Công dụng, phân loại, lịch sử phát triển máy làm đất
1.1.1 Lịch sử phát triển máy làm đất.
Ngành chế tạo máy xây dựng, đặc biệt là máy làm đất, là một lĩnh vực còn mới mẻ và đang trong quá trình phát triển mạnh mẽ, gắn liền với sự tiến bộ của các ngành khoa học và công nghiệp toàn cầu.
Bức tranh tổng thể ngành chế tạo máy làm đất có thể chia thành các giai đoạn chính:
1.1.1.1 Giai đoạn 1: Thế kỷ 16 đến thế kỷ 18.
Những phương tiện cơ giới đầu tiên được sử dụng trong công việc làm đất đã xuất hiện, chủ yếu dựa vào sức người và sức ngựa, cùng với việc bắt đầu áp dụng động cơ hơi nước Con người đã chế tạo và sử dụng máy xúc một gầu với dung tích 0,75m³ đầu tiên.
1.1.1.2 Giai đoạn 2: Thế kỷ 19 đến năm 1910.
Trong giai đoạn hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của các công trình xây dựng lớn, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông và đường sắt, đã dẫn đến việc sử dụng máy xúc một gầu có khả năng quay 360 độ trên ray, cùng với nhiều loại máy làm đất khác.
1.1.1.3 Giai đoạn 3: Từ sau năm 1910.
Khâu làm đất trong xây dựng ngày càng được cơ giới hóa với sự xuất hiện của nhiều loại máy móc, bao gồm máy xúc đất quay 360 độ, máy xúc di chuyển bằng bánh lốp và bánh xích, cũng như máy xúc tự hành Để đáp ứng khối lượng công việc ngày càng lớn trong xây dựng cơ bản, ngành công nghiệp đã phát triển nhiều loại máy làm đất với chức năng và cấu trúc đa dạng, như máy xúc nhiều gầu, máy ủi đất, máy cạp đất và máy đầm đất.
Xu hướng phát triển máy làm đất hiện nay tập trung vào việc nâng cao năng suất làm việc và tăng tốc độ di chuyển cũng như tốc độ làm việc của máy Việc sử dụng vật liệu kim loại và phi kim loại chất lượng cao giúp giảm khối lượng riêng, nâng cao độ tin cậy của các chi tiết máy, đồng thời giảm thời gian bảo dưỡng Ngoài ra, việc hoàn thiện các thiết bị động lực, truyền động và chế tạo các bộ công tác thay thế cho phép máy hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau, từ đó nâng cao năng suất làm việc của máy.
Trong những năm gần đây, khối lượng máy làm đất đã giảm 20-30%, trong khi công suất tăng 50-80% Sự gia tăng công suất này đã nâng cao hiệu suất làm việc của máy Bên cạnh việc cải tiến nguyên lý và kết cấu, ngành sản xuất máy làm đất còn sử dụng các bộ phận và máy cơ sở chế tạo theo tiêu chuẩn và mô-đun, nhằm đáp ứng xu hướng thống nhất hóa, tiêu chuẩn hóa và vạn năng hóa.
1.1.2 Công dụng của máy làm đất
Máy làm đất có nhiều công dụng đa dạng, phục vụ cho các mục đích như dọn mặt bằng, đào xới, vận chuyển, san lấp và đầm lèn, với đối tượng làm việc chủ yếu là đất.
Việc sử dụng máy làm đất có ý nghĩa rất to lớn do tính ưu việt của nó ở các điểm sau:
- Tăng năng suất lao động, rút ngắn thời gian thi công.
- Nâng cao chất lượng công trình và giảm giá thành công trình
Máy móc giúp thực hiện các công việc nặng nhọc, thay thế sức lao động của con người, giảm cường độ làm việc, đồng thời bảo vệ sức khỏe và đảm bảo an toàn cho công nhân.
1.1.3 Phân loại máy làm đất Để phục vụ cho công tác đất, ngày nay có rất nhiều cách phân loại khác nhau Có thể phân ra thành 6 nhóm chính thường được sử dụng trong xây dựng:
- Máy đào đất : đào, xúc đất vào gầu rồi đổ vào các phương tiện vận chuyển hoặc đi hoặc đổ thành đống ( như máy đào gầu nghịch, gầu thuận,…)
- Máy đào chuyển đất: đào và gom lại thành đống rồi chyển đi hoặc san ra thành lớp ( như máy ủi, máy san, máy capk, máy xúc lật,…)
- Máy đầm đất : máy lu, máy đầm cóc,…
- Máy và thiết bị gia cố nền móng : máy đóng ( ép ) cọc, máy khoan cọc nhồi,…
Nhóm máy phụ đóng vai trò quan trọng trong việc chuẩn bị mặt bằng, bao gồm các thiết bị như máy dọn sạch mặt bằng, máy nhổ gốc cây, và máy cắt xén bụi rậm Ngoài ra, nhóm này còn sử dụng các máy hỗ trợ như máy xới tơi đất để đảm bảo quá trình thi công diễn ra thuận lợi và hiệu quả.
- Thiết bị khai thác bằng thủy lực : tàu hút bùn, cát, sung phun thủy lực,
Công dụng và phân loại máy đào một gầu
1.2.1 Công dụng của máy đào một gầu.
Máy đào một gầu chủ yếu được sử dụng để khai thác đất và cát, phục vụ cho xây dựng cơ sở hạ tầng trong các lĩnh vực như xây dựng dân dụng, công nghiệp, khai thác mỏ, thủy lợi và cầu đường Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong nhiều công việc xây dựng khác nhau.
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, công việc bao gồm đào hố móng, rãnh thoát nước và lắp đặt đường ống cấp thoát nước, điện ngầm, điện thoại Ngoài ra, còn thực hiện bốc xúc vật liệu tại các bãi và kho chứa Đôi khi, công nhân cũng thay thế cần trục để lắp đặt ống thoát nước hoặc thay búa đóng cọc trong quá trình thi công móng cọc và cọc nhồi.
