Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.4. Xác định các thông số đầu vào
2.4.1. Mơ hình 3D và các thơng số động lực học của các khâu
Để có thể nghiên cứu mơ phỏng được q trình làm việc của thiết bị cơng tác máy xúc gầu nghịch cần thiết phải có đầy đủ thơng số về hình dáng, kích thước, khối lượng, mơ men qn tính của các khâu. Kết quả tính tốn của luận văn lựa chọn máy xúc DOOSAN DX350LC. Đây là loại máy xúc gầu nghịch bánh xích có cơng suất lớn, thể tích gầu xúc có thể lên đến 1,83m3 được sử dụng chủ yếu trong khai thác mỏ. Các thông số kết cấu của các khâu trong TBCT máy xúc thường rất khó xác định vì các tài liệu đi kèm thường phục vụ cho quá trình khai thác vận hành. Do đó, luận văn đã giải quyết vấn đề trên bằng cách thiết kế 3D toàn bộ TBCT của máy xúc DOOSAN DX350LC bằng phần mềm Solidworks 2018.
a) Cần máy b) Tay gầu
c) Gầu xúc d) Xi lanh thủy lực
70
Các chi tiết, cụm chi tiết của TBCT được thiết kế riêng rẽ và lắp ghép với nhau. Các cụm chi tiết liên quan đến nội dung nghiên cứu ở trạng thái không liên kết được thể hiện dưới hình 2.26a,b,c,d. Các đặc trưng hình dáng, cơ học của các khâu trong hệ phương trình vi phân chuyển động sẽ nhận được khi khai báo vật liệu của các khâu này. Các đặc trưng hình học của các khâu sẽ được đưa vào mơ hình trong Matlab-SimMechanic.
Sau khi thiết kế 3D các chi tiết, ta tiến hành lắp ráp các khâu với nhau theo các liên kết động học của TBCT. Mơ hình 3D TBCT máy xúc DOOSAN DX350LC được thể hiện trên hình 2.27
Hình 2.27. Mơ hình 3D của TBCT máy xúc DX350LC
Thơng số động lực học của các khâu được trình bày trong phụ lục 1
2.4.2. Các thông số của hệ thống thủy lực
Để có thể xây dựng được mơ hình hệ thống thủy lực TBCT máy xúc gầu nghịch cần phải biết các thông số của các phần tử trong hệ thống. Trong luận văn này sử dụng các thông số của máy xúc DOOSAN DX350LC. Các thông số của hệ thống thủy lực được tra từ catalog theo máy. Bảng 2.4 cho thấy các thông
71
số các phần tử của hệ thống thủy lực. Các thông số này sẽ được khai báo trong q trình mơ phỏng bằng Matlab-SimHydraulic.
Bảng 2.4. Các thông số của các phần tử trong hệ thống thủy lực
TT Tên phần tử Thông số khai báo Số lượng
1 Bơm thủy lực Rexroth A8V160 Thể tích riêng: qm=4.6.10-5m3/rad Tổng hiệu suất: η=0,85
Áp suất làm việc: p=35MPa Tiết diện rò rỉ: λ=10-12m2
1
2 M600SSXB160-Van PC 20BM
Chế độ làm việc: Van thường mở
Tiết diện thông qua cực đại: A = 200mm2
Hành trình mở của tiết lưu: s = 5cm Chênh áp bắt đầu đóng van: p = 6.105Pa Khoảng chênh áp làm việc: ∆p = 5.104Pa Hệ số thơng qua: δ=0,7 Độ đóng ban đầu: s0=0 Chỉ số Renol: Re=12 Tiết diện rò rỉ: λ=10-12 m2 1 3 Van an toàn Rexroth DBDS6G-30
Áp suất mở van: p=35MPa
Khoảng áp suất làm việc: ∆p=7MPa 4
4
Van phân phối 4/3 Rexroth 4WRA10
Tiết diện thông qua: A=1,5cm2
Hành trình mở của con trượt: s=0,01m Khe hở ban đầu P-A: δs=0
Khe hở ban đầu P-B: δs=0 Khe hở ban đầu A-T: δs=0 Khe hở ban đầu B-T: δs=0
72 Khe hở rò rỉ: λ=10-12m2 Hệ số Renol: Re=12 5 Xi lanh nâng hạ cần Piston area A: 0,0176 m2 Piston area B: 0,00196 m2 Piston stroke: 1,430 m
6 Xi lanh quay tay gầu Piston area A: 0.02269 m2 Piston area B: 0,00196 m2 Piston stroke: 1,810 m 7 Xi lanh quay gầu Piston area A: 0,0227 m2 Piston area B: 0,00196 m2 Piston stroke: 1,300 m
73
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Trong chương 2, luận văn đã xây dựng mơ hình động lực học của hệ thống cơ khí theo lý thuyết hệ cơ học hệ nhiều vật, xem xét TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch là một cơ hệ gồm 3 bậc tự do. Sử dụng phương pháp ma trận Denavit – Hartenberg – Craig để tính tốn động học và sử dụng phương trình Lagrange loại 2 để viết phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ. Tính tốn động lực học thống thủy lực dẫn động TBCT. Thiết lập phương trình động học và động lực học của các phần tử trong hệ thống thủy lực. Chỉ ra mối quan giữa tải trọng và vận tốc của xi lanh trong hệ thống thủy lực điều khiển bằng van trượt, đây là cơ sở để xây dựng mơ hình động lực học kết hợp giữa hệ thống cơ khí và hệ thống thủy lực dẫn động TBCT máy xúc gầu nghịch trong quá trình làm việc. Nghiên cứu nguyên lý tác động qua lại giữa hệ thống cơ khí và hệ thống thủy lực trong q trình làm việc đó là một sự liên kết động thông qua vận tốc và tải trọng tác động vào xi lanh. Xây dựng mơ hình 3D TBCT và xác định các thông số cần thiết để có thể tiến hành mơ phỏng hoạt động của thiết bị trong chương 3.
