Sử dụng phương pháp số và lựa chọn thay đổi mô hình tính toán, các thông số thiết kế và vị trí bố trí xi lanh được xác định đảm bảo kích thước của hệ thống tối ưu và lực tác dụng trên x[r]
Trang 1TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC TỐI ƯU
CHO SÀN NÂNG SỬ DỤNG XI LANH THỦY LỰC
Bùi Thanh Hiền, Đặng Anh Tuấn *
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên
TÓM TẮT
Bài báo đề xuất phương pháp xác định thông số thiết kế tối ưu cho sàn nâng 1X sử dụng xi lanh thủy lực Sử dụng phương pháp số và lựa chọn thay đổi mô hình tính toán, các thông số thiết kế và
vị trí bố trí xi lanh được xác định đảm bảo kích thước của hệ thống tối ưu và lực tác dụng trên xi lanh nhỏ gọn Kết quả thu được từ quá trình tính toán cho các đồ thị trực quan, dễ xử lý Kết quả thu được cho thấy ưu điểm của việc sử dụng mô hình thay thế khi tính toán để từ đó có thể xây dựng mô hình sàn nâng tối ưu
Từ khóa: thiết kế kích thước, sàn nâng thủy lực; phân tích động học; phân tích động lực học, tối ưu
MỞ ĐẦU*
Sàn nâng là thiết bị nâng hạ di động, chức
năng chính của sàn là nâng hạ vật theo chiều
cao làm việc mong muốn Do đó, sàn nâng
được thiết kế và sử dụng giúp tăng năng suất
sản xuất nhưng cũng được yêu cầu phải đảm
bảo an toàn cho người lao động Với những lý
do này, sàn nâng được thiết kế và sử dụng ở
nhiều lĩnh vực với các mục đích sử dụng khác
nhau [1,2] Qua nghiên cứu tổng quát, những
thông số cơ bản cần quan tâm khi thiết kế sàn
nâng là tốc độ nâng, độ nghiêng sàn so với
mặt đất, chiều cao nâng, tải trọng nâng [3]
Hiện nay trên thị trường sử dụng các loại sàn
nâng thủy lực với khá nhiều dạng phương án
về kết cấu, ví dụ như sàn nâng 1X sẽ có ít
nhất 6 phương án bố trí xi lanh được mô tả
như Hình 1 [4]
Hình 1 Các phương án bố trí xi lanh [4]
Tính ổn định tĩnh của sáu sơ đồ bố trí xi lanh
cho sàn nâng được nghiên cứu và kiểm
ổn định nhất, tuy nhiên vị trí cụ thể của xi lanh chưa được đề cập đến Hongyu và Ziy [5]
đã sử dụng phần mềm Pro/E thiết kế sàn nâng
sử dụng xi lanh thủy lực để nâng hạ cho độ ổn định và độ chính xác tương đối cao Tuy nhiên, tác giả chưa đề cập đến việc bố trí xi lanh để đạt hiệu suất tối ưu Tính ổn định của sàn nâng cũng được Ren Dong [6] đề cập đến bằng việc tiến hành hàng loạt các thí nghiệm
để tìm ra các thông số ảnh hưởng đến độ ổn định của sàn nâng Do đó người công nhân khi làm việc trên sàn nâng nên tránh di chuyển liên tục và vận động mạnh đặc biệt là lúc sàn vừa được nâng lên Vì vậy, góc lật và tốc độ nâng của sàn cần phải được kiểm soát, tuy nhiên cũng chưa có kết luận cụ thể chỉ rõ với độ dốc bao nhiêu thì đảm bảo tính ổn định tối ưu cho sàn nâng Tác giả Manoharrao cũng đã thực hiện thiết kế sàn nâng dùng xi lanh thủy lực để điều khiển nâng theo chiều cao cho trước[7] Tuy nhiên nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở phân tích tĩnh trên phần mềm ANSYS Ở Việt Nam, tác giả Hà Sơn Hải đã ứng dụng phương pháp số để tính toán và kiểm nghiệm độ bền, độ cứng hệ khung cho sàn nâng tàu thủy kiểu synchrolift dùng cho
