Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
3.3. Xây dựng mơ hình hệ thống dẫn động thủy lực
Hệ thống thủy lực dẫn động TBCT máy xúc gầu nghịch được mô phỏng thông qua hộp công cụ Matlab SimHydraulic. Về cơ bản, một sơ đồ thủy lực đơn giản được điều khiển bởi van tỷ lệ 4 cửa 3 vị trí. TBCT máy xúc gầu nghịch được dẫn động bởi ba xi lanh thủy lực và mỗi xi lanh thủy lực có một van điều khiển riêng. Mạch mô phỏng hệ thống dẫn động thủy lực các xi lanh của TBCT là một mạch đơn giản bao gồm các phần tử như: thùng dầu, bơm, van phân phối, van PC, các xi lanh thủy lực, van an tồn (hình 2.3). Các thơng số của các phần tử trong hệ thống dẫn động thủy lực được cho trong bảng 2.6.
Bơm sử dụng trong hệ thống dẫn động thủy lực là bơm kép, tự động điều chỉnh lưu lượng theo tải để bảo đảm cân bằng công suất của hệ thống. Trong hệ thống thủy lực sử dụng bơm LS, đường cung cấp dầu được trích xuất một phần dưới dạng bơm điều khiển phản hồi. Trên đường ra khỏi bơm cũng trích xuất một dịng dầu để làm tín hiệu so sánh. Khi tải tăng hoặc giảm, áp suất trên đầu vào của thiết bị làm việc sẽ tăng hoặc giảm, áp suất này được đưa trở lại so với áp suất mà bơm đang cung cấp. Kết quả so sánh sẽ được đưa ra để điều khiển pít-tơng điều chỉnh góc lệch của đĩa nghiêng, từ đó thay đổi lưu lượng của bơm để phù hợp với tải trên thiết bị làm việc.
89
Hình 3.17. Cửa sổ thông số làm việc của bơm và xi lanh
Hình 3.18. Cửa sổ thơng số làm việc van PC và van phân phối
Sau khi xây dựng đầy đủ các phần tử của hệ thống thủy lực, ta tiến hành kết nối các phần tử thành sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động một xi lanh hồn chỉnh như sau:
90
Hình 3.19. Sơ đồ thủy lực một xi lanh sử dụng Matlab SimHydraulic
Mơ hình sơ đồ thủy lực dẫn động một xi lanh ở trên đã được thử nghiệm thành công với các thông số ban đầu, các chức năng cơ bản của mơ hình đã hoạt động. Kết quả mơ phỏng sơ đồ hình 3.19
trong điều kiện khơng tải được thể hiện trong hình 3.20. Hình 3.20
cho thấy sự điều khiển vị trí và vận tốc của pít tơng xi lanh thủy
lực. Từ kết quả cho ta biết vị trí của piston xi lanh phụ thuộc vào
vị trí đóng và mở van, vì đây là hoạt động cơ bản trong quá trình
91
Hình 3.20. Kết quả mô phỏng hệ thống thủy lực một xi lanh trường hợp không tải
Như vậy, từ kết quả mô phỏng của hệ thống thủy lực ở trên, chúng ta hoàn toàn xây dựng được hệ thống thủy lực dẫn động cần, hệ thống thủy lực dẫn động tay gầu và hệ thống thủy lực dẫn động gầu.
3.4. Xây dựng mơ hình cơ khí kết hợp hệ thống dẫn động thủy lực TBCT
Kết nối hệ thống cơ khí và hệ thống thủy lực dẫn động TBCT được thực hiện thơng qua khối “Prismatic Translational Interface”, có trong thư viện của Simmechanic. Khối “Prismatic Translational Interface” là liên kết động giữa hệ cơ khí và hệ thủy lực của TBCT. Nó làm nhiệm vụ nhận các tín hiệu về vị trí, vận tốc của xi lanh thơng qua hệ cơ khí trong q trình làm việc từ đó hệ thống thủy lực tính tốn để đưa ra phản hồi về lực. Hình 3.21 thể hiện sự kết nối giữa hệ cơ khí và hệ thủy lực thông qua khối “Prismatic Translational Interface”.
