Mô hình hóa và tính lực tại các khớp máy xúc khi hoạt động

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




PHẠM NGỌC QUANG



MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH LỰC TẠI CÁC KHỚP MÁY XÚC
KHI HOẠT ĐỘNG



Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


2013

iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa………………………………………………………………….i
Lời cam đoan………………………………………………………………….ii
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu dùng trong luận văn vii
Danh mục các chữ viết tắt dùng trong luận văn ix
Danh mục các bảng dùng trong luận văn ix
Danh mục hình vẽ dùng trong luận văn x
MỞ ĐẦU …1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4
1.1. Máy xúc thủy lực một gầu 4
1.1.1. Đặc điểm cấu tạo và điều khiển hoạt động của máy xúc một gầu
dẫn động thủy lực 4
1.1.2. Xu hướng phát triển hoàn thiện của máy xúc …………… 13
1.2. Quá trình động lực học của máy xúc một gầu dẫn động thủy lực 15
1.3. Tổng quan các nghiên cứu về máy xúc thủy lực 16
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH ĐÀO
ĐẤT CỦA MÁY XÚC THỦY LỰC MỘT GẦU 19
2.1. Xây dựng mô hình vật lý mô tả động lực học quá trình đào đất của máy
xúc 19
2.1.1. Quá trình đào đất của máy xúc 19
v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.1.2. Các giả thiết khi xây dựng mô hình 22
2.1.3. Mô hình vật lý khảo sát động lực học quá trình đào đất 24
2.2. Xây dựng mô hình toán quá trình chuyển động của máy xúc trong quá
trìnhđào đất. 27
2.3. Xây dựng mô hình toán phản lực tại các khớp liên kết: 37
2.4. Xây dựng bộ thông số đầu vào để khảo sát mô hình toán quá trình động
lực học máy xúc 41
2.4.1. Áp dụng kỹ thuật máy tính xây dựng mô hình 3D máy xúc thủy
lực……………………………………………………………………….41
2.4.2. Xác định bộ thông số đầu vào cho bài toán khảo sát 44
CHƢƠNG 3. KHẢO SÁT MÔ HÌNH TOÁN QUÁ TRÌNH ĐỘNG LỰC
HỌC CỦA MÁY XÚC BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ 47
3.1. Khảo sát mô hình toán phản lực trong các khớp liên kết của TBCT máy
xúc 47
3.2. Thuật toán khảo sát mô hình toán quá trình động lực học của máy xúc
bằng phương pháp số 49
3.3. Kết quả khảo sát mô hình toán quá trình động lực học của máy xúc
bằng phương pháp số 51
3.3.1. Kết quả khảo sát về động học 51
3.3.2. Kết quả khảo sát về động lực học 54
3.4. Mô hình hóa quá trình động lực học, và lực liên kết trong các khớp của
máy xúc bằng Matlab-Simulink 56
3.4.1. Giới thiệu về Matlab-Simulink……………………………… 55
3.4.2. Mô hình hóa bằng Matlab-Simulink………………………… 56
vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3.4.3. Kết quả khảo sát bằng Matlab-Simulink……………………….61


3.5. Kiểm nghiệm kết quả khảo sát quy luật phản lực trong các khớp liên
kết của TBCT máy xúc bằng mô phỏng 63
3.5.1. Xây dựng mô hình trên phần mềm ADAMS. 63
3.5.2. Kết quả mô phỏng động học 67
3.5.3. Kết quả mô phỏng động lực học 71
3.6. Vận dụng kết quả nghiên cứu cho thiết kế và khai thác vận hành máy
xúc 75
3.6.1. Vận dụng kết quả nghiên cứu cho thiết kế. 75
3.6.2. Khuyến cáo sử dụng thiết bị thực hiện quá trình đào đất 75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 79
PHỤ LỤC 1: CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN LỰC TRONG KHỚP 81









vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu
Tên gọi
Đơn vị
m
1

Khối lượng cần máy
kg
m
2

Khối lượng tay gầu
kg
m
3

Khối lượng gầu và đất trong gầu
kg
q
1

Góc quay của cần máy
rad
q
2

Góc quay của tay gầu
rad

q
3

Góc quay của gầu
rad
F
t

Lực cản đào theo phương tiếp tuyến
N
F
n

Lực cản đào theo phương pháp tuyến
N
M
1

Mô men dẫn động cần máy
Nm
M
2

Mô men dẫn động tay gầu
Nm
M
3

Mô men dẫn động gầu xúc
Nm

M
01

Mô men trong khớp chân cần
Mm
R
12

Phản lực trong khớp chân cần
N
M
12

Mô men trong khớp liên kết cần và tay gầu
Mm
R
12

Phản lực trong khớp liên kết cần và tay gầu
N
M
23

Mô men trong khớp liên kết tay gầu và gầu
Mm
R
23

Phản lực trong khớp liên kết tay gầu và gầu
N

B,b
Chiều rộng của gầu (chiểu rộng phoi cắt)
m
h
Chiều dày phoi cắt
m
viii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



