Nghien cu dng lc hc thit b cong ta

0 HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN TIẾN KHU NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ CÔNG TÁC MÁY XÚC THỦY LỰC GẦU NGHỊCH TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ

0

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN TIẾN KHU

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ CÔNG TÁC MÁY XÚC THỦY LỰC GẦU NGHỊCH TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Hà Nội - Năm 2019

i

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN TIẾN KHU

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ CÔNG TÁC MÁY XÚC THỦY LỰC GẦU NGHỊCH TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Mã số: 8.52.01.16

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Cán bộ hướng dẫn: GS.TS Chu Văn Đạt

Hà Nội - Năm 2019

ii

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Vịnh Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS Trần Quang Hùng Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Ngày 10 tháng 4 năm 2019

iii

Tôi xin cam đoan:

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, luận văn của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Tiến Khu

iv

MỤC LỤC

Trang phụ bìa i

Bản cam đoan iii

Mục lục iv

Tóm tắt luận văn vii

Danh mục các bảng ix

Danh mục hình vẽ x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về máy xúc thủy lực gầu nghịch 4

1.1.1 Xu hướng phát triển hoàn thiện của máy xúc 4

1.1.2 Đặc điểm cấu tạo và điều khiển của máy xúc thủy lực gầu nghịch 5 1.2 Đặc điểm làm việc của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch 9

1.3 Quá trình động học, động lực học của máy xúc thủy lực gầu nghịch 11 1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến nội dung luận văn 12

1.5 Xác định mục tiêu nhiệm vụ của Luận văn 17

1.5.1 Mục tiêu của Luận văn 17

1.5.2 Nhiệm vụ của Luận văn 17

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 18

Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA MÁY XÚC THỦY LỰC GẦU NGHỊCH 19

2.1 Động lực học hệ thống cơ khí TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch 19

2.1.1 Các giả thiết khi xây dựng mô hình 19

2.1.2 Mô hình khảo sát động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch 19

2.1.3 Lựa chọn hệ tọa độ dùng cho khảo sát 21

2.1.4 Các thông số trong mô hình khảo sát 23

2.1.5 Xác định các ma trận Denavit – Hartenberg – Craig 23

2.1.6 Xác định tọa độ vị trí trọng tâm của các khâu và đỉnh răng gầu đối với hệ trục tọa độ cố định 26

2.1.7 Xác định ma trận khối lượng suy rộng 28

v

2.1.8 Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của TBCT 30

2.2 Động lực học hệ thống dẫn động thủy lực TBCT máy xúc gầu nghịch 35

2.2.1 Khái quát về hệ thống dẫn động thủy lực 35

2.2.2 Động lực học các phần tử trong hệ thống truyền động thủy lực 38

2.3 Xây dựng mô hình động lực học kết hợp hệ thống cơ khí và hệ thống dẫn động thủy lực TBCT máy xúc gầu nghịch 63

2.3.1 Các phương trình liên kết động học của TBCT và các xi lanh thủy lực 63

2.3.2 Động lực học kết hợp hệ thống cơ khí và hệ thống thủy lực dẫn TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch 66

2.4 Xác định các thông số đầu vào 69

2.4.1 Mô hình 3D và các thông số động lực học của các khâu 69

2.4.2 Các thông số của hệ thống thủy lực 70

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 73

Chương 3 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TBCT MÁY XÚC THỦY LỰC GẦU NGHỊCH BẰNG SIMHYDRAULIC VÀ SIMMECHANIC 74

3.1 Tổng quan về phần mềm Matlab-Simhydraulic và Simmechanic 74

3.1.1 Giới thiệu thư viện SimHydraulic 74

3.1.2 Giới thiệu thư viện Simmechanic 78

3.2 Xây dựng mô hình cơ khí của TBCT 82

3.3 Xây dựng mô hình hệ thống dẫn động thủy lực 88

3.4 Xây dựng mô hình cơ khí kết hợp hệ thống dẫn động thủy lực TBCT 91 3.5 Mô phỏng quá trình làm việc TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch 93

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 101

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 102

1 Kết luận 102

2 Khuyến nghị 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

vii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

+ Họ và tên học viên: Nguyễn Tiến Khu

+ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Khoá: 29

+ Cán bộ hướng dẫn: Đại tá GS.TS Chu Văn Đạt

+ Tên đề tài: Nghiên cứu động lực học thiết bị công tác máy xúc thủy lực gầu nghịch trong quá trình làm việc

+ Tóm tắt: Luận văn gồm 3 chương

Chương 1: Trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Phân tích xu thế phát triển, đặc điểm, nguyên lý làm việc, quá trình động học, động lực học của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch Phân tích các công trình nghiên cứu có liên quan đến nội dung của luận văn Từ đó xác định nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn đó là: Xây dựng mô hình động lực học hệ thống cơ khí , động lực học hệ thống thủy lực và kết hợp động lực học

hệ thống cơ khí và hệ thống dẫn động thủy lực của TBCT máy xúc gầu nghịch trong quá trình làm việc Mô phỏng quá trình làm việc bằng phần mềm Matlab SimHydraulic và Simmechanic

Chương 2: Nghiên cứu động lực học quá trình làm việc của TBCT máy xúc gầu thủy lực gầu nghịch

Luận văn đã xây dựng đi nghiên cứu xây dựng các mô hình:

- Động lực học hệ thống cơ khí TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch theo

lý thuyết cơ học hệ nhiều vật với ba bậc tự do Tính toán động học theo nguyên

lý Denavit – Hartenberg – Craig Sử dụng phương trình Lagrange loại hai của

hệ nhiều vật để viết phương trình vi phân chuyển động cho các khâu

- Động lực học hệ thống thủy lực Sử dụng định luật II Niu tơn để viết phương trình cân bằng cho các phần tử trong hệ thống thủy lực

- Động lực học kết hợp hệ thống cơ khí và hệ thống dẫn động thủy lực TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch trong quá trình làm việc Chỉ ra mối liên

Chương 3: Mô phỏng quá trình làm việc của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch

Luận văn đã trình bày về các tính năng của phần mềm SimHyraulic và Simmechanic Xây dựng mô hình hệ thống cơ khí và mô hình hệ thống dẫn động thủy lực TBCT trong Matlab Simulink Kết hợp hệ thống cơ khí và hệ thống dẫn động thủy lực thông qua khối chuyển đổi “Prismatic Translational Interface” Đây là khối liên kết động giữa hai hệ thống, nhận tín hiệu vị trí, vận tốc từ hệ thống cơ khí vào hệ thống thủy lực và đưa ra phản hồi về lực từ hệ thống thủy lực vào hệ thống cơ khí Tiến hành mô phỏng quá trình đào và cắt đất bằng phương pháp kết hợp quay tay gầu và quay gầu

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tham số động học của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch 24

