, sau đó chọn các thông số cần thiết cho chuyển động.
1. Khai báo hệ thống đơn vị đo ( Units).
2. Khai báo gia tốc trọng trường cho môi trường mô phỏng ( Gravity). 3. Khai báo các liên kết ( Joints).
Trong Cosmos motion, việc liên kết các chi tiết lại với nhau được thực hiện thông qua việc tạo nên các khớp liên kết. Thư viện khớp nối của Cosmos
motion có đầy đủ các loại khớp như: khớp bản lề ( Revolute); khớp trụ
(Cylindrical); khớp cầu ( Spherical); khớp tịnh tiến ( Translational); cố
định chi tiết (Fixed);…
Sau khi lắp ráp các chi tiết và chuyển sang môi trường mô phỏng (motion), Chúng ta cần chú ý rằng trước khi tiến hành gán khớp phải xác định đối tượng nào là đối tượng cố định , đối tượng nào là đối tượng di động. Để mặc định chi tiết là chi tiết cố định hay chi tiết di động ta chọn Motion trên thanh công cụ, sau đó chọ chi tiết, tương ứng với mỗi chi tiết ta chọn Ground cho chi tiết cố định và Moving cho chi tiết chuyển động.
Theo mặc định, sau khi lắp ráp giữa các chi tiết lắp ráp với nhau sẽ tự động được gán các khớp tương ứng với các lựa chọn trong lệnh mate. Tuy nhiên trong một số trường hợp ta phải xoá các khớp mặc định và tiến hành gán lại các khớp sao cho phù hợp với mô hình như gắn cứng các chi tiết. Để gắn cứng các chi tiết ta vào Cosmos motion, chọn joid/fix/chọn hai chi tiết
gắn cứng/Apply. Làm lần lượt với các chi tiết phải gắn cứng.
Căn cứ vào nguyên lý làm việc của TTL ta tiến hành khai báo các khớp liên kết các chi tiết cho phù hợp. Mỗi liên kết được gán chuyển động sẽ có các ký hiệu cụ thể.
Các thông số của chuyển động sẽ được xác định trong các bảng
4.Khai báo các lực( Force/Moment).
- Lực tác dụng: Lệnh Action only Force với hộp thoại Insert Action Only Force.
- Mômen tác dụng: lệnh Action only moment - Phản lực: lệnh Action/ Reaction Force
Sau khi thiết lập các thông số, ta kích chuột vào biểu tượng Run Simulation ở cuối cây phả hệ để xem chuyển động cụ thể.
Sau khi tiến hành các khai báo cần thiết cho TTL trong Cosmos Motion ta được mô hình như hình 3.17:
Hình 3.17. Mô hình TTL trong CosmosMotion sau khi tiến hành đầy đủ các khai báo
3.2.2.2. Chạy mô phỏng
Các lệnh hỗ trợ quá trình mô phỏng động học nằm trên thanh công cụ
Cosmos Motion hoặc trên menu Cosmos Motion
- Bấm nút Play như hình ….để chạy mô phỏng.
Sau khi chạy mô phỏng, Cosmos Motion có thể lưu lại toàn bộ các biến đổi động lực học của hệ và cho phép người sử dụng lấy kết quả ra dưới dạng các đồ thị. Để lấy được kết quả ta thực hiện các thao tác sau:
Từ hộp thoại Main menu, click chuột phải lựa chọn chi tiết, tìm đến công cụ Plotting và click chuột trái vào đó, hộp thoại Cosmos Motion/PostProcessor xuất hiện, ta bấm chọn vào đối tượng cần lấy thông số
Động lực học.
Compoment liệt kê đầy đủ các loại thông số ĐLH (lực, mômen, chuyển dịch, vận tốc, gia tốc…theo các phương X, Y và Z), ta bấm chọn một thông số cụ thể (cũng có thể chọn nhiều thông số cùng một lúc, khi đó các đồ thị sẽ được biểu diễn trên cùng một hệ trục toạ độ).
Hình 3.18. Mô hình TTL trong CosmosMotion tiến hành mô phỏng quá trình làm việc
Kết luận chương 3:
Nội dung chương 3 là xây dựng mô hình 3D của TTL sau đó tiến hành mô phỏng tháo lắp và mô phỏng động quá trình làm việc của TTL.
Bằng phần mềm Solidworks, tôi đã vào môi trường vẽ phác trong phần mềm Solidworks để xây dựng mô hình cấu trúc phân mảnh các bộ phận cấu thành nên TTL. Từ cấu trúc phân mảnh của các bộ phận vừa xây dựng đó tôi vào môi trường lắp ráp trong Solidworks để xây dựng mô hình 3D của các bộ phận của TTL cũng như mô hình 3D của cả tay bốc thuỷ lực.
