khảo sát động lực học thiết bị công tác của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

Theo tinh thần đó, Bộ xây dựng đang chỉ đạo chơng trình tính toán, thiết kế chế tạo máy xúc một gầu gầu ngợcdẫn động thuỷ lực kiểu PC200-3 do tổng công ty lắp máy Việt Nam – LILAMAlàm ch

Mở đầu

Máy xúc một gầu đợc xếp vào nhóm máy chủ đạo trong tổ chức thi côngcông trình, cứu hộ, cứu nạn, khai thác hầm lò Khối lợng đào, xúc đất của nóchiếm trên 60% khối lợng đào, xúc của tất cả các máy làm đất khác Máy xúcmột gầu rất đa dạng về chủng loại và kết cấu song do tính u việt nổi trội của dẫn

động thủy lực so với dẫn động cơ khí nên trong những năm gần đây máy xúc mộtgầu dẫn động thủy lực đợc sử dụng rất rộng rãi, không những trong quân sự màcòn cả trong các lĩnh vực nền kinh tế quốc dân Hiện nay trên thế giới có hơn 80nớc đã sản xuất đợc loại máy xúc này ở Việt Nam để trang bị các loại máy xúcnày phải nhập ngoại, Quân đội nói riêng và Nhà nớc ta nói chung phải tốn rấtnhiều ngoại tệ để nhập cả máy lẫn phụ tùng bảo đảm Do chủng loại và chất l ợngcủa nó đa dạng nên trong quá trình khai thác sử dụng gặp rất nhiều khó khăn,không phát huy hết đợc tính năng kỹ thuật của máy Với sự phát triển của nềncông nghiệp trong nớc hiện nay hoàn toàn có thể cho phép tiến hành thiết kế, chếtạo máy xúc thủy lực một gầu dẫn động thủy lực nói riêng và các máy thi côngcông trình nói chung theo kiểu tích hợp hệ thống Theo tinh thần đó, Bộ xây dựng

đang chỉ đạo chơng trình tính toán, thiết kế chế tạo máy xúc một gầu (gầu ngợc)dẫn động thuỷ lực kiểu PC200-3 do tổng công ty lắp máy Việt Nam – LILAMAlàm chủ dự án cùng với sự cộng tác của một số cơ quan nghiên cứu khoa học liênquan khác trong lĩnh vực này nh Viện nghiên cứu phát triển Máy xây dựng thuộc

Bộ xây dựng, Bộ môn xe máy Công binh, Học viện KTQS v.v… Để góp phần vào Để góp phần vào

việc thực hiện nhiệm vụ đó tôi đợc giao nhiệm vụ thực hiện luận văn khảo sát“ khảo sát

động lực học thiết bị công tác của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực” - Là

một phần của đề tài thuộc chơng trình nói trên Với mục tiêu đặt ra là thiết kế chếtạo máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực có độ bền cao, có chất lợng động học và

động lực học tốt đảm bảo máy làm việc êm dịu nên trong nhiệm vụ của luận vănphải giải quyết hai vấn đề chính

- Một là xác định lực và nội lực trong hệ thống thiết bị công tác tơng ứngvới các trờng hợp cắt và tích đất khác nhau làm cơ sở xác định đợc chế độ tảitrọng lớn nhất phục vụ cho việc tính bền các chi tiết của thiết bị công tác trongquá trình tính toán thiết kế

- Hai là khảo sát động học, động lực học hệ thống thiết bị công tác đảmbảo sự làm việc êm dịu cho thiết bị công tác nói riêng và toàn máy nói chung.

Trong luận văn đã trình bày việc xác định lực và nội lực trong hệ thốngthiết bị công tác bằng phơng pháp giải tích khi tách các khâu và xét điều kiện cânbằng của chúng Khảo sát sự thay đổi lực và nội lực trong quá trình làm việc cầnphải xét cho từng trờng hợp để từ đó xác định các lực tác dụng lên thiết bị côngtác theo các trờng hợp khác nhau làm cơ sở cho việc phân tích so sánh và đa rachế độ tải lớn nhất Tuy nhiên hai trờng hợp cắt và tích đất bằng xi lanh quay gầu

và xi lanh quay tay gầu đợc sử dụng chủ yếu trong quá trình đào đất nên tác giả

đã tập trung khảo sát cho hai trờng hợp này

Mô hình động học và động lực học thiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn

động thuỷ lực đợc xây dựng trên cơ sở lý thuyết cơ học hệ nhiều vật Mô hình

động học và động lực học này đã đợc phát triển từ nền tảng lý thuyết tay máyrôbốt Mô hình động học đợc tính toán theo nguyên lý Denavit – Hartenbergcòn mô hình động lực học thì sử dụng các phơng trình Newton – Euler viết chocác khâu Trong luận văn tác giả đã sử dụng các thông số kích thớc của máy xúcKomatsu PC200-3 làm các thông số để phục vụ tính toán (lý do là máy xúc dựkiến chế tạo tại Việt Nam theo kiểu nh PC200-3) và sử dụng phần mềm Matlab

để giải hệ phơng trình vi phân chuyển động

Nội dung chính của luận văn bao gồm 4 chơng nh sau:

Chơng 1: Tổng quan về máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực và kháiquát các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài

Chơng 2: Xác định và khảo sát quy luật thay đổi lực và nội lực trongcác khâu của thiết bị công tác

Chơng 3: Thiết lập mô hình động học và động lực học của thiết bị côngtác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

Chơng 4: Xác định và khảo sát các tham số động lực học cơ bản củathiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

Mặc dù tác giả của luận văn đã rất cố gắng song do trình độ và thời gian

có hạn nên không tránh khỏi có những thiếu sót, kính mong đợc sự đóng góp,giúp đỡ của các thầy và các đồng nghiệp để luận văn đợc hoàn thiện hơn

Chơng 1 Tổng quan về máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực và khái quát các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài

1.1 Lịch sử phát triển máy xúc

Những chiếc máy xúc đầu tiên đợc chế tạo từ hơn 200 năm trớc đây Khi

đó chúng chỉ là những cỗ máy đơn giản, sử dụng nguồn động lực chủ yếu là sứcngời, sức ngựa và sau đó là động cơ hơi nớc