Bảng 2.2 Tham số động lực học của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch 25

Bảng 2.3 Đặc tính kỹ thuật bơm thủy lực 39

Bảng 2.4 Các thông số của các phần tử trong hệ thống thủy lực 71

Bảng 3.1 Thư viện các phần tử của hệ thống thủy lực 76

Bảng 3.2 Lực cản đào riêng k1 (Với máy đào gầu ngược và gầu dây) 94

x

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo chung máy xúc thuỷ lực gầu nghịch 6

Hình 1.2 Máy xúc đào và tích đất bằng xi lanh quay gầu 9

Hình 1.3 Máy xúc đào và tích đất bằng xi lanh quay gầu 10

Hình 1.4 Các khâu động lực học trong quá trình công tác của máy xúc 11

Hình 1.5 Mô hình động lực học máy xúc thủy lực gầu nghịch theo A.J.Koivo 13

Hình 1.6 Mô hình động lực học hệ thống thủy lực dẫn động TBCT 14

Hình 1.7 Mô hình điều khiển từ xa máy xúc thủy lực gầu nghịch 15

Hình 1.8 Mô hình cách tay máy hai bậc tự do 15

Hình 1.9 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm quá trình làm việc của các xi lanh cánh tay hai bậc tự do 16

Hình 2.1 Cấu tạo TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch 20

Hình 2.2 Mô hình động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch 21

Hình 2.3 Sơ đồ truyền động thủy lực dẫn động TBCT của máy xúc gầu nghịch 36

Hình 2.4 Cấu tạo chung bơm chính 39

Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo bơm píttông hướng trục khối xi lanh nghiêng 40

Hình 2.6 Sơ đồ mạch điều khiển bơm chính 41

Hình 2.7 Cấu tạo bộ điều khiển 42

Hình 2.8 Sơ đồ điều khiển bơm chính 44

Hình 2.9 Sơ đồ lưu lượng của bơm cảm biến theo tải 46

Hình 2.10 Cấu tạo xi lanh cần 47

Hình 2.11 Ký hiệu xi lanh thủy lực 48

Hình 2.12 Sơ đồ tính toán của xi lanh thủy lực 49

Hình 2.13 Sơ đồ phân tích trên pít tông 51

Hình 2.14 Sơ đồ thủy lực dùng van trượt có 4 mép điều khiển 52

Hình 2.15 Sơ đồ thủy lực vẽ theo một nhánh truyền động 53

Hình 2.16 Kết cấu của van PC 56

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý của các loại van PC 57

Hình 2.18 Sơ đồ thủy lực có lắp van PC và đồ thị đặc tính điều chỉnh 58

Hình 2.19 Sơ đồ tính toán của van trượt có bốn mép điều khiển 60

Hình 2.20 Mô hình mạch thủy lực của van trượt có 4 mép điều khiển 61

Hình 2.21 Sơ đồ mạch thủy lực của van trượt có kết cấu hình học đối xứng 61 Hình 2.22 Đặc tính Q-P; Q-I của van trượt có kết cấu hình học đối xứng 62

Hình 2.23 Sơ đồ máy xúc khi đào 63

Hình 2.24 Chu trình làm việc giữa hệ thống cơ khí và hệ thống thủy lực của TBCT máy xúc gầu nghịch 66

Hình 2.25 Mô hình động lực học kết hợp hệ thống cơ khí và hệ thống dẫn động thủy lực TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch 67

Hình 2.26 Mô hình 3D các khâu TBCT của máy xúc DX104W 69

xi

Hình 2.27 Mô hình 3D của TBCT máy xúc DX350LC 70

Hình 3.1 Bộ thư viện SimHydraulic 75

Hình 3.2 Thư viện Simmechanic trong Matlab Simulink 79

Hình 3.3 Khối Bodies trong thư viện thư viện Simmechanic 80

Hình 3.4 Khối Constraints & Drivers trong thư viện thư viện Simmechanic 80

Hình 3.5 Khối Force Elements và Interface Elements trong thư viện Simmechanic 81

Hình 3.6 Khối Joints trong thư viện thư viện Simmechanic 81

Hình 3.7 Mô hình 3D TBCT gắn hệ trục tọa độ và lắp ráp hoàn chỉnh trong Solidworks 2018 83

Hình 3.8 Sơ đồ khối TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch trong Simmechanic 83

Hình 3.9 Mô hình 3D TBCT máy xúc gầu nghịch trong Simmechanic 84

Hình 3.10 Quy luật chuyển động của cần, tay gầu và gầu 85

Hình 3.11 Vị trí của TBCT trước và sau khi đào 85

Hình 3.12 Đồ thị hành trình của các xi lanh 86

Hình 3.13 Đồ thị vận tốc của các xi lanh 86

Hình 3.14 Đồ thị gia tốc của các xi lanh 87

Hình 3.15 Quỹ đạo chuyển động của đỉnh răng gầu 87

Hình 3.16 Sơ đồ điều khiển và sơ đồ mô phỏng bơm trong SimHydraulic 88

Hình 3.17 Cửa sổ thông số làm việc của bơm và xi lanh 89

Hình 3.18 Cửa sổ thông số làm việc van PC và van phân phối 89

Hình 3.19 Sơ đồ thủy lực một xi lanh sử dụng Matlab SimHydraulic 90

Hình 3.20 Kết quả mô phỏng hệ thống thủy lực một xi lanh trường hợp không tải 91 Hình 3.21 Chi tiết khối “Prismatic Translational Interface” 92

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” 92

Hình 3.23 Sơ đồ TBCT máy xúc gầu nghịch sau khi kết nối các hệ thống 93

Hình 3.24 Đồ thị lực cản cắt đất (đất cấp 4) 94

Hình 3.25 Đồ thị góc quay cần, tay gầu và gầu 95

Hình 3.26 Đồ thị vận tốc quay cần, tay gầu và gầu 95

Hình 3.27 Đồ thị gia tốc quay cần, tay gầu và gầu 96

Hình 3.28 Đồ thị hành trình các xi lanh 96

Hình 3.29 Đồ thị vận tốc các xi lanh 97

Hình 3.30 Đồ thị gia tốc các xi lanh 97

Hình 3.31 Đồ thị lưu lượng bơm 98

Hình 3.32 Đồ thị áp suất bơm 98

Hình 3.33 Đồ thị lực đẩy xi lanh dẫn động gầu 99

Hình 3.34 Đồ thị mô men tại khớp quay gầu 99

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Máy xúc thuỷ lực gầu nghịch là một trong những máy chủ đạo trong công tác làm đất nói riêng và trong xây dựng cơ bản nói chung Máy làm nhiệm vụ khai thác đất và đổ đất vào phương tiện vận chuyển, hoặc chúng tự đào và vận chuyển đất trong phạm vi ngắn như đào kênh mương, sử dụng để cơ giới hoá công việc làm đất và bốc dỡ trong xây dựng ở địa hình có cấp đất từ cấp I-IV

và làm việc trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt Ngoài việc trang bị gầu nghịch máy có thể lắp đặt nhiều loại thiết bị công tác (TBCT) khác nhau để thực hiện nhiều chức năng, công việc khác nhau như búa máy đóng cọc, phá đá, cẩu nhổ cây, đầm đất Nó đảm nhiệm 50-70% công tác làm đất trong công trình xây dựng đường, đê đập thuỷ lợi, thuỷ điện khai thác mỏ