1
Hệ số ảnh hưởng đến lực cản pháp tuyến

k
1
Hệ số lực cản cắt của gầu đào
KN/m
2
l
1

Kích thước liên kết của cần máy
m
l
2

Kích thước liên kết của tay gầu
m

l
3

Kích thước liên kết của gầu
m
a
1
Chiều dài kết cấu của cần máy
m
α
1

Góc kết cấu của cần máy
Rad
a
2
Chiều dài kết cấu của tay gầu
m
α
2

Góc kết cấu của tay gầu
Rad
a
3
Chiều dài kết cấu của gầu
m
α
3

Góc kết cấu của gầu
Rad











ix

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Diễn giải
Ghi chú
ĐH
Động học

ĐLH
Động lực học

TBCT
Thiết bị công tác

DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN VĂN
TT
Bảng
Tên gọi
Trang
1
Bảng 2.1
Hệ số lực cản cắt đối với gầu đào
22
2
Bảng 2.2
Các thông số liên quan đến mô hình khảo sát
45











x

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
Hình
Tên hình vẽ
Trang
Hình 1.1
Các loại máy xúc một gầu và các dạng thiết bị tích hợp
5
Hình 1.2
Bố trí chung máy xúc thủy lực
6
Hình 1.3
Kết cấu cần máy xúc thủy lực
9
Hình 1.4
Kết cấu tay gầu máy xúc thủy lực
10
Hình 1.5
Kết cấu liên kết tay gầu với gầu và cơ cấu 4 khâu của
máy xúc
12
Hình 1.6
Các khâu động lực học trong quá trình công tác của
máy xúc
15
Hình 2.1
Các thông số của quá trình cắt
20
Hình 2.2
Mô hình vật lý khảo sát động lực học máy xúc thủy lực

24
Hình 2.3
Mô hình vật lý khảo sát động lực học để tính lực trong
các khớp của máy xúc
25
Hình 2.4
Mô hình vật lý gầu xúc (khâu 3) tách tự do
39
Hình 2.5
Mô hình vật lý tay gầu (khâu 2) tách tự do
40
Hình 2.6
Mô hình vật lý cần (khâu 1) tách tự do
41
Hình 2.7
Màn hình hiển thị phần mềm Inventor thiết kế chi tiết

42
Hình 2.8
Màn hình hiển thị phần mềm Inventor lắp ghép chi tiết
43
Hình 2.9
Màn hình hiển thị các thông số động học, động lực học
của chi tiết
43
Hình 2.10
Mô hình 3D tổng thể của máy xúc Solar 130W-V thiết
kế trên Inventor
44
xi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 3.1
Đào đất bằng phương pháp quay gầu
47
Hình 3.2
Đào đất bằng phương pháp quay tay gầu
48
Hình 3.3
Đào đất bằng phương pháp kết hợp
49
Hình 3.4
Sơ đồ khối chương trình tính toán động lực học thiết bị
công tác của máy xúc trong quá trình đào đất
50
Hình 3.5
Góc quay của cần máy theo thời gian
51
Hình 3.6
Góc quay của tay gầu theo thời gian
51
Hình 3.7
Góc quay của gầu xúc theo thời gian
52
Hình 3.8
Vận tốc góc của cần máy theo thời gian
52
Hình 3.9

Vận tốc góc của tay gầu theo thời gian
52
Hình 3.10
Vận tốc góc của gầu xúc theo thời gian
53
Hình 3.11
Gia tốc góc của cần máy theo thời gian
53
Hình 3.12
Gia tốc góc của tay gầu theo thời gian
53
Hình 3.13
Gia tốc góc của gầu xúc theo thời gian
54
Hình 3.14
Giá trị áp lực trong khớp tay gầu-gầu xúc theo thời gian
54
Hình 3.15
Giá trị mô men trong khớp tay gầu-gầu xúc theo thời
gian
54
Hình 3.16
Giá trị áp lực trong khớp cần-tay gầu theo thời gian
55
Hình 3.17
Giá trị mô men trong khớp cần-tay gầu theo thời gian
55
Hình 3.18
Giá trị áp lực trong khớp chân cần theo thời gian
55