an ninh quốc phòng [8] Việc đảm bảo kích thước hệ thống nhỏ gọn, đồng thời tải trọng
và các bộ phận máy duy trì được tính ổn định
Trang 2174
kích thước hệ và không gian bố trí xi lanh nhỏ
gọn nhất phù hợp yêu cầu thiết kế Bài báo
phân tích và nghiên cứu về một mô hình xi
lanh cơ bản, từ đó đưa ra được các thông số
lắp đặt xi lanh tối ưu thông qua việc xây dựng
được các đồ thị quan hệ để xác định độ lớn
của xi lanh với các thông số lắp đặt để có hệ
số nâng hiệu quả, đồng thời lực đẩy trên xi
lanh là nhỏ nhất
PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC
Ta phân tích mô hình sàn nâng 1X sử dụng xi
lanh có kết cấu theo Hình 1f, với các thông số
thiết kế được mô tả như hình vẽ Có thể thấy
các thông số ảnh hưởng đến chiều cao nâng
(h) của sàn và lực đẩy Fxl của xi lanh tại các
vị trí phụ thuộc vào đặc tính xi lanh (chiều dài
ban đầu l0, hệ số giãn dài kxl, lực đẩy Fxl) và
kích thước bố trí xi lanh (a, b) Vì vậy khó có
thể đưa ra giá trị phù hợp để chọn xi lanh có
hành trình và lực hợp lý
Nếu dời xi lanh đến vị trí mới như Hình 2 mà
vẫn đảm bảo hệ số làm việc kxl, bài toán sẽ
được đưa về 4 ẩn với các hệ số chiều dài xi
lanh =lxl/A, vị trí bố trí xi lanh b/A và
chiều dài thanh nghiêng 2A với đầu ra là
chiều cao của sàn H Có thể thấy với sơ đồ
này, chiều cao nâng H theo kxl là hoàn toàn
tương tự như với sơ đồ Hình 1f
h
b=
A
l xl =
a= A
a
Hình 2 Sơ đồ bố trí xi lanh sau khi điều chỉnh
Lúc này, khi xi lanh dịch chuyển từ lxlmin đến
lxl max (tương ứng với hệ số chiều dài từ 0 đến
0.kxl) vị trí sàn nâng sẽ thay đổi từ Hmin đến
Hmax theo biểu thức quan hệ:
H 2A sin
2
1
4
So sánh tỉ lệ chiều cao nâng H khi xi lanh giãn dài nhất và ngắn nhất, ta có mối quan hệ
về hệ số nâng kH:
2 2
max
2
xl 0 max
min
1 2A
4 H
k
2A
4
Với kết cấu sàn đã được tiêu chuẩn như hình
vẽ, khoảng nâng cực đại được xác định theo
độ ổn định và khả năng cân bằng kết cấu khi nâng vật, cụ thể là góc giữa hai thanh nâng
max theo biểu thức:
2 2
max
1
2
Khảo sát kxl khi và thay đổi (với bước thay đổi 0,02), ta thu được đồ thị như Hình 3a Đồ thị này cho kết quả cực trị kHmax=5,571 tại =0,76 và =0,26 Giá trị cực trị này là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng tới quá trình tính toán thiết kế: Với cùng loại xi lanh có chiều dài l0 được lắp đặt trên cùng một sàn nâng, nếu bố trí theo các kích thước vàđã xác định thì sẽ có hệ số nâng lớn nhất (kH=5,571) Đồng nghĩa với việc để nâng sàn lên cùng một khoảng chiều cao Hmax cho trước,thì sàn nâng có kết cấu đã chọn sẽ có kích thước nhỏ gọn nhất
Nếu khảo sát trong miền mặt phẳng
+=1,02, ta có đường cong cực trị của kH
như Hình 3b:
Trang 3
Hình 3 Đồ thị k H theo và (a); đường cong cực trị k H xác định theo (b)
Qua khảo sát với các miền giá trị khác nhau,
dễ nhận thấy khi giá trị + càng gần tới 1
thì kH thay đổi càng đáng kể (cụ thể với
,3
0
, 00,75 ( 01,05) cho
kH=3,62còn 00,72 ( 01,02) cho
kH=5,57 và 00,71 ( 01,01) cho
kH=7,53 (Hình 4)
Hình 4 Khoảng giá trị k Hmax thay đổi khi giá trị
của thay đổi
Tuy vậy, khi tổng (+ càng gần về 1 thì