Những chiếc máy xúc đầu tiên được chế tạo từ hơn 200 trước đây Khi

đó chúng chỉ là những cỗ máy đơn giản, sử dụng nguồn động lực chủ yếu là sức người và ngựa sau đó xuất hiện các động cơ hơi nước Cùng với thời gian máy xúc một gầu không ngừng được cải tiến và hoàn thiện về mọi mặt Về nguồn động lực, động cơ hơi nước đã được thay thế bằng động cơ đốt trong từ không có tăng áp đén có tăng áp Ở một số máy xúc khổng lồ chuyên dùng người ta sử dụng động cơ điện để dẫn động riêng cho từng cơ cấu và TBCT

Về mặt dẫn động các cơ cấu công tác, hiện nay máy xúc một gầu của tất cả các hãng sản xuất đều sử dụng dẫn động thuỷ lực vì các đặc tính ưu việt của nó như kết cấu máy nhỏ gọn, điều khiển nhẹ nhàng, tạo được lực đào lớn và cho năng suất cao, dẫn động cơ khí (cáp) chỉ còn sử dụng ở một số máy xúc đặc chủng đào và xúc ở độ sâu lớn

Hệ thống điều khiển trên các loại máy xúc của các hãng trên thế giới đang

sử dụng là điều khiển cơ khí, khí nén – thuỷ lực, điện - thuỷ lực hoặc điện tử - thuỷ lực Trên các máy thế hệ mới người ta sử dụng nhiều hệ thống điều khiển

2

điện tử - thuỷ lực với bộ xử lý trung tâm và các chượng trình nạp sẵn Các máy loại này cho phép điều khiển nhẹ nhàng nhanh chóng, chính xác và cho năng suất cao

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ trên tất cả các lĩnh vực nói chung, ngành cơ khí, cơ điện tử và tự động hóa nói riêng Hệ thống dẫn động và điều khiển thủy lực trên máy xúc gầu nghịch ngày càng được đầu tư nghiên cứu và phát triển Để có chế độ làm việc hợp lý, năng suất và chất lượng làm việc của máy cao, tiết kiệm nhiên liệu và tạo sự thoải mái cho người điều khiển thì việc nghiên cứu động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch là một nội dung quan trọng trong quá trình tính toán thiết kế, chế tạo cũng như khai thác sử dụng

Bài toán động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch đã được nhiều nhà khoa học quốc tế và trong nước tập trung nghiên cứu Tuy nhiên, để đơn giản về mặt mô hình cơ học các tác giả đã tách phần cơ khí và phần thủy lực riêng biệt Khi nghiên cứu về động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch các tác giả đã giả thiết và thay thế hệ dẫn động thủy lực bằng các lực tác dụng tương ứng, còn khi nghiên cứu về động lực học hệ thống dẫn động thủy lực các tác giả đã giả thiết vận tốc, gia tốc và lực tác dụng các khâu trong TBCT máy xúc thủy lực đã biết

Trong quá trình làm việc, các thông số của hệ thống cơ khí và hệ thống dẫn động có mối liên hệ chặt chẽ với nhau tạo thành một vòng khép kín và các thông số này thường xuyên thay đổi, phụ thuộc vào các điều kiện làm việc khác nhau Chính vì vậy, khi nghiên cứu động lực học TBCT máy xúc mà bỏ qua các yếu tố tác động của hệ truyền động cơ khí hoặc truyền động thủy lực chưa

mô tả được chính xác quá trình làm việc của máy xúc

Được sự hướng dẫn của GS.TS Chu Văn Đạt tôi lựa chọn luận văn cao

học: “Nghiên cứu động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch trong

3

quá trình làm việc.” nhằm mục đích nghiên cứu động lực học TBCT máy xúc

thủy lực gầu nghịch theo một chu trình khép kín, xây dựng mô hình cơ học và

mô hình hệ thống truyền động thủy lực TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch với

ba xi lanh truyền động sử dụng phần mềm Matlab Simmechanic và SimHydraulic

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng được mô hình và tiến hành khảo sát động lực học hệ cơ khí kết hợp hệ thống thủy lực dẫn động TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch trong quá trình làm việc Mô phỏng được quá trình đào và cắt đất bằng phần mềm Matlab SimHydraulic và Simechanic

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu TBCT và hệ thống thủy lực dẫn động TBCT máy

xúc thủy lực gầu nghịch, đối tượng cụ thể là máy xúc DOOSAN DX350LC

Phạm vi nghiên cứu động lực học kết hợp hệ cơ khí và hệ thống thủy lực

dẫn động TBCT trong quá trình đào và cắt đất

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tổng hợp để đánh giá, phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề nghiên cứu

- Phương pháp toán học để xây dựng mô hình toán học và thiết lập hệ phương trình mô tả động lực học quá trình đào máy xúc thủy lực, giải các phương trình vi phân

- Phương pháp mô phỏng: sử dụng các phần mềm mô phỏng để xây dựng

mô hình thực tế và quá trình đào và tích đất của hệ thống công tác và hệ thống thủy lực dẫn động TBCT

- Phương pháp chuyên gia để xử lý và đánh giá kết quả

4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về máy xúc thủy lực gầu nghịch

1.1.1 Xu hướng phát triển hoàn thiện của máy xúc

Cuối thế kỷ XX, máy xây dựng đã có bước tiến bộ nhảy vọt Do tiến bộ của khoa học và công nghệ và đặc biệt là kỹ thuật điện và điện tử đã cho ra đời một thế hệ máy xây dựng hoàn hảo, đáp ứng được mọi yêu cầu công nghệ xây dựng tiên tiến, giảm ô nhiễm môi trường Các nước sản xuất máy đã không ngừng cải tiến cho ngày càng hoàn thiện hơn, tiện lợi, thích nghi, an toàn, tiết kiệm, năng suất cao, giá thành hạ Các hãng chế tạo nổi tiếng hiện nay như: Caterpilar (Mỹ); Mitsubishi, Komatsu, Kobelco, Hitachi… (Nhật); Hamn, Libher (Đức); Volvo, Dynapac (Thụy điển); Sam Sung, Deawoo, Huyndai… (Hàn quốc)… Trong máy xây dựng, máy xúc là loại máy cơ giới chủ đạo trong nhóm máy làm đất, nó được sử dụng đa năng trong xây dựng và khai khoáng