Hình 3.19
Giá trị mô men trong khớp chân cần theo thời gian
56
Hình 3.20
Sơ đồ cấu trúc hộp công cụ Simulink
57
xii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 3.21
Mô hình phần tử M11,M12,M21
58
Hình 3.22
Mô hình các phần tử M13, M31,M23, M32, M33
58
Hình 3.23
Mô hình phần tử H1
59
Hình 3.24
Mô hình phần tử H2
59
Hình 3.25
Mô hình phần tử H3
60
Hình 3.26
Mô hình các phần tử
1


,
2

,
3


60
Hình 3.27
Mô hình các phần tử
1
Q
,
2
Q
,
3
Q

60
Hình 3.28
Mô hình phần tử
1
q


61
Hình 3.29
Mô hình phần tử
2

q


61
Hình 3.30
Mô hình phần tử
3
q


61
Hình 3.31
Mô hình khảo sát động lực học máy xúc
62
Hình 3.32
Chuyển vị của khâu 2, khâu 3, khâu 4
62
Hình 3.33
Vận tốc quay của khâu 2, khâu 3, khâu 4
62
Hình 3.34
Gia tốc quay của khâu 2, khâu 3, khâu 4
62
Hình 3.35
Mô phỏng kiểm nghiệm máy xúc Solar 130w-v
63
Hình 3.36
Màn hình mở file 3D*.stp trên ADAMS
64
Hình 3.37

Gắn các khớp liên kết của mô hình trên ADAMS
65
Hình 3.38
Gán vật liệu cho các chi tiết của mô hình trên ADAMS
65
Hình 3.39
Đặt các chuyển động, lực dẫn động trên ADAMS
66
Hình 3.40
Chọn bước và thời gian khảo sát mô hình trên ADAMS
66
Hình 3.41
Màn hình xử lý kết quả trên ADAMS
67
xiii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 3.42
Dịch chuyển trọng tâm của cần máy theo thời gian
67
Hình 3.43
Dịch chuyển trọng tâm của tay gầu theo thời gian
68
Hình 3.44
Dịch chuyển trọng tâm của tay gầu theo thời gian
68
Hình 3.45
Vận tốc trọng tâm của cần máy theo thời gian

69
Hình 3.46
Vận tốc trọng tâm của tay gầu theo thời gian
69
Hình 3.47
Vận tốc trọng tâm của gầu theo thời gian
70
Hình 3.48
Gia tốc trọng tâm của cần máy theo thời gian
70
Hình 3.49
Gia tốc trọng tâm của tay gầu theo thời gian
71
Hình 3.50
Gia tốc trọng tâm của gầu theo thời gian
71
Hình 3.51
Áp lực trong khớp chân cần
72
Hình 3.52
Mô men trong khớp chân cần
72
Hình 3.53
Áp lực trong khớp cần-tay gầu
73
Hình 3.54
Mô men trong khớp cần-tay gầu
73
Hình 3.55
Áp lực trong khớp tay gầu-gầu xúc

74
Hình 3.56
Mô men trong khớp tay gầu-gầu xúc
74

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ trong đó
có kỹ thuật máy tính, công tác nghiên cứu để nâng cao năng suất, chất lượng,
hiệu quả khai thác sử dụng máy móc, trang thiết bị, trong đó có nội dung hoàn
thiện kết cấu luôn mang ý nghĩa thực tiễn lớn và mang tính khả thi cao.
Khối lượng thi công tất cả các công trình máy xúc thường là chiếm tỉ
phần lớn. Có thể nói máy xúc quyết định đến tiến độ thực hiện nhiều hạng
mục, công trình. Chính vì lí do đó mà công nghệ và kỹ thuật sản xuất chế tạo
máy xúc nói chung được ưu tin và quan tâm của rất nhiều cơ sở khoa học,
trung tâm nghiên cứu, hãng sản xuất và của đông đảo các nhà khoa học trong
và ngoài nước. Đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về cả chất lượng và khối
lượng, máy xúc thủy lực ngày càng hoàn thiện nhờ sự phát triển của khoa học
kỹ thuật hiện đại. Tuy nhiên do tính chất phức tạp của thiết kế, của hệ thống,
của chất lượng làm việc, của môi trường công tác nên việc hoàn thiện tiếp các
loại máy xúc nói chung và máy xúc một gầu dẫn động thủy lực là một làm rất
vấn đề lớn và khó khăn. Một trong những hướng nghiên cứu chính quan trọng
là đi vào nghiên cứu hoàn thiện kết cấu máy xúc thủy lực gầu nghịch.
Vì vậy, đề tài: “Mô hình hoá và tính lực tại các khớp máy xúc khi
hoạt động” là một vấn đề nghiên cứu rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao.