74
Chương 3
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TBCT MÁY XÚC THỦY LỰC GẦU NGHỊCH BẰNG SIMHYDRAULIC VÀ SIMMECHANIC 3.1. Tổng quan về phần mềm Matlab-Simhydraulic và Simmechanic
3.1.1. Giới thiệu thư viện SimHydraulic
Để nghiên cứu và mô phỏng một hệ thống thủy lực trên máy tính hiện nay đã có rất nhiều các phần mềm chuyên dụng như Matlab-Simulink, Automation Studio, Fluid Sim, ... Các phần mềm đó mỗi phần mềm đều có thế mạnh riêng như tính trực quan, khả năng mơ phỏng trên máy tính có thể nhìn thấy hoạt động của các phần tử thủy lực cũng như TBCT được dẫn động. Kết quả mô phỏng của các phần mềm đó có thể thu được dưới nhiều dạng kết quả như đồ thị, bảng số liệu, ...
SimHydraulic là một modul của phần mềm Matlab-Simulink chuyên
mô phỏng hệ thống thủy lực chạy trên nền lập trình của chương trình Matlab-Simulink. Các phần tử thủy lực được cung cấp trong bộ thư viện của SimHydraulic được xây dựng từ các phương trình của chính phần tử đó trong lý thuyết truyền động thủy lực, mỗi phần tử khi đưa vào sơ đồ đều được khai báo các thông số làm việc và các phần tử khác nhau được kết nối với nhau thành sơ đồ thủy lực hợp lý. Sau khi lắp ráp và khai báo hệ thống thủy lực xong tiến hành mơ phỏng thì Matlab-Simulink sẽ dựa vào các phương trình của các phần tử và các thơng số đã khai báo để giải hệ phương trình đó theo thời gian và đưa ra kết quả tính tốn. Nếu hệ thống được lập kết nối không đúng hoặc thông số khai báo không đúng sẽ làm cho Matlab không thể giải được các phương trình chứa trong các phần tử đã gọi vào và khai báo trong hệ thống thủy lực. Do vậy không tiến hành mô phỏng được, khi đó Matlab sẽ thơng báo lỗi cho chúng ta, từ thơng báo lỗi đó chúng ta sẽ tìm được nguyên nhân tại sao hệ thống không hoạt động được.
75
SimHydraulic là phần mềm mới dùng để thiết kế, mô phỏng và khảo sát hệ thống thủy lực. Tuy các phần tử chỉ là ảnh tĩnh, trong q trình mơ phỏng khơng trực quan nhìn thấy hoạt động của các phần tử đó nhưng SimHydraulic lại rất mạnh trong các khâu tính tốn cũng như việc xuất ra các kết quả mô phỏng dưới dạng đồ thị, bảng số liệu, vv... Tuy bộ thư viện được cung cấp không đầy đủ nhưng từ đó chúng ta có thể tự tạo ra cho mình các phần tử mới từ các phần tử đã có sẵn, bằng cách này chúng ta có thể tạo ra một phần tử thủy lực bất kỳ cho hệ thống, có thể tạo ra dạng tín hiệu điều khiển bất kỳ đối với phần tử, có thể đặt tải trọng bất kỳ lên TBCT. Như vậy, bằng cách tổng hợp nhiều phần tử nhỏ chúng ta có thể khắc phụ đến mức độ nào đó sự khơng đầy đủ của bộ thư viện.