Trong những năm 90 của thế kỷ XX, các loại máy xúc đa năng được chế tạo phổ biến với các kiểu dẫn động khác nhau như: cơ khí, thủy lực, thủy cơ Việc ứng dụng dẫn động thủy lực đã làm thay đổi một cách cơ bản các chỉ số

về kết cấu, chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, nâng cao về bản chất công nghệ và vận hành của máy xúc

Sự đa dạng trong kết cấu của TBCT máy xúc chỉ ra mong muốn của các nhà sản xuất là tiếp tục hoàn thiện việc sản xuất và chế tạo máy xúc đáp ứng cho các điều kiện khai thác và công nghệ khác nhau phù hợp với từng vùng Sử dụng nhiều thiết bị thay thế bộ công tác nhằm nâng cao năng suất và hiệu quả đa năng công dụng của máy xúc Thực tế các hãng chế tạo đều hướng đến mục đích sản xuất các mẫu mã có tính chất ổn định, nhưng điều này xa rời thực tế vì tính chất công việc và môi trường công tác của máy xúc là rất đa dạng Do đó việc nghiên cứu, chế tạo, sản xuất, hoàn thiện các thiết kế máy xúc được rất nhiều các nhà khoa học, viện nghiên cứu quan tâm

5

Đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng và công dụng, máy xúc thủy lực ngày càng hoàn thiện nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại Tuy nhiên do tính chất phức tạp của thiết kế, của hệ thống, của chất lượng làm việc, của môi trường công tác nên việc hoàn thiện tiếp các loại máy xúc nói chung và máy xúc một gầu dẫn động thủy lực là một làm rất cần thiết

Những xu hướng phát triển, hoàn thiện cơ bản của máy xúc một gầu dẫn động thủy lực hiện nay tập trung vào:

- Tiếp tục hoàn thiện kết cấu, tăng thể tích gầu trên đơn vị công suất, hoặc đơn vị trọng lượng máy;

- Sử dụng đa dạng các bộ TBCT đi cùng máy xúc và giảm thời gian thay thế các thiết bị này;

- Sử dụng các vật liệu mới, thép siêu bền, sử dụng công nghệ chế tạo tiên tiến để tăng độ bền, độ tin cậy, giảm độ mài mòn, tăng tuổi thọ làm việc của các chi tiết, cụm máy;

- Giảm áp lực của máy lên nền đất như tăng chiều rộng của dải xích, sử dụng các loại xích có kết cấu phù hợp với tính chất công việc;

- Hoàn thiện nguồn động lực của máy bằng cách sử dụng hệ thống tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất động cơ, giảm khí thải gây ô nhiễm môi trường;

- Hoàn thiện hệ thống dẫn động thủy lực, sử dụng hệ điều khiển điện tử góp phần nâng cao sự làm việc ổn định của hệ thống;

điện Tăng tính tự động điều khiển và tính thuận tiện sử dụng của máy

1.1.2 Đặc điểm cấu tạo và điều khiển của máy xúc thủy lực gầu nghịch

Máy xúc thuỷ lực gầu nghịch là một trong những máy chủ đạo trong công tác làm đất nói riêng và trong xây dựng cơ bản nói chung Máy làm nhiệm vụ khai thác đất và đổ đất vào phương tiện vận chuyển, hoặc chúng tự đào và vận chuyển đất trong phạm vi ngắn như đào kênh mương, sử dụng để cơ giới hoá công việc làm đất và bốc dỡ trong xây dựng ở địa hình có cấp đất từ cấp I÷IV

6

và làm việc trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt Ngoài việc trang bị gầu nghịch máy có thể lắp đặt nhiều loại TBCT khác nhau để thực hiện nhiều chức năng, công việc khác nhau như búa máy đóng cọc, phá đá, cẩu nhổ cây, đầm đất Máy đảm nhiệm 50÷70% công tác làm đất trong công trình xây dựng đường,

đê, đập thuỷ lợi, thuỷ điện khai thác mỏ Máy xúc thuỷ lực một gầu nghịch được xếp vào máy chủ đạo quan trọng nhất

Hình 1.1 Cấu tạo chung máy xúc thuỷ lực gầu nghịch

1 Cơ cấu di chuyển; 2 Xe cơ sở; 3 Cần; 4 Xi lanh nâng hạ cần;

5 Xi lanh quay tay gầu, 6.Tay gầu; 7 Xi lanh quay gầu; 8 Gầu

Máy đào được dùng chủ yếu:

- Trong xây dựng dân dụng và công nghiệp: đào hố móng, đào rãnh thoát nước, đào rãnh dùng để lắp đặt đường ống cấp thoát nước, đường điện ngầm, bốc xúc vật liệu ở các bãi, kho chứa vật liệu Ngoài ra có lúc làm thay cần trục khi lắp các ống cấp thoát nước hay các búa đóng cọc để thi công móng cọc, phục vụ thi công khoan cọc nhồi

- Trong xây dựng thuỷ lợi: đào kênh mương, nạo vét sông ngòi, bến cảng,

ao hồ, khai thác đất để đắp đập, đắp đê

7

- Trong xây dựng cầu đường: đào móng khai thác đất, cát để đắp đường, nạo bạt sườn đồi đắp ta luy khi thi công đường sát sườn núi

- Trong khai thác mỏ: bóc lớp tẩm thực vật phía trên bề mặt đất, khai thác

mỏ lộ thiên ( than đất sét, cao lanh, đá sau nổ mìn )

- Trong các lĩnh vực khác: nhào trộn vật liệu trong các nhà máy hoá chất phân lân cao su Khai thác đất cho các nhà máy gạch sứ Tiếp liệu cho các nhà máy trạm trộn bê tông, bê tông asphal Bốc xếp vật liệu trong các ga tầu, bến cảng Khai thác sỏi, cát ở lòng sông

Cấu tạo của máy xúc thuỷ lực gồm các bộ phận chủ yếu sau (hình 1.1):

Cơ cấu di chuyển xích (1) dùng để di chuyển máy trong công trường; Xe cơ sở (2) là nơi chứa động cơ và các bộ truyền động cung cấp nguồn động lực cho máy hoạt động, cabin để điều khiển hoạt động của máy, cơ cấu quay sàn giúp cho máy có thể thay đổi được vị trí của gầu trong mặt phẳng ngang để đào và

xả đất, đối trọng dùng để cân bằng sàn quay và đảm bảo sự ổn định của máy trong quá trình làm việc Từ động cơ, thông qua hệ thống dẫn động thuỷ lực thuỷ tĩnh, truyền năng lượng dẫn động di chuyển máy và các các thao tác làm việc của TBCT