Cùng với thời gian máy xúc một gầu không ngừng đợc cải tiến và hoànthiện về mọi mặt

Về nguồn động lực, động cơ hơi nớc đã đợc thay thế bằng động cơ đốt

trong từ không có tăng áp đến có tăng áp ở một số máy xúc khổng lồ chuyên

dùng, ngời ta đã sử dụng động cơ điện để dẫn động riêng cho từng cơ cấu vàthiết bị công tác

Về mặt dẫn động các cơ cấu công tác, hiện nay máy xúc một gầu của tấtcả các hãng sản xuất đều sử dụng dẫn động thuỷ lực vì các đặc tính u việt của nó

nh kết cấu máy nhỏ gọn, điều khiển nhẹ nhàng, tạo đợc lực cắt đất lớn và chonăng suất cao, dẫn động cơ khí (cáp) chỉ còn sử dụng ở một số máy xúc đặcchủng đào và xúc ở độ sâu lớn

Hệ thống điều khiển trên các loại máy xúc thuỷ lực của các hãng trên thếgiới 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 ngời ta sử dụng hệ thống điều khiển

điện tử - thuỷ lực với bộ xử lý trung tâm với các chơng trình nạp sẵn Các máyloại này cho phép điều khiển nhẹ nhàng nhanh chóng, chính xác và cho năngsuất cao

Các máy xúc thuỷ lực đầu tiên đợc chế tạo vào cuối những năm 1940 tại

Mỹ, sau đó là ở Anh, Liên Bang Đức, Pháp, Italia, Liên Xô (cũ), Nhật, HànQuốc Từ đầu những năm 1960, máy xúc thuỷ lực đã đợc sản xuất với số lợnglớn, đợc sử dụng rộng rãi ở tất cả các nớc công nghiệp phát triển Vào nhữngnăm 1966 ở Đức, 1969 ở Nhật, số lợng máy xúc thuỷ lực đợc xuất khẩu đãchiếm hơn nửa số máy xúc đợc xuất khẩu của họ Nửa sau thập kỷ 60 nhiều nớc

đã sản xuất các máy xúc thuỷ lực cỡ lớn với trọng lợng 18 – 40 tấn, dung tíchgầu 3 – 4 m3 để dùng chủ yếu cho khai thác đá, khai thác mỏ

Trong thập kỷ 70 và nửa đầu thập kỷ 80 công nghệ chế tạo và khai thác sửdụng máy xúc thuỷ lực ở các nớc phát triển đã đạt trình độ cao, các thành tựukhoa học công nghệ tiên tiến của các lĩnh vực khoa học cơ bản, vật liệu, điện tử,chế tạo máy đã đợc ứng dụng triệt để Các máy xúc dẫn động thuỷ lực đợc chếtạo trong thời kỳ này đã đạt mức chất lợng cao, có kết cấu tơng đối hoàn thiện,

có các chỉ tiêu năng xuất, công nghệ, độ tin cậy, tuổi thọ, có tính đa năng cao,

điều kiện làm việc của ngời vận hành đợc cải thiện

Từ sau thập kỷ 80 cho đến nay, công nghệ chế tạo và khai thác máy xúcthuỷ lực của các nớc phát triển đã chuyển sang một giai đoạn mới, một bớcchuyển với trình độ khoa học công nghệ cao hơn nhiều trong nghiên cứu, chếtạo, sản xuất và khai thác các máy xúc thuỷ lực thế hệ 2 Các máy xúc thuỷ lựcthế hệ 2 đợc chế tạo, có chất lợng vợt hẳn các máy xúc thuỷ lực thế hệ 1 Nh ápsuất công tác trong hệ thống thuỷ lực đạt giá trị rất cao (32 – 40 MPa), có hệ

thống điện tử kiểm tra, điều khiển bơm theo tải cho phép của động cơ (xác lậpchế độ làm việc tối u để không quá tải, chi phí nhiên liệu ít và ồn rung nhỏ nhất),

điều khiển tối u các chế độ làm việc của các phần tử thuỷ lực

Với sự phát triển ở trình độ cao và tốc độ lớn của khoa học công nghệ thếgiới hiện nay trong các lĩnh vực nh công nghệ vật liệu, cơ điện tử, công nghệ tinhọc là điều kiện thuận lợi và cũng đặt ra nhiều vấn đề phức tạp cần đợc giảiquyết kịp thời để ngành công nghiệp nặng nói chung và công nghiệp chế tạo máyxúc thi công công trình nói riêng phát triển tơng xứng với sự phát triển của khoahọc công nghệ thế giới hiện nay

1.2 Đặc điểm khai thác máy xúc và khái quát về loại máy xúc dự kiến sẽ

chế tạo tại Việt Nam

ở thị trờng Việt Nam có rất nhiều nhiều loại máy xúc nhập ngoại nhng cácmáy xúc điều khiển điện thuỷ lực đợc sử dụng rộng rãi hơn cả vì nó vẫn đạt hiệuquả điều khiển tốt mà kết cấu đơn giản, dễ sử dụng và sửa chữa , giá thành rẻ

Số lợng máy xúc bánh xích đợc lu hành và sử dụng chiếm tỷ lệ cao hơn sovới máy xúc bánh lốp do khả năng ổn định làm việc cao hơn, áp lực trên nền đấtnhỏ nên khả năng di chuyển và làm việc trên các nền đất yếu tốt hơn, giá thànhthấp, thời gian triển khai và thu hồi nhanh, năng suất cao

Các máy xúc của Mỹ và Châu âu sản xuất có độ tin cậy làm việc cao, độbền và tuổi thọ lớn nhng có kết cấu phức tạp, khả năng tiếp cận khi tháo lắp khó,phụ tùng vật t hiếm, khả năng lắp lẫn thấp dẫn đến việc khai thác và sửa chữagặp nhiều khó khăn, ngoài ra do tính nhiệt đới hoá không cao nên nhiều chi tiết

điện tử hay bị hỏng và đặc biệt là giá thành quá cao

Máy xúc của Nhật Bản và Hàn Quốc có nhiều đặc điểm kết cấu và tínhnăng kỹ thuật phù hợp với điều kiện khai thác và sử dụng ở Việt Nam hơn Các