Modul SimHydraulic/Matlab-Simulink cung cấp gần như đầy đủ các phần tử thủy lực cơ bản, các phần tử thủy lực đó đủ để thiết kế và mô phỏng một hệ thống thủy lực từ đơn giản đến phức tạp. Trong bộ thư viện bao gồm các loại bơm thủy lực và các nguồn áp suất, nguồn lưu lượng; các loại xi lanh, motor thủy lực; các loại van phân phối, van điều khiển; các phần tử phụ trợ như lọc dầu, làm mát, thùng dầu; các sensor đo lưu lượng áp suất, đo vận tốc, chuyển vị...
Bảng sau có thể cung cấp cho chúng ta các phần tử thủy lực có trong bộ thư viện của Matlab-Simulink.
76
Bảng 3.1. Thư viện các phần tử của hệ thống thủy lực
TT Tên phần tử Hình vẽ đại diện
1 Nhóm motor thủy lực: motor điều chỉnh lưu lượng và không điều chỉnh.
2 Các loại lọc và làm mát dầu.
3 Nguồn áp suất dầu và nguồn lưu lượng dầu lý tưởng.
4 Thùng dầu.
5 Các loại cản trên đường ống.
6 Thiết bị chuyển đổi từ tín hiệu thủy lực sang tín hiêu cơ học. 7 Tiết lưu có điều chỉnh.
8 Sensor đo áp suất và đo lưu lượng dòng dầu.
9 Các loại ắc quy thủy lực.
10 Bể dầu thể tích cố định và thể tích điều chỉnh được.
77
11 Các loại xy lanh một chiều, hai chiều, xy lanh ma sát…
12 Các loại xi lanh quay
13 Các loại cản đường ống, cản hệ thống, cản cục bộ,...
15 Các loại tiết lưu: cố định, điều chỉnh được,...
16 Các loại đường ống dẫn dầu.
17
Các loại bơm dầu, bơm ly tâm, bơm cố định, bơm thay đổi lưu lượng, bơm tự điều chỉnh.
18 Các loại van phân phối.
19 Các loại van điều khiển lưu lượng.
78
3.1.2. Giới thiệu thư viện Simmechanic
Simmechanic là một khối thư viện trong Simulink của MATLAB,
được sử dụng để mơ hình hóa và mơ phỏng các hệ cơ học, kết hợp với các tiện ích khác của Simulink. Đây là một cơng cụ mạnh, đặc biệt là trong các bài toán động lực học. Đối với các phiên bản gần đây, Simmechanic còn cho phép kết hợp với các phần mềm thiết kế 3D chuyên nghiệp như: Inventor, SolidWorks, ProEngineer,… Sau khi thiết kế mơ hình 3D trên phần mềm CAD, các đặc tính về hình học (kết cấu cơ học, hình dáng, màu sắc, kích thước…) cùng với các đặc tính về động lực học (khối lượng, trọng tâm, các tenxo quán tính khối) của chi tiết sẽ được chuyển vào môi trường MATLAB/Simulink qua thư viện Simmechanic. Từ đó, dựa trên mơ hình “nhúng” này, cho phép ta thực hiện các bài toán mơ phỏng phức tạp với cơng cụ tính tốn số mạnh mẽ của MATLAB.
20
Các loại van áp suất: van giảm áp, van an tồn, giảm áp có điều khiển,...
21
Thiết bị dẫn động phụ trợ thường và thiết bị dẫn đông phụ trợ tỷ lệ.
22 Van phụ trợ điều khiển bằng áp suất.
23 Các loại van phụ, con trượt thủy lực.
24 Các loại van chặn: khơng điều khiển và có điều khiển.
79
Hình 3.2. Thư viện Simmechanic trong Matlab Simulink
Trong thư viện Simmechanic cơ bản, cung cấp 7 khối chính: Bodies, Constraints & Drivers, Force Elements, Interface Elements, Joints, Sensor & Actuators và Utilities. Dưới đây, ta sẽ lần lượt xem xét chức năn của từng khối. + Khối Bodies: Cung cấp cho chúng ta 4 mơ hình gồm Body, Ground, Machine Environment và Shared Environment. Chức năng chính của khối này là cung cấp các mơ tả các vật rắn về các đặc tính như khối lượng, tenxo quán tính khối, các hệ tọa độ gắn vào vật rắn, các mô tả về hướng cũng như các mơ tả hình dáng. Chú ý rằng các thơng số này có thể nhập từ người dùng hoặc nhập từ chính mơ hình vật rắn được thiết kế trên phần mềm CAD.
80
Hình 3.3. Khối Bodies trong thư viện thư viện Simmechanic
+ Khối Constraints & Drivers: Cung cấp cho ta 7 mô hình: Angle Driver, Distance Driver, Gear Constraint, Linear Driver, Parallel Constraint, Point- Cruve Constraint và Velocity Driver. Chức năng của khối này mô tả ràng buộc giữa khâu chuyển động và khâu cố định theo một quy tắc cho trước như về khoảng cách, sự song song, quan hệ về vận tốc…
81
+ Khối Force Elements và Interface Elements: Hai khối này cung cấp cho chúng ta 4 mơ hình, mơ tả mối quan hệ giữa 2 khâu kề nhau trong một cơ hệ, mối quan hệ này có thể là mơ hình lị xo-giảm chấn, ..
