Thiết kế máy xúc một gầu loại nhỏ

Thiết kế máy xúc một gầu loại nhỏ

Thiết kế môn học Máy Làm Đất

Đề bài : “Thiết kế máy xúc một gầu bánh xích loại nhỏ của Nga ”

I Đặc tính kỹ thuật của máy xúc gầu thuận , công dụng, phân loại và lĩnh vực áp dụng của nó :

1 Máy Xúc là một loại Máy làm Đất rất phổ biến, thờng đợc sử dụng để thực hiện mộtkhối lợng rất lớn và điều này nói lên vai trò quan trọng của Máy xúc

ở Việt Nam trong các công trình xây dựng công nghiệp lớn (Khu gang thép , công trình xây dựng kiến trúc, thuỷ lợi, thuỷ điện, các công trình xây dựng giao thông…) thì ) thì Máy Đào thờng đợc sử dụng để thực hiện các công việc nh : khai thác khoáng sản (Than đá, kim loại …) thì ) , đào hào, đào kênh …) thì , đào đất đá phục vụ cho việc làm đờng , các công trình xây dựng nhà cửa , xây dựng sân bay hay bến cảng v.v…) thì Máy đào th-ờng đợc sử dụng nhiều , thể hiện tính tiện ích và vai trò quan trọng của nó ; và phổ biến

là loại Máy Xúc có dung tích gầu từ 1 m3 trở xuống đợc sử dụng nhiều

Máy Xúc trong công trình xây dựng thờng là máy vạn năng tức là nó có thể làm đợc nhiều công việc khác nhau nh đào hào , đóng cọc , xúc đất , nhổ gốc cây ,…) thì hay là trênMáy Xúc nó có thể lắp các thiết bị thay thế (Bộ phận công tác ) khác nhau dung tích gầu thờng dới 1m3 , số Máy Xúc có bộ di chuyển là bánh hơi thờng có dung tích gầu d-

ới 0.35 m3 và dung tích gầu lớn hơn thờng có bộ di chuyển bánh xích

Đối với Máy Xúc một gầu hiện đại thờng có hệ thống di chuyển bằng bánh xích , bánh lốp hoặc bằng cơ cấu tự bớc đối với những Máy Xúc làm việc trên nền đất rất yếu

Dung tích của gầu tuỳ thuộc vào đặc tính sử dụng của máy xúc Trọng lợng củav máy xúc một gầu từ 2 đến 45 tấn Máy xúc có dung tích gầu nhỏ (0.15 1 m3) và trung bình (13.5 m3) thờng là Máy xúc vạn năng và trên các máy xúc đó có thể lắp nhiều thiết bị công tác nh : Gàu thuận , gầu nghịch , gầu ngoạm , cần trục , gầu bào , thiết bị bốc dỡ vật liệu …) thì Các loại Máy xúc một gầu có dung tích từ 3 4 m3 trở lên th-ờng để thực hiện một công việc nhất định và chỉ lắp một kiểu thiết bị công tác hay chính nó chỉ là một loại máy xúc chuyên dùng

2 Máy xúc một gầu có thể phân loại theo công dụng , theo hệ thống dẫn động , theo

hệ thống di chuyển , theo khả năng quay của phần quay , theo hệ thống treo và theo kiểu thiết bị công tác , Cụ thể là :

- Theo công dụng máy xúc 1 gầu có thể phân thành : Máy Xúc xây dựng , Máy Xúc khai thác mỏ , Máy Xúc bóc vỉa , Máy Xúc đào giếng và đờng hầm

- Theo hệ thống dẫn động : Máy Xúc đợc phân theo số động cơ và dạng truyền

động(Truyền động cơ khí , truyền động thuỷ lực …) thì )

- Theo khả năng quay của bộ phận quay : Máy Xúc đợc phân thành Máy Xúc quay hết vòng và Máy Xúc quay không hết vòng

- Theo cấu tạo của hệ thống di chuyển có Máy Xúc bánh xích , ( Xích thờng ,xích mởrộng ) , bánh lốp , Máy Xúc lắp trên máy cơ sở tự hành hoặc lắp trên khung bệ chuyên dùng

- Theo hệ thống treo thiết bị công tác : Máy Xúc hệ thống treo mềm (Máy đào cáp )

và hệ thống treo cứng (Máy Xúc thuỷ lực )

- Theo dạng thiết bị công tác : Máy Xúc gầu thuận , Máy Xúc gầu nghịch , Máy Xúc gầu ngoạm , Máy Xúc gầu bào , cần trục , búa đóng cọc , Máy Xúc gầu quăng , máy nhổ gốc cây , …) thì