đặc tính u việt của nó nh hình dáng, kích thớc hình học và trọng lợng phù hợpvới sức vóc của ngời Việt Nam, kết cấu nhỏ gọn, khả năng tiếp cận tháo lắp dễdàng, các chi tiết đã đợc nhiệt đới hoá cao, khả năng khai thác sử dụng và sửachữa dễ, phụ tùng, vật t thay thế dễ kiếm và có khả năng lắp lẫn cao

Các hãng sản xuất máy xúc của Nhật và Hàn Quốc hiện nay đều thiết kếchế tạo theo kiểu tích hợp, tức hầu hết đều dựa trên cơ sở lựa chọn các phần cơ

bản (động cơ, bơm thuỷ lực ) của các hãng nổi tiếng rồi tổ hợp chúng theothiết kế của riêng mình (trừ hãng Komat’su)

Bảng dới đây sẽ cho ta thấy rõ điều đó

Tên hãng Động cơ Các cụm cơ bản Bơm thuỷ lực

Máy xúc một gầu chủ yếu dùng để đào và khai thác đất, cát phục vụ côngviệc xây dựng cơ sở hạ tầng trong các lĩnh vực: Xây dựng dân dụng và côngnghiệp, khai thác mỏ, xây dựng thuỷ lợi, xây dựng cầu đờng… Để góp phần vàoCụ thể, nó có thểphục vụ các công việc sau:

 Trong xây dựng thuỷ lợi: Đào kênh, mơng; nạo vét sông ngòi, bến cảng,

ao, hồ,… Để góp phần vào; khai thác đất để đắp đập, đắp đê… Để góp phần vào

 Trong xây dựng cầu đờng: Đào, móng, khai thác đất, cát để đắp đờng;nạo, bạt sờn đồi để tạo ta luy khi thi công đờng sát sờn núi… Để góp phần vào

 Trong khai thác mỏ: Bóc lớp đất tẩm thực vật phía trên bề mặt đất; khaithác mỏ lộ thiên (than, đất sét, cao lanh, đá sau nổ mìn… Để góp phần vào)

 Trong các lĩnh vực khác: Nhào trộn vật liệu trong các nhà máy hoá chất(phân lân, cao su,… Để góp phần vào) Khai thác đất cho các nhà máy gạch, sứ,… Để góp phần vàoTiếp liệu chocác trạm trộn bê tông, bê tông át phan… Để góp phần vàoBốc xếp vật liệu trong các ga tầu, bếncảng Khai thác sỏi, cát ở lòng sông… Để góp phần vào

Ngoài ra, máy cơ sở của máy xúc một gầu có thể lắp các thiết bị thi côngkhác ngoài thiết bị gầu xúc nh: cần trục, búa đóng cọc, búa khoan đục bê tông,kìm cắt, gắp; thiết bị ấn bấc thấm,… Để góp phần vào

Nh phần đầu tác giả đã trình bày, dự án chế tạo máy xúc tại Việt Nam làloại máy xúc kiểu PC200-3 Dới đây là khái quát về loại máy xúc này

Kết cấu của máy đợc thể hiện trên hình 1.1, gồm hai phần chính: phần máycơ sở (máy kéo xích) và phần thiết bị công tác (thiết bị làm việc).

Phần máy cơ sở: Cơ cấu di chuyển chủ yếu để cơ động máy xúc trong

công trờng Nếu cần di chuyển máy với cự ly lớn phải có thiết bị vận chuyểnchuyên dùng Cơ cấu quay dùng để thay đổi vị trí của gầu trong mặt phẳng ngangcủa quá trình đào và xả đất Trên bàn quay ngời ta bố trí động cơ, các bộ phậntruyền động cho các cơ cấu… Để góp phần vào Ca bin nơi bố trí cơ cấu điều khiển toàn bộ hoạt

động của máy Đối trọng là bộ phận cân bằng toa quay và tạo sự ổn định củamáy

Phần thiết bị công tác: Cần (3) một đầu đợc lắp khớp trụ với toa quay còn

đầu kia đợc lắp khớp trụ với tay gầu Cần đợc nâng lên hạ xuống nhờ xi lanhnâng cần (4) Điều khiển gầu xúc (8) nhờ xi lanh quay gầu (7) Gầu thờng đợclắp thêm các răng để làm việc ở nền đất cứng

Máy xúc loại này thờng làm việc ở nền đất thấp hơn mặt bằng đứng củamáy (cũng có những trờng hợp máy làm việc ở nơi cao hơn, nhng nền đất mềm

và chủ yếu dùng xi lanh quay gầu để thực hiện quá trình cắt đất) Đất đợc xả quamiệng gầu Máy xúc làm việc theo chu kỳ và trên từng chỗ đứng Một chu kỳ làmviệc của máy bao gồm những nguyên công sau: Máy đến vị trí làm việc, đa gầuvơn xa máy và hạ xuống, răng gầu tiếp xúc với nền đất, gầu tiến hành cắt đất vàtích đất vào gầu từ vị trí I đến II trên hình 1.2 và 1.3 nhờ xi lanh quay gầu 7 hoặc

xi lanh quay tay gầu 5

Hình 1.1 Cấu tạo chung máy xúc thuỷ lực, gầu ngợc 1- Cơ cấu di chuyển, 2- Xe cơ sở, 3 – Cần, 4- Xi lanh nâng cần

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

Quỹ đạo chuyển động của đỉnh răng gầu trong quá trình cắt đất là một ờng cong Chiều dày phoi cắt thông thờng thay đổi từ bé đến lớn Vị trí II gầu

đ-đầy nhất và có chiều dày phoi cắt lớn nhất Đa gầu ra khỏi tầng đào và nâng gầulên nhờ xi lanh cần 4 Quay máy về vị trí xả đất nhờ cơ cấu toa quay Đất có thểxả thành đống hoặc xả vào thiết vị vận chuyển Đất đợc xả ra khỏi miệng gầu nhờ

xi lanh quay gầu 7 Quay máy về vị trí làm việc tiếp theo với một chu kỳ hoàntoàn tơng tự