2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Mục tiêu chính của đề tài là: Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo và hoạt động
của máy xúc, từ đó xây dựng mô hình hình học của một loại máy xúc thường
gặp là máy xúc thủy lực một gầu. Đặt lực, xây dựng các mô hình vật lý và mô
hình toán học. Khảo sát mô hình toán học để xác định quy luật thay đổi của
các thông số động lực học và các phản lực, mô men trong các khớp liên kết
của cơ cấu công tác của máy xúc, vận tốc, gia tốc và chuyển vị của các khâu.
2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Sử dụng phần mềm Matlab –Simulink xây dựng mô hình động lực học của
thiết bị công tác máy xúc. Nghiên cứu xây dựng mô hình máy xúc trên phần
mềm ADAM, để mô phỏng động lực học quá trình đào đất của máy xúc.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thu được đưa ra khuyến cáo cho nhà sản xuất
trong quá trình thiết kế và nhà sử dụng trong quá trình khai thác vận hành
máy góp phần nâng cao hiệu quả, tính năng của máy xúc.
3. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu thiết bị công tác của máy xúc hiện đang được sử dụng rộng
rãi trong thi công các công trình.
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trong quá trình nghiên cứu luận văn sử dụng các phương pháp nghiên
cứu như sau:
- Phương pháp phân tích tổng hợp để xây dựng các mục tiêu, các nhiệm
vụ và các mô hình hình học, vật lý và mô hình toán của luận văn.
- Phương pháp toán học để phân tích và giải các bài toán theo mô hình
toán trong luận văn.
- Sử dụng kỹ thuật máy tính để mô hình hóa và mô phỏng các mô hình
của luận văn.

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
* Ý nghĩa khoa học:
- Xây dựng được mô hình hình học và vật lý mô phỏng quá trình đào
đất đá của máy xúc thủy lực một gầu.
- Xây dựng được mô hình toán học để khảo sát các thông số động học,
động lực học (ĐH, ĐLH) của TBCT máy xúc bằng lý thuyết cơ học hệ nhiều
vật. Xác định các thông số cần thiết phục vụ việc giải mô hình toán để khảo
sát áp lực tại các khớp của máy xúc và mô phỏng máy.
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


- Đã xác định được quy luật thay đổi giá trị chuyển vị, vận tốc gia tốc
của các khâu trong thiết bị công tác của máy xúc, xác định được quy luật thay
đổi mô men và phản lực liên kết tại các khớp liên kết của thiết bị công tác.
- Đã mô hình hóa được mô hình động lực học bằng phần mềm Matlab-
Simulink và mô phỏng máy xúc trong không gian làm việc của phần mềm
MSC. ADAMS để khảo sát và kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu.
* Ý nghĩa thực tiễn:
- Ứng dụng kỹ thuật máy tính để mô hình hóa máy xúc và giải bài toán
động lực học. Kết quả khảo sát bằng phương pháp số trên Matlab và kết quả
mô phỏng trên Matlab-Simulink và MSC. ADAMS chính là cơ sở để đưa ra
các khuyến cáo trong tính toán thiết kế, vận hành và sử dụng thiết bị. Thêm
vào đó phương pháp nghiên cứu sử dụng có thể áp dụng cho các máy thiết bị
công cụ tương tự.
6. BỐ CỤC LUẬN VĂN
Luận văn được bố cục theo các nội dung sau
+ Mở đầu
+ Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.

+ Chương 2: Nghiên cứu động lực học quá trình đào đất của máy xúc thủy
lực một gầu.
+ Chương 3: Khảo sát mô hình toán quá trình động lực học của máy xúc
bằng phương pháp số.
+ Kết luận và kiến nghị.


4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Máy xúc thủy lực một gầu
Để nghiên cứu lực tại các khớp máy xúc khi hoạt động, ta chọn đối tượng
nghiên cứu là máy xúc thủy lực một gầu. Đây là loại máy xúc phổ biến đang
được ứng dụng rộng rãi trong thực tế hiện nay. Trước hết ta cần nghiên cứu
các đặc điểm chung về cấu tạo, điều khiển, hoạt động và các quá trình động
lực học của máy xúc thủy lực một gầu làm cơ sở cho việc tính toán và mô
hình hóa áp lực tại các khớp khi máy xúc hoạt động.
1.1.1. Đặc điểm cấu tạo và điều khiển hoạt động của máy xúc một gầu dẫn
động thủy lực
1.1.1.1. Các loại máy xúc một gầu
Máy xúc một gầu là loại máy làm đất vạn năng, tính vạn năng trong
công dụng của nó đã dẫn tới sự đa dạng trong kết cấu, cấu tạo và kiểu dáng
của chúng. Trên hình 1.1 thể hiện các loại máy xúc thường gặp, máy có thể di
chuyển bằng xích, bằng lốp; có thể dẫn động cơ khí, dẫn động thủy lực; thiết
bị công tác đi kèm ngoài gầu xúc có thể bố trí gầu ngoặm, gầu bào, các thiết
bị chuyên dụng như: ấn bấc thấm, búa đóng cọc, búa khoan phá bê tông, đĩa
cắt…

