NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC MÁY XÚC LỘI NƯỚC ĐỂKHẢO SÁT ỔN ĐỊNH LẬT KHI LÀM VIỆC

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNGBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ BÙI VĂN HẢI NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC MÁY XÚC LỘI NƯỚ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

BÙI VĂN HẢI

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC MÁY XÚC LỘI NƯỚC ĐỂ

KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH LẬT KHI LÀM VIỆC

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số : 62.52.01.16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

BÙI VĂN HẢI

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC MÁY XÚC LỘI NƯỚC ĐỂ KHẢO

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Trần Quang Hùng

2 PGS.TS Lê Hồng Quân

Phản biện 1: PGS.TS Bùi Hải Triều

Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Trang Minh

Phản biện 3: PGS TS Vũ Công Hàm

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo Quyết định số 2945/QĐ-HV, ngày 30 tháng

9 năm 2015 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật quân sự vào hồi 14h00, ngày 12 tháng 12 năm2015

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Kỹ thuật quân sự

- Thư viện Quốc gia

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

LIÊN QUAN LUẬN ÁN

1 Bùi văn hải, Trần Quang Hùng, Nguyễn Viết Tân Ảnh hưởng của các thông số hình học, kết cấu phao xích, vận tốc

quay xích đến lực cản bơi của máy xúc lội nước Tạp chí Khoa học và Công nghệ (ISN1859-3585) Đại học Công

Nghiệp Hà Nội Số 19/2013

2 Bùi Văn Hải, Lê Hồng Quân, Trần Quang Hùng Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số động lực học máy xúc lội nước Tạp chí Khoa học và Công nghệ (ISN 1859-3585) Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Số 25/2014

3 Bùi Văn Hải, Lê Hồng Quân, Nguyễn Thiện Hiến Khảo sát lựa chọn mô hình làm việc ổn định của máy xúc lội

nước Tạp chí cơ khí việt nam, số 1-2 tháng 1/2015.

4 Bùi Văn Hải, Lê Hồng Quân, Trần Quang Hùng, Nguyễn Thiện Hiến.Thiết kế kết cấu phao xích máy xúc lội nước.

Tạp chí cơ khí việt nam, số 1-2 tháng 1/2015.

5 Bùi Văn Hải, Lê Hồng Quân, Trần Quang Hùng Construction dynamics model amphibious excavator.

ICAT 2015-22.

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, việc cơ giới hóa công tác nạo vét cũng như thi công ở khu vựcngập nước còn rất nhiều hạn chế, chủ yếu sử dụng các loại máy thi côngtrên cạn nên chưa đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật Sử dụng máy xúc lộinước (MXLN) là một giải pháp kỹ thuật vô cùng hiệu quả để khắc phụchạn chế của các máy thi công thông thường nhờ có kết cấu đặc biệt ở phần

di chuyển dạng phao xích Tuy nhiên, việc đảm bảo ổn định cho máy trongquá trình, nâng chuyển và đổ đất vào thiết bị vận chuyển gặp rất nhiều khókhăn, dễ xảy ra hiện tượng mất an toàn cho máy và người điều khiển Vì

vậy đề tài luận án “Nghiên cứu động lực học máy xúc lội nước để khảo

sát ổn định lật khi làm việc” là vấn cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu: Máy xúc thủy lực một gầu lội nước dung tích gầu

0,5 m3, công suất động cơ 114kW, trọng lượng 15- 26t, dự trữ nổi của phaoxích 20%, cụ thể là máy xúc PC200-8 do hãng Komatsu chế tạo đang thicông tại khu công nghiệp Cảng Đình Vũ - Hải Phòng