Bằng Cosmosworks trong phần mềm Solidworks tôi Đã mô phỏng được việc tháo lắp các bộ phận của tay thuỷ lực lắp sau máy kéo Shibaura như: trụ xoay, cánh tay, cẳng tay, ghế ngồi và hộp dụng cụ, các xi lanh nâng hạ cánh tay, xilanh co duỗi cẳng tay, cụm ngoạm gỗ và các chốt. Các bộ phận được mô phỏng mang tính trực quan, thuận lợi cho việc chỉ đạo gia công lắp ghép và chuyển giao công nghệ kỹ thuật.
Bằng CosmosMotion trong phần mềm Solidworks tôi đã mô phỏng động được hoạt động trong quá trình làm việc của TTL lắp sau máy kéo Shibaura. Việc mô phỏng hoạt động giúp cho việc hướng dẫn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của TTL trong chuyển giao kỹ thuật trở lên đơn giản và dễ hiểu.
1
Chương 4
KHẢO SÁT ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG CỦA MỘT SỐ CHI TIẾT CỦA TAY THUỶ LỰC
4.1. Cơ sở khảo sát ứng suất, biến dạng tay thuỷ lực
Để xác định độ ổn định và độ bền của kết cấu đã cho, dưới các trạng thái tải trọng khác nhau, ta cần phải quan sát ứng suất và biến dạng trên các chi tiết của kết cấu khi chúng đang chịu tải. Có nhiều phương pháp khác nhau để tính ứng suất và biến dạng. Một trong các phương pháp này gọi là phân tích phần tử hữu hạn (FEA – Finite Element Analysis).
Trong Solidworks, với chức năng CosmosWorks và nút lệnh Cosmosxpress Analysis Wizard trên thanh công cụ Standard ta có thể phân tích ứng suất và biến dạng.
Phân tích ứng suất và biến dạng theo phương pháp phần tử hữu hạn.
Trong bài toán cơ học [25], khi ngoại lực tác dụng vào một vật thể, khiến vật thể bị biến dạng và nội lực cân bằng với ngoại lực. Các ẩn số của bài toán được hình thành. Bài toán cơ học thường có dạng phương trình vi phân, chúng thường thoả mãn ba điều kiện ràng buộc:
1- Điều kiện vật liệu (định luật Hooke,..); 2- Tính tương thích; 3- Cân bằng lực 0 0 n i i F
Nội dung cơ bản của các bước giải một bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc là:
- Chia vật thể ra thành nhiều phần tử sao cho tính chất vật lý của từng phần tử không thay đổi. Nếu vật thể có dạng biên phức tạp thì nên chia các phần tử gần biên nhỏ hơn nữa (mịn hơn). Làm như vậy ta có thể dùng các phần tử đơn giản thay cho các phần tử phức tạp.
- Tìm phiếm hàm. - Tìm điều kiện biên
2
- Dùng các hàm số tạo hình để tìm ra các ma trận cứng của các phần tử. - Kết nối các phần tử với nhau qua các nút để thu được hệ thống phương trình cho cấu trúc.
- Giải hệ thống phương trình để xác định các ẩn số là chuyển vị. - Từ chuyển vị, tính toán suy ra độ biến dạng và ứng suất.
Trong bài toán xác định ứng suất và biến dạng có thể được tính toán theo các cách khác nhau, nhưng với những hình dạng hình học và điều kiện biên phức tạp hơn, đòi hỏi cần phải có phương pháp khác phù hợp hơn. Phương pháp phần tử hữu hạn cùng với các phần mềm tính toán là lựa chọn phù hợp cho bài toán xác định ứng suất và biến dạng của kết cấu.
Để có thể xác định được ứng suất và biến dạng của các bộ phận của tay thuỷ lực trước tiên ta phải xác định được các lực (phương, chiều và độ lớn) tác dụng lên các bộ phận của tay thuỷ lực. Từ các giá trị là phương và chiều của lực ta tiến hành vẽ các mặt khẳng, các khối hình để chọn mặt phẳng đặt lực cho các bộ phận đó. Sau khi đã xác định được lực và vị trí đặt lực ta tiến hành khảo sát ứng suất và biến dạng của các bộ phận tay thuỷ lực như sau:
Sau khi vẽ xong tôi nhấp chọn nút lệnh Cosmosxpress analysis wizard trên thanh công cụ standard khi đó Cosmosxpress xuất hiện.