Hình 1.2 Khi máy xúc làm việc bằng xi lanh quay gầu 7

1.3 Đặc điểm kết cấu thiết bị công tác của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực kiểu PC200-3

Gầu xúc Gầu xúc đợc chế tạo bằng phơng pháp hàn hoặc đúc Đáy gầu

đ-ợc chế tạo liền với các thành gầu thành một khối Số răng gầu lắp trên đài trớccủa gầu phụ thuộc vào chiều rộng của gầu và công dụng của máy (đối tợng làmviệc của máy) Kết cấu của gầu đợc thể hiện trên hình 1.4

Hình 1.4. Sơ đồ cấu tạo gầu xúc của máy đào gầu ngợc dẫn động thuỷ lực 1- Đai miệng gầu; 2- Tai với tay gầu; 3- Tai lắp với tay đòn điều khiển quay gầu; 4- Thành sau; 5- Thành bên; 6- Chốt răng gầu; 7- Răng bên; 8- Bộ phận lắp răng gầu; 9- Răng gầu.

Tay gầu Tay gầu có kết cấu thể hiện trên hình 1.5:

Tay gầu của máy xúc gầu ngợc có kết cấu hàn hình hộp Một đầu liên kết

với cần bằng khớp trụ, còn đầu kia liên kết với gầu xúc thông qua tai gầu và cơcấu liên động

1- Bản thép bên số 1; 2- Vòng lắp bu lông hãm trục; 3- Tai lắp cán pít tông xi lanh quay tay cần; 4- Bản thép đệm; 5- Bản thép phía sau; 6- Tai lắp xi lanh gầu; 7- Vòng lắp bu lông hãm trục; 8- Bản thép gia cờng; 9- Bản thép bên số 2; 10- Bản thép trên; 11- Bản thép gia cờng; 12- ống thép lắp chốt đòn gánh; 13- ống thép lắp chốt gầu; 14- Bản thép bên số 3; 15- Bản thép phía dới

Cần Cần của máy xúc loại này đợc thể hiện trên hình 1.6:

Cần có kết cấu hình hộp đợc chế tạo bằng phơng pháp hàn Ngoài ra còn cócác lỗ và tai để lắp xi lanh thuỷ lực Cần có hình dạng hơi cong, mục đích là hạthấp đầu cần, để tăng chiều sâu đào

1- Tai lắp tay gầu; 2- Bản thép trên; 3- Bản thép bên; 4- Tai lắp xi lanh tay gầu; 5- Bản thép phía dới; 6- Bản thép gia cờng; 7- Bản thép đệm; 8- ống thép lắp chốt pít tông xi lanh nâng cần; 9- Chốt chân cần; 10- ống thép lắp chốt chân cần; 11- Vòng lắp bu lông hãm trục.

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu động lực học thiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

Nh trong phần 1.1 đã nêu, trên thế giới có hơn 80 nớc đã sản xuất đợc máyxúc một gầu dẫn động thuỷ lực và cũng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu vềmáy xúc nói chung và về động lực học nói riêng Trong các công trình đó trớc hếtphải kể đến công trình khoa học của BolCốp Đ.P nghiên cứu về độ bền và độnglực học máy xúc một gầu; của VetPob I.A; của Đômbơrobski N.G về tính toánthiết kế máy xúc một gầu; của Khôlôđob A.M về những vấn đề cơ bản liên quan

đến động lực học của máy làm đất trong đó có máy xúc một gầu Ngoài ra còn cónhững công trình khác cũng đã đợc công bố trên các tạp chí “ khảo sátMáy xây dựng vàmáy làm đờng” của nhiều nớc Tuy các công trình đợc công bố tơng đối phongphú và đa dạng song các tác giả chủ yếu chỉ công bố tóm tắt các kết quả nghiêncứu của mình Một số lớn trong đó vẫn nghiên cứu động lực học theo các ph ơngpháp truyền thống không xác định đầy đủ đợc các đặc trng động lực học và lậptrình rất khó và phức tạp

ở Việt Nam cũng đã có một số công trình khoa học nghiên cứu về máyxúc đợc công bố nh Luận án tiến T.S của Nguyễn Quán Thăng, PGS.TS TrầnQuang Hùng, T.S Phạm Quang Dũng nhng nghiên cứu về động lực học thiết bịcông tác thì cha thấy đợc công bố và cũng cha có cơ sở sản xuất nào thiết kế vàchế tạo máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

1.5 Nhiệm vụ đặt ra của đề tài

Xuất phát từ mục đích của đề tài là phục vụ cho dự án chế tạo máy xúctrong nớc nên nhiệm vụ đặt ra của đề tài là xác định lực và nội lực trong hệ thốngthiết bị công tác và xây dựng mô hình động lực học thiết bị công tác máy xúcmột gầu dẫn động thuỷ lực từ đó xác định các thông số động lực học cơ bản củathiết bị công tác (chuyển dịch, vận tốc, gia tốc, phản lực liên kết của các khâukhớp, các tải trọng động tác dụng lên các khâu,… Để góp phần vào)

Kết luận:

Nội dung chơng đã chỉ ra đợc những nét chính về lịch sử phát triển, đặc

điểm khai thác, sử dụng máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực ở Việt Nam

Chỉ ra những đặc điểm kết cấu của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực nóichung và thiết bị công tác nói riêng mà dự kiến sẽ chế tạo tại Việt Nam Đồng

thời khái quát đợc tình hình nghiên cứu động lực học thiết bị công tác máy xúcthuỷ lực một gầu trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay.