92
Hình 3.21. Chi tiết khối “Prismatic Translational Interface”
Hình 3.22. Chi tiết kết nối hệ thống cơ khí và hệ thống thủy lực dẫn động
TBCT thông qua khối “Prismatic Translational Interface”
Khối “Prismatic Translational Interface” gồm một cảm biến về lực và một bộ nguồn vận tốc. Nguồn vận tốc lấy tín hiệu từ hệ cơ khí đưa vào hệ thủy lực. Cảm biến lực đưa tín hiệu lực từ hệ thủy lực vào hệ cơ khí. Khi bắt đầu làm việc, mơ hình hệ thống cơ khí sẽ tính tốn tải trọng, vị trí ban đầu của các xi lanh. Các tham số này được nhập vào mơ hình hệ thống thủy lực. Hệ thống thủy lực sẽ tính tốn áp suất và lưu lượng phù hợp. Áp suất này được chuyển đổi thành lực đẩy của xi lanh, lưu lượng của bơm chuyển đổi thành vận tốc của
93
pít tơng và chúng ta có vị trí mới của pít tơng. Mơ hình cơ khí sử dụng động lực học thuận để xác định vị trí và tải trọng của các khâu bằng cách sử dụng các lực xi lanh. Vị trí và tải trọng mới của xi lanh thủy lực được tính tốn và phản hồi cho mơ hình hệ thống thủy lực. Hình 3.23 sơ đồ TBCT sau khi kết nối các hệ thống.
Hình 3.23. Sơ đồ TBCT máy xúc gầu nghịch sau khi kết nối các hệ thống 3.5. Mơ phỏng q trình làm việc TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch 3.5. Mơ phỏng q trình làm việc TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch
Trong phạm vi nghiên cứu, luận văn chỉ trình bày về mơ phỏng quá trình đào và cắt đất của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch. Trường hợp tổng quát là đào và cắt đất bằng cách phối hợp giữa cần, tay gầu và gầu. Các thông số đầu vào: lực cắt, cho trước quy luật chuyển động của cần tay gầu và gầu (đã được trình bày ở trên). Vị trí ban đầu θ1 = 0o ; θ2 = -60o và θ3 = 0o, hành trình xi lanh cần, tay gầu và gầu là, vận tốc ban đầu các khâu bằng không.
Lực cản đào được xác định theo công thức N.G. Dombrovski. Thành phần lực cản cắt tiếp tuyến P01, lực cắt pháp tuyến với quỹ đạo cắt P02 và lực cản đào P được tính theo cơng thức:
01 1. . P =k b h [N] (3.1) 02 . 01 P =ψ P [N] (3.2) 2 2 01 02 P= P +P (3.3) Trong đó:
94
k1: lực cản đào riêng bao gồm lực cản cắt, lực ma sát của gầu với đất, lực cản chuyển động của đất khi tích vào gầu. Lực cản đào riêng được xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào cấp đất đào. Giá trị được xác định theo bảng 3.2.
b: chiều rộng của phoi đất cắt, b = Bg (chiều rộng gầu) h: chiều dày phoi cắt.
ψ = 0,1- 0,45 là hệ số phụ thuộc vào góc cắt, các điều kiện cắt và độ sắc của lưỡi cắt.