các kích thước , cũng yêu cầu độ chính
xác cao hơn Khi đó, với mô hình sàn nâng có
kết cấu thực như Hình 1f, ta hoàn toàn có thể
đưa ra các nhận xét tương tự để lựa chọn hệ số
và vị trí bố trí xi lanh phù hợp (do hai vị trí bố
trí song song và có hệ số mở rộng kxl giống
nhau nên kH của hai mô hình là tương tự nhau)
PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC
Quá trình phân tích động lực học cơ cấu cho
phép xác định chính xác tải trọng tác dụng trên
các khâu, khớp, từ đó có thể đánh giá được độ
ổn định và khả năng làm việc của cơ cấu
Trên cơ sở mô hình đã tính toán, ta xác định miền giá trị lực đẩy của xi lanh, từ đó có thể chọn ra vị trí bố trí xi lanh phù hợp sao cho lực trên xi lanh Fxl đạt giá trị nhỏ nhất và cơ cấu làm việc hiệu quả cao nhất
Ta phân tích mô hình với sàn nâng chịu tải trọng PG đặt tại điểm G như Hình 5a Giải phóng liên kết tại các khâu nối giá và mặt sàn – cụ thể tại là các điểm A, B, C và D (Hình 5b,c), sau đó cân bằng mô men trên toàn cơ cấu để xác định lực tại các khớp, ta được:
G G G G
C A
AD 2.cos 2
B D
2
M
P'B P'C
M P'C
PO
b=
G
l G PG
PB
PC
O P'B
PA
P'O P'xl O
A M
D
2A.cos
b=
G
l G PG
a)
c) b)
d)
e)
Trang 4176
Tiếp tục tách khâu CD và giải phóng áp lực
tại khớp O, ta có các lực tác dụng lên 2 thanh
nghiêng như Hình 5d, e
Cân bằng mô men trên hai thanh nghiêng tại
điểm O cho kết quả:
Với độ lớn các lực đã biết, lực Pxl tác dụng
theo phương xi lanh và tạo với CD một góc
, khi đó:
P sin Axl PC PDA.cos
2
xl
P cos
2 P
.sin
Mặt khác: 1
(tam giác AMO)
Ta rút ra:
2
2 P
.
2
4
(7)
Nhận thấy trong biểu thức của Pxl không chứa
thông số lG nên có thể kết luận vị trí đặt lực PG
không ảnh hưởng đến độ lớn lực tác dụng trên
xi lanh Tiếp tục khảo sát Pxl khi thay đổi, ta
xác định được Pxl có giá trị cực đại khi kxl=1
(thời điểm Hmin, xi lanh bắt đầu làm việc,
=0) Khi đó độ lớn Pxl theo ứng với các
dải giá trị của được mô tả theo đồ thị
trong Hình 6
Hình 6 Đồ thị P xl /P theo
Khi xét kết cấu sàn như Hình 1f, vị trí xi lanh
sẽ xác định theo các kích thước (a, a) với
a=A, lực trên xi lanh P’xl được xác định lại
theo phương trình cân bằng mô men:
xl
P cos
P 2 P
.sin
Nghĩa là độ lớn lực Pxl tỉ lệ nghịch với giá trị của càng nhỏ, vị trí lắp xi lanh càng gần
về khớp O và lực của xi lanh Pxl càng lớn) Tổng hợp các kết quả xác định từ biểu đồ quan hệ giữa lực trong xi lanh Pxl/P và hệ số nâng kH của sàn, ta được đồ thị như Hình 7
Hình 7 Đồ thị quan hệ P xl /P theo K với các dải
giá trị của + thay đổi
Quan sát trên biểu đồ cho thấy có thể giảm được lực tác dụng trên xi lanh và mà vẫn đảm bảo hệ số nâng kH của sàn bằng cách chọn vị trí bố trí xi lanh phù hợp (lựa chọn đường cong + ), từ đó kết hợp với nội dung tính toán của phần phân tích động học để chọn ra
vị trí lắp xi lanh tương ứng
KẾT LUẬN Bài báo đề xuất phương pháp xây dựng mô hình và tính toán thiết kế động học, động lực học cho mô mô hình sàn nâng 1X sử dụng xi lanh thủy lực/khí nén Bằng phương pháp biến đổi mô hình tính toán và phân tích lực , kết hợp sử dụng phần mềm tính Excel, tác giả xây dựng được các đồ thị quan hệ để xác định
