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

1
Mở đầu
Máy xúc một gầu đợc xếp vào nhóm máy chủ đạo trong tổ chức thi công
công trình, cứu hộ, cứu nạn, khai thác hầm lò. Khối lợng đào, xúc đất của nó
chiếm trên 60% khối lợng đào, xúc của tất cả các máy làm đất khác. Máy xúc
một 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 một
gầu dẫn động thủy lực đợc sử dụng rất rộng rãi, không những trong quân sự mà
còn cả trong các lĩnh vực nền kinh tế quốc dân. Hiện nay trên thế giới có hơn 80
nớc đã sản xuất đợc loại máy xúc này. ở Việt Nam để trang bị các loại máy xúc
này phải nhập ngoại, Quân đội nói riêng và Nhà nớc ta nói chung phải tốn rất
nhiều ngoại tệ để nhập cả máy lẫn phụ tùng bảo đảm. Do chủng loại và chất lợng
của 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 nền
công nghiệp trong nớc hiện nay hoàn toàn có thể cho phép tiến hành thiết kế, chế
tạo máy xúc thủy lực một gầu dẫn động thủy lực nói riêng và các máy thi công
công 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 LILAMA
làm chủ dự án cùng với sự cộng tác của một số cơ quan nghiên cứu khoa học liên
quan 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
việc thực hiện nhiệm vụ đó tôi đợc giao nhiệm vụ thực hiện luận văn 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 chế
tạo máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực có độ bền cao, có chất lợng động học và
2
động lực học tốt đảm bảo máy làm việc êm dịu nên trong nhiệm vụ của luận văn
phải giải quyết hai vấn đề chính.
- Một là xác định lực và nội lực trong hệ thống thiết bị công tác tơng ứng
với các trờng hợp cắt và tích đất khác nhau làm cơ sở xác định đợc chế độ tải

trọng lớn nhất phục vụ cho việc tính bền các chi tiết của thiết bị công tác trong
quá trình tính toán thiết kế.
- Hai là khảo sát động học, động lực học hệ thống thiết bị công tác đảm
bảo 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 thống
thiết bị công tác bằng phơng pháp giải tích khi tách các khâu và xét điều kiện cân
bằng của chúng. Khảo sát sự thay đổi lực và nội lực trong quá trình làm việc cần
phải xét cho từng trờng hợp để từ đó xác định các lực tác dụng lên thiết bị công
tác theo các trờng hợp khác nhau làm cơ sở cho việc phân tích so sánh và đa ra
chế 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 máy
rôbốt. Mô hình động học đợc tính toán theo nguyên lý Denavit Hartenberg
còn mô hình động lực học thì sử dụng các phơng trình Newton Euler viết cho
các khâu. Trong luận văn tác giả đã sử dụng các thông số kích thớc của máy xúc
Komatsu PC200-3 làm các thông số để phục vụ tính toán (lý do là máy xúc dự
kiến 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:
3
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.
Chơng 2: Xác định và khảo sát quy luật thay đổi lực và nội lực trong
các khâu của thiết bị công tác.
Chơng 3: Thiết lập mô hình động học và động lực học của thiết bị công
tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực.
Chơng 4: Xác định và khảo sát các tham số động lực học cơ bản của

thiết 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.
4
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 sức
ngời, sức ngựa và sau đó là động cơ hơi nớc.
Cùng với thời gian máy xúc một gầu không ngừng đợc cải tiến và hoàn
thiện 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 và
thiết bị công tác.
Về mặt dẫn động các cơ cấu công tác, hiện nay máy xúc một gầu của tất
cả 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 cho
năng suất cao, dẫn động cơ khí (cáp) chỉ còn sử dụng ở một số máy xúc đặc
chủng đào và xúc ở độ sâu lớn.
Hệ thống điều khiển trên các loại máy xúc thuỷ lực của các hãng trên thế
giới 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 máy
loại này cho phép điều khiển nhẹ nhàng nhanh chóng, chính xác và cho năng
suất cao.
5