- Trong xây dựng thủy lợi: Đào kênh, mương; nạo vét sông ngòi, bến cảng, ao, hồ, khai thác đất để đắp đập, đắp đê…
- Trong xây dựng cầu đường: Đào móng, khai thác đất, cát để đắp đường; nạo, bạt sườn đồi để tạo ta luy khi thi công đường sát sườn núi…
- Trong khai thác mỏ: Bóc lớp đất 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 công nghiệp, việc nhào trộn vật liệu tại các nhà máy hóa chất như phân lân và cao su là rất quan trọng Ngoài ra, khai thác đất phục vụ cho sản xuất gạch và sứ, cũng như cung cấp nguyên liệu cho các trạm trộn bê tông và bê tông asphalt, đóng vai trò thiết yếu trong xây dựng Bốc xếp vật liệu tại các ga tàu và bến cảng cũng là một hoạt động không thể thiếu, cùng với việc khai thác sỏi và cát từ lòng sông để phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Máy xúc một gầu không chỉ có khả năng lắp đặt thiết bị gầu xúc mà còn có thể tích hợp nhiều thiết bị thi công khác như cần trục, búa đóng cọc và thiết bị ấn bấc thấm, mang lại tính linh hoạt cao trong các công trình xây dựng.
1.2.2 Phân loại máy đào một gầu.
1.2.2.1 Phân dạng theo dạng thiết bị làm việc.
- Máy đào gầu thuận (gầu ngửa ): làm việc ở những nơi cao hơn mặt bằng đững của máy
- Máy đào gầu nghịch ( gầu sấp ): làm việc ở những nơi thấp hơn ( hoặc cao hơn ) mặt bằng đứng của máy.
- Máy đào gầu dây (gầu quăng ): làm việc ở những nơi thấp hơn mặt bằng đứng của máy
- Máy đào gầu ngoạm : làm việc ở những nơi thấp hơn ( hoặc cao hơn ) mặt bằng đứng của máy.
1.2.2.2 Phân loại theo hệ thống di chuyển.
- Máy đào di chuyển bánh xích.
- Máy đào di chuyển bánh phao.
- Máy đào di chuyển tự bước.
1.2.2.3 Phân loại theo dung tích gầu.
1.2.2.4 Phân loại theo hệ thống dẫn động thiết bị làm việc.
- Máy đào một gầu dân động cơ khí.
- Máy đào một gầu dẫn động thủy lực.
1.2.2.5 Phân loại theo động cơ trang bị trên máy
- Máy đào một gầu trang bị một động cơ.
- Máy đào một gầu trang bị nhiều động cơ.
- Máy đào một gầu trang bị tổ hợp.
1.2.2.6 Phân loại theo công dụng.
- Máy đào một gầu thông dụng.
- Máy đào một gầu chuyên dung.
Sơ đồ và nguyên lý làm việc của máy đào một gầu, gầu nghịch, dẫn động thủy lực 11 1 Sơ đồ nguyên lý
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của máy đào gầu nghịch.
1.Cơ cấu di chuyển 8.Tay cần
2.Cơ cấu quay 9.Xi lanh co duỗi tay cần
4.Xi lanh nâng hạ cần 12.Cabin
- Đặc điểm làm việc của máy :
+ Máy làm việc ở những nơi thấp hơn hoặc cao hơn mặt bằng máy đứng
+ Đất xả qua miệng gầu
+ Máy làm việc trên từng chỗ đứng
+ Máy làm việc theo chu kì
- Nguyên lý làm việc: Trong một chu kì làm việc của máy có các nguyên công
+ Đưa máy đến vị trí làm việc
+ Đưa gầu vươn xa và hạ xuống, răng gầu tiếp xúc với nền đất
+ Cắt đất và tích đất vào gầu từ I – II – III
+ Đưa gầu ra khỏi tầng đào
+ Quay máy về vị trí xả đất
+ Quay máy về vị trí làm việc tiếp theo
Giới thiệu máy thiết kế
Máy đào gầu nghịch là thiết bị thiết kế với hệ thống dẫn động thủy lực, bao gồm hai phần chính: máy cơ sở và thiết bị công tác.
- Máy cơ sở là loại máy PC200LC-8 của hãng Komatsu-Nhật Bản ,có cơ cấu di chuyển bánh xích, công suất động cơ là 110 kW ( 148 hp ).
- Phần thiết bị công tác bao gồm cần, tay cần, gầu xúc cùng hệ thống xi lanh thủy lực dẫn động thiết bị làm việc.
* Máy cơ sở PC200LC-8
Máy thiết kế có dung tích gầu 0.65m³, sử dụng máy cơ sở PC200LC-8 với cơ cấu di chuyển bằng bánh xích và công suất động cơ 110kW (148hp) Các thông số hình học của máy cũng được cung cấp.
Chiều cao đến phần cao nhất của cabin ( E ) mm 3040
Chiều dài dải xích trên nền đất ( J ) mm 4450
Khoảng cách giữa hai trục ( I ) mm 3655
Khoảng cách giữa nền đất đến đối trọng ( F ) mm 1085
Bề rộng dải xích ( M ) mm 700
Khoảng cách từ tâm quay đến thành sau của máy ( P ) mm 2710
Chiều cao phần vỏ máy ( O ) mm 2095
Hình 1.2: Máy cơ sở PC200LC – 8
+ Loại : động cơ 4 kỳ ,làm mát bằng nước ,phun nhiên liệu trực tiếp.
+ Hành trình của pittông : 124mm.
+ Tốc độ quay của trục động cơ :2000 vòng /phút.
+ Tốc độ di chuyển : Số lớn nhất : 5,5 km/h
+ Tốc độ quay : 12,4 vòng/phút
- Lấy sơ bộ khối lượng máy cơ sở Gcs = 0,8 Gm
Khối lượng máy cơ sở khi hoạt động, bao gồm cần dài 5700mm, tay cần dài 2925mm, gầu 0.8m³, dầu bôi trơn, nước làm mát, thùng đầy nhiên liệu, thợ vận hành và các thiết bị tiêu chuẩn với loại xích 700mm, đạt 20900 kg, tương đương 209 kN.
Từ công thức (2.1)ta có Gm2 =
209.0,650,8 = 169,81 (kN) Vậy Gcs = 0,8.Gm = 0,8.169,81 = 135,85 (kN).