3 Máy Xúc gầu thuận có hớng di chuyển của gầu khi làm việc ra xa khỏi tâm máy ờng dùng để đào đất ở mức cao hơn mặt bằng máy đứng

Máy Xúc gầu thuận là Máy Xúc một gầu phổ biến nhất , có số lợng lớn và nhiều thể loại

Quá trình đào đất của Máy Xúc gầu thuận là cỡng bức nhờ tay gầu ấn gầu vào đất

đặc tính và trạng thái của đất loại thiết bị công tác , trạng thái lỡi cắt cũng nh tốc độ

đào và nâng gầu

Hình I 1 Máy Xúc gầu thuận

1- Bộ di chuyển bánh xích ; 2-Xi lanh nâng hạ cần ; 3-Xi lanh co duỗi tay gầu ; 4- Xi lanh gầu ; 5- Gầu xúc ; 6- Tay gầu ; 7- Cần : 8 - ống khói ; 9 - Bầu le ;

10 - Chốt ngang ; 11 - Đèn chiếu sáng ; 12 - Ca bin ; 13 - Hệ thống động lực

Trong quá trình làm việc , Máy Xúc gầu thuận thực hiện 5 thao tác cơ bản sau : Đào

đất quay gầu đầy đất đến chỗ đổ , đổ đất lên phơng tiện vận chuyển hay đổ thành từng đống , quay gầu không tải về khoang đào và hạ gầu để đào Trong thực tế , để giảm thời gian một chu kỳ nâng cao năng suất của máy ,có thể thực hiện nhiều nguyên công

Khi bắt đầu đào , gầu đợc hạ ở vị trí I (hình I ) để đào dễ dàng tay gầu nghiêng về phía trong so với phơng thẳng một góc  =20  250 khi máy làm việc dọc theo xích Muốn đào đất nâng gầu từ vị trí I đến vị trí II bằng xi lanh tay gầu (8) đồng thời nâng , hạ cần (1) bằng xi lanh (9) để điều chỉnh chiều dày lát cắt Để đảm bảo chế độ làm việc và sử dụng công suất của máy hợp lý , chiều dày phoi đợc thay đổi một cách hợp

lý , có giá trị nhỏ nhất ở đầu quá trình đào và lớn nhất ở cuối quá trình đào khi răng gầunằm trên đờng nằm ngang với tâm khớp cần và tay gàu (2) Sau khi gàu đầy đất , nâng cần và đa cần ra khỏi khoang đào rồi quay đợc xác dịnh theo điều kiện làm việc và có thể từ 150  1800 trong cùng một khoang đào Để đổ đất , mở đáy gàu bằng xi lanh thuỷ lực (7) hoặc quay gàu bằng xi lanh (10) Sau đó quay gàu về khoang đào và hạ gàu, quá trình làm việc lại đợc tiếp tục và lặp lại nh trên

II Tính toán các thông số cơ bản của Máy Xúc gàu thuận :

Xuất phát từ yêu cầu , ta chọn Máy Xúc gầu thuận loại nhỏ của nga có dung tích gầu

q = 0.65 m3 Từ các thông số của Máy Xúc EC 650 , ta dùng tỷ số đồng dạng để tính cho Máy Xúc có dung tích gầu q = 0.65 m3 , các thông số chủ yếu của Máy Xúc EC

650 nh sau :

- Công suất động cơ : N = 284 KW

- Dung tích gầu : q = 0,65 m3

- Trọng lợng toàn bộ máy G = 64.9 Tấn

- Chiều cao của máy : H = 3600 mm

- Chiều rộng của máy : B = 4150 mm

- Chiều dài máy : L = 6830 mm

Chú ý các thông số tính toán khi gầu vơn xa nhất (cần nghiêng một góc 450 ) :

+ Bán kính quay của gầu : R gầu = B (Bề rộng của phoi đất )

+ Bán kính quay của tay gầu : Rtg = LTT

+ Khối lợng của cần : mc = 900 kg  Trọng lợng của cần : Gc = 9*103 KG

+ Khối lợng của tay gầu : m = 450 kg  Trọng lợng của tay gầu : G = 4.5 * 103KG

+ Khối lợng của gầu : mg= 300 kg  Trọng lợng của gầu :Gg= 3* 103 KG

2 Tính toán các cơ cấu làm việc của thiết bị công tác Máy Xúc thuỷ lực gàu

thuận loại nhỏ :