Phạm vi nghiên cứu: Là MXLN thủy lực PC 200-8 làm việc trong môi

trường nền đất yếu ở Việt Nam

3 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp phương pháp lỹ thuyết và thực nghiệm Về lý thuyết, trên cơ sở

lý thuyết cơ học hệ nhiều vật, lý thuyết bơi để xây dựng mô hình động lựchọc MXLN; sử dụng các phầm mềm Inventer-Solidwork để xây dựng môhình 3D và mô phỏng quá trình làm việc của MXLN; sử dụng các phầnmềm Matlab-Simulink, Matlab-Simhydraulic nghiên cứu, khảo sát độnglực học quá trình làm việc của MXLN Về thực nghiêm, tiến hành nghiêncứu thực nghiệm xác định thông số đầu vào và một số thông số động lựchọc của máy xúc làm việc trong vùng nước cạn tại cảng Đình Vũ - HảiPhòng với các thiết bị thí nghiệm hiện đại của các phòng thí nghiệm bộmôn Xe máy Công binh, bộ môn Ô tô, bộ môn Tăng thiết giáp - HVKTQS;phòng thí nghiệm thủy lực - ĐHBK Hà Nội, phòng thí nghiệm thủy lựcViện Khoa học Công nghệ giao thông vận tải

4 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận chung, phụ lục,tài liệu tham khảo, với 1…trang thuyết minh, trong đó có 23 bảng, 67 hình

vẽ, đồ thị, 39 tài liệu tham khảo và 21 trang phụ lục

NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ

MÁY XÚC LỘI NƯỚC VÀ MÔI TRƯỜNG TƯƠNG TÁC

Trình bày tổng quan về máy xúc lội nước (MXLN), một số tính chất cơ

lý của đất, các mô hình nghiên cứu về môi trường làm việc và các nghiêncứu trong và ngoài nước liên quan tới máy xúc lội nước Trên cở sở phântích các công trình đã công bố, từ các vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu

và phát triển, nghiên cứu sinh đi vào hướng nghiên cứu: “Nghiên cứu

động lực học máy xúc lội nước để khảo sát ổn định lật khi làm việc“ với

mục đích đề xuất chế độ làm việc hợp lý của MXLN khi làm việc trongmôi trường đất yếu, đất ngập nước Để đạt được mục tiêu nghiên cứu trên,

luận án tiến hành giải quyết các nội dung nghiên cứu như sau:

- Khảo sát đặc điểm, tính chất cơ lý môi trường làm việc (đất yếu, đấtngập nước) của MXLN;

- Xây dựng mô hình toán, xây dựng hệ phương trình vi phân trong quátrình làm việc của MXLN trên nền đất yếu;

- Tính toán động lực học MXLN trong quá trình đào, nâng-chuyển và xảđất;

- Tính toán, khảo sát ảnh hưởng thông số kết cấu của máy, tính chất cơ

lý môi trường làm việc đến sự ổn định của MXLN;

- Xác định các thông số, chế độ làm việc hợp lý cho MXLN làm việctrong vùng đất yếu, đất ngập nước;

- Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, thu nhận và xử lí số liệu, đồng thờiđánh giá, so sánh với kết quả tính toán lý thuyết

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY XÚC LỘI NƯỚC 2.1 Giới thiệu

Từ điều kiện làm việc thực tế của MXLN, luận án chỉ tập trungnghiên cứu động lực học máy thi công ở khu vực nước cạn Khi đó, cả haibên phao xích của máy tiếp xúc hoàn toàn với nền đất yếu Trong các giaiđoạn làm việc, nguy cơ mất ổn định cao nhất nằm ở giai đoạn đưa gầu xúc

về vị trí xả đất, bởi vì trong giai đoạn này gầu xúc có tải và thiết bị côngtác di chuyển tạo ra lực và mô men quán tính Vì vậy, chỉ tập trung nghiêncứu động lực học quá trình nâng chuyển gầu xúc về vị trí xả, không xét

giai đoạn đào đất trong điều kiện phao xích tiếp xúc hoàn toàn với nền đất yếu.

2.2 Các giả thiết

Từ mục đích nghiên cứu động lực học của máy xúc lội nước, đồngthời để đơn giản và thuận tiện trong tính toán, luận án sử dụng các giả thiếtsau:

- Máy xúc bao gồm các vật rắn tuyệt đối cứng sẽ được mô hình hóabởi một cơ hệ gồm 4 khâu: khâu 1 gồm khung gầm và toa quay, khâu 2 làcần máy, khâu 3 là tay gầu, khâu 4 gồm gầu xúc và đất đá trong gầu.