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, Hàn
Quốc. Từ đầu những năm 1960, máy xúc thuỷ lực đã đợc sản xuất với số lợng
lớn, đợc sử dụng rộng rãi ở tất cả các nớc công nghiệp phát triển. Vào những
năm 1966 ở Đức, 1969 ở Nhật, số lợng máy xúc thuỷ lực đợc xuất khẩu đã
chiếm 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 tích
gầu 3 4 m
3
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 sử
dụng máy xúc thuỷ lực ở các nớc phát triển đã đạt trình độ cao, các thành tựu
khoa 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 chế
tạo 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 xúc
thuỷ lực của các nớc phát triển đã chuyển sang một giai đoạn mới, một bớc
chuyển với trình độ khoa học công nghệ cao hơn nhiều trong nghiên cứu, chế
tạo, sản xuất và khai thác các máy xúc thuỷ lực thế hệ 2. Các máy xúc thuỷ lực
thế hệ 2 đợc chế tạo, có chất lợng vợt hẳn các máy xúc thuỷ lực thế hệ 1. Nh áp
suất 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 lập
chế 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 thế
giới hiện nay trong các lĩnh vực nh công nghệ vật liệu, cơ điện tử, công nghệ tin
6
học là điều kiện thuận lợi và cũng đặt ra nhiều vấn đề phức tạp cần đợc giải

quyết kịp thời để ngành công nghiệp nặng nói chung và công nghiệp chế tạo máy
xúc thi công công trình nói riêng phát triển tơng xứng với sự phát triển của khoa
học 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 các
máy xúc điều khiển điện thuỷ lực đợc sử dụng rộng rãi hơn cả vì nó vẫn đạt hiệu
quả 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 so
với máy xúc bánh lốp do khả năng ổn định làm việc cao hơn, áp lực trên nền đất
nhỏ nên khả năng di chuyển và làm việc trên các nền đất yếu tốt hơn, giá thành
thấp, 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, độ
bền 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 chữa
gặp 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 tính
năng 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 hợp
với sức vóc của ngời Việt Nam, kết cấu nhỏ gọn, khả năng tiếp cận tháo lắp dễ
dàng, các chi tiết đã đợc nhiệt đới hoá cao, khả năng khai thác sử dụng và sửa
chữa dễ, phụ tùng, vật t thay thế dễ kiếm và có khả năng lắp lẫn cao.
7
Các hãng sản xuất máy xúc của Nhật và Hàn Quốc hiện nay đều thiết kế
chế 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 theo
thiết kế của riêng mình (trừ hãng Komatsu).
Bảng dới đây sẽ cho ta thấy rõ điều đó
Tên hãng

Các cụm cơ bản
Động cơ Bơm thuỷ lực
Hita chi ISUZU KAWASAKI
Kobellco Mitsubishi KAWASAKI
Komatsu KOMATSU KOMATSU
Solar HAN QUOC KAWASAKI
Máy xúc một gầu chủ yếu dùng để đào và khai thác đất, cát phục vụ công
việc xây dựng cơ sở hạ tầng trong các lĩnh vực: Xây dựng dân dụng và công
nghiệp, khai thác mỏ, xây dựng thuỷ lợi, xây dựng cầu đờng Cụ thể, nó có thể
phục vụ các công việc sau:
+ Trong xây dựng thuỷ lợi: Đào kênh, mơng; nạo vét sông ngòi, bến cảng,
ao, hồ, ; khai thác đất để đắp đập, đắp đê
+ 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
+ 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 khác: Nhào trộn vật liệu trong các nhà máy hoá chất
(phân lân, cao su, ). Khai thác đất cho các nhà máy gạch, sứ, Tiếp liệu cho
8
các trạm trộn bê tông, bê tông át phan Bốc xếp vật liệu trong các ga tầu, bến
cảng. Khai thác sỏi, cát ở lòng sông
Ngoài ra, máy cơ sở của máy xúc một gầu có thể lắp các thiết bị thi công
khác ngoài thiết bị gầu xúc nh: cần trục, búa đóng cọc, búa khoan đục bê tông,
kìm cắt, gắp; thiết bị ấn bấc thấm,
Nh phần đầu tác giả đã trình bày, dự án chế tạo máy xúc tại Việt Nam là
loại 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 máy
cơ 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 chuyển