Xác định, lựa chọn các thông số cơ bản của máy
2.1.1 Cơ sở để chọn các thông số cơ bản.
Chọn các thông số cơ bản dựa vào quy luật đồng dạng so với máy cơ sở theo công thức của N.G.Dômbrôvski:
; trong đó + A : Thông số các kích thước (m)
+ G : Thông số về khối lượng (tấn)
+ N : Thông số về công suất (mã lực)
+ q : Thông số về dung tích gầu (m 3 )
+ t : Thông số về thời gian chu kỳ làm việc của máy (s)
+ v : Thông số về vận tốc (m/s)
Với chỉ số 1 của máy cơ sở, chỉ số 2 của máy thiết kế.
2.2 a) Chọn sơ bộ các thông số hình học.
Dựa vào dung tích hình học của gầu q (m 3 ), chọn sơ bộ các thông số khác theo công thức
+ A : Thông số các kích thước (m)
+ q : Thông số về dung tích hình học của gầu (m 3 ) với q = 0,65 (m 3 )
+ kq : Hệ số tỷ lệ , tra theo bảng II – 1 (10-HDDAMH MLD)
Bảng 2.1: Kích thước hình học chọn sơ bộ
Các thông số kích thước (m) Ký hiệu Hệ số kq Giá trị sơ bộ Giá trị chọn
Bán kính đào lớn nhất Rđ 9,12 7,90 8
Bán kính xả lớn nhất Rx 7,96 6,70 7
Chiều cao đào lớn nhất Hđ 7,75 6,71 7
Chiều cao xả lớn nhất Hx 5,35 4,63 5
Chiều dài tay cần Ltc 5,00 4,33 4,5
Chiều rộng gầu Bg 1,05-1,22 0,91 – 1,06 1 b) Chọn sơ bộ thông số trọng lượng các cụm cơ bản
Với Gm2 = 169,81 (kN) do vậy ta đi tính các cụm cơ bản lấy theo % so với trọng lượng toàn bộ máy :
Bảng 2.2: Chọn sơ bộ phân bố trọng lượng
Tên các bộ phận chính Tỷ lệ
Trọng lượng chọn sơ bộ (kN)
Bộ phận công tác của máy đào gầu nghịch 16 - 20 27,17 – 33,96 33,96
Xi lanh điều khiển gầu 0,3 – 0,5 0,51 – 0,85 1
Xi lanh co duỗi tay cần 0,8 – 1,0 1,36 – 1,7 1,7
Xi lanh nâng hạ cần 1,2 – 1,5 2,04 – 2,55 2,56
Bàn quay và các cơ cấu: 36 -39 61,13 – 66,23 65,8 Động cơ và khung máy 6,0 – 7,0 10,19 – 11,89 11
Thiết bị thủy lực và thiết bị phụ 6,0–10,0 10,19 – 16,98 16
Khung dưới và vòng bánh răng 7 – 10 11,89– 16,98 15
Bánh chủ động, bánh bị động, bánh tì 5 – 10 8,49 – 16,98 15
Dựa vào kích thước của gầu có dung tích q = 0,8 m 3 , ta chọn sơ bộ các thông số kích thước gầu thiết kế có dung tích q = 0,65 m 3 như sau:
- Chiều sâu gầu: Hg 3 0,65 0,8 720= 671,8 (mm) � chọn Hg = 720 mm
- Chiều dài gầu:Lg 3 0,650,8 1180 = 1101,09 (mm)� chọn Lg = 1180 mm
- Chiều rộng gầu: Bg 3 0,65 0,8 1000 = 933,13 (mm) � chọn Bg = 1000 mm
- Chiều rộng răng gầu: br =
- Trọng lượng gầu thiết kế:
Dựa vào phương pháp nội suy, ta chọn sơ bộ kích thước tay cần như sau:
- Chiều cao tay cần: Htc 3 0,65 0,8 600= 559,88 (mm) � chọn Htc = 560 mm
- Chiều dài tay cần: Ltc 3 0, 65 0,8 3700= 3452,57 (mm) � chọn Ltc = 3450 mm
- Chiều rộng tay cần: Btc 3 0, 65 0,8 390= 363,9 (mm) �chọn Btc= 370 mm.
Sau khi thiết kế tay cần, ta tính được trọng lượng tay cần :
Dựa trên phương pháp nội suy, kích thước cần được xác định sơ bộ dựa vào kích thước của cần máy đào gầu nghịch có dẫn động thủy lực và dung tích gầu là 0,8m³.
- Chiều dài cần: Lc 3 0,65 0,8 5700 = 5318,83 (mm)� chọn Lc = 6565 (mm)
- Chiều rộng cần: Bc 3 0,65 0,8 390 = 363,9 (mm)� chọn Bc = 370 (mm)
- Trọng lượng cần tính được sau thiết kế :
0,65 0,8 = 1144 (kg) = 11,44 (kN) => Gtb = Gc + Gtc + Gg = 11,44 + 5,31 + 5,10 = 21,85 (kN)
Ta tính lại khối lượng thiết bị làm việc của máy :
2.1.2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý và chọn sơ bộ các thông số cơ bản của máy thiết kế 2.1.2.1 Cơ sở để xây dựng sơ đồ
- Dựa vào nhiệm vụ thiết kế;
- Dựa vào máy tương tự;
- Dựa vào phương án lựa chọn cơ cấu di chuyển.
Máy đào gầu nghịch được thiết kế với dung tích gầu 0,65m³ Tuy nhiên, do không có máy với dung tích này từ nhà chế tạo, chúng ta quyết định sử dụng máy có dung tích gầu 0,8m³ có sẵn Dựa vào công thức (2.1), các kích thước sơ bộ của máy thiết kế sẽ được xác định.
Trên cơ sở đó ta chọn sơ bộ máy cơ sở để lắp thiết bị làm việc của máy thiết kế
Hình 2.1: Hình chung máy thiết kế 2.1.2.2 Chọn sơ bộ đặc tính kỹ thuật của máy thiết kế.
Dựa vào máy tương tự đã có sẵn ta chọn các thông số sau :
- Chiều sâu đào lớn nhất : 6,62 (m).