Quá trình đào đất của Máy Xúc thuỷ lực gầu thuận có thể tiến hành theo các nguyên tắc sau :

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

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

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

- Cần và tay gầu hoạt động đồng thời nhờ các xi lanh tơng ứng

Ba trờng hợp sau thờng đợc sử dụng trong thực tế

Giả sử trong thời gian đào đất , gàu chuyển động nhờ tay gàu , chiều dày lớn nhất của phoi cắt đạt đợc khi răng gàu và khớp 0 (khớp cần và tay gàu ) nằm trên đờng nằm ngang , vị trí II (Hình 2-1) :

Lực cản đào tiếp tuyến lớn nhất tác dụng lên răng (hay mép gầu ) ở vị trí II đợc xác

định theo công thức của N.G.Dombrovski :

P01 = K1*b*CMaX (2) Trong đó : K1 – Hệ số đào cản (KG/cm3)

Đối với đất loại III  K1= 1.5

Đối với đất loại IV  K1= 2.5

Đối với đất loại V  K1= 3.5

Đối với đất loại VI  K1= 2.4

* Chiều rộng hố đào (B) : khi ta coi gầu là hình chữ nhật thì V = q = B3

 B = 3 q  3 0 65 = 0.866 ( m )

* Chiều dày phoi đất (C) : Với chiều cao đào H = 5.366 (m)

Hệ số đầy gầu = 1.15 (đào xốp )

 Xét một lợt đào của gầu  phoi đất đợc hình thành nh hình vẽ , ta có :

* Tính lực cản đào P01 theo CMax :

+ Với đất loại III : P01 = KIII * CMax * B = 1.5 * 37 * 86.6 = 4806.3 (KG) + Với đất loại IV : P01 = KIV * CMax * B = 2.5 * 37 * 86.6 = 8010.5 ( KG ) + Với đất loại V : P01= KV* CMax * B = 3.5 * 37 * 86.6 = 11214.7 (KG)

+ Với đất loại VI : P01 = KVI * CMax* B = 2.4 * 37 * 86.6 = 7690 (KG)

* Thành phần lực cản đào theo phơng pháp tuyến với quỹ đạo trong trờng hợp này có thể tính gần đúng theo công thức :

P02 = 0.1 P01 ( 3 ) Trong đó : 0.1 – Hệ số lực động

1- Cần ; 2 – Tay gầu ; 3 – gầu ; 4- xi lanh cần ; 5- Xi lanh tay gầu ; 6– xi lanh gầu

Trong thời gian đào , gầu chuyển động từ vị trí I đến vị trí II , lực cần thiết của xi lanhtay gầu Pxl thay đổi từ 0 đến Max

Giá trị lớn nhất của lực Pxl ở vị trí II ( Hình II-2) đợc xác định từ phơng trình mô men

Trong đó : P01- Lực cản đào tiếp tuyến

r0 – Cánh tay đòn của lực P01 lấy đối với điểm 0

Gi – Trọng lợng của các phần tử công tác và đất ( Trọng lợng của gầu đầy

đất Gg+đ , trọng lợng xi lanh gầu Gxg , trọng lợng tay gầu Gt , 1/2 trọng lợng tay gầu Gxl )

r1 – Cánh tay đòn của các trọng lợng Gi lấy đối với điểm 0

rxl – cánh tay đòn của lực Pxl lấy đối với điểm 0

Các xi lanh cần về nguyên tắc sẽ làm việc sau khi đào xong đất để nâng bộ công tác lên độ cao đổ đất Giá trị lớn nhất của xi lanh cần Pxc trong trờng hợp này đợc xác định

từ phơng trình mô men của tất cả các lực tác dụng lên cần – tay cần – gầu đối với khớp 01 (Hình II-2) :

 (5)

Trong đó : Gi – Trọng lợng của các phần tử bộ công tác và đất ( Trọng lợng gầu đầy

đất Gg+đ , trọng lợng xi lanh gầu Gxg , trọng lợng tay gầu Gtg , trọng lợng xi lanh tay gầu

1 - cánh tay đòn của các trọng lợng lấy đối với điểm 02 ;

r xg – Cánh tay đòn của lực Pxg lấy đối với điểm 02

3 Tính toán cơ cấu quay :

Thời gian quay của máy xúc chiếm tới 2/3 thời gian chu kỳ làm việc , thậm chí tới 80% Do đó việc xác định hợp lý các thông số của cơ cấu quay là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất khi thiết kế máy