Bảng 3.2. Lực cản đào riêng k1 (Với máy đào gầu ngược và gầu dây)
Cấp đất Loại đất đào k1, N/cm2 I II III IV Đất cát, á cát ẩm, đất canh tác, than bùn. Á sét màu vàng tơi, hoàng thổ khơ và tơi. Sét, á sét chặt, hồng thổ ẩm và chặt. Sét khô và chặt, đất á sét cứng lẫn sỏi, hồng thổ khơ 3.0-12 12-20 16-30 25-42
Theo cơng thức (3.1) với cấp đất cho trước thì lực cản đào chỉ phụ thuộc vào chiều dày phoi cắt h. Theo tài liệu [1], cùng với lựa chọn cấp đất IV ta tính được lực cản đào như hình vẽ 3.22
Hình 3.24. Đồ thị lực cản cắt đất (đất cấp 4) -20000 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 0 20 40 60 80 100 Lự c cắ t ( N) Thời gian (s)
95
Sau khi tiến hành chạy mô phỏng ta thu được các kết quả như sau:
Hình 3.25. Đồ thị góc quay cần, tay gầu và gầu
96
Hình 3.27. Đồ thị gia tốc quay cần, tay gầu và gầu
97
Hình 3.29. Đồ thị vận tốc các xi lanh
98
Hình 3.31. Đồ thị lưu lượng bơm
99
Hình 3.33. Đồ thị lực đẩy xi lanh dẫn động gầu
100
Nhận xét: Với các thông số đầu vào của các khâu, các phần tử thủy lực cùng với các điều kiện ban đầu. Tác giả đã tiến hành xây dựng mơ hình và tiến hành mơ phỏng quá trình đào và cắt đất của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch bằng phương pháp đào kết hợp quay tay gầu và quay gầu. Kết quả chạy chương trình tính được chuyển vị, vận tốc, gia tốc của các khâu, các xi lanh dẫn động. Tính tốn được áp suất, lưu lượng của bơm, lực đẩy các xi lanh…Từ các đồ thị trên ta nhận thấy vận tốc các khâu của TBCT và vận tốc xi lanh thay đổi liên tục. Khi vận tốc các xi lanh thay đổi, áp suất và lưu lượng của bơm cũng thay đổi theo từ đó thay đổi lực đẩy của các xi lanh để phù hợp với tải trọng.
101
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Trong chương 3, luận văn đã nghiên cứu các tính năng của phần mềm Matlab SimHydraulic và Simmechanic. Bằng các phương trình tốn học đã xây dựng trong chương 2 và các thông số đầu vào, tác giả đã ứng dụng các phần tử trong thư viện của phần mềm để xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống cơ khí, hệ thống dẫn động thủy lực TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch. Thông qua khối “Prismatic Translational Interface” để kết hợp hệ thống cơ khí và hệ thống thủy lực dẫn động TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch thành một hệ thống hoàn chỉnh. Tác giả đã tiến hành mơ phỏng q trình đào và cắt đất bằng kết hợp các xi lanh quay gầu và quay tay gầu. Đưa ra các kết quả về chuyển vị, vận tốc, gia tốc của các khâu, áp suất và lưu lượng của hệ thống thủy lực. Với các kết quả thu được ở trên, bước đầu có thể khẳng định tính đúng đắn của phương pháp.
102
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 1. Kết luận
Nghiên cứu động lực học các thiết bị cơng tác xe máy cơng binh nói chung, TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch nói riêng là một nội dung quan trọng trong tính tốn thiết kế, chế tạo sản xuất, khai thác, sử dụng. Sau khi xác định được mục tiêu nghiên cứu, luận văn đã đạt được kết quả cụ thể như sau:
- Nghiên cứu xây dựng mơ hình động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch với 3 bậc tự do theo lý thuyết cơ học hệ nhiều vật. Sử dụng nguyên lý Denavit – Hartenberg – Craig để tính tốn động học và phương trình Lagrange loại II để viết phương trình chuyển động của các khâu.
- Tính tốn động lực học các phần tử của hệ thống thủy lực dẫn động TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch. Xác định mối quan hệ giữa tải trọng, vận tốc của cơ cấu chấp hành với áp suất và lưu lượng của hệ thống.
- Nghiên cứu kết hợp động lực học giữa hệ thống cơ khí và hệ thống thủy lực dẫn động TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch trong q trình làm việc. Tiến hành mơ phỏng q trình làm việc của TBCT bằng phần mềm Solidworks 2018, phần mềm Matlab SimHydraulic và Simmechanic.
2. Khuyến nghị
- Nghiên cứu mơ phỏng đầy đủ và chính xác hơn về hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực.
- Kết quả nghiên cứu của luận văn cần có thực nghiệm để khẳng định tính đúng đắn của phương pháp.