- Tầm với đào lớn nhất ngang mặt bằng đứng của máy : 9,7 (m)
- Các thông số động học :
+ Tốc độ di chuyển : 5- 4,1 -3 (km/h ).
+ Vận tốc co duỗi tay cần : 0,3 (m/s).
+ Vận tốc co duỗi cần : 0,5 (m/s).
Tính toán các lực tác dụng lên các cơ cấu của thiết bị làm việc
Chúng tôi tiến hành tính toán và thiết lập sơ đồ để xác định các lực cản khi đào đất cùng với lực tác dụng lên các cơ cấu của thiết bị làm việc Các tính toán này dựa trên số liệu nhiệm vụ thiết kế với khối lượng đào là q = 0,65 m³, và được thực hiện ở ít nhất 3 vị trí đã chọn.
Ta có sơ đồ tính toán sau
Hình 2.2: Sơ đồ lực tác dụng lên các cơ cấu và thiết bị làm việc 2.2.1 Tính lực cản cắt đất P 01 và P 02
( Theo phương pháp tính lực cản cắt đất của Đômbrôvski).
Ta có lực cản cắt đất được tính theo công thức sau:
+ k1 : là hệ số cản đào riêng, với đất cấp IV, k1 " – 36 N/cm 2 ,
Chọn k1 = 30 N/cm 2 = 300 kN/m 2 (bảng 1-9–HD ĐA môn học máy làm đất)
+ n : là số răng gầu, Chọn theo máy cơ sở n = 5
+ br : là chiều rộng răng gầu, theo tính toán có br = 80 mm
+ q : là dung tích gầu, theo yêu cầu thiết kế q = 0,65 m 3
+ Bg : là chiều rộng của gầu, Bg = 930 mm (chọn sơ bộ ở trên)
Hệ số tơi của đất (kt) là yếu tố quan trọng, phụ thuộc vào cấp đất và tình trạng của dao cắt Đối với đất cấp IV, giá trị kt nằm trong khoảng từ 1,33 đến 1,37, và thường được chọn là 1,35 theo hướng dẫn trong bảng 1-4 của môn học máy làm đất.
+ Hd : là chiều sâu đào , Hd = 6620 mm (chọn sơ bộ ở trên) là hệ số phụ thuộc vào cấp đất và tình trạng của dao cắt.
+ : là hệ số phụ thuộc vào cấp đất và tình trạng của dao cắt, = 0,15 – 0,45
Chọn = 0,4 (hướng dẫn ĐA môn học máy làm đất-tr 24)
+ hmax là chiều dày phoi cắt lớn nhất, hmax = Bg.Hd.K1 q
Từ đó, ta tính được
2.2.2 Tính lực tác dụng lên xi lanh tay cần
Lực tác dụng lên tay cần đạt giá trị tối đa vào cuối quá trình đào, khi đó độ dày phoi cắt là lớn nhất và cánh tay đòn r4 là nhỏ nhất.
Viết phương trình cân bằng momen đối với khớp O2 của hệ gầu - tay cần:
∑ M02 = 0 ta có G l tc 1 G l gđ 2 P l 01 3 P l tc 4 0
Trong đó: P01, P02 : lực cắt đất đã tính ở trên, P01= 9,36 kN, P02= 3,744 kN
= 9,39 (kN) Với đất cấp IV : = 19 – 20 KN/m 3 là trọng lượng riêng của đất
Chọn = 19,5 kN/m 3 (bảng 1-4 –hướng dẫn môn học máy làm đất)
+ G g d là trọng lượng gầu và đất G g d = 5,1 + 9,39 = 14,49 (kN)
+ G tc là trọng lượng tay cần, G tc = 5,31 (kN)
+ l1, l2, l3, l4, các cánh tay đòn của các lực tương ứng như hình 2.2 l 1 =0,81 m; l 2 = 3,143 m; l 3 = 4,076 m; l 4 = 0,326 m ;
2.2.3 Tính lực tác dụng lên xilanh nâng cần.
Lực tác dụng lên xylanh nâng cần được xác định khi gầu đã đầy đất sau quá trình đào, tức là P01 và P02 đều bằng không Để phân tích hệ thiết bị làm việc (cần-tay cần-gầu), cần viết phương trình cân bằng momen tại khớp O1.
G g d là trọng lượng gầu và đất, G g d = 14,49 kN c
G là trọng lượng cần, Gc= 11,44 kN tc
G là trọng lượng tay cần, G tc = 5,31 kN
, , , l l l l là các cánh tay đòn của các lực tương ứng như hình 3.1
2.2.4 Tính lực tác dụng lên xilanh quay gầu.
Lực tác dụng lên xilanh quay gầu được xác định khi gầu xúc đất quay quanh khớp O3 Tại thời điểm cuối quá trình đào, lực quay gầu đạt giá trị lớn nhất, với đỉnh răng gầu nằm ở cùng độ cao với khớp O3.
Hình 2.3: Sơ đồ tính lực quay gầu
Viết phương trình cân bằng momen đối với điểm O3 ta có:
+ G g d là trọng lượng gầu và đất, G g d = 14,49 kN
(kN) + l ' , ' , ' 2 l l 3 1 là các cánh tay đòn của các lực tương ứng như hình vẽ l ' 1 = 0,435 m; l ' 2 = 0,465 m; l ' 3 = 1,398 m gđ 2 01 3 qg
Thay các giá trị vào công thức, ta có:
Tính lực tác dụng lên cơ cấu quay
Cơ cấu quay của máy đào một gầu có khả năng quay 360 độ, và thời gian quay đóng vai trò quan trọng trong chu kỳ làm việc của máy, chiếm từ 60% đến 80% tổng thời gian Lực tác dụng lên cơ cấu quay được xác định trong các tình huống cụ thể.
+ Gầu đã chứa đầy đất và đi ra khỏi tầng đào
+ Xilanh nâng cần lên ở độ cao xả đất
+ Bắt đầu quay về vị trí xả đất.
+ Máy đứng làm việc trên mặt bằng nghiêng 1 góc α.