Các thông số cơ bản là : Mô men quán tính của phần quay Máy Xúc gầu đầy đất và gầu không có đất J0 ( KN.m.S2 ) , tốc độ góc lớn nhất của bàn quay Max (1/s) , Gia tốcgóc lớn nhất Max(1/s2) ; Thời gian khởi động tk và phanh tp ; Góc quay của bàn quay

 (rad) ; Hiệu suất của cơ cấu quay q ; Dạng đờng đặc tính ngoài của động cơ

M=f(n) Các thông số này xác định thời gian quay Tq (s) , công suất cần thiết lớn nhất của động cơ NMax (KW) hay mô men lớn nhất của động cơ MMax ( KN.m)

Khi tính cơ cấu quay có thể áp dụng một trong các trờng hợp sau :

1 Đối với Máy Xúc một động cơ , biết công suất lớn nhất NMax hay mô men lớn nhất của động cơ MMax , góc quay  Max , mô men quán tính của bàn quay J , J0 , cần phải xác định giá trị tối u của các thông số cơ bản còn lại của bàn quay Max, Max,tMax ,…) thì sao cho thời gian quay là nhỏ nhất ( tqmin)

2 Khi tính cho Máy Xúc nhiều động cơ , biết  , J , J0 cần phải chọn các thông số cònlại Max, Max,tMax đảm bảo tq cho trớc trong điều kiện công suất nhỏ nhất NMin hay mômen nhỏ nhất của động cơ MMin

Trong thời gian khởi động quay bàn quay , mô men của động cơ phải thắng mô men cản tĩnh trên bàn quay Mt , mô men khởi động các chi tiết chuyển động quay từ động cơ đến bàn quay M d1 và mô men khởi động bàn quay M 2 :

MMax = Mt + Md1 + Md2 ( 9 ) Gia tốc góc của bàn quay :

Trong đó : J – Mô men quán tính của bàn quay khi gầu vơn ra trung bình

Trên cơ sở thực nghiệm , ta có thể lấy gần đúng :

Mt + Md1 = ( 0.08 – 0.1) MMax - Máy Xúc một động cơ

Mt + Md1 = ( 0.15 – 0.35 )MMax – Máy Xúc nhiều động cơ

Đo gia tốc góc trung bình có thể tính gần đúng theo công thức :

2

*

dM

J a

  (11) Trong đó : a = 1.17 – Hệ số kể đến ảnh hởng Mt , Md1

Quá trình quay máy có thể xẩy ra hai trờng hợp :

- Quay máy theo hai giai đoạn : Khởi động và phanh hãm ( Hình IV-1) Quá trình quay này thờng tiến hành trong trờng hợp góc quay nhỏ và trung bình Tốc độ quay lớnnhất nhỏ hơn tốc độ quay tính toán

- Quay máy theo ba giai đoạn : Khởi động , chuyển động quay ổn định với tốc độ góc lớn nhất và phanh hãm (Hình IV – 2 ) Trong trờng hợp góc quay lớn , ngời ta tiến hành quay máy theo ba giai đoạn

Giai đoạn phãnh hãm phải đảm bảo dừng bàn quay ở một vị trí xác định

- Thời gian quay có thể xác định theo thời gian của các giai đoạn Đối với trờng hợp quay máy theo hai giai đoạn :

tq   tk tf  tk0  t0f (12) Đối với quay máy theo ba giai đoạn :

tq   tk t0d  tf  tk0  t00k  t0f (13)

Trong đó : t q - thời gian một chu kỳ quay ;

t t t k, ,0d f Thời gian khởi động , quay ổn định và phanh ở hành trình quay có tải ;

Hình a Hình b

Hình IV – Sự thay đổi tốc độ quay của máy xúc một gầu :

a – Quay máy theo hai giai đoạn ;

b – Quay máy theo ba giai đoạn

Thời gian khởi động với gầu đầy đất đợc xác định theo công thức :

0

k

d t

C





 , C1 – Hệ số quy đổi thứ nguyên )

Góc quay tơng ứng ở thời kỳ này :

Tơng tự xác định đợc thời gian và góc quay ở thời kỳ phanh có tải :

2 '

J J

t      (16)

3 2

J J



   (17)

Thời gian chuyển động ổn định có tải đợc xác định theo công thức :

2 2

Lấy đạo hàm t qvà cho bằng không , ta đợc : 3

Thay giá trị vận tốc góc tối u : * . *

*

t k k

*

Min q

Max q

q t



 (22)

Biết thời gian quay có thể xác định đợc công suất quay lớn nhất NMax :