- Có thể áp dụng phương pháp nghiên cứu này cho nghiên cứu ĐLH của các thiết bị khác.
103
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Lê Văn Cường (2010), Nghiên cứu động lực học máy đào một gầu đẫn động thủy lực, Luận án TS kỹ thuật, Hà Nội, Học viện Kỹ thuật quân sự.
2. Chu Văn Đạt, Lương Khánh Tình, Nguyễn Viết Tân, Lê Văn Dưỡng
(2016), Máy làm đất, NXB Quân đội Nhân dân.
3. PGS.TS. Vũ Công Hàm (2016), Cơ học hệ nhiều vật, Nhà xuất bản Học viện Kỹ thuật Quân sự.
4. GS.TSKH. Nguyễn Văn Khang (2016), Dynamics of Multibody Systems, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
5. Nguyễn Viết Tân (2011), Xác định các thông số tối ưu của gầu xúc máy bốc xúc sử dụng trong thi công đường hầm khẩu độ vừa và nhỏ, Luận án TS kỹ thuật, Hà Nội, Học viện Kỹ thuật quân sự.
6. Lưu Bá Thuận (2008), Tính tốn máy thi cơng đất, Nhà xuất bản xây dựng.
7. Trần Xuân Tùy (2008), Hệ thống điều khiển tự động thủy lực, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật.
Tiếng Anh
8. Koivo, A.J. (1994) ‘Kinematics of excavators (backhoes) for transferring surface material’, J. Aerosp. Eng., Vol. 7, No. 1, pp.17–32.
9. Koivo, A.J., Thoma, M., Kocaoglan, E. and Andrade- Cetto, J. (1996) ‘Modeling and control of excavator dynamics during digging operation’, J. Aerosp. Eng., January, Vol. 9, No. 1, pp.10 –18.
10. Tafazoli. S, P. D. Lawrence, S. E. Salcudean. ‘Identification of inertial and friction parameters for excavator arms’. IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 15, no.5, pp.996-971, 1999.
104
11. Hongnian Yu*, Yang Liu and Mohammad Shahidul Hasan, ‘Review of modelling and remote control for Excavators’, Int. J. Advanced Mechatronic Systems, Vol. 2, Nos. 1/2, 2010.
12. Yang Liu, Mohammad Shahidul Hassan, Hong-Nian Yu, Modeling and remote control of an Excavator’, International Journal of Automation and Computing, 7(3), August 2010, 349-358.
13. Ha, Q., Santos, M., Nguyen, Q., Rye, D. and Durrant- Whyte, H. (2002) ‘Robotic excavation in construction automation’, IEEE Robotics & Automation Magazine, March, Vol. 9, No. 1, pp.20–28.
14. Ha, Q.P., Nguyen, Q.H., Rye, D.C. and Durrant-Whyte, H.F. (2000) ‘Impedance control of a hydraulically-actuated robotic excavator’, Automat. Construction, Vol. 9, No. 5, pp.421–435.
15. ZHANG Da-qing, HE Qing-hua, HAO Peng. Trajectory tracking control of hydraulic excavator bucket [J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2005, 35(5): 490-494.
16. P. K. Vähä and M. J. Skibniewski, “Dynamic Model of Excavator,” Journal of Aerospace Engineering, Vol. 6, No. 2, pp. 148-158, 1993. 17. M. Krishna and J. Bares, “Hydraulic System Modeling through Memory-
based Learning,” IEEE Intelligent Robot Systems Conference, 1998. 18. Bhaveshkumar P Patel1* and J M Prajapati2, “ KINEMATICS OF MINI
HYDRAULIC BACKHOE EXCAVATOR – PART: I”, International
Journal of Mechanical Engineering and Robotics Reseach, 2013.
19. Bhaveshkumar P Patel and Prajapati J M (2012), “Kinematics of Mini Hydraulic Backhoe Excavator – Part: II”, International Journal of Mechanisms and Robotic Systems, September 10, Inderscience, Accepted for Publication.
105
20. Vaha P K and Skibniewski M J (1993), “Dynamic Model of Excavator”, Journal of Aerospace Engineering, Vol. 6, No. 2, pp. 148-158, American Society of Civil Engineering (ASCE).