- Trọng tâm của ca- bin, cần máy, tay gầu và gầu nằm trong mặt phẳng đối xứngcủa máy Chuyển dịch của các khâu chỉ diễn ra trongmặt phẳng này

- Tính đàn hồi và tính cản của đất theo hai phương thẳng đứng vànằm ngang được lập mô hình bằng 4 lò xo và 4 giảm chấn có hệ số độcứng và hệ số cản tương ứng là kx1, kx2, ky1, ky2 ,cx1, cx2, cy1, cy2

- Hệ vận hành của máy không hoạt động trong quá trình máy thựchiện thao tác nâng chuyển đất

- Lực đẩy của nước tác động lên phao xích (P1) và gầu xúc (P4) là hằng số, vì khiMXLN làm việc hai phao xích luôn luôn tiếp xúc với nền đất yếu

- Bỏ qua lực cản của nước và ma sát của đất tác dụng lên gầu xúc vàtay gầu trong quá trình đưa gầu đất lên khỏi mặt nước

- Trọng tâm của khối đất trong gầu trùng với trọng tâm của gầu xúc

- Bỏ qua lực đàn hồi của các xy lanh

2.3 Mô hình khảo sát động lực học trong mặt phẳng dọc

Hình 2.1 Mô hình động lực học của máy xúc lội trong mặt phẳng dọc.

Với các giả thiết được nêu trên, mô hình khảo sát động lực học củaMXLN trong mặt phẳng dọc được xây dựng như trên hình 2.1

Mô hình hình 2.1 gồm 4 khâu: khâu 1 (gầm và ca-bin), khâu 2 (cần máy),khâu 3 (tay gầu) và khâu 4 (gầu xúc và đất đá trong gầu)

a) Các khâu liên kết với nhau bằng các khớp bản lề, cụ thể như sau:

- Khâu 1 và khâu 2 liên kết với nhau bằng khớp bản lề có tâm O2

- Khâu 2 và khâu 3 liên kết với nhau bằng khớp bản lề có tâm O3

- Khâu 3 và khâu 4 liên kết với nhau bằng khớp bản lề có tâm O4.b) Trọng tâm của các khâu tương ứng là C1, C2, C3, C4

c) Kích thước động học đặc trưng của các khâu gồm: l1= O1O2, l2=O2O3,

l3=O3O4,l4=O4C4,a2=O2C2,a3=O3C3,α1=X1O1O2,α2=C2O2O3,α3=C3O3O4

d) Thông số động lực học của các khâu gồm khối lượng mi và mô men quántính khối lượng Ii đối với trục đi qua khối tâm Ci và vuông góc với mặt phẳngchuyển động của khâu i.

e) Hệ lực tác dụng lên các khâu bao gồm:

Các trọng lực Gicủa khâu thứ i, Gi = mig (i 1,4 )

Các mô men M2, M3, M4được quy đổi từ áp lực của dầu trong các xy lanh thủy lực

Lực đẩy nổi P1 tác dụng lên phao xích đi qua Cp có vị trí được xác định bởikhoảng cách apvà gócp

- Lực đẩy nổi P4 tác dụng lên gầu xúc đi qua điểm C4 có vị trí được xác địnhbởi khoảng cách a4và góc4

- Lực tác dụng trong các xy lanh cần để nâng, hạ cần được quy đổi thành các

mô men M2, M3, M4tác dụng lên khâu 2, 3, 4

f) Để mô tả chuyển động của cơ hệ, ta sử dụng các hệ tọa độ như sau:

- XOY - hệ quy chiếu quán tính

- XiOiYi - các hệ quy chiếu vật, gắn với khâu thứ i tương ứng, i ,14

g) Các tọa độ suy rộng:

Các tọa độ suy rộng được dùng để mô tả chuyển động của cơ hệ và bao gồm (hình 2.1):

- Cụm phao xích-cabin có 3 thành phần chuyển dịch gồm: dịch chuyển theo phươngngang (x1), dịch chuyển theo phương thẳng đứng (y1) và góc nghiêng (1)

-Cần máy 2 có góc quay tương đối so với cụm phao xích-cabin quanh điểm O2là2

- Tay gầu 3 có góc quay tương đối so với cần máy quanh điểm O3 là 3

- Gầu xúc 4 có góc quay tương đối so với tay gầu 3 quanh điểm O4là4.Lưu ý rằng chiều của các góc 1, 2, 3 và 4 là thuận chiều kim đồng hồ