Kết quả nhận đợc làm cơ sở để thiết lập và tính toán lực, nội lực cũng nhtính toán động học, động lực học máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực theo cáchthức mới đầy đủ hơn

Chơng 2 Xác định và khảo sát quy luật thay đổi lực và nội lực

trong các khâu của thiết bị công tác

2.1 Cơ sở tính toán thiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực

Khi tính toán thiết kế thiết bị công tác của máy xúc một gầu dẫn động thuỷlực cần phải cho trớc cấp đất lớn nhất mà máy phải làm việc (điều kiện làm việc),năng xuất và dung tích gầu Từ đó làm cơ sở cho việc xác định hệ thống lực tácdụng lên các cụm kết cấu, các xi lanh thuỷ lực, vận tốc chuyển động, công suấtmáy

Để xác định đợc các thông số trên trớc hết là phải xác định đúng các kíchthớc cơ bản của thiết bị công tác Sau đó, lựa chọn các chế độ làm việc điển hình,

tổ hợp lực tác dụng lên các thiết bị công tác, đặc biệt là lực tác dụng lên các xilanh thuỷ lực có giá trị lớn nhất

Sau khi xác định đợc hệ thống lực sẽ tiến hành tính toán kết cấu thép

Để tính toán hệ thống truyền động thuỷ lực trên thiết bị công tác của máyxúc một gầu, thông thờng ngời ta dựa theo lực (mô men) và vận tốc chuyển động

để quyết định công suất, từ đó lựa chọn áp suất, lu lợng của bơm chính (nguồn).Hành trình và tốc độ làm việc của các xi lanh có thể định ra trong bớc tính toánsơ bộ Đờng kính và các thông số khác của xi lanh sẽ đợc xác định sau khi tính đ-

ợc lực tác dụng lớn nhất lên nó

Tính toán thiết bị gầu xúc phụ thuộc vào các cách cắt đất và tích đất Từ đóphân tích các lực tác dụng lên gầu theo các trờng hợp khác nhau làm cơ sở choviệc phân tích so sánh để đa ra chế độ tải lớn nhất

Quá trình cắt đất và tích đất của máy xúc một gầu dẫn động bằng thuỷ lực

có thể đợc tiến hành theo các cách sau đây:

- Gầu và tay gầu cố định, cần chuyển động nhờ xi lanh nâng cần

- Cần và gầu cố định, tay gầu chuyển động nhờ xi lanh quay tay gầu

- Cần và tay gầu cố định, gầu chuyển động nhờ xi lanh quay gầu

- Cần và tay gầu hoạt động đồng thời nhờ các xi lanh tơng ứng… Để góp phần vàoHình 2.1 đa ra một mô hình tính toán điển hình cho trờng hợp cần và taygầu cố định, gầu quay quanh khớp bản lề nối với tay gầu nhờ xi lanh quay gầu,mô hình mô tả sơ đồ lực tác dụng lên thiết bị gầu ở trạng thái tính toán

2.2 Lực tơng hỗ giữa bộ phận công tác và đất

Quy trình tác động tơng hỗ giữa bộ phận công tác và đất trong khi máylàm việc là một quá trình phức tạp Quá trình đào đất có thể phân thành hai trờnghợp đó là:

- Cắt đất thuần tuý, đất đợc cắt thành từng lớp dới tác dụng của lỡi cắtgiống nh ta dùng cuốc, xẻng; nhng để đo lực cản thống nhất thờng ngời ta sửdụng bằng lỡi đào mẫu

- Cắt đất và tích đất lại khi chúng đợc cắt thành từng lớp dới tác dụng củalỡi đào (gầu xúc)

Trong hàng loạt trờng hợp khác nhau, năng lợng cần thiết cho quá trình cắt

đất và tích đất lại trong gầu xúc lớn hơn nhiều so với quá trình cắt đất thuần tuýtrong cùng điều kiện về chất đất, hình dạng lỡi cắt và kích thớc phoi cắt

Trên hình 2.2 biểu diễn lực tơng tác giữa gầu và đất, hình dạng lỡi cắt vàkích thớc phoi cắt

Ft, Fn – lực cản cắt tiếp tuyến và pháp tuyến với quỹ đạo đào (theo lýthuyết N.G Dombrôvski).

Quan sát quá trình cắt đất thuần tuý có thể thấy nh sau: Đầu tiên đất trớc

l-ỡi cắt bị dồn lại, khi lực cắt lớn bằng sức chống cắt tối đa thì đất bị cắt thành từnglớp tạo ra phoi cắt

Đào đất có thể gặp ba trờng hợp:

- Trờng hợp thứ nhất gặp khi xuất phát đào (ngoài lực cản cắt chính diệnxuất hiện cả lực cản cắt hai bên thành gầu)

- Trờng hợp thứ hai là đào lấn dần (chỉ xuất hiện thêm lực cản cắt một bênthành gầu)

- Trờng hợp thứ ba đó là đào hớt, chỉ có lực cản cắt chính diện trớc lỡi đào.Môi trờng đất là môi trờng rất phức tạp, thiết bị công tác đào đất và phơngpháp đào cũng rất khác nhau, điều này cũng ảnh hởng đến sự xác định lực cảncắt, cho đến nay, một công thức chính xác để tính lực cản cắt đất dù là cắt đấtthuần tuý, vẫn cha có Nhiều nhà khoa học đã bỏ công sức nghiên cứu vấn đề nàynh: E Dinlinger; Nerlo – Nerli; N.G Dombrovski; M.I Galperin; Ju.A.Vetrov;A.N.Zelenin… Để góp phần vào

Trong số các phơng pháp tính lực cản cắt thì phơng pháp của N.G.Dombrovski đợc đánh giá là dễ sử dụng và đủ chính xác N.G Dombrovski phânlực cản cắt thuần tuý F0 thành tổng hai thành phần Ft và Fn (hình 2.2)

Thành phần lực cản cắt tiếp tuyến Ft có dạng:

F t =k 1 b.h

Trong đó:

b, h – chiều rộng và chiều dày của phoi đất cắt

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 đợc xác

định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào cấp đất đào Giá trị đợc xác định theobảng 2.1:

Fn tính theo Ft nh sau:

F n = .Ft

Trong đó: =0,1ữ0,45 là hệ số phụ thuộc vào góc cắt, các điều kiện cắt

và sự mòn cùn đi của lỡi đào

2.3 Khảo sát sự thay đổi lực và nội lực trong hệ thống thiết bị công tác

Quá trình cắt đất và tích đất của máy xúc một gầu dẫn động bằng thuỷ lực

có thể đợc tiến hành theo các cách sau đây:

1 Gầu và tay gầu cố định, cần chuyển động nhờ xi lanh nâng cần

2 Cần và gầu cố định, tay gầu chuyển động nhờ xi lanh quay tay gầu

3 Cần và tay gầu cố định, gầu chuyển động nhờ xi lanh quay gầu

4 Cần và tay gầu hoạt động đồng thời nhờ các xi lanh tơng ứng… Để góp phần vào

Để xác định sự thay đổi lực và nội lực trong quá trình làm việc cần phảikhảo sát cho từng trờng hợp Tuy nhiên cắt và tích đất theo cách 2 và 3 là hay đợc

sử dụng nhất, nên tác giả tập trung nghiên cứu cho hai cách trên Dới đây trìnhbày phơng pháp xác định cũng nh khảo sát sự thay đổi lực và nội lực của hai cáchcắt đất và tích đất nói trên

2.3.1 Đối với trờng hợp cắt và tích đất bằng xi lanh quay gầu

a Giả thiết khi xây dựng mô hình

- Cần cố định nhờ xi lanh nâng cần và khớp trụ chân cần

- Tay gầu liên kết với cần nhờ xi lanh quay tay gầu và khớp trụ đầu cần

- Gầu quay để cắt và tích đất nhờ xi lanh quay gầu

- Tại vị trí bắt đầu đào (vị trí I)

- Kết thúc quá trình đào (vị trí II)

b Xây dựng mô hình tính toán

Mô hình tính toán đợc thể hiện trên hình 2.3:

Hình 2.3 Sơ đồ khảo sát nội lực trong thiết bị công tác khi cắt đất và tích đất

bằng xi lanh quay gầu

Lực và nội lực trong trờng hợp này bao gồm:

- Lực đẩy trong xi lanh quay gầu: Pqg;

- Lực trong xi lanh quay tay gầu: FIF;

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán lực quay tay gầu và phản lực tại khớp trụ quay tay gầu

Các thành phần lực và cánh tay đòn trên sơ đồ nh sau:

FIF – Phản lực từ xi lanh quay tay gầu tác dụng sang;

F23 – Phản lực từ cần tác dụng sang,F23 F23x F23y :

//

;

23 ox F oy

Ft – lực cản cắt tiếp tuyến với với quỹ đạo cắt;

Fn – lực cản cắt pháp tuyến với với quỹ đạo cắt;

Phân tích: F t F n P X P Y.

G3 – trọng lợng của tay gầu;

G4 – trọng lợng của gầu + đất;

Để xác định lực đẩy trong xi lanh quay tay gầu (F IF ) và phản lực khớp trụ

F23x,F23y ta cần phải thiết lập phơng trình cần bằng mô men và các phơng trìnhhình chiếu nh sau:

- Phơng trình cân bằng mô men cho hệ đối với điểm O2 ta có:

PX n

t PY n

t G G

IF

PX n

t

PY n

t G G

F r

F F

r G r G

F

r F

F

r F

F r

G r G r

( ).

sin cos

(

0 ).

cos sin

.

(

).

sin cos

(

1 1

4 4 3 3

1 1

1 1

4 4 3 3

.(sin )

sin

.(cos

3

IF

PX PY

n PX PY

t G G

IF

r

r r

F r

r F

r G r G

- Ph¬ng tr×nh c©n b»ng lùc cho c¶ hÖ:

0

23 23 4

1 1

1 23

1 1

1 23

sin cos

cos

.

0 sin cos

cos

IF

x

n t

IF

x

F F

F

F

F F

1 1

1 4

4 3

3. . .(cos . sin . ) .(sin . cos . ) cos 

n PX PY

t G G

r

r r

F r

r F

r G r

sin cos sin

sin cos

cos cos cos

cos

cos

.

1 1 1

1 1

1 1 1

1 1

1 4 4 1 3

n

IF

PX PY

t IF

G IF

G

r

r r

F

r

r r

F r

r G r

sin

.

0 cos sin

sin

.

1 1

4 3 1 23

1 1

4 3 1 23

IF

y

n t

IF

y

F F

G G F

F

F F

G G P

4

3

1 1

1 1

1 4

4 3

3

cos sin

.

sin ) cos

.(sin )

sin

.(cos

IF

PX PY

n PX PY

t G G

F F

G

G

r

r r

F r

r F

r G r

cos

cos sin

sin

.

sin

sin sin

cos sin sin

sin 1

sin

1

1 1

1 1

1

1 1 1

1 1

1 4 4

1 3

n

IF

PX PY

t IF

G IF

G

r

r r

F

r

r r

F r

r G r

r

G

Khi đó:    2

23 2 23 23

y

x F F

B

ớc 2: Xác định phản lực khớp trụ quay gầu F O3F O3 F34 và lực dọc trục F KP .

Sơ đồ tính toán thể hiện trên hình 2.5 Để xác định các lực này ta tách khâu

4 (gầu xúc) và xét điều kiện cân bằng của chúng nh hình 2.5

trụ quay gầu

Các tham số trên hình 2.5 nh sau:

F34 – phản lực từ tay gầu tác dụng sang,F34 F34x F34y :

//

r4 – cánh tay đòn của lực G4 đến khớp O3;

α 1 – góc tạo bởi phơng của lực Ft với ox;

α 2 – góc tạo bởi phơng của lực FKP với ox;

Để xác định phản lực khớp trụ quay gầu F34(F34x,F34y) và lực dọc trục

.

0

4 4 3

KP n

t

x

n t

KP x

F F

F

F

F F

F F

cos sin

cos

.

0 sin cos

.

cos

2 1

1 34

1 1

cos

cos

cos sin

cos

.

2 3

4 4 1 2

3 1

3

4 4 2 1

r

r F

r

r F r G F

F

n P

t

P t n

t

+ Chiếu phơng trình (2.2) theo phơng OX ta có:

4 2

1 1

34

4 1 1

2

34

sin cos

sin

.