5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Hình 1.1. Các loại máy xúc một gầu và các dạng thiết bị tích hợp
a) Máy xúc gầu thuận dẫn động cơ khí; b) Máy xúc gầu thuận dẫn động
thuỷ lực; c) Máy xúc gầu bào; d) Máy xúc gầu nghịch dẫn động cơ khí; i)
Máy xúc gầu ngoạm dẫn động thuỷ lực; k) Máy đóng cọc; l) Máy xúc gầu
dây; m)Máy xúc lật; n) Máy ấn bấc thấm dẫn động thuỷ lực.
1.1.1.2. Đặc điểm cấu tạo máy xúc thủy lực gầu nghịch
Cấu tạo và hoạt động chung
Máy xúc thuỷ lực gầu nghịch là một trong những máy chủ đạo trong
công tác làm đất nói riêng và trong xây dựng cơ bản nói chung. Máy đào được
dùng chủ yếu:
- Trong xây dựng dân dụng và công nghiệp: Đào hố móng, đào rãnh
thoát nước, đào rãnh dùng để lắp đặt đường ống cấp thoát nước, đường điện
ngầm, bốc xúc vật liệu ở các bãi, kho chứa vật liệu. Ngoài ra có lúc làm thay
cần trục khi lắp các ống cấp thoát nước hay các búa đóng cọc để thi công
móng cọc, phục vụ thi công khoan cọc nhồi.
- Trong xây dựng thuỷ lợi: Đào kênh mương, nạo vét sông ngòi, bến
cảng, ao hồ, khai thác đất để đắp đập, đắp đê…
6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


- Trong xây dựng cầu đường: Đào móng khai thác đất, cát để đắp
đường, nạo bạt sườn đồi để ta luy khi thi công đường sát sườn núi.

- Trong khai thác mỏ: Bóc lớp 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
các nhà máy trạm trộn bê tông, bê tông asphal. Bốc xếp vật liệu trong các ga
tầu, bến cảng. Khai thác sỏi, cát ở lòng sông.
Cấu tạo của máy xúc thuỷ lực gồm các bộ phận chủ yếu sau: Cabin (1)
là nơi tập trung các cơ cấu điều khiển hoạt động của máy; hệ thống di chuyển
xích (8) dùng để di chuyển máy trong công trường; cơ cấu quay sàn (9) giúp
cho máy có thể thay đổi được vị trí của gầu trong mặt phẳng ngang để đào và
xả đất; sàn quay (10) là nơi bố trí cabin, các bộ truyền động và đối trọng; đối
trọng (11) dùng để cân bằng sàn quay và đảm bảo sự ổn định của máy trong
quá trình làm việc; động cơ và các bộ truyển động (12) là nơi cung cấp nguồn
động lực để duy trì hoạt động của máy, trên máy xúc người ta thường sử dụng
động cơ có turbo tăng áp. Từ động cơ, thông qua hệ thống dẫn động thuỷ lực
thuỷ tĩnh, truyền năng lượng dẫn động di chuyển máy và các các thao tác làm
việc của thiết bị công tác.

7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 1.2. Bố trí chung máy xúc thủy lực
1. Ca bin; 2. Cần; 3. Xi lanh cần; 4. Xi lanh tay gầu; 5. Tay gầu; 6. Xi
lanh gầu; 7. Gầu xúc; 8. Hệ thống di chuyển xích; 9. Cơ cấu quay sàn; 10. Sàn
quay; 11. Đối trọng; 12. Động cơ và bơm thủy lực.
Thiết bị công tác của máy gồm: cần (2) có hai đầu được lắp với sàn
quay và tay gầu (5) nhờ khớp trụ; xi lanh cần (3) dùng để điều khiển việc
nâng hạ cần; tay gầu (5) là nơi gá lắp và điều khiển hoạt động của gầu; xi lanh