21. Zygmunt Towarek (2003), “Dynamics of a Single-Bucket Excavator on a Deformable Soil Foundation During the Digging of the Ground”, International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 45, pp. 2053-1076, Elsevier.
22. Luengo O., Singh S., Modeling and Identification of Soil-Tool Interaction in Automated Excavation, Proc. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Victoria BC, pp. 1900 - 1906, October 1998.
23. Stanislav Vˇechet, Jiˇr´ıKrejsa, Hydraulic arm modeling via matlab SimHydraulic, Engineering Mechanics, Vol. 16, 2009, No. 4, p. 287– 296.
24. Daqing Zhang, Qinghua He, Peng Hao, HaiTao Zhang (2005) “Modeling and controlling for hydraulic excavator’s arm” 22nd
International Symposium on Automation and Robotics in Construction, ISARC 2005 - September 11-14, 2005, Ferrara (Italy).
Tiếng Nga
25. В.И. Баловнев, Л.А. Хмара(1993), Интенсификация разработки грунтов
в дорожном строительстве, Москва “Транспорт”.
26. Баловнев В. И(1981), Дорожно-строительные машины с рабочими огранами интенсифицирующего действия, Москва Машиностроение.
106
PHỤ LỤC 1. Các thông số động lực học của các khâu 1.1. Thông số vật lý của cần
General Properties: Material: {Steel}
Density: 7.850 g/cm^3
Mass: 3195.945 kg (Relative Error = 0.000087%)
Area: 41804391.635 mm^2 (Relative Error = 0.000138%)
Volume: 407126755.777 mm^3 (Relative Error = 0.000087%)
Center of Gravity:
X: -3414.332 mm (Relative Error = 0.000087%)
Y: 660.133 mm (Relative Error = 0.000087%)
Z: 0.214 mm (Relative Error = 0.000087%)
Mass Moments of Inertia with respect to Center of Gravity(Calculated using negative integral)
Ixx 949945427.710 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%)
Iyx 346566485.556 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%)
Iyy 1.2378977757067E+10 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%)
Izx -1920633.175 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%)
Izy -408157.615 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%)
Izz 1.3030265375069E+10 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%)
Mass Moments of Inertia with respect to Global(Calculated using negative integral)
Ixx 2.342660516540E+09 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%) Iyx 7.549950012323E+09 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%) Iyy 4.9636231815456E+10 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%) Izx 415554.874 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%)
Izy -859840.354 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%)
Izz 5.1680234229311E+10 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%) Principal Moments of Inertia with respect to Center of Gravity
I1: 939445717.248 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%)
I2: 1.2389476827550E+10 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%)
I3: 1.3030266015049E+10 kg mm^2 (Relative Error = 0.000087%)
Rotation from Global to Principal
Rx: -0.00 rad (Relative Error = 0.000087%) Ry: 0.00 rad (Relative Error = 0.000087%) Rz: 0.03 rad (Relative Error = 0.000087%)
1.2. Thông số vật lý của tay gầu
107
Material: {Steel}
Density: 7.850 g/cm^3
Mass: 1742.050 kg (Relative Error = 0.000346%)
Area: 25614669.118 mm^2 (Relative Error = 0.000133%)
Volume: 221917173.501 mm^3 (Relative Error = 0.000346%)
Center of Gravity:
X: -2119.569 mm (Relative Error = 0.000346%)
Y: 231.794 mm (Relative Error = 0.000346%)
Z: -0.755 mm (Relative Error = 0.000346%)
Mass Moments of Inertia with respect to Center of Gravity(Calculated using negative integral)
Ixx 175091326.923 kg mm^2 (Relative Error = 0.000346%) Iyx 291509916.643 kg mm^2 (Relative Error = 0.000346%) Iyy 3.029175444881E+09 kg mm^2 (Relative Error = 0.000346%)
Izx 4414432.974 kg mm^2 (Relative Error = 0.000346%)
Izy -607101.711 kg mm^2 (Relative Error = 0.000346%)