3

J*(1.37 * ) * 0.35* *

Max

q N

q t

Với 3

2 q

1.23*

Max q Max

1.22*

*

Min q

2 q 3

Trình tự tính toán cơ cấu quay nh sau :

Đối với Máy Xúc một động cơ :

Từ giá trị công suất động cơ , xác định đợc giá trị tốc độ góc lớn nhất tối u

trong trờng hợp quay có tải và không có tải theo công thức : * . *

*

t k k

Trong trờng hợp biết trớc đợc thời gian chu kỳ , ta tìm đợc thời gian quay toàn

Trong đó : t1q,t q0- Thời gian quaycó tải và thời gian quay không có tải

Từ đó suy ra thừigian quay toàn bộ :

1

ck d d q

t

J J

Đối trọng cần đảm bảo tổng hợp trọng lợng của các bộ phận , cơ cấu trên bàn quay trong mọi trờng hợp không nằm ngoài chu vi vòng tựa , nghĩa là không vợt quá điểm tựa giới hạn trớc và điểm tựa giới hạn sau Do đó xét 2 vị trí bộ công tác để xác định

đối trọng : Vị trí đối trọng bộ công tác sinh ra mô men lật lớn nhất và vị trí sinh ra mô men lật nhỏ nhất Vị trí thứ nhất tổng hợp trọng lợng lớn nhất đi qua điểm tựa giới hạn trớc , vị trí thứ 2 - Điểm tựa giới hạn sau Chọn trọng lợng đối trọng không đợc nhỏ hơn giá trị đối trọng tơng ứng với bàn quay lật ở điểm tựa trớc đồng thời không đợc lớn hơn giá trị mà bàn quay lật ở điểm tựa sau Khi điều kiện này không thoã mãn thì phải

bố trí lại các cơ cấu trên bàn quay

Vị trí thứ nhất : Bàn quay của Máy Xúc lật ở điểm tựa giới hạn trớc , cần nghiêng

một góc 350 đến 400 , gầu đầy đất , tay gầu nằm ngang ( Hình V – 1)

a – Khi bàn quay lật ở điểm tựa trớc ;

b – Khi bàn quay lật ở điểm tựa sau

Trọng lợng đối trọng Gđt1đợc xác định từ phơng trình cân bằng mô men đối với điểm tựa trớc ( điểm B ) của Máy Xúc đất

Vị trí hai : Bàn quay lật ở điểm tựa giới hạn sau , cần nghiêng một góc 550 đến 600

gầu không có đất và tựa trên mặt đất ( Hình V-2)

Trọng lợng đối trọng Gđt2 đợc xác định từ phơng trình cân bằng mô men của tất cả các trọng lợng đối với điểm tựa sau (điểm A)

' 2

Nếu Gđt2 > Gđt1 thì trọng lợng đối trọng chọn giữa các giá trị này – gần tới Gđt1 Khi Gđt1 > Gđt2 chứng tỏ các bộ phận trên bàn quay đặt quá về phía trớc bộ công tác quádài và nặng , vòng tựa không hợp lý và do đó phải bố trí lại các cơ cấu trên bàn quay hoặc thay đổi kích thớc bộ công tác

5 ổn định của Máy Xúc :

ổn định của Máy Xúc là một trong những chỉ tiêu sử dụng quan trọng mà ngời thiết kế và sử dụng đều phải quan tâm để đảm bảo an toàn khi máy làm việc ở chế độ nặng nhất , di chuyển trên dốc và góc dốc lớn nhất

Độ ổ định của Máy Xúc biểu thị bằng hệ số ổ định :

K0đ = g

l

M

M (34)

Trong đó : Mg- Mô men của tất cả các lực giữ Máy Xúc không bị lật ;

Ml – Mô men của tất cả các lực gây ra lật

Đối với trờng hợp ổn định của Máy Xúc gầu thuận khi làm việc đợc xác định ở cuối quá trình đào , tay gầu nằm ngang , gần đến mép khoang đào , góc nghiêng của cần

0

45



 Máy Xúc có thể bị lật với mép ngoài của các bánh tì - Điểm A ( Hình VI)

Hình VI – Sơ đồ tính toán ổn định Máy Xúc gầu thuận khi làm việc

ở vị trí này gầu chịu tác dụng của lực P01 đợc xác định từ phơng trình cân bằng đối vớikhớp tay gầu và cần của tất cả các lực tác dụng lên gầu và tay gầu Khi đó lực ở cần piston của xi lanh tay gầu đợc tính toán theo áp suất lớn nhất :

P01=

' 0

Mg  G rdt( dt  b )  G ra( a  b )  r b0* (37)