chuyên dùng. Cơ cấu quay dùng để thay đổi vị trí của gầu trong mặt phẳng ngang
của quá trình đào và xả đất. Trên bàn quay ngời ta bố trí động cơ, các bộ phận
truyền động cho các cơ cấu 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 của
máy.
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 lanh
nâng cần (4). Điều khiển gầu xúc (8) nhờ xi lanh quay gầu (7). Gầu thờng đợc
lắp 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 của
máy (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 qua
miệng gầu. Máy xúc làm việc theo chu kỳ và trên từng chỗ đứng. Một chu kỳ làm
việc của máy bao gồm những nguyên công sau: Máy đến vị trí làm việc, đa gầu
vơn xa máy và hạ xuống, răng gầu tiếp xúc với nền đất, gầu tiến hành cắt đất và
9
tích 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 đ-
ờng cong. Chiều dày phoi cắt thông thờng thay đổi từ bé đến lớn. Vị trí II gầu
đầy nhất và có chiều dày phoi cắt lớn nhất. Đa gầu ra khỏi tầng đào và nâng gầu
lên nhờ xi lanh cần 4. Quay máy về vị trí xả đất nhờ cơ cấu toa quay. Đất có thể
xả 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 hoàn
toàn tơng tự.
10
Hình 1.2. Khi máy xúc làm việc bằng xi lanh quay gầu 7

Hình 1.3. Khi máy xúc làm việc bằng xi lanh quay tay gầu 5
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 trớc
của gầu phụ thuộc vào chiều rộng của gầu và công dụng của máy (đối tợng làm
việc của máy). Kết cấu của gầu đợc thể hiện trên hình 1.4
11
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.
12
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 cơ
cấu liên động.

Hình 1.5. Sơ đồ cấu tạo tay gầu của máy xúc gầu ngợc dẫn động thuỷ lực
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.
13
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
có các lỗ và tai để lắp xi lanh thuỷ lực. Cần có hình dạng hơi cong, mục
đích là hạ thấp đầu cần, để tăng chiều sâu đào.
Hình 1.6. Sơ đồ cấu tạo cần của máy xúc gầu ngợc dẫn động thuỷ lực

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.
14
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 máy
xúc một gầu dẫn động thuỷ lực và cũng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về
máy xúc nói chung và về động lực học nói riêng. Trong các công trình đó trớc hết
phải kể đến công trình khoa học của BolCốp. Đ.P nghiên cứu về độ bền và động
lực học máy xúc một gầu; của VetPob. I.A; của Đômbơrobski. N.G về tính toán
thiết 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 có
những công trình khác cũng đã đợc công bố trên các tạp chí Máy xây dựng và
máy làm đờng của nhiều nớc. Tuy các công trình đợc công bố tơng đối phong
phú và đa dạng song các tác giả chủ yếu chỉ công bố tóm tắt các kết quả nghiên
cứu của mình. Một số lớn trong đó vẫn nghiên cứu động lực học theo các phơng
pháp truyền thống không xác định đầy đủ đợc các đặc trng động lực học và lập
trình rất khó và phức tạp.
ở Việt Nam cũng đã có một số công trình khoa học nghiên cứu về máy
xúc đợc công bố nh Luận án tiến T.S của Nguyễn Quán Thăng, PGS.TS. Trần
Quang Hùng, T.S . Phạm Quang Dũng nhng nghiên cứu về động lực học thiết bị
công tác thì cha thấy đợc công bố và cũng cha có cơ sở sản xuất nào thiết kế và
chế 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 xúc
trong nớc nên nhiệm vụ đặt ra của đề tài là xác định lực và nội lực trong hệ thống
thiết bị công tác và xây dựng mô hình động lực học thiết bị công tác máy xúc
một gầu dẫn động thuỷ lực từ đó xác định các thông số động lực học cơ bản của

15
thiết bị công tác (chuyển dịch, vận tốc, gia tốc, phản lực liên kết của các khâu
khớp, các tải trọng động tác dụng lên các khâu, ).
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 nói
chung 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 xúc
thuỷ 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 nh
tính toán động học, động lực học máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực theo cách
thức mới đầy đủ hơn.
16
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 thuỷ
lực 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 tác
dụng lên các cụm kết cấu, các xi lanh thuỷ lực, vận tốc chuyển động, công suất
máy.
Để xác định đợc các thông số trên trớc hết là phải xác định đúng các kích
thớc 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 xi
lanh 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 máy
xúc 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 toán
sơ 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 đó
phân tích các lực tác dụng lên gầu theo các trờng hợp khác nhau làm cơ sở cho
việc 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:
17
- 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
Hình 2.1 đa ra một mô hình tính toán điển hình cho trờng hợp cần và tay
gầu 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.
Hình 2. 1. Sơ đồ lực tác dụng lên thiết bị gầu xúc
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 máy
làm việc là một quá trình phức tạp. Quá trình đào đất có thể phân thành hai trờng
hợp đó là:
- Cắt đất thuần tuý, đất đợc cắt thành từng lớp dới tác dụng của lỡi cắt
giống nh ta dùng cuốc, xẻng; nhng để đo lực cản thống nhất thờng ngời ta sử
dụng bằng lỡi đào mẫu.
18
- Cắt đất và tích đất lại khi chúng đợc cắt thành từng lớp dới tác dụng của
lỡi 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 tuý