Momen cản quay máy bao gồm:
Mgió – Momen cản do gió sinh ra khi máy quay;
Mqt – Momen cản do các lực quán tính gây ra;
2.3.1 Tính momen cản do các lực ma sát sinh ra.
Q là tải trọng tác dụng lên vòng tựa quay,
Có Q = Gg+đ + Gtc+ Gc+ Gbq+cc+đc + Gđt
=> Q = 14,49 + 5,31 + 11,44 + 64,5 + 1,3 = 97,04 kN + R là bán kính trung bình của vòng tựa quay, Chọn theo máy R=0,72 m + d là đường kính con lăn tỳ, Chọn theo máy cơ sở d = 0,1 m
+ f là hệ số ma sát lăn của con lăn trên vòng tựa quay, f = 0.05 – 0,1 cm
Hình 2.4: Sơ đồ lực tác dụng lên phần quay 2.3.2 Tính momen cản do gió.
Áp lực gió tại vị trí máy làm việc được xác định là p = 20 daN/m² (0,2 kN/m²) Diện tích chắn gió của bộ phận thứ i được ký hiệu là Fi, trong khi khoảng cách từ trọng tâm chắn gió tới trục bàn quay được biểu thị là ri.
Trong trường hợp tải trọng gió tác động ngang vào máy, máy được chia thành năm phần tử chắn gió: gầu, tay cần, cần, ca bin và phần bàn quay phía sau ca bin Cần lấy các thông số về mặt chắn gió theo hình vẽ tham khảo và xác định tỷ lệ theo công thức (2.1) để thực hiện tính toán và chọn sơ bộ các kích thước.
+ Fg Tính được diện tích chắn gió: Fg+đ = 1,360.1,515 = 2,06 (m 2 )
- Ca bin tương đương với hình chữ nhật :
- Phần bàn quay sau ca bin có dạng chữ nhật cao 0,3 m, dài 3,5 m
- Phần không gian chứa động cơ coi như hình chữ nhật :
- Phần đối trọng có dạng hình chữ nhật cao 0,5 m, dài 0,5 m
=> M gió p F r ( c 1 F r tc 2 F gđ r 3 F cb dc cc r 4 F r đt ) 5
2.3.3 Tính momen cản do quán tính.
+ n là tốc độ quay của bàn quay, từ máy cơ sở ta có n,4 v/p
+ t là thời gian gia tốc khi quay, Chọn t= 1,5 s
+ là gia tốc khi khởi động hoặc khi phanh
=0,866 (m/s 2 ) + g là gia tốc trọng trường, Lấy g = 9,81 m/s 2
+ Gi là trọng lượng của phần quay thứ i
+ ri là khoảng cách tương ứng từ trọng tâm phần quay tới trục bàn quay.
2 2 2 2 2 c 1 tc 2 gđ 3 bq cc đc 4 đt 5 ε.(G r G r G r G r G r )
Vậy ta có tổng momen cản quay tác dụng lên cơ cấu quay là:
Mcq = Mms+ Mgió + Mqt = 0,98 + 5,91 + 66,84 = 73,73 (kN.m)
Tính các lực cản di chuyển
Với cơ cấu di chuyển bánh xích, ta có :
Lực tác dụng lên cơ cấu được tính theo công thức sau: W d c / W +W +W 1 2 3 W 4 + W1 : lực cản ma sát trong các bộ phận của cơ cấu di chuyển.
+ W2 : lực cản do biến dạng của nền đất dưới tác dụng của dải xích.
+ W1 : lực cản ma sát trong các bộ phận của cơ cấu di chuyển.
Tính theo kinh ngiệm: W1 = (0,05 0,09).Gm
+ W2 : lực cản do biến dạng của nền đất dưới tác dụng của dải xích.
Tính theo kinh ngiệm: W2 = (0,08 0,17).Gm
Theo công thức (2.21), sách hướng dẫn đồ án môn học máy làm đất, ta có:
Theo công thức (2.22), trang 30, sách hướng dẫn đồ án môn học máy làm đất, ta có:
Thay các giá trị vào công thức ta có:
+ W1 = (0,05 0,09).Gm =(0,05…0,07).169,41 = (8,47…11,86) (kN), lấy W1,17(kN) + W2 = (0,08 0,17).Gm = (0,08…0,17).169,41 = (13,55…28,8) (kN), lấy W2= 21,18 (kN) + W3= 0,3.Gm= 0,3.169,41P,82 (kN),
+ W4 = Gm.Sinα = 169,41.( 0,26 ÷ 0,34) =(44,05…57,6) (kN), lấy W4= 51 (kN)
Trường hợp1: Khi máy di chuyển trên mặt phẳng ngang và thực hiện lái vòng:
Trường hợp2: Khi máy di chuyển lên dốc và không thực hiện lái vòng:
Kết luận cho thấy lực cản di chuyển trong trường hợp thứ nhất lớn hơn so với trường hợp thứ hai Do đó, khi thực hiện các phép tính, lực cản di chuyển sẽ được xác định bằng giá trị lớn hơn trong trường hợp đầu tiên.
Tính công suất tiêu hao cho các cơ cấu và chọn động cơ
2.5.1 Công suất cơ cấu co duỗi tay cần.
Công suất cơ cấu co duỗi tay cần tính theo công thức: tc tc tc tc
Trong đó: + P tc là lực tác dụng lên xilanh nâng tay cần, P tc = 269,92 kN
+ v tc là vận tốc co duỗi tay cần, Chọn v tc = 0,3 m/s
+ tc là hiệu suất cơ cấu co duỗi tay cần, chọn tc = 0,90 Thay giá trị các đại lượng vào công thức trên ta có:
2.5.2 Công suất cơ cấu nâng hạ cần.
Công suất cơ cấu nâng hạ cần tính theo công thức: c c c c
Trong đó: + P c là lực tác dụng lên xilanh nâng cần, P c = 170,52 kN
+ v c là vận tốc co duỗi cần, Chọn v c = 0,4 m/s
+ c là hiệu suất cơ cấu co duỗi cần, chọn c = 0,90 Thay giá trị các đại lượng vào công thức trên ta có:
2.5.3 Công suất cơ cấu quay gầu.
Công suất cơ cấu quay gầu tính theo công thức: qg qg qg qg
Trong đó: + P qg là lực tác dụng lên xilanh tay cần, Pqg = 157,09 kN
+ v qg là vận tốc quay gầu, Chọn v qg = 0,6 m/s+ qg là hiệu suất cơ cấu co duỗi tay cần, Chọn qg = 0,90
Công suất quay máy tính theo công thức: q q q q
Trong đó: Mq là momen cản quay khi quay máy, M cq = 73,73 kN.m
q là vận tốc quay của máy, Có q = 12,4 (v/ph) = 1,3 (1/s)
q là hiệu suất cơ cấu quay máy, Chọn q = 0,9 Thay giá trị các đại lượng vào công thức trên ta có:
2.5.5 Công suất cơ cấu di chuyển máy.
Công suất cơ cấu di chuyển máy tính theo công thức: dc dc dc dc
Trong đó + Wdc là lực cản khi di chuyển, Wdc = 82,35 (kN)
+ vdc là vận tốc di chuyển, theo máy cơ sở vdc = 1,14 m/s
+ dc là hiệu suất cơ cấu di chuyển, chọn dc = 0,9
Thay giá trị các đại lượng vào công thức ta có:
N kW Động cơ trên máy cơ sở là: Komatsu SAA6D107E-1, công suất động cơ
Nđc = 110 kW Động cơ này hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đặt ra của các thiết bị công tác.
Dựa vào thông số công suất tính toán, máy chỉ có khả năng thực hiện từng công việc một cách riêng lẻ, không thể kết hợp nhiều công việc cùng lúc.
Tính cân bằng bàn quay và đối trọng
Trường hợp gầu vươn ra ở bán kính đào lớn nhất, gầu tựa trên nền đất.
Hình 2.5: Sơ đồ tính đối trọng trong trường hợp thứ nhất
Ta tìm đối trọng trong trường hợp 1 theo phương pháp giải tích
Hình 2.6: Sơ đồ lực tác dụng theo phương pháp giải tích
Ta có: R cc 525 mm R , c /2 3700 mm R , dc 1200 mm R , bq 400 mm R , 1 1753 mm
� M 1 0 � G R cc cc G c /2 R c /2 G R dc dc G R bq bq G R 1 1 0
. cc cc c c dc dc bq bq
Trong trường hợp này ta tính được khối lượng đối trọng là lớn nhất: G 1 G dt max =0,99 (kN)
Trường hợp gầu đầy đất, vừa ra khỏi tầng đào, gầu ở vị trí bán kính đào nhỏ nhất
Hình 2.7: Sơ đồ tính đối trọng trường hợp thứ hai
Ta giải tìm đối trọng theo phương pháp giải tích
Hình 2.8: Sơ đồ lực tác dụng theo phương pháp giải tích
R mm R mm R mm R mm R mm R R
2 0 ' ' ' ' ' ' 2 ' 2 0 c c tc tc g d g d dc dc cc cc bq bq
' ' ' ' ' ' bq c c tc tc g d g d dc dc cc cc bq
(kN) Trường hợp này ta tính được khối lượng đối trọng là nhỏ nhất : G 2 G dt min =0,6 (kN)
Nhận thấy: G 1 0,99 kN G dt 0,85 kN G 2 0,6 kN
Vậy giá trị ban đầu chọn thỏa mãn cân bằng bàn quay và đối trọng.
Tính toán ổn định máy
2.6.1.1 Trường hợp máy đào gặp chướng ngại vật trong khi làm việc.
Hình 2.9: Sơ đồ tính ổn định khi máy làm việc gặp chướng ngại vật.
+ Cần vuông góc với trục dọc của máy.
+ Máy làm việc trên mặt bằng không có độ dốc.
+ Trong quá trình đào gặp chướng ngại vật cách mặt bằng làm việc của máy một khoảng bằng 0,75 – 1,00 m.
Lực cản P của chướng ngại vật vuông góc với đường nối giữa điểm đặt lực P và khớp chân cần O1 có thể được xác định thông qua phương trình cân bằng momen tại điểm O1.
+ l8 đến l12 là khoảng cách của các lực tương ứng đến chốt O1
Dựa vào máy cơ sở, đường kính pittong của xilanh nâng hạ cần là 12 cm và áp suất dầu thủy lực đạt 350 kG/cm², tương đương với 3,5 KN/cm² Do đó, lực nâng gầu lớn nhất có thể được tính toán từ các thông số này.
4 = 791,28 (kN) + Trọng lượng của gầu Gg = 5,1 kN
+ Trọng lượng của cần Gc = 11,44 kN
+ Trọng lượng tay cần Gtc = 5,31 kN
Thay các giá trị vào công thức trên, ta có:
Ta có hệ số ổn định của máy được xác định như sau:
+ Mcl và Ml lần lượt là mômen chống lật và môn men lật
+ là trọng lượng gầm và cơ cấu di chuyển của máy, Gdc = 70,05 (KN)
+ là trọng lượng đối trọng, Gđt = 0,85 KN
+ Gtb là trọng lượng bàn quay và các thiết bị đặt trên bàn quay, Gtb = 64,95 KN + là trọng lượng cần, Gc = 11,44 KN, là trọng lượng tay cần,Gtc = 5,31 KN
+ là lực cản đào khi gặp phải chướng ngại vật, P = 88,37 kN
+ l1 đến l7 là khoảng cách từ lực tương ứng đến trục lật A-A l1 = 2,173 m; l2 = 2,845 m; l3 = 4,577 m; l4 = 2,107 m; l5 = 2,126 m; l6 = 0,816 m; l7 = 3,995 m
Thay các giá trị vào công thức
=> Máy làm việc ổn định khi gặp chướng ngại vật.
2.6.1.2 Trường hợp máy làm việc với nền đất bết dính.
Hình 2.10: Sơ đồ tính ổn định khi máy xả đất.
+ Cần vuông góc với trục dọc của máy
+ Gầu đầy đất,vươn xa ở vị trí ở vị trí xả đất
+ Mặt bằng của máy nghiêng một góc 0 theo chiều bất lợi nhất.