TBCT của máy gồm: cần (3) có hai đầu được lắp với sàn quay và tay gầu (6) nhờ khớp quay; xi lanh cần (4) dùng để điều khiển việc nâng hạ cần; tay gầu (6) là nơi gá lắp và điều khiển hoạt động của gầu; xi lanh tay gầu (5) dùng để điều khiển việc co duỗi tay gầu; gầu xúc (8) thường được lắp thêm các răng để giảm lực cản cắt đất, điều khiển hoạt động của gầu được thực hiện nhờ xi lanh gầu (7)

Quá trình thi công bằng máy xúc rất đa dạng và phức tạp Bộ công tác của máy trong quá trình làm việc thường xuyên phải chịu tác động của tải trọng thay đổi (tải trọng lớn nhất có thể lớn hơn tải trọng trung bình tới 2÷3 lần) Địa hình thi công không thuần nhất Mặt khác chất

8

lượng công trình ngày càng đòi hỏi cao hơn, điều kiện lao động của người lái máy ngày càng phải cải thiện tốt hơn Với những điều kiện trên dẫn đến nhu cầu phải tự động hóa quá trình điều khiển máy Có nhiều phương

án khác nhau để điều khiển tự động quá trình làm việc Ví dụ quá trình đào đất của máy đào có các phương án như: thay đổi chiều sâu đào theo lực kéo hoặc công suất của động cơ, thay đổi vận tốc di chuyển làm việc của máy, thay đổi số vòng quay của bộ công tác, theo quỹ đạo đào cho trước

Thiết bị di chuyển máy xúc dùng để di chuyển máy khi thay đổi vị trí làm việc và di chuyển từ nơi này sang nơi khác Thiết bị di chuyển cần phải đảm bảo độ bền, cứng vững, ổn định trong mọi điều kiện làm việc của máy có ý nghĩa đảm bảo an toàn cho máy chuyển động với vận tốc cần thiết, chịu tải trọng bình thường trong trường hợp gặp chướng ngại trên đường di chuyển và sự biến dạng của nền đất Thiết bị di chuyển máy phải đảm bảo khả năng thông qua tốt, có độ bám lớn và cơ động trong các điều kiện môi trường khác nhau, không có hiện tượng trượt khi

di chuyển Khả năng thông qua và kéo của máy phụ thuộc vào tính chất cơ-lý của nền đất, áp suất do máy tạo ra truyền lên đất, lực cản chuyển động lực bám của thiết bị di chuyển với nền đất, chiều sâu vệt di chuyển,

độ trùng nhau của quỹ đạo bánh trước và bánh sau Thiết bị di chuyển phải có khả năng cơ động cao và linh hoạt để đáp ứng yêu cầu làm việc của máy

Cơ cấu quay toa dùng để thay đổi vị trí của gầu trong mặt phẳng ngang trong quá trình đào và xả đất Trên bàn quay người ta bố trí động

cơ, các bộ phận truyền động cho các cơ cấu… Bàn quay được lắp trên khung gầm của máy xúc làm nhiệm vụ liên kết giữa phần di chuyển phía dưới và phần quay phía trên, thường được gọi là thiết bị tựa quay Nhờ

9

có thiết bị tựa quay mà phần trên sàn quay có thể quay quanh trục thẳng đứng một cách nhẹ nhàng Thông qua thiết bi tựa quay tải trọng được truyền từ phần quay xuống phần không quay và từ đó truyền xuống nền

Cơ cấu dẫn động tạo ra chuyển động quay được bố trí trên phần quay hoặc phần cố định của máy

Hệ thống điện gồm các phần sau: nguồn điện, hệ thống đánh lửa, hệ thống khởi động, hệ thống chiếu sáng, đèn tín hiệu, hệ thống đo lường và kiểm tra, thiết bị lau kính, điều hòa nhiệt độ, hệ thống thông tin liên lạc, vô tuyến…

1.2 Đặc điểm làm việc của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch

Máy xúc thủy lực gầu nghịch thường làm việc ở nền đất thấp hơn mặt bằng đứng của máy (cũng có những trường hợp máy làm việc ở nơi cao hơn, những nền đất mềm và chỉ có xi lanh quay gầu để cắt) Sau khi đưa máy đến vị trí làm việc, phải tạo vị trí đỗ máy thuận tiện cho việc đào xúc và đảm bảo độ

ổn định của máy khi làm việc Máy làm việc theo chu kỳ, đất được xả qua miệng gầu Quá trình làm việc của TBCT được diễn ra theo chu trình như sau :

Hình 1.2 Máy xúc đào và tích đất bằng xi lanh quay gầu

10

Hình 1.3 Máy xúc đào và tích đất bằng xi lanh quay tay gầu

- Thứ nhất, đưa gầu vươn xa máy và hạ xuống vị trí cần đào sao cho răng gầu tiếp xúc với đất bằng cách điều khiển các xi lanh cần, tay gầu và gầu

- Thứ hai, tùy vào vị trí thích hợp, điều khiển gầu để tiến hành cắt đất và tích đất Có ba phương pháp đào : đào bằng xi lanh quay gầu, xi lanh quay tay gầu hoặc kết hợp cả ba xi lanh quay gầu, quay tay gầu và nâng hạ cần Hình 1.2

và hình 1.3 mô tả quá trình đào và tích đất của máy xúc bằng hai phương pháp khác nhau: đào và tích đất bằng xi lanh quay gầu và đào và tích đất bằng xi lanh quay tay gầu

Gầu tiến hành cắt đất và tích đất vào gầu từ vị trí I đến II nhờ xi lanh quay gầu hoặc xi lanh ra vào tay gầu, hoặc nhờ các xi lanh hoạt động đồng thời Quỹ đạo chuyển động của răng gầu trong quá trình cắt đất là một đường cong Chiều dày phoi cắt thông thường thay đổi từ bé đến lớn Vị trí I là bắt đầu cắt và tích đất, vị trí II gầu đầy nhất và có chiều dày phoi đất lớn nhất

- Thứ ba, Đưa gầu ra khỏi tầng đào và nâng gầu lên nhờ xi lanh quay tay gầu, quay máy về vị trí xả đất nhờ cơ cấu quay và xi lanh thủy lực nâng hạ cần

11

Đất có thể có thể xả thành đống hoặc xả vào thiết bị vận chuyển Đất được xả

ra khỏi miệng gầu nhờ xi lanh quay tay gầu, quay máy về vị trí làm việc tiếp theo với một chu kỳ hoàn toàn tương tự