2.4 Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ

Hệ phương trình vi phân chuyển động của máy xúc lội nước đượcthiết lập áp dụng phương trình Lagrang loại 2 [9]:

* qi

 

- yC1 là dịch chuyển của điểm C1 theo phương thẳng đứng, yC1 = y1,

lx1, ly1 biến dạng của các lò xo nền đất phía sau theo phương nằmngang và phương thẳng đứng, lx2, ly2 biến dạng của các lò xo nềnđất phía trước theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng

Với giả thiết góc lắc của hệ phao xích là nhỏ (cos1 1,sin 1  1), cáccông thức (2.13) và (2.14) trở thành:

2.4.4 Lực suy rộng của các hoạt lực khác Lực suy rộng loại này gây bởi

lực đẩy Ac-si-met P1, P4 và các mô men M2, M3, M4 Công ảo của các lực

  1

2.4.5 Hệ phương trình vi phân chuyển động

Trên cơ sở vận tốc của các khâu, ta tính được các hàm động năng và từ đósuy ra đạo hàm của động năng các khâu 1, khâu 2, khâu 3 và khâu 4

Từ các phương trình (2.31) - (2.36) ta nhận được hệ phương trình vi phân

mô tả chuyển động của cơ hệ ở dạng ma trận như sau:

 M q   (q,q)  h(q) Q  

(2.37a)Triển khai hệ (2.37a) nhận được (2.37b) như sau:

2.5 Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của cơ hệ theo phương ngang

Mô hình khảo sát động lực học của máy xúc lội nước thể hiện trên hình2.3 Trên hình vẽ, Pp1 là lực đẩy nổi tác dụng lên phao xích bên phải và điqua trọng tâm Cp1 của phao xích; Pp2 - lực đẩy nổi tác dụng lên phao xíchbên trái và đi qua trọng tâm Cp2 của phao xích này; Pd1, Pd2 - phản lực từđất (phân bố không đều) tác dụng lên phao xích bên phải và bên trái

Hình 2.3 Mô hình động lực học máy xúc lội nước theo phương ngang

2.5.1 Thiết lập mô hình toán của cơ hệ

Trên cơ sở mô hình khảo sát (hình 2.3), ta sẽ thiết lập hệ phươngtrình vi phân chuyển động khi máy thực hiện thao tác đổ đất Lúc này, các

bộ phận của máy vươn ra xa và trong gầu có đất nên khả năng bị lật là dễxẩy ra Do vậy, cần quan tâm đến góc quay của phao xích, độ chìm củađáy phao xích Giá trị của các tọa độ suy rộng còn lại được lấy theo cuốigiai đoạn gầu được nhấc lên khỏi mặt nước

2.5.2 Tính toán các tham số động lực học của mô hình

2.5.2.1 Tọa độ trọng tâm các khâu trong hệ tọa độ cố định

bn

x y

Hình 2.4 Sơ đồ hệ lực tác dụng khi máy xúc xả đất.

Ta sẽ xác định các trọng tâm nói trên bằng cách sử dụng ma trậnchuyển Denavit – Hartenberg Do trục quay của các khâu đều vuông gócvới mặt phẳng khảo sát nên ma trận chuyển giữa 2 hệ tọa độ vật kế tiếpnhau thứ (i–1) và i là:

cos sin cos sin sin a cos

sin cos cos cos sin a sin

2.5.2.2 Mô men quán tính khối lượng của các khâu đối với trục quay

Mô men quán tính khối lượng của các khâu được tính bằng côngthức:

2.5.2.3 Xác định lực đẩy Ácsimet và áp lực nền đất tác động lên các phao xích

Lực đẩy Ac-si-met tác dụng lên phao xích 1 là Pp1:

Mô men gây nghiêng 1

1 P

2 P

2 P b

2.5.2.6 Xác định các thông số ban đầu của biến φ 1 , h 1

Để xác định các thông số, tiến hành khảo sát ổn định quá trình xả đấtcủa máy xúc, như vậy khi máy kết thúc quá trình đào đất, bắt đầu quá trình

xả đất bao gồm 3 giai đoạn Như vậy khi kết thúc quá trình đào đất, các cơcấu đều dừng lại các góc quay φ2, φ3, φ4 ban đầu ở các vị trí xác định, gócnghiêng phao xích ψ và độ chìm phao xích h1 được xác định từ hệ phươngtrình sau:

Giải hệ phương trình (2.68) ta sẽ nhận được các giá trị φ 1 và h 1

2.4 Xác định các thông số của mô hình động lực học

Kết luận chương 2.