Ta có hệ số ổn định của máy được xác định như sau:
+ là trọng lượng cơ cấu di chuyển và gầm máy, Gdc = 70,05 kN
+ là trọng lượng đối trọng, Gđt = 0,85 kN
+ Gg+đ là trọng lượng gầu và đất, Gg+đ ,49 kN
+ là trọng lượng cần, Gc = 11,44 kN
+ là trọng lượng tay cần,Gtc = 5,31 kN
+ l’1 đến r’6 là khoảng cách từ lực tương ứng đến trục lật A-A l’1 = 1,935 m; l’2 = 2,597 m; l’3 = 4,332 m; l’4 = 7,845 m; l’5 =0,285 m; l’6 = 5,222m Thay các giá trị vào công thức
= 2,29 > 1,15 Vậy máy đào thỏa mãn điều kiện ổn định khi xả đất với điều kiện nền đất kết dính
2.6.2.1 Trường hợp khi máy lên dốc.
Hình 2.11: Sơ đồ tính ổn định máy khi lên dốc.
+ Thiết bị làm việc ở phía trước máy theo hướng di chuyển.
+ Máy di chuyển lên dốc ngiêng góc 0 so với mặt nằm ngang.
+ Gió thổi ngược chiều với hướng di chuyển.
+ Cần nghiêng góc lớn nhất.
+ Gầu ở vị trí sát máy nhất.
Ta có hệ số ổn định trong trường hợp này được xác định như sau:
+ Gtb là trọng lượng bàn quay và các thiết bị đặt trên bàn quay, Gtb d,95 kN
+ Gdc là trọng lượng cơ cấu di chuyển của máy,Gdc = 70,05 kN
+ là trọng lượng đối trọng, Gđt = 0,85 kN
+ là trọng lượng gầu, Gg = 5,1 kN
+ là trọng lượng cần, Gc = 11,44 kN
+ là trọng lượng tay cần,Gtc = 5,31 kN là lực đẩy của gió khi di chuyển,
Với áp lực gió lớn nhất lực Pg = 0,4 KN/m 2 ta có lấy tương đối bể mặt chắn gió là khoảng 18 m 2 được
Fg = 0,4.18 =7,2 kN l1 đến l7 là khoảng cách từ lực tương ứng đến trục lật B-B l1 = 0,949 m; l2 = 1,611 m; l3 = 2,433 m; l4 = 5,385 m; l5 = 5,973 m; l6 = 0,756 m; l7 = 5,943m
Thay các giá trị vào công thức (2.26) , (2.27), ta có:
=> Máy đảm bảo điều kiện ổn định khi di chuyển lên dốc.
2.6.2.2 Trường hợp khi máy xuống dốc.
Hình 2.12: Sơ đồ tính ổn định máy khi xuống dốc Trường hợp tính toán:
+ Thiết bị làm việc ở trước máy theo hướng di chuyển.
+ Máy di chuyển xuống dốc với góc nghiêng o
+ Gió thổi cùng chiều với hướng di chuyển.
+ Cần máy nghiêng góc nhỏ nhất
+ Gầu ở vị trí xa nhất (ứng với tầm với lớn nhất của máy).
Ta có hệ số ổn định của máy được xác định như sau:
+ Gtb là trọng lượng bàn quay và các thiết bị đặt trên bàn quay, Gtb = 64,95 kN
+ Gdc là trọng lượng cơ cấu di chuyển của máy,Gdc = 70,05 kN
+ là trọng lượng đối trọng, Gđt = 0,85 kN
+ là trọng lượng gầu, Gg = 5,1 kN
+ là trọng lượng cần, Gc = 11,44 kN
+ là trọng lượng tay cần,Gtc = 5,31 kN
+ là lực đẩy của gió khi di chuyển,
Với áp lực gió lớn nhất lực Pg = 0,4 KN/m 2 ta có lấy tương đối bể mặt chắn gió là khoảng 18 m 2 được ;Fg = 0,4.18 =7,2 kN
+ r1 đến r7 là khoảng cách từ lực tương ứng đến trục lật A-A l1 = 3,984 m; l2 = 2,256 m; l3 = 1,595 m; l4 = 0,626 m; l5 = 5,562 m; l6 = 7,826 m; l7 = 2,632m
Thay các giá trị vào công thức, ta có:
= 2,74 > 1,2 Vậy máy đào thỏa mãn điều kiện ổn định khi di chuyển xuống dốc.
Phân tích, chọn trường hợp, vị trí tính toán, sơ đồ lực tác dụng ứng với từng vị trí
Tính toán cần được thực hiện tại nhiều vị trí đào đất khác nhau và vị trí gầu đầy đất được nâng lên và vươn cách xa máy nhất.
Các vị trí đào đất ít nhất là 3 vị trí:
+ Khi nội lực lớn nhất xuất hiện ở tay cần;
+ Vị trí cuối quá trình đào;
Cả 3 vị trí này thì lực trong xi lanh tay cần là lớn nhất.
Ở vị trí bắt đầu đào đất, nội lực lớn nhất xuất hiện tại tay cần khi xi lanh tay cần vuông góc với tay cần Do đó, cần xem xét hai trường hợp này tại cùng một vị trí để phân tích hiệu quả hoạt động.
Để kiểm tra độ bền của cần, cần thực hiện tính toán tại ba vị trí quan trọng: khi cần vươn ra xa nhất, khi xi lanh tay cần tạo góc vuông với tay cần, và khi quá trình cắt đất kết thúc.
Tính toán bền cho cần ở vị trí xi lanh tay cần vuông góc với tay cần (vị trí thứ nhất)
+ Tại vị trí này, lực đẩy của xi lanh quay tay gầu Ptmax có phương vuông góc với trục dọc của tay gầu
+ Gầu đang tiến hành cắt đất, răng gầu gặp chường ngại vật.
+ Khi này ta xem xi lanh nâng cần và xi lanh quay gầu không làm việc.
+ Tại răng gầu có lực cản đào Pđ do chướng ngại vật gây ra;
+ Gầu chưa được tích đất.
+ Khi tính dựa trên hệ trục tọa độ XO2Z, trong đó trục Z có phương song song với trục dọc của tay gầu.