1.3 Quá trình động học, động lực học của máy xúc thủy lực gầu nghịch

Máy xúc thủy lực gầu nghịch là một hệ thống cơ, điện, thủy lực phức tạp

Hệ thống cơ học gồm các khâu động lực học hoàn chỉnh, các khâu nằm trong sự tương tác động lực học khi thực hiện quá trình công tác bao gồm: động cơ - hệ thủy lực – bộ dẫn động – mạch phân phối – TBCT Quá trình hoạt động bao gồm tất cả các khâu chức năng của hệ thống và người lái, tạo thành một mạch kín: động

cơ – hệ thủy lực – dẫn động – người lái – bộ công tác – động cơ

Hình 1.4 Các khâu động lực học trong quá trình công tác của máy xúc

Quá trình tăng tốc và phanh hãm TBCT về bản chất cơ học là quá trình xảy ra đột ngột, còn quá trình đào, cắt đất, nâng hạ thiết bị là quá trình xảy ra bình ổn Các quá trình này khác nhau về bản chất: nếu trong quá trình động học xảy ra đột ngột, lực quán tính đóng vai trò chủ yếu, ngược lại quá trình động học xảy ra bìnn ổn thì quy luật biến thiên lực cản đào trong quá trình tương tác giữa gầu và đất, lực nâng, hạ TBCT đóng vai trò chủ yếu

Để nghiên cứu động lực học máy xúc thủy lực ta sử dụng lý thuyết cơ học hệ nhiều vật, và tiến hành theo các bước sau :

Dẫn động

Điều khiển

Bơm thủy lực

Người lái

Động cơ

Môi trường

Thiết bị công tác

12

Bước 1: Xây dựng mô hình vật lý

Từ một cơ hệ thực tế với các số liệu đầu vào, biểu diễn tất cả các yếu tố động học, động lực học, xây dựng mô hình vật lý phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo

Bước 2: Xây dựng mô hình toán

Từ mô hình vật lý, dựa vào các định lý tổng quát động lực học để xây dựng các phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ Trong cơ học hệ nhiều vật thường sử dụng các phương trình Lagrange loại II và Lagrange nhân tử hoặc

sử dụng phương trình Nuitơn-Ơle để viết các phương trình chuyển động cho mỗi khâu của cơ hệ Việc sử dụng các phương trình Lagrange cho các tín hiệu vật lý để biểu diễn các kết quả của phương trình thường ở dạng tổ hợp, còn các phương trình Niutơn-Ơle mô tả động lực học các khâu sát thực hơn

Bước 3: Khảo sát mô hình và tính toán

Thực chất của khảo sát mô hình là sử dụng các thuật toán để giải hệ phương trình vi phân chuyển động được xây dựng trong bước 2 và khảo sát các thông số động lực học, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng

Các bước trên đều có ý nghĩa quan trọng đến việc xây dựng mô hình, mô hình vật lý Mô hình vật lý càng được xây dựng sát với mô hình thực thì hệ phương trình vi phân sẽ biểu diễn đầy đủ quan hệ giữa các thông số động lực học của cơ hệ, mô hình càng hoàn thiện thì các kết quả tính toán cho phép đánh giá chính xác chất lượng động lực học của máy

1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến nội dung luận văn

Xuất phát từ tính đa năng của máy xúc thủy lực gầu ngịch trong quá trình thi công và xây dựng Xuất phát phần trăm khối lượng công việc thực hiện của máy xúc khi thi công, tính chất đa dạng về chủng loại và số lượng mà máy xúc thủy lực gầu ngịch được rất nhiều các tác giả trong và ngoài nước đề cập đến trong các công trình nghiên cứu của mình

13

- Về nghiên cứu động học, động lực học máy xúc thủy lực gầu nghịch đã

có nhiều công trình của các nhà khoa học trên thế giới như V.I Balốpnhép, Zelenhin, N.G Đômbrôvski, A J Koivo, M Thomat,…Các nhà khoa học trong nước như GS.TS Chu Văn Đạt, PGS.TS Nguyễn Viết Tân, TS Nguyễn Thế Minh, PGS.TS Lê Văn Cường…

Hình 1.5 Mô hình động lực học máy xúc thủy lực gầu nghịch theo A.J.Koivo

Các công trình của các nhà khoa học nói trên, đều nghiên cứu về động học, động lực học máy xúc thủy lực gầu nghịch với mục đích khác nhau như : nghiên cứu về quá trình cắt đất bằng gầu xúc, nghiên cứu tối ưu quỹ đạo đào, nghiên cứu tối ưu kết cấu…Đặc điểm chung của các công trình trên là đều sử dụng mô hình động học, động lực học do A.J.Koivo đề xuất (hình 1.5) Mô

14

hình máy xúc thủy lực gầu nghịch là một cơ hệ gồm 4 bậc tự do, sử dụng phương pháp Denavit – Hartenberg để tính toán động học, sử dụng phương trình Newton – Euler, tách các khâu để viết phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ Khi nghiên cứu động lực học máy xúc thủy lực gầu nghịch các nhà khoa học đều giả thiết và thay thế hệ thống thủy lực bằng các lực tác dụng vào các khâu tương ứng

Hình 1.6 Mô hình động lực học hệ thống thủy lực dẫn động TBCT

- Về nghiên cứu động lực học hệ thống thủy lực, theo các tài liệu [11,12,13,14,15,24] Các tác giả đã nghiên cứu việc điều khiển từ xa TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch Dựa trên mô hình động lực học máy xúc thủy lực gầu nghịch của Koivo, các tác giả đã xác định quỹ đạo chuyển

15

động của gầu xúc, giải bài toán động học ngược để tìm các thông số động lực học của TBCT Sau đó, các tác giả đã tiến hành giải bài toán động lực học hệ thống thủy lực dẫn động thiết bị công tác (hình 1.6) Tìm ra các thông số điều khiển hệ thống thủy lực Từ đó, lập trình và chế tạo bộ điều khiển từ xa quá trình làm việc của máy xúc thủy lực (hình 1.7)

Hình 1.7 Mô hình điều khiển từ xa máy xúc thủy lực gầu nghịch

Hình 1.8 Mô hình cách tay máy hai bậc tự do

16

- Theo [23], Các tác giả Stanislav Vˇechet, Jiˇr´ıKrejsa đã xây dựng

mô hình động lực học của cánh tay thủy lực hai bậc tự do (hình 1.8) Mô hình hóa hệ thống phức tạp kết hợp hai hệ thống phụ là: cơ khí và thủy lực Sử dụng phần mở rộng trong Matlab Simulink là Simmechanic và SimHydrainics để tiến hành mô phỏng sự làm việc của cánh tay thủy lực Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, mô hình được trình bày tương ứng tốt với thiết bị thực tế (hình 1.9)

(a) (b)