Trên hợp thoại Cosmosxpress ta tiến hành các bước thao tác như sau: nhấp chọn Next để chuyển sang trang Material, ở trang này ta chọn vật liệu để gán
3
cho mô hình sau đó nhấp Apply để mặc định vật liệu đã chọn. tiếp theo nhấn nút
Next để chuyển sang trang Restaint, ở trang này ta chọn mặt để gán gối tựa và
nhập tên gối tựa. tiếp theo nhấn nút Next để chuyển sang trang Load, ở trang này ta chọn mặt để gán lực. tiếp theo nhấn nút Next, chọn lực (force)/Next/ nhập tên gối tựa/Next/ Nhập giá trị lực tác dụng. tiếp theo nhấn nút Next để chuyển sang trang
Analyze, ở trang này ta nhấp chọn Run để bắt đầu quá trình tính toán. Sau khi tính
toán hộp thoại Cosmosxpress chuyển sang trang Results. Trang này thông báo về tính toán. tiếp theo nhấn nút Next để chuyển sang trang Optimize, lựa chọn Yes và nhấn nút Next, trong hộp thoại Cosmosxpress có các lựa chọn để xác định hệ số an toàn, ứng suất và chuyển vị lớn nhất. sau khi thay đổi kích thước, nhấn nút Next để hiển thị kết quả.
Trong đề tài này tôi tiến hành khảo sát ứng suất và biến dạng của một số bộ phận của tay thuỷ lực ở vị trí làm việc nguy hiểm như trường hợp TTL làm việc ở chế độ vươn xa nhất với tải trọng nâng là lớn nhất, trường hợp TTL làm việc ở vị trí thấp nhất với tải trọng nâng là lớn nhất và trường hợp TTL làm việc ở vị trí cao nhất với tải trọng nâng là lớn nhất. Với ba vị trí làm việc như trên tôi có thể căn cứ vào báo cáo khoa học của đề tài nhánh cấp nhà nước KC - 07 - 26 – 05 [2] để xác định các lực tác dụng lên tay thuỷ lực như sau:
Chiều dài lớn nhất của gỗ là: 4m
Chiều cao xếp tải lên moóc (kéo theo máy kéo Shibaura): 1m Tải trọng gỗ tối đa là: Qy = 2000N
Lực quán tính Fqt = N gt v Qy 30 4 . 10 6 , 0 . 2000 . max
Tải trọng nâng tối đa là Pz = Qy + Fqt = 2030N
* Trường hợp TTL làm việc ở chế độ vươn xa nhất với tải trọng nâng
là lớn nhất:
Sơ đồ lực tác dụng lên TTL ở chế độ vươn xa nhất với tải trọng nâng là lớn nhất được trình bày ở hình 4.1
4 a b c d e f g g g p c p z ? a a a a a 1 0 2 3 4 h i g a b c d c e f g z p cy r cz r cx r p p cx r cz r cy r p p c r gy r gx r gz r gx r gy r rgz p g rhx rix h i c p pc
Hình 4.1. Sơ đồ lực tác dụng lên TTL ở chế độ vươn xa nhất với tải trọng nâng là lớn nhất
Từ kết quả báo cáo khoa học [2] tương ứng với sơ đồ lực tác dụng trên ta có được các giá trị lực tác dụng như sau:
Lực nâng cẳng tay là Pp = 15372N Lực nâng cánh tay là Pc = 52024N Lực tác dụng lên cẳng tay là: RGz = -37568N; RGx = 29840N Lực tác dụng lên cánh tay là: Rcz = 11902N; Rcx = -12892N Lực dọc cẳng tay là: NCA = 1208N; NDC = -3199N Lực dọc cánh tay là: NEC = -694N; NGE = 16185N Lực dọc trên trụ là là : R = 37568N
5
* Trường hợp TTL làm việc ở vị trí thấp nhất với tải trọng nâng là lớn nhất
Sơ đồ lực tác dụng lên TTL ở vị trí thấp nhất với tải trọng nâng là lớn nhất được trình bày ở hình 4.2 b a c d e f g h i 1 a a2 3 a 4 a ? z p p g c g p b g a pz c d c p r i gz rix r h gy rhx g rgx rgz rcx rcz rcy gc rgx pp rgx rgx rgx rgx c e G f p pc
Hình 4.2. Sơ đồ lực tác dụng lên TTL ở vị trí thấp nhất với tải trọng nâng là lớn nhất
Từ kết quả báo cáo khoa học [2] tương ứng với sơ đồ lực tác dụng trên ta có được các giá trị lực tác dụng như sau:
Lực nâng cẳng tay là Pp = 6781N Lực nâng cánh tay là Pc = 37292N