Hình 3.1: Sơ đồ lực tác dụng lên máy đào gầu nghịch ở vị trí tính toán thứ nhất 3.2.1 Sơ đồ kết cấu và lực tác dụng
Hình 3.2: Sơ đồ lực tác dụng lên cần
3.2.2 Sơ đồ tính và lực tác dụng
Hình 3.3 minh họa sơ đồ tính sức bền cần máy của máy đào gầu nghịch tại vị trí thứ nhất Để xác định nội lực, cần phân tích các lực tác động lên thiết bị làm việc của máy.
- Lực từ xi lanh nâng cần, Pc ;
- Lực đẩy lớn nhất từ xi lanh tay cần, Ptcmax.
- Lực từ vật cản Pđ
- Trọng lượng cần Gc = 11,44 kN, tay cần Gtc = 5,31 kN, gầu Gg = 5,1 kN. b) Các lực tại khớp chân cần
- Tính các lực chưa biết :
+ Ptcmax = Ptc.n ; trong đó n là hệ số an toàn của xi lanh tay cần, n=1,2;
Ptc là lực lớn nhất của xi lanh tay cần khi máy đào đất,
- Lực từ vật cản Pđ : để tính Pđ ta xét mô men đối với tâm O2 ;
119,36( ) 3,999 d p g g tc tc tc Ptc X g g tc tc tc Ptc d p
� c) Các lực tại khớp giữa cần và tay cần X o2 ;Z o2 :
- Viết các phương trình cân bằng hình chiếu lên hệ trục X-Z của hệ tay cần – gầu :
- Tính Pc bằng phương trình cân bằng mô men đối với khớp O1 trong mặt phẳng đứng của các lực tác dụng vào thiết bị làm việc.
0,666 32,36( ) c c c Gc tc Ptc X Z c Gc tc Ptc X Z c c c
Chiều của lực Pc ngược với chiều hình vẽ ban đầu
- Viết các phương trình cân bằng lực theo hệ trục O1XZ ta có :
cos 55 cos16 ' cos55 ' sin 55 cos 61 0
cos55 cos16 ' cos55 ' sin 55 cos 61 600,88.cos55 32,36.cos16 724,8.cos55 9,36.sin 55 5,31.cos 61 tc c c tc c c
- Lực X01 có chiều cùng với chiều đã chọn ban đầu.
sin 55 sin 61 sin16 ' sin 55 ' cos55 0
sin 55 sin 61 sin16 ' sin 55 ' cos 55
600,88.sin 55 11, 44.sin 61 32,36.sin16 724,8.sin 55 9,36.cos 55
- Tại tiết diện a-a có kích thước như hình vẽ
Hình 3.4: Thông số kích thước mặt cắt tiết diện n-n Đặc trưng hình học tiết diện a-a:
Mô men chống uốn theo phương ngang:
Mô men uốn tại tiết diện a-a.
� � K d)Lực kéo tại tiết diện n-n.
Ứng suất giới hạn cần ( cần được làm từ thép CT5)
Hệ số an toàn cần thường lấy n=1,5 - 1,8.Chọn n=1,5,
Cần đảm bảo điều kiện bền ứng với vị trí thứ nhất (bắt đầu đào đất).
Tính toán bền cho cần ở vị trí kết quá trình cắt ( vị trí thứ hai)
+ Gầu đang cắt đất ở cuối giai đoạn đào và tích đất với chiều dày phoi cắt lớn nhất Gầu đã được tích đầy đất.
+ Lực Pt max của xy lanh quay tay gầu có phương tạo với trục dọc của tay gầu góc 1 ;
Hình 3.5: Sơ đồ lực tác dụng lên máy đào gầu nghịch ở vị trí thứ hai.
3.3.1 Sơ đồ kết cấu và lực tác dụng.
Hình 3.6: Sơ đồ lực tác dụng lên cần
3.3.2 Sơ đồ tính và lực tác dụng.
Hình 3.7: Sơ đồ tính sức bền cần máy của máy đào gầu nghịch ở vị trí thứ hai
3.3.3 Xác định nội lực. a) Các lực tác dụng vào thiết bị làm việc của máy gồm:
- Lực từ xi lanh nâng cần, Pc ;
- Lực đẩy lớn nhất từ xi lanh tay cần, Ptcmax.
- Lực từ vật cản Pđ
- Trọng lượng cần Gc = 11,44 kN, tay cần Gtc = 5,31 kN, gầu Gg+đ = 14,49 kN. b)Các lực tại khớp chân cần
- Tính các lực chưa biết :
+ Ptcmax = Ptc.n ; trong đó n là hệ số an toàn của xi lanh tay cần, n=1,2;
Ptc là lực lớn nhất của xi lanh tay cần khi máy đào đất,
- Để tính P01 ta xét mô men đối với tâm O2 : ta có max max
35,82( ) 4,076 d p g d g tc tc tc Ptc X g d g d tc tc tc Ptc d p
� c)Các lực tại khớp giữa cần và tay cần X o2 ;Z o2 :
- Viết các phương trình cân bằng hình chiếu lên hệ trục X-Z của hệ tay cần – gầu :
Chiếu các lực lên phương X0-Y0 ta được.
.sin 38 35,82 14, 49 5,31 600,88.sin 38 425,56( ) tc d g d tc tc
- Tính Pc bằng phương trình cân bằng mô men đối với khớp O1 trong mặt phẳng đứng của các lực tác dụng vào thiết bị làm việc.
228, 03( ) c c c Gc tc Ptc X Z c Gc tc Ptc X Z c c c
Chiều của lực Pc cùng với chiều hình vẽ ban đầu
Viết các phương trình cân bằng lực theo hệ trục O1XZ ta có :
Lực X01 có chiều ngược với chiều đã chọn ban đầu.
- Tiết diện nguy hiểm là tại tiết diện a-a
+ Đặc trưng hình học tiết diện a-a:
+ Mô men chống uốn theo phương ngang:
+ Mô men uốn tại tiết diện a-a.
d)Lực kéo tại tiết diện n-n.
� � Ứng suất: Ứng suất giới hạn cần ( cần được làm từ thép CT5)
Cần đảm bảo điều kiện bền ứng với vị trí thứ hai.