Hình 1.9 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm quá trình làm

việc của các xi lanh cánh tay hai bậc tự do Như vậy, cho đến thời điểm hiện nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề động lực học máy xúc thủy lực gầu nghịch trong quá trình làm việc, tuy nhiên mô hình nghiên cứu động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch kết hợp giữa hệ thống cơ khí và thủy lực chưa nhiều Các mô hình nghiên cứu động lực học TBCT máy xúc thủy lực thường tách riêng hệ thống cơ khí và hệ thủy lực Chính vì vậy, nội dung nghiên cứu của luận văn nhằm mục đích giải quyết bài toán động lực học TBCT máy xúc thủy lực là một hệ thống khép kín kết hợp hệ cơ khí và hệ thủy lực

17

1.5 Xác định mục tiêu nhiệm vụ của Luận văn

1.5.1 Mục tiêu của Luận văn

Mục tiêu chính của đề tài là: Xây dựng được mô hình và tiến hành khảo sát động lực học hệ cơ khí kết hợp với hệ thống thủy lực dẫn động TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch trong quá trình làm việc Mô phỏng được quá trình đào

và cắt đất bằng phần mềm Matlab SimHydraulic và Simechanic

1.5.2 Nhiệm vụ của Luận văn

Với mục tiêu nêu trên của Luận văn, nhiệm vụ đặt ra là:

- Phân tích đặc điểm làm việc của máy xúc thủy lực gầu nghịch trong các trường hợp đào và cắt đất

- Nghiên cứu động lực học hệ thống cơ khí TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch trong quá trình đào và cắt đất

- Nghiên cứu động lực học hệ thống thủy lực dẫn động TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch trong quá trình đào và cắt đất

- Nghiên cứu mô hình kết hợp động lực học hệ thống cơ khí và hệ thống dẫn động thủy lực TBCT trong quá trình đào và cắt đất

- Mô phỏng quá trình đào và cắt đất bằng phần mềm Matlab SimHydraulic và Simechanics

18

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trong chương 1, tác giả đã trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu Phân tích xu hướng phát triển của máy xúc nói chung, máy xúc thủy lực gầu nghịch nói riêng Phân tích đặc điểm, nguyên lý làm việc của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch Nghiên cứu quá trình động học, động lực học của TBCT máy xúc thủy lực Phân tích các công trình nghiên cứu có liên quan đến nội dung của luận văn Các công trình nghiên cứu đã công bố đã xây dựng và hoàn thiện mô hình động lực học hệ thống cơ khí và hệ thống thủy lực dẫn động TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch một cách riêng lẻ Tuy nhiên, TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch là một hệ cơ học phức tạp, liên hoàn, quá trình làm việc luôn có sự tác động qua lại giữa hệ thống cơ khí và hệ thống thủy lực Do vậy, việc nghiên cứu động lực học kết hợp giữa hệ thống cơ khí và hệ thống thủy lực dẫn động TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch là một đề tài mang tính cấp thiết nhằm mục đích mô tả chính xác hơn quá trình làm việc của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch

19

Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA MÁY

XÚC THỦY LỰC GẦU NGHỊCH 2.1 Động lực học hệ thống cơ khí TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch

Mô hình động lực học hệ thống cơ khí TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch được xây dựng trên cơ sở lý thuyết cơ học hệ nhiều vật Tính toán động học theo nguyên lý Denavit – Hartenberg – Craig Sử dụng phương trình Lagrange loại hai của hệ nhiều vật để viết phương trình vi phân chuyển động cho các khâu

2.1.1 Các giả thiết khi xây dựng mô hình

Mô hình động lực học của TBCT máy xúc biểu diễn mối quan hệ giữa

mô men và lực tác dụng với chuyển động của các khâu của máy trong quá trình làm việc Để giảm tính phức tạp mà kết quả tính toán bị ảnh hưởng không đáng

kể, ta thừa nhận một số giả thuyết sau:

- TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch được tách tự do thành ba khâu: cần, tay gầu và gầu, khối lượng của các khâu được đặt tại trọng tâm

- Các khâu của TBCT được coi là vật rắn tuyệt đối

- Các khâu của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng, đối xứng dọc của máy

- Bỏ qua tổn hao ma sát trong các khớp liên kết giữa các khâu

- Vị trí của máy đào đứng trên nền đất coi như cứng tuyệt đối, sàn quay, thân máy đứng yên trong quá trình đào

2.1.2 Mô hình khảo sát động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch

Cấu tạo TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch như hình vẽ 2.1 Theo đó, TBCT gồm các khâu: cần 1, tay gầu 2, gầu 3 được nối động trực tiếp với nhau bằng các khớp quay Dẫn động các khâu bằng ba xy lanh: gồm xi lanh nâng hạ cần 4, xi lanh ra vào tay gầu 5, xi lanh quay gầu 6 Dưới sự điều khiển của người lái, bằng cách co, duỗi các

xi lanh 4,5 và 6 sẽ tạo nên quỹ đạo chuyển động của các điểm trên đỉnh răng gầu

20

Hình 2.1 Cấu tạo TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch

0 Sàn quay; 1 Cần; 2 Tay gầu; 3 Gầu; 4 Xi lanh nâng hạ cần; 5 Xi lanh ra vào tay gầu; 6 Xi lanh quay gầu; 7,8 Thanh dẫn cơ cấu 4 khâu bản lề

Mô hình động lực học của TBCT máy xúc gầu nghịch được xây dựng cho trường hợp máy đang đào Mô hình là một cơ hệ bao gồm 4 khâu, ba bậc

tự do Khâu 1 là cần được nối động với giá là sàn quay 0 bằng khớp quay O≡O1 Khâu 2 là tay gầu được nối động với khâu 1 bằng khớp quay O2 Khâu 3 là gầu được nối động với khâu 2 bằng khớp quay O3 (hình 2.2) Các khâu chỉ có thể chuyển động tương đối từng cặp ăn khớp với nhau Điều khiển nâng hạ cần, co duỗi tay gầu và quay gầu thông qua lực đẩy trên các xi lanh thủy lực nâng hạ cần, xi lanh co duỗi tay gầu và xi lanh quay gầu Đặc điểm này sẽ thuận lợi cho việc xác định hệ thống lực và mô men trên các khâu của TBCT

Hình 2.2 Mô hình động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch

2.1.3 Lựa chọn hệ tọa độ dùng cho khảo sát

Để nghiên cứu động lực học TBCT của xúc thủy lực gầu nghịch, chúng

ta sẽ nghiên cứu vị trí và hướng của các khâu dựa trên việc sử dụng tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất thông qua việc xác lập các hệ tọa độ gắn với các khâu theo phương pháp ma trận Denavit – Hartenberg - Craig Vì vậy, các hệ tọa độ động và hệ tọa độ cố định được chọn như sau:

22

- Hệ tọa độ cố định

Lựa chọn hệ tọa độ cố định Đề các Ox y z0 0 0 gắn với sàn quay, gốc tọa độ trùng với khớp liên kết O giữa cần và sàn quay, trục Oz trùng với trục của khớp bản lề O, trục Ox0 vuông góc với Oz0 theo phương dọc với thân máy, và trục