trong cùng điều kiện về chất đất, hình dạng lỡi cắt và kích thớc phoi cắt.
Hình 2.2. Biểu diễn lực tơng tác giữa gầu và đất
Trên hình 2.2 biểu diễn lực tơng tác giữa gầu và đất, hình dạng lỡi cắt và
kích thớc phoi cắt.
b, h kích thớc phoi cắt;
góc trớc;
góc sau;
góc lỡi cắt;
= + góc cắt;
F
0
lực cản cắt tổng hợp;
F
t
, F
n
lực cản cắt tiếp tuyến và pháp tuyến với quỹ đạo đào (theo lý
thuyết N.G Dombrôvski).
19
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 từng
lớp 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 diện
xuất 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 bên
thành 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 phơng
pháp đào cũng rất khác nhau, điều này cũng ảnh hởng đến sự xác định lực cản

cắt, cho đến nay, một công thức chính xác để tính lực cản cắt đất dù là cắt đất
thuần tuý, vẫn cha có. Nhiều nhà khoa học đã bỏ công sức nghiên cứu vấn đề này
nh: E. Dinlinger; Nerlo Nerli; N.G. Dombrovski; M.I. Galperin; Ju.A.Vetrov;
A.N.Zelenin
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 phân
lực cản cắt thuần tuý F
0
thành tổng hai thành phần F
t
và F
n
(hình 2.2).
Thành phần lực cản cắt tiếp tuyến F
t
có dạng:
F
t
=k
1
.b.h
Trong đó:
b, h chiều rộng và chiều dày của phoi đất cắt.
k
1
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 theo
bảng 2.1:
20

F
n
tính theo F
t
nh sau:
F
n
=

.F
t
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.
Bảng 2.1. Lực cản đào riêng k
1
Cấp đất Loại đất đào Lực cản đào riêng k
1
, KG/cm
2
I Cát, cát pha. 0,16 0,80
II
á sét không có sỏi.
0,70 1,60
III
á sét chắc, sét vừa.
1,10 1,70
IV
á sét cứng lẫn sỏi, sét cứng và rất

cứng.
1,60 2,40
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 xác định sự thay đổi lực và nội lực trong quá trình làm việc cần phải
khảo 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 trình
bày phơng pháp xác định cũng nh khảo sát sự thay đổi lực và nội lực của hai cách
cắt 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
21
- 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: P
qg
;

- Lực trong xi lanh quay tay gầu: F
IF
;
- Lực trong xi lanh nâng cần: F
EB
;
22
- Phản lực khớp trụ O
1
: F
O1
(F
O1
=F
12
);
- Phản lực khớp trụ O
2
: F
O2
(F
O2
=F
23
);
- Phản lực khớp trụ O
3
: F
O3
(F

O3
=F
34
);
- Phản lực dọc trục của cơ cấu bốn khâu bản lề: F
KP
, F
KL
.
c. Xác định lực và nội lực
Để xác định đợc một hệ lực đầy đủ tác dụng lên các khâu của thiết bị công
tác, cần phải xác định lần lợt nh sau:
B ớc 1: Xác định lực trong xi lanh quay tay gầu F
IF
và phản lực khớp trụ
F
23
Sơ đồ tính toán thể hiện trên hình 2.4. Để xác định các lực này ta tách tay
gầu ra khỏi cần và xét điều kiện cân bằng của hệ.
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:
F
IF
Phản lực từ xi lanh quay tay gầu tác dụng sang;
F
23
Phản lực từ cần tác dụng sang,
yx
FFF
232323