tay gầu (4) dùng để điều khiển việc co duỗi tay gầu; gầu xúc (7) thường được
lắp thêm các răng để giảm lực cản cắt đất, điều khiển hoạt động của gầu được
thực hiện nhờ xi lanh gầu (6).
Quá trình thi công bằng máy xúc rất đa dạng và phức tạp. Bộ công tác
của máy trong quá trình làm việc thường xuyên phải chịu tác động của tải
trọng thay đổi (tải trọng lớn nhất có thể lớn hơn tải trọng trung bình tới 23
lần). Địa hình thi công không thuần nhất. Mặt khác chất lượng công trình
ngày càng đòi hỏi cao hơn, điều kiện lao động của người lái máy ngày càng
phải cải thiện tốt hơn. Với những điều kiện trên dẫn đến nhu cầu phải tự động
hóa quá trình điều khiển máy. Có nhiều phương án khác nhau để điều khiển tự
động quá trình làm việc. Ví dụ quá trình đào đất của máy đào có các phương
án như: Thay đổi chiều sâu đào theo lực kéo hoặc công suất của động cơ, thay
đổi vận tốc di chuyển làm việc của máy, thay đổi số vòng quay của bộ công
tác, theo quỹ đạo đào cho trước.
Thiết bị di chuyển máy xúc dùng để di chuyển máy khi thay đổi vị trí
làm việc và di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Thiết bị di chuyển cần phải
đảm bảo độ bền, cứng vững, ổn định trong mọi điều kiện làm việc của máy có
ý nghĩa đảm bảo an toàn cho máy chuyển động với vận tốc cần thiết, chịu tải
trọng bình thường trong trường hợp gặp chướng ngại trên đường di chuyển và
sự biến dạng của nền đất. Thiết bị di chuyển máy phải đảm bảo khả năng
8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


thông qua tốt, có độ bám lớn và cơ động trong các điều kiện môi trường khác
nhau, không có hiện tượng trượt khi di chuyển. Khả năng thông qua và kéo
của máy phụ thuộc vào tính chất cơ-lý của nền đất, áp suất do máy tạo ra
truyền lên đất, lực cản chuyển động lực bám của thiết bị di chuyển với nền
đất, chiều sâu vệt di chuyển, độ trùng nhau của quỹ đạo bánh trước và bánh

sau. Thiết bị di chuyển phải có khả năng cơ động cao và linh hoạt để đáp ứng
yêu cầu làm việc của máy.
Cơ cấu quay toa dùng để thay đổi vị trí của gầu trong mặt phẳng ngang
trong quá trình đào và xả đất. Trên bàn quay người ta bố trí động cơ, các bộ
phận truyền động cho các cơ cấu…Bàn quay được lắp trên khung gầm của
máy xúc làm nhiệm vụ liên kết giữa phần di chuyển phía dưới và phần quay
phía trên, thường được gọi là thiết bị tựa quay. Nhờ có thiết bị tựa quay mà
phần trên sàn quay có thể quay quanh trục thẳng đứng một cách nhẹ nhàng.
Thông qua thiết bi tựa quay tải trọng được truyền từ phần quay xuống phần
không quay và từ đó truyền xuống nền. Cơ cấu dẫn động tạo ra chuyển động
quay được bố trí trên phần quay hoặc phần cố định của máy.
Hệ thống điện gồm các phần sau: Nguồn điện, hệ thống đánh lửa, hệ
thống khởi động, hệ thống chiếu sáng, đèn tín hiệu, hệ thống đo lường và kiểm
tra, thiết bị lau kính, điều hòa nhiệt độ, hệ thống thông tin liên lạc, vô tuyến…
Máy thường làm việc ở nền đất thấp hơn mặt bằng đứng của máy (cũng
có những trường hợp máy làm việc ở nơi cao hơn, những nền đất mềm và chỉ
có xy lanh quay gầu để cắt). Sau khi đưa máy đến vị trí làm việc, phải tạo vị
trí đỗ máy thuận tiện cho việc đào xúc và đảm bảo độ ổn định của máy khi
làm việc. Máy làm việc theo chu kỳ, đất được xả qua miệng gầu. Một chu kỳ
làm việc của máy bao gồm những nguyên công sau: đưa gầu vươn xa máy và
hạ xuống, răng gầu tiêp xúc với nền đất, gầu tiến hành cắt đất và tích đất vào
gầu nhờ xy lanh quay tay gầu hoặc kết hợp với xy lanh quay gầu và truyền lực
9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


qua khớp bốn khâu bản lề, quỹ đạo chuyển động của răng gầu trong quá trình
cắt đất là một đường cong. Chiều dày phoi cắt thông thường thay đổi từ bé
đến lớn. Vị trí cuối quá trình cắt đất gầu được điền đầy nhất. Đưa gầu ra khỏi

tầng đào và nâng gầu lên nhờ xy lanh quay tay gầu, quay máy về vị trí xả đất
nhờ cơ cấu quay và xy lanh thủy lực nâng hạ cần. Đất có thể có thể xả thành
đống hoặc xả vào thiết bị vận chuyển. Đất được xả ra khỏi miệng gầu nhờ xy
lanh quay tay gầu, quay máy về vị trí làm việc tiếp theo với một chu kỳ hoàn
toàn tương tự.
Đặc điểm cấu tạo của thiết bị công tác
Cần máy xúc:

Hình 1.3. Kết cấu cần máy xúc thủy lực
1.Cần; 2.Bạc lót; 3.Vú mỡ; 4.Bạc chặn trái; 4A.Bạc chặn phải;5,
5A.Long đen; 6.Chốt chân cần; 7.Thanh hãm; 8. Đai ốc hãm; 9. Ống thép giữ
10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


chốt; 10. Chốt giữa cần với xi lanh cần; 11. Đệm chặn; 12. Chốt định vị đệm
với chốt cần; 13. ốc hãm; 14. Chốt cần với tay gầu; 15. Vòng đệm;
16. Thanh giữ chốt; 17. Bu lông định vị thanh giữ; 18. Đệm; 19. Chốt xi lanh
cần với sát xi; 20. Bạc chắn bên; 21. Thanh giữ chốt; 22. Đai ốc định vị thanh
giữ chốt; 23. vòng đệm; 24. Vú mỡ xi lanh cần; 25. Chốt cần với xi lanh tay
gầu; 26. Bạc lót; 27. Thanh hãm; 28. Bu lông giữ thanh hãm; 29. Đệm lót.
Tay gầu:

Hình 1.4. Kết cấu tay gầu máy xúc thủy lực
Tay gầu được xem như là một cái đòn bẩy, khi xi lanh cần làm việc thì
điểm tự là mối liên kết giữa cần và tay gầu mà cánh tay đòn là khoảng cách
giữa từ mối liên kết cầu tay gầu tới đầu mút của cần, các mối ghép này đều là
mối liên kết bản lề.
Tay gầu là một khâu trung gian giữa cần và gầu, tay gầu có cấu tạo từ

những tấm thép hợp kim được hàn lại với nhau tạo thành khung hộp thẳng,
tiết diện của tay gầu bị thu nhỏ dần tính từ mối liên kết giữa cần và tay gầu
đến mối liên kết giữa tay gầu và gầu. Ở vị trí nguy hiểm nhất của tay gầu
được hàn thêm hai tấm thép vào hai mặt bên giúp tăng bền cho tay gầu mà
vẫn bảo đảm được kết cấu gọn nhẹ và dễ chế tạo.
Điều kiện làm việc của tay gầu là trong khi làm việc tay gầu luôn luôn
phải chịu tải trọng động, luôn phải làm việc với tải trọng động thay đổi. Vì
làm việc với tải trọng lớn nên tại các mối liên kết cần phải chịu lực va đập rất
11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


lớn, các chi tiết phải chịu mài mòn cao, vì thế tại các vị trí đó phải có các vú
mỡ và đường dẫn mỡ để bơm mỡ sau mỗi ca làm việc của máy xúc. Trên tay
gầu có 5 mối liên kết với các thiết bị công tác khác, đây là những mối liên kết
bản lề và chịu được lực va đập lớn.
Tay gầu liên kết với xi lanh tay gầu bằng khớp nối bản lề. Mối ghép
giữa chốt với xi lanh là mối ghép lỏng có bạc lót bằng đồng. Mối ghép giữa
tay gầu với chốt là mối ghép trung gian và được giữ không cho di chuyển dọc
trục bằng chốt ắc.
Tay gầu liên kết với cần bằng khớp nối bản lề. Mối ghép giữa chốt với
xi lanh là mối ghép lỏng có bạc lót bằng đồng. Mối ghép giữa tay gầu với
chốt là mối ghép trung gian và được giữ không cho di chuyển dọc trục bằng
chốt ắc.
Tay gầu liên kết với gầu bằng khớp nối bản lề. Mối ghép giữa chốt với
xi lanh là mối ghép lỏng có bạc lót bằng đồng. Mối ghép giữa tay gầu với
chốt là mối ghép trung gian và được giữ không cho di chuyển dọc trục bằng
chốt ắc.
Gầu:

12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Hình 1.5. Kết cấu liên kết tay gầu với gầu và cơ cấu 4 khâu của máy xúc
Máy xúc thủy lực được trang bị gầu ngược có cấu tạo về hình dáng là
hoàn toàn khác với tay gầu và cần, được chế tạo từ các tấm thép, mối liên kết
ở đây là các mối liên kết hàn, hay mối liên kết đinh tán tại đầu gầu nơi tiếp
xúc giữa gầu và đối tượng công việc (đất, đá) có gắn các răng gầu. Dạng của
gầu cong để khi tác động vào lớp đất đá thì giảm lực cản. Cấu tạo của gầu
được trình bày ở hình 1.5.
Răng gầu gồm có 2 phần là phần răng và phần thân răng hay (lợi), thân
răng được hàn chặt (cố định) lên trên thành gầu, phần răng được bắt chặt vào
thân răng bằng các chốt (dọc hoặc ngang).
13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Răng gầu được chế tạo riêng là vì khi làm việc răng có vai trò là lưỡi cắt
chính, trực tiếp tác động vào đất, đá để cắt đất vì vậy răng là chi tiết bị mài
mòn nhiều nhất, tuy răng đã được chế tạo từ loại thép chống mài mòn nhưng
vẫn bị mài mòn do lực cắt đất là rất lớn ma sát khi cắt đất lớn. Vì vậy khi răng
quá mòn ta có thể thay thế răng khác hay có thể thay thế cả cụm răng và thân
răng mà không phải thay thế gầu xúc.
Trong quá trình làm việc thân gầu cũng bị mòn ta cũng có thể hàn thêm
các tấm thép hoặc có thể thay thế bằng các tấm thép khác mà không phải thay
thế cả gầu xúc. Gầu xúc là thiết bị bị mài mòn nhiều nhất và nhanh phải phục

hồi nhất trong thiết bị công tác.
Trong thực tế ta thấy nhiều gầu xúc làm việc lâu ngày bị mòn từ trong
mòn ra là do gầu làm việc không phải với một cấp đất mà nó phải làm việc
với nhiều loại đất khác nhau như khi máy làm việc ở cấp đất cứng như đá, sỏi
hay các loại vật liệu xây dựng rời.
Cơ cấu 4 khâu:
Gầu hoạt động được linh hoạt là nhờ cơ cấu 4 khâu bản lề, đây là khâu
trung gian giữa tay gầu và gầu. Nhờ cơ cấu này mà góc quay của gầu lớn,
thuận tiện cho việc đào và cắt đất.
Trong đó gầu xúc đóng vai trò là một khâu, tay gầu là một khâu, hai
khâu còn lại là hai thanh truyền nhận lực từ xy lanh gầu. Bốn khâu này được
liên kết với nhau bằng 4 khớp bản lề. Tại các mối liên kết này luôn phải làm
việc trong điều kiện chịu mài mòn nên người ta bố trí các vú mỡ bôi trơn cho
các khớp.
1.1.2. Xu hƣớng phát triển hoàn thiện của máy xúc
Đầu thế kỷ XIX thế giới đã có những máy xây dựng đầu tiên ra đời, sau
một thế kỷ vào năm 1925 hệ thống dẫn động thủy lực đã được nghiên cứu và
14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


đưa vào ứng dụng cho nhiều loại máy móc thiết bị trong đó có máy xây dựng.
Cuối thế kỷ XX, máy xây dựng đã có bước tiến bộ nhảy vọt. Do tiến bộ của
khoa học và công nghệ và đặc biệt là kỹ thuật điện và điện tử đã cho ra đời
một thế hệ máy xây dựng hoàn hảo, đáp ứng được mọi yêu cầu công nghệ xây
dựng tiên tiến, giảm ô nhiễm môi trường. Các nước sản xuất máy đã không
ngừng cải tiến cho ngày càng hoàn thiện hơn, tiện lợi, thích nghi, an toàn, tiết
kiệm, năng suất cao, giá thành hạ.
Đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về cả chất lượng và khối lượng, máy

xúc thủy lực ngày càng hoàn thiện nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật
hiện đại. Tuy nhiên do tính chất phức tạp của thiết kế, của hệ thống, của chất
lượng làm việc, của môi trường công tác nên việc hoàn thiện tiếp các loại máy
xúc nói chung và máy xúc một gầu dẫn động thủy lực là một làm rất cần thiết.
Những xu hướng phát triển, hoàn thiện cơ bản của máy xúc một gầu
dẫn dộng thủy lực hiện nay tập trung vào:
- Tiếp tục hoàn thiện kết cấu, tăng thể tích gầu trên đơn vị công suất,
hoặc đơn vị trọng lượng máy.
Sử dụng đa dạng các bộ thiết bị công tác đi cùng máy xúc và giảm thời
gian thay thế các thiết bị này.
- Sử dụng các vật liệu mới, thép siêu bền, sử dụng công nghệ chế tạo
tiên tiến để tăng độ bền, độ tin cậy, giảm độ mài mòn, tăng tuổi thọ làm việc
của các chi tiết, cụm máy.
- Giảm áp lực của máy lên nền đất như tăng chiều rộng của dải xích, sử
dụng các loại xích có kết cấu phù hợp với tính chất công việc;
- Hoàn thiện nguồn động lực của máy bằng cách sử dụng hệ thống tiết
kiệm nhiên liệu, tăng công suất động cơ, giảm khí thải gây ô nhiễm môi
trường;