0 )

cos sin

(

sin

G F F

F

F

G F

F F

F

KP n

t

y

n t

KP y

4 4 2 1

1

.

sin cos

sin

r

r F r G F

y

x F F

lề và lực đẩy trong xi lanh quay gầu

Sơ đồ tính toán thể hiện trên hình 2.6 Để xác định lực dọc trục trong cácthanh của liên kết bốn khâu bản lề và lực đẩy trong xi lanh quay gầu ta táchnhóm gồm hai khâu LK và PK rồi xét điều kiện cân bằng của chúng

bản lề

Các tham số trên hình 2.6 nh sau:

Pqg – lực đẩy từ xi lanh gầu tác dụng sang;

FLK – phản lực từ khâu 3 tác dụng sang khâu LK;

FPK – phản lực từ khâu 4 tác dụng sang khâu PK, F PK   F KP ;

r1 – cánh tay đòn của lực Pqg đến khớp L;

r2 – cánh tay đòn của lực FPK đến khớp L;

1,2,3 – các góc trong đa giác lực lpk

Để xác định lực dọc trục trong các thanh của liên kết bốn khâu bản lề

F , LK F PK và lực đẩy trong xi lanh quay gầu P qg ta cần thiết phải lập phơng

trình cân bằng mô men và các phơng trình hình chiếu nh sau:

- Viết phơng trình cân bằng mô men cho nhóm đối với điểm L ta có:

M L F F PK r P qg r

.

.

.

1 3 2 1

3

2 4 4 1 2 3

4 4 1

2

r r

r r F r r

r r G r

r r

r F r G r

r F

t P

t PK

sin

sin

sin sin

3 1

3 2 1

3

2 4 4 2 3 2

r r F r r

r r G P

F P

t qg

LK qg

LK

sin

sin

2 3 1

3 2 1

3

2 4 4

r r F r r

r r G

t LK

B

Để xác định các lực này ta tách riêng cần và xét điều kiện cân bằng củachúng Hình 2.7 là sơ đồ tính toán các lực trong xi lanh cần và phản lực khớp trụchân cần

F12 – phản lực từ giá tác dụng nên cần, F12 F12x F12y:

//

 – góc hợp bởi phơng của lực FFI với ox;

 2– góc hợp bởi phơng của lực FEB với ox

Để xác định lực trong xi lanh nâng cầnF EB và phản lực khớp trụ châncần F12x,F12y ta cần thiết phải lập phơng trình cân bằng mô men và các phơngtrình hình chiếu nh sau:

- Viết phơng trình cân bằng mô men cho cần đối với điểm O1:

y FX x G IF

FI EB EB

IF FI EB

r

r F r F r G r F

x FI

EB

x

x FI

EB

x

F F

F

F

F F

F

F

32 1 2

2

32 1 2

2

cos cos

.

0 cos

cos

FX

y Y

x G IF

r

r F r F r G r F

32 1 2

32 32

2 2

'

cos cos

.

.

cos

cos 1

cos cos

2 2

2

2 32

2 32

1 2

Y F x

EB

IF FI

r F

r

r F

+ Chiếu phơng trình (2.3) theo phơng OY ta có:

y FI

EB

y

y FI

EB

y

F G F

F

F

F G F

F

F

32 2 1 2

2

32 2 1 2

2

sin cos

.

0 sin

sin

EB

FX

y Y

x G IF

r

r F r F r G r F

32 2 1 2

32 32

2 2

'

sin cos

.

.

cos

sin

2 2

32 32

1 2

FX y EB

Y F x EB

IF

r G r

r F r

r F r

r

Khi đó:    2

12 2 12 12

y

x F F

2.3.2 Đối với trờng hợp cắt và tích đất bằng xi lanh quay tay gầu

a Giả thiết khi xây dựng mô hình

- Cần đợc cố định nhờ xi lanh nâng cần và khớp trụ chân cần

- Gầu đợc liên kết với tay gầu nhờ xi lanh quay gầu và khớp trụ

- Tay gầu quay để thực hiện quá trình cắt và tích đất

- Tại vị trí bắt đầu đào (vị trí I)

- Kết thúc quá trình đào (vị trí II)

b Xây dựng mô hình tính toán

Hình 2.8 Sơ đồ khảo sát lực nội lực trong thiết bị công tác khi cắt đất và tích đất

bằng xi lanh quay tay gầu

Mô hình tính toán đợc thể hiện trên hình 2.8:

Lực và nội lực trong trờng hợp này bao gồm:

- Lực trong xi lanh quay gầu: FJK;

- Lực đẩy trong xi lanh quay tay gầu: Ptg;

khớp trụ quay tay gầu

Sơ đồ tính toán thể hiện trên hình 2.9 Để xác định các lực trên ta tách taygầu ra khỏi cần và xét điều kiện cân bằng của chúng

Các tham số trên hình 2.9 là:

Ptg – lực đẩy của xi lanh quay tay gầu;

F23 – phản lực từ cần tác dụng sang,F23 F23x F23y :

//

;

23 ox F oy

Ft – lực cản cắt tiếp tuyến với với quỹ đạo cắt;

Fn – lực cản cắt pháp tuyến với với quỹ đạo cắt;

Phân tích: F t F n P X P Y.

G3 – trọng lợng của tay gầu;

G4 – trọng lợng của gầu + đất;

rG3 – cánh tay đòn của lực G3 đến tâm O2;

rG4 – cánh tay đòn của lực G4 đến tâm O2;

rtg – cánh tay đòn của lực Ptg đến tâm O2;

r’P – cánh tay đòn của lực P01 đến tâm O2

khớp trụ quay tay gầu

Để xác định lực đẩy trong xi lanh quay tay gầu P tgvà phản lực khớp trụ

tg

P t G G

P

r F r G r G r

P

F

M

' 4

4 3 3

' 4

4 3 3

.

.

0

.

0 )

1 1

1 23

1 1

1 23

sin cos

sin

.

0 sin cos

sin

tg

x

n t

tg

x

F F

P

F

F F

cos sin

sin

.

sin cos

sin

.

.

1 '

1 1

4 4 1 3 3

1 1

1

' 4

4 3 3

P t

tg G tg

G

n t

tg

P t G G

F r

r F

r

r G r

r G

F F

r

r F r G r G

cos

.

0 cos sin

cos

.

1 1

4 3 1 23

1 1

4 3 1 23

tg

y

n t

tg

y

F F

G G P

F

F F

G G P

4 3 1

' 4

4 3

tg

P t G

r

r F r G r G

4 4

1 3

tg

P t

tg G tg

r

r F

r

r G r

y

x F F

B

Sơ đồ tính toán thể hiện trên hình 2.10 Để xác định các lực trên ta táchriêng khâu 4 (gầu xúc) và xét điều kiện cân bằng của nó.