+=
:
23
.//;//
2323
oyFoxF
yx

F
t
lực cản cắt tiếp tuyến với với quỹ đạo cắt;
F
n
lực cản cắt pháp tuyến với với quỹ đạo cắt;
Phân tích:
.
YXnt
PPFF +=+
G
3
trọng lợng của tay gầu;
G
4
trọng lợng của gầu + đất;
r
G3
cánh tay đòn của lực G
3
đến tâm O
2

;
r
G4
cánh tay đòn của lực G
4
đến tâm O
2
;
r
IF
cánh tay đòn của lực F
IF
đến tâm O
2
;
r
PX
cánh tay đòn của lực P
Y
đến tâm O
2
;
r
PY
cánh tay đòn của lực P
X
đến tâm O
2
;
Để xác định lực đẩy trong xi lanh quay tay gầu (

IF
F
) và phản lực khớp trụ
( )
yx
FF
2323
,
ta cần phải thiết lập phơng trình cần bằng mô men và các phơng trình
hình chiếu nh sau:
- Phơng trình cân bằng mô men cho hệ đối với điểm O
2
ta có:
IF
PXntPYntGG
IF
PXnt
PYntGGIFIF
O
r
rFFrFFrGrG
F
rFF
rFFrGrGrF
FM
).cos.sin.().sin.cos.(
0).cos.sin.(
).sin.cos.(
0)(
11114433

11
114433
2



+++
=
=+
++
=

Hay:
.
).cos (sin).sin (cos
11114433
IF
PXPYnPXPYtGG
IF
r
rrFrrFrGrG
F

+++
=
- Phơng trình cân bằng lực cho cả hệ:
24
0
232343
=++++++

yx
ntIF
FFGGFFF
(2.1)
+ ChiÕu ph¬ng tr×nh (2.1) theo ph¬ng OX ta cã:
11123
11123
sin.cos.cos.
0sin.cos.cos.
ααβ
ααβ
ntIF
x
ntIF
x
FFFF
FFFF
++=⇒
=+++−
1
11114433
cos.
).cos (sin).sin (cos
β
αααα







−+++−−
=
IF
PXPYnPXPYtGG
r
rrFrrFrGrG
11
sin.cos.
αα
nt
FF ++
.
.cos.cos.sin.cos
sin
.sin.cos.cos.cos
coscos.cos.
1111
1
1111
11
4
41
3
3















−
++














+
++−−=
IF
PXPY
n

IF
PXPY
t
IF
G
IF
G
r
rr
F
r
rr
F
r
r
G
r
r
G
αβαβ
α
αβαβ
αββ
+ ChiÕu ph¬ng tr×nh (2.1) theo ph¬ng OY ta cã:
.cos.sin.sin.
0cos.sin.sin.
1143123
1143123
ααβ
ααβ

ntIF
y
ntIF
y
FFGGFF
FFGGPF
−+++=⇒
=+−−−−
1143
1
11114433
cos.sin.
sin
).cos (sin).sin (cos
αα
β
αααα
nt
IF
PXPYnPXPYtGG
FFGG
r
rrFrrFrGrG
−+++







−+++−−
=
.cos
.cos.sin.sin.sin
.sin.sin.cos.sin
sinsin1sin1
1
1111
1111
11
4
41
3
3






−








−

+














+
++








−+









−=
α
αβαβ
αβαβ
αββ
IF
PXPY
n
IF
PXPY
t
IF
G
IF
G
r
rr
F
r
rr
F
r
r
G
r
r

G
Khi ®ã:
( ) ( )
2
23
2
2323
yx
FFF +=
.
25
B ớc 2: Xác định phản lực khớp trụ quay gầu
( )
34
33
FFF
OO
=
và lực dọc
trục
KP
F
.
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.
Hình 2.5. Sơ đồ tính toán lực đẩy trong xi lanh quay gầu và phản lực tại khớp
trụ
quay gầu
Các tham số trên hình 2.5 nh sau:
F

34
phản lực từ tay gầu tác dụng sang,
yx
FFF
343434
+=
:
.//;//
3434
oyFoxF
yx
F
KP
phản lực từ khâu KP tác dụng sang;
r
P
cánh tay đòn của lực F
t
đến khớp O
3
;
r
3
cánh tay đòn của lực F
KP
đến khớp O
3
;
r
4

cánh tay đòn của lực G
4
đến khớp O
3
;

1
góc tạo bởi phơng của lực F
t
với ox;

2
góc tạo bởi phơng của lực F
KP
với ox;