độ lớn của xi lanh cũng như các thông số lắp đặt hệ thống để mô hình thu được có hệ số nâng hiệu quả, đồng thời lực trên xi lanh là nhỏ nhất Trên cơ sở mô hình đã xây dựng, có
mở rộng để tính toán với các mô hình sàn nâng 1X khác, giúp xác định các thông số thiết kế một cách nhanh chóng nhằm đảm bảo các điều kiện làm việc tối ưu đồng thời có thể
so sánh giữa các mô hình để lựa chọn phương
án thiết kế phù hợp nhất
Trang 5TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 M J Burkart, M McCann and D M Paine,
“Aerial Work Platforms, in Elevated Work
Platforms and Scaffolding”, McGraw-Hill, New
York, 2004
2 S Mohan and W C Zech (2005),
“Characteristics of Worker Accidents on
NYSDOT Construction Projects,” Journal of
Safety Research, Vol 36(4), pp 353-360
3 C S Pan, A Hoskin, M McCann, D Castillo,
M Lin and K Fern (2007), “Aerial Lift Fall
Injuries: A surveillance and Evaluation Approach
for Targeting Prevention Activities,” Journal of
Safety Research, Vol 38(6), pp 617-625
4 W Zhang, C Zhang, J Zhao, C Du (2015), “A
Study on the Static Stability of Scissor Lift”, The
Open Mechanical Engineering Journal, Vol 9, pp
954-960
5 T Hongyu, Z Ziy (2011), “Design and
Simulation Based on Pro/E for a Hydraulic Lift
Platform in Scissors Type”, Procedia Engineering, vol 16, pp 772 – 781
6 Ren G Dong et al (2012), “An Investigation on
the Dynamic Stability of Scissor Lift”, Open Journal of Safety Science and Technology, Vol 2,
pp 8-15
7 Sabde Abhijit Manoharrao, Prof Jamgekar R.S (2016), “Analysis & Optimization of Hydraulic
Scissor Lift”, IJEDR, Vol 4(4)
8 Hà Sơn Hải (2009), “Nghiên cứu thiết kế và công nghệ để chế tạo trong nước sàn nâng tàu kiểu synchrolift phục vụ đóng các tàu có lượng chiếm
nước đến 5000 tấn cho an ninh quốc phòng”, Tạp chí công nghiệp tàu thủy Việt Nam, 65, tr 26-28
9 Georgy Olenin, “Design of hydraulic scissors
lifting platform”, Saimaa University of Applied Sciences Faculty of Technology, Lappeenranta Degree Programme in Mechanical Engineering and Production Technology(2016), pp14
SUMMARY
ANALYSIS AND DETERMINE OPTIMAL DIMENSIONS
FOR HYDRAULIC 1X SCISSOR LIFT
Bui Thanh Hien, Dang Anh Tuan *
University of Technology - TNU
The paper proposes a method to determine the optimal parameters in designing hydraulic scissor lift Using numerical method and alternative model, dimensions for design and position of hydraulic cylinder are determined to ensure the optimum of working height and force in cylinder The results obtained from the computation are intuitive, easy-to-handle graphs The results show the advantages of using the alternative model when calculating so that it can build the optimal lift model
Keywords: Dimensional anaysis, Hydraulic Scissor lift ; Kinetic analysis; Dynamic analysis, optimization
![Hình 1. Các phương án bố trí xi lanh [4] - TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC TỐI ƯU CHO SÀN NÂNG SỬ DỤNG XI LANH THỦY LỰC](https://123doc.top/img.php?url=https%3A%2F%2F123docz.com%2Fimage%2Fdoc_normal.png)