Các tham số trên hình 2.10 là:

F34 – phản lực từ tay gầu tác dụng sang,F34 F34x F34y :

//

1 – góc tạo bởi phơng của lực P01 với trục ox;

2 – góc tạo bởi phơng của lực FKP với trục ox;

Để xác định phản lực khớp trụ F34x,F34y và phản lực dọc trục F KP ta cầnphải thiết lập phơng trình cân bằng mô men và các phơng trình hình chiếu nh sau:

- Viết phơng trình cân bằng mô men cho khâu 4 đối với điểm O3 ta có:

 

4 4 5 1 1

5 1 1

4 4 3 5

1 1

5 1 1

).

cos sin

( ).

sin cos

.

(

0

).

cos sin

( ).

sin cos

F r

F F

F

r G r F r F

F r

F F

F

M

X n

t Y n

t

KP

KP X n

t Y n

Hay:

3

4 4 3

1 5

1 5

3

1 5

1

r

r G r

r r

F r

r r

F

n X

Y t

KP n

t

x

n t

KP x

F F

F

F

F F

F F

cos sin

cos

.

0 sin cos

.

cos

2 1

1 34

1 1

1 5

1 5

3

1 5

1 5

2

1 1

cos sin

sin

cos

.

cos

sin cos

.

r

r G r

r r

F r

r r

F

F F

X Y

n X

Y t

n t

2 1 5

1 2

3

4 4

cos sin cos

cos cos

cos

r

r r

F r

5 2 1

1 1

34

4 1 1

2

34

sin cos

sin

.

0 )

cos sin

(

sin

G F F

F

F

G F

F F

F

KP n

t

y

n t

KP y

4 4 3

1 5

1 5

3

1 5

1 5

2

1 1

cos sin

sin

cos

.

sin

cos sin

.

G r

r G r

r r

F r

r r

F

F F

X Y

n X

Y t

n t

cos sin

sin

sin sin sin

cos sin

1 sin

1 3

2 1 5

2 1 5

3

2 1 5

2 1 5

1 2

3

4 4

F

r

r r

F r

r G

X Y

n

X Y

t

Khi đó:    2

34 2 34 34

y

x F F

điều kiện cân bằng của chúng

khâu bản lề

Các tham số trên hình 2.11 là:

FJk – phản lực từ xi lanh quay gầu tác dụng sang;

FLK – phản lực từ khâu 3 tác dụng sang khâu LK;

FPK – phản lực từ khâu 4 tác dụng sang khâu PK, F PK   F KP ;

r1 – cánh tay đòn của lực PJK đến khớp L;

r2 – cánh tay đòn của lực FPK đến khớp L;

1,2,3 – các góc trong đa giác lực lpk

Để xác định các lực trên ta cần phải thiết lập phơng trình cần bằng mô men

và các phơng trình hình chiếu nh sau:

- Viết phơng trình cân bằng mô men cho nhóm đối với điểm L ta có:

 

1 2

1 2

.

0

0

r

r F

P

r P

4 4 5 1 1

5 1

cos (

r

r r

r G r F

F r

4 4 3

1 5

1 5

3

1 5

1

r

r r

r G r

r r

F r

r r

n X

cos sin

.

sin cos

.

1 3

2 4 4 3 1

2 1 5

1 5

3 1

2 1 5

1 5

r r

r r G r r

r r

r F r r

r r

sin sin

Sơ đồ tính toán thể hiện trên hình 2.12 Để xác định lực trong xi lanh nângcần và phản lực khớp trụ chân cần ta tách riêng cần và xét điều kiện cân bằng củachúng

Hình 2.12. Sơ đồ tính toán các lực trong xi lanh nâng cần và phản lực

1 – góc hợp bởi phơng của lực FFI với ox;

2 – góc hợp bởi phơng của lực FEB với ox

Để xác định các lực trên ta cần phải thiết lập phơng trình cân bằng mô men

và các phơng trình hình chiếu nh sau:

- Viết phơng trình cân bằng mô men cho cần đối với điểm O1:

 

.

.

0

.

.

0

' ' 32

32 2 2

32 32

2 2 ' '

1

EB

tg tg FX y Y x G EB

FY y FX x G

tg tg EB

EB

O

r

r P r F r F r G

F

r F r F r G r P r

x tg

EB

x

x tc

EB

x

F P

F

F

F P

F

F

32 1 '

2 2

32 1 '

2 2

cos cos

.

0 cos

cos

EB

FX y Y F x G tg

tg

F P

r

r F r F r G r P

32 1 '

2 32

32 2 2 ' '

cos cos

.

.

cos 1

cos cos

' '

FY x

EB

tg tg

r

r F r

r F

EB

y

y tg

EB

y

F G P

F

F

F G P

F

F

32 2 1 ' 2 2

32 2 1 ' 2 2

sin sin

.

0 sin

sin

sin sin

sin

cos

cos sin

.

.

2 2

32 2 32

2 '

1 '

32 2 1 '

2 32

32 2 2 ' '

G r

r F r

r F r

r P

F G P

r

r F r F r G r P

EB

FX y EB

FY x EB

tg tg

y tg

EB

FX y Y F x G tg

y

x F F

2.3.3 Xây dựng chơng trình máy tính xác định các nội lực tơng ứng với các trờng hợp cắt và tích đất trong quá trình đào của thiết bị công tác

2.3.3.1 Khi cắt và tích đất bằng xi lanh quay gầu

Nội dung chơng trình gồm các bớc nh sau:

- Số liệu đầu vào:

Hình 2.13. Sơ đồ khối thuật toán xác định lực và nội lực trong thiết bị công tác

khi cắt và tích đất bằng xi lanh quay gầu

2.3.3.2 Khi cắt và tích đất bằng xi lanh quay tay gầu

Nhập số liệu cho phần xử lý

Hình 2.14 Sơ đồ thuật toán xác định lực và nội lực trong thiết bị công tác khi

cắt và tích đất bằng xi lanh quay tay gầu

Nội dung chơng trình gồm các bớc nh sau:

- Số liệu đầu vào:

Nhập số liệu cho phần xử lý

a Khi cắt và tích đất bằng xi lanh quay gầu

 Số liệu đầu vào