Oy0 vuông góc với Ox0 và các trục Ox0, Oy0, Oz0 tạo thành một tam diện thuận

- Hệ tọa độ động

Chọn hệ tọa độ động O x y z1 1 1 1 gắn với cần tại khớp quay O1, trong đó:

O1≡O Trục O x1 1 có phương trùng với O O1 2 và chiều hướng từ O1 đến O2; trục

1 1

O z trùng với trục của khớp O1, cùng chiều với Oz; trục O y1 1 cùng với trục O x1 1

và O z1 1 tạo thành một tam diện thuận

Chọn hệ tọa độ động O x y z2 2 2 2 gắn với tay gầu tại khớp O2, trong đó: Trục

2 2

O x có phương trùng với O O2 3 và chiều hướng từ O2 đến O3; trục O z2 2 trùng với trục của khớp O2, cùng chiều với Oz; trục O y2 2 cùng với trục O x2 2 và O z2 2

tạo thành một tam diện thuận

Chọn hệ tọa độ động O x y z3 3 3 3 gắn với gầu tại khớp O3, trong đó: Trục

3 3

O x có phương trùng với O P3 và chiều hướng từ O3 đến P; trục O z3 3 trùng với trục của khớp O3, cùng chiều với Oz; trục O y3 3 cùng với trục O x3 3 và O z3 3 tạo thành một tam diện thuận

Quỹ đạo chuyển động của gầu được xác định bởi vị trí và các góc của các khâu trong TBCT Sự thay đổi chiều dài của các xi lanh thủy lực xác định các góc quay tại khớp, quan hệ động học giữa các khâu TBCT cho biết mối liên

hệ toán học của các khâu

Vị trí của mỗi khâu được xác định bởi các thông số: các tọa độ x i , y i , z i

của hệ tọa độ vật lúc ban đầu trong hệ tọa độ Ox y z0 0 0và góc quay θi giữa các

trục O i x i và O i-1 x i-1

23

2.1.4 Các thông số trong mô hình khảo sát

Các thông số trong mô hình khảo sát động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch (hình 2.2) bao gồm:

- G1 = m1g: trọng lượng của cần máy xúc, được đặt tại trọng tâm C1 của cần

- G2 = m2g: trọng lượng của tay gầu máy xúc, được đặt tại trọng tâm C2

của tay gầu

- G3 = m3g: trọng lượng của gầu và đất, được đặt tại trọng tâm C3 của gầu

- θ θ θ 1 , , 2 3: các góc quay của cần, tay gầu và gầu

- β β β1, ,2 3: lần lượt các góc xác định tọa độ của trọng tâm của các khâu (cần, tay gầu và gầu) trong các hệ trục tọa độ gắn với cần, tay gầu và gầu

- l C1= O1 1C l, C2 = O2C l2,C3 = O3C3: lần lượt khoảng cách từ trọng tâm của các khâu cần, tay gầu và gầu với gốc tọa độ gắn với các khâu

- l1 = O O ,1 2 2l = O O ,2 3 3l = O3P: lần lượt là kích thước động học của các khâu cần, tay gầu và gầu

- τ τ τ1, ,2 3: Mô men của các lực gây ra bởi xi lanh dẫn động đối với các trục quay O1; O2; O3 của các khâu

- P x ; P y: Các thành phần của lực cản cắt đất

2.1.5 Xác định các ma trận Denavit – Hartenberg – Craig

Áp dụng phép biến đổi Denavit – Hartenberg – Craig [4], để xác định ma trận chuyển thuần nhất cho các khâu của mô hình động lực học TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch

Theo phương pháp Denavit – Hartenberg – Craig ta có thể chuyển hệ tọa

độ khớp (Oxyz)i−1 sang hệ tọa độ khớp (Oxyz)ibằng bốn phép biến đổi cơ bản như sau:

24

- Quay quanh trục x i−1 một góc αi−1

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục x i−1 một đoạn a i−1

- Quay quanh trục z i một góc θi

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục z i một đoạn d i

Ma trận của phép biến đổi, kí hiệu là [Ki] gọi là ma trận Denavit – Hartenberg – Craig địa phương, hay gọi tắt là ma trận Craig địa phương, là tích của bốn ma trận biến đổi cơ bản và có dạng tổng quát như sau:

Ma trận [Ci] được gọi là ma trận Denavit – Hartenberg – Craig toàn cục

Ma trận [Ci] là ma trận cỡ 4x4, cho biết vị trí của khâu thứ i trong hệ quy chiếu

cố định R0 Trong đó ma trận 3x3 ở góc bên trái là ma trận cô sin chỉ hướng của khâu thứ i ([Ai]), còn véc tơ ở cột thứ tư cho biết vị trí của điểm Oi

25

Bảng 2.2 Tham số động lực học của TBCT máy xúc thủy lực gầu nghịch

Khâu Vị trí trọng tâm lượng Khối Mô men quán tính I

u : Véc tơ vị trí của điểm E trong hệ tọa độ O x y z i i i i

Phương trình ma trận tương ứng với công thức (2.9) có dạng:

(0) (0) (0) (0) [ ] (O )i

E O E O i E

R =R +u =R + A u (2.10) [Ai]: ma trận cô sin chỉ hướng của khâu i trong hệ quy chiếu cố định

Theo phương pháp ma trận Craig thì phương trình (2.10) có dạng:

[ ]

(0) (O ) (O ) (0)

Áp dụng công thức (2.11) ta xác định được vị trí của trọng tâm các khâu

và vị trí của điểm P (đỉnh răng gầu) đối với hệ quy chiếu cố định như sau:

2.1.6.1 Vị trí trọng tâm của khâu 1 đối với hệ quy chiếu cố định

- Vị trí trọng tâm của khâu 1 đối với hệ trục tọa độ O x y z1 1 1 1 là:

2.1.6.2 Vị trí trọng tâm của khâu 2 đối với hệ quy chiếu cố định

- Vị trí trọng tâm của khâu 2 đối với hệ trục tọa độ O x y z2 2 2 2 là:

C C

C

C

C C

2.1.6.3 Vị trí trọng tâm của khâu 3 đối với hệ quy chiếu cố định

- Vị trí trọng tâm của khâu 3 đối với hệ trục tọa độ O x y z3 3 3 3 là:

2.6.1.4 Vị trí của điểm P (đỉnh răng gầu) đối với hệ quy chiếu cố định

- Vị trí của điểm P (đỉnh răng gầu) đối với hệ trục tọa độ O x y z3 3 3 3 là:

2.1.7 Xác định ma trận khối lượng suy rộng

- Véc tơ vận tốc góc của các khâu:

l R

0

C C