Hình 3.5. Khối Force Elements và Interface Elements trong thư viện Simmechanic
+ Khối Joints: Cung cấp cho ta các mơ hình về ràng buộc giữa 2 vật rắn bất kỳ, có thể là trượt , quay tương đối với nhau, cũng có thể là gắn cứng với nhau, hoặc liên kết với nhau qua khớp cầu, …
82
+ Khối Sensors & Actuators: Cung cấp cho ta các “cảm biến” để đo góc, vị trí của khớp, hoặc vị trí và hướng của các hệ tọa độ gắn trên vật rắn, đồng thời cũng cung cấp các “động cơ” để thực hiện hoạt động cho các khớp, để các khớp hoạt động thì cần có mơ tả về đặc tính chuyển động của khớp như vị trí, vận tốc, gia tốc hoặc là mơ tả về lực đặt vào khớp đó.
3.2. Xây dựng mơ hình cơ khí của TBCT
Mơ hình hệ thống cơ khí của TBCT được xây dựng trong phần mềm
Simmechanic. Hộp cơng cụ SimMechanic sử dụng mơ hình khối để mơ hình hóa các khâu, khớp với đầu vào và đầu ra tương ứng, với mỗi khối đều xác định các tính chất vật lý như khối lượng và mơmen qn tính, chuyển động có thể trong khớp, v.v. Khối cảm biến trả về giá trị biến số chuyển động (đầu ra chuyển động), khối truyền động đại diện cho các yếu tố đầu vào.
Mơ hình cơ học của TBCT máy xúc gầu nghịch gồm 3 khâu: cần, tay gầu và gầu được nối động với nhau bằng các khớp quay. Dẫn động các khâu TBCT có các xi lanh thủy lực. Các xi lanh và pít tơng tương ứng liên kết với nhau bằng khớp tịnh tiến, và nối với các khâu cịn lại bằng khớp quay, ngồi ra còn cơ cấu 4 khâu bản lề nối xi lanh gầu với gầu cũng thông qua khớp quay. Trong tồn bộ mơ hình ta có: 13 liên kết khớp quay (quay quanh trục Z) và 3 liên kết khớp tịnh tiến (trong mặt phẳng OXY).
Mơ hình 3D các khâu của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch với các số liệu đã được trình bày trong mục 2.4, chương 2. Để có thể đưa mơ hình 3D vào Simmechanic, ta phải tiến hành gắn hệ trục tọa độ cho các khâu theo mơ hình ở chương 2 và lắp ráp các khâu thành TBCT hồn chỉnh. Hình 3.7 thể hiện mơ hình 3D TBCT gắn hệ trục tọa độ và lắp ráp hoàn chỉnh trong Solidworks 2018. Sau khi lắp ráp hoàn chỉnh, chúng ta xuất mơ hình 3D trong Solidworks 2018 (hoặc Inventor) sang Simmechanic bằng công cụ Simcase Multibody Link, chọn Export, và chọn SimCase Multibody Fist Generation (1G).
83
Hình 3.7. Mơ hình 3D TBCT gắn hệ trục tọa độ và lắp ráp hoàn chỉnh trong
Solidworks 2018.
Chúng ta được 1 file dạng .xml. Mở Matlab, dùng lệnh mech_import
trong cửa sổ Comand Window, một cửa sổ mới xuất hiện, cho ta chọn đường dẫn đến file .xml đã xuất ra ở trên và mơ hình 3D trong Solidworks được đưa
vào sơ đồ trong Simmechanic. Sơ đồ khối của TBCT và mơ hình 3D TBCT
máy xúc thủy lực trong Simmechanic như hình vẽ 3.8 và hình vẽ 3.9.
84
Hình 3.9. Mơ hình 3D TBCT máy xúc gầu nghịch trong Simmechanic
Muốn mô phỏng được động học của TBCT chúng ta cần phải có các
thơng số đầu vào. Tức là, phải có quy luật chuyển động của các khâu hoặc các xi lanh dẫn động. Trong phạm vi nghiên cứu, luận văn chỉ trình bày quá trình làm việc của TBCT là quá trình đào và cắt đất. Quá trình TBCT máy xúc đào và cắt đất sẽ bao gồm các công đoạn: nâng hạ cần để đưa gầu và tay gầu vào vị trí cần đào, sau đó tiến hành đào và tích đất bằng xy lanh quay gầu, xy lanh quay tay gầu hoặc phối hợp giữa xy lanh quay gầu và tay gầu.