1 Đã lựa chọn được trạng thái làm việc có ánh hưởng lớn nhất đến

ổn định của máy xúc lội nước dựa trên cơ sở phân tích đặc điểm, điều kiệnlàm việc thực tế của máy

2 Xây dựng được mô hình động lực học của máy xúc trong quá trìnhchuyển đất khi máy xúc lội nước tiếp xúc hoàn toàn với nền đất yếu vàmột phần phao xích ngập trong nước

3 Áp dụng lý thuyết động lực học hệ nhiều vật để thiết lập hệphương trình vi phân chuyển động của máy xúc lội nước trong hai trạngthái làm việc dọc và ngang

4 Đã xây dựng mô hình 3D của máy xúc lội nước với kích thước vàvật liệu tương đương với máy thật nhằm xác định các tham số động lựchọc của mô hình (khối lượng và mô men quán tính khối lượn của cáckhâu)

CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA MÁY XÚC LỘI NƯỚC LÀM VIỆC TRONG VÙNG NƯỚC CẠN

3.1 Các vấn đề chung

3.2 Khảo sát ổn định dọc cho cả hai trường hợp máy xúc lội nước

nghiêng dọc và nghiêng ngang

3.2.1 Thông số đầu vào

Các thông số đầu vào liên quan đến máy xúc được lấy theo bảng 2.2

và bảng 2.3, còn điều kiện đầu về vị trí và vận tốc của các tọa độ suy rộngđược lựa chọn để khảo sá tnhư sau:

và so sánh giữa 2 trường hợp máy xúc lội nước làm việc ở hai trạng tháinghiêng ngang và nghiêng dọc Trên các đồ thị, đường nét liền nhạt tươngứng với trường hợp nghiêng ngang, nét liền đậm - trường hợp nghiêngdọc

3.2.2 Các đặc trưng chuyển động của khâu 1

Trong giai đoạn từ 0 đến 6(s) đáy 2 phao xích hoàn toàn chạm nền,góc quay thân phao xích không tăng nhanh, tuy nhiên do tâm quay dịchchuyển, nên chuyển vị phao xích không nhiều Giai đoạn từ 0.25(s) đến0.4(s) đáy phao xích chạm nền, dưới tác động của phản lực nền gia tốc gócquay giảm xuống rất nhanh, do ảnh hưởng của lực quán tính và phản lựcthân phao xích xoay theo hướng ngược lại và đáy phao xích tách khỏi nền.Chu kì dao động tiếp tục cho tới 2.15(s) đáy 2 phao xích hoàn toàn tìxuống nền, lúc này máy xúc trong giai đoạn quay gầu xả đất, dao động củamáy ổn định dần.

3.3 Kết quả khảo sát ổn định theo phương ngang

3.3.1 Thông số đầu vào

Sử dụng phần mềm Matlab tiến hành giải gần đúng hệ phương trình(2.68) thu được kết quả giá trị góc nghiêng và độ chìm đáy phao xích banđầu, từ đó có bộ thông số đầu vào:

Vị trí ban đầu của các khâu được xác định thông qua các góc φ2=π/9 ;

φ3=π/2 ; φ4=2π/3 Vận tốc quay của các khâu được xác định thông qua phầnkhảo sát ổn định theo phương dọc mục 3.1

3.3.3 Ảnh hưởng của hệ số nền và tốc độ làm việc

Hệ số nền có liên quan đến môi trường làm việc Đồ thị hình 3.27 thể hiện

sự thay đổi góc nghiêng của thân phao xích theo thời gian trong ba trườnghợp ứng với hệ số nền Ky lần lượt nhận các giá trị 4,0.103kN/m3,4,5.103kN/m3, 5,0.103kN/m3 Theo đồ thị ta thấy khi hệ số nền tăng, gócnghiêng thân phao xích giảm