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 mô 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 công 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 hồn 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.
Để thuận tiện cho việc tính tốn động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch và xác định các thông số động học của các xi lanh thủy lực, ta chọn vị trí ban đầu của TBCT, sau đó quay cần để đưa tay gầu và gầu đến vị trí cắt rồi tiến hành quay tay gầu và quay gầu.
Giả sử, tại thời điểm ban đầu ta có: θ1 = 0o ; θ2 = -60o và θ3 = 0o, vận tốc quay ban đầu các khâu θi =0 và cho trước quy luật chuyển động của cần, tay gầu, gầu như hình 3.10.
85
Hình 3.10. Quy luật chuyển động của cần, tay gầu và gầu.
(a) (b)
Hình 3.11. Vị trí của TBCT trước và sau khi đào
Tại thời điểm ban đầu ta có vị trí của TBCT như hình 3.11 (a). Sau khi chạy chương trình mơ phỏng ta có vị trí của TBCT như hình 3.11 (b). Kết quả thu được quy luật chuyển động của các xi lanh và quỹ đạo của đỉnh răng gầu như các hình vẽ ở dưới đây:
86
`
Hình 3.12. Đồ thị hành trình của các xi lanh
87
Hình 3.14. Đồ thị gia tốc của các xi lanh
88
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 thơng 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 mơ 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 thông 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, hồng thổ khơ và tơi. Sét, á sét chặt, hồng thổ ẩm và chặt. Sét khơ và chặt, đất á sét cứng lẫn sỏi, hồng thổ khơ 3.0-12 12-20 16-30 25-42
Theo công 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 quá trình làm việc của TBCT bằng phần mềm Solidworks 2018, phần mềm Matlab SimHydraulic và Simmechanic.
2. Khuyến nghị
- Nghiên cứu mô 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.