Khảo sát một số tham số động lực học của máy xúc một gầu

1

MỤC LỤC

Trang phụ bìa …………………………………………………
Mục lục …………………………………………………………
MỞ ĐẦU …………………………………………………………
Chƣơng 1- Tổng quan …………………………………………….
1.1- Mô hình hệ nhiều vật và phƣơng pháp nghiên cứu …………
1.1.1- Mô hình hệ nhiều vật ……………………………………
1.1.2- Hệ toạ độ ……………………………………
1.1.3- Phép biến đổi Denavit-Hartenberg ma trận chuyển cấp bốn
1.2- Giới thiệu sơ lƣợc về máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực
1.2.1- Đặc điểm chung của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực
1.2.2- Cơ sở tính toán thiết bị máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực
1.2.3- Lực tƣơng tác giữa gầu và đất trong quá trình đào
Chƣơng 2- Mô hình động học và động lực học của máy xúc
2.1- Giới thiệu chung .…………………………………………….
2.2- Mô hình động học máy xúc ………………………………
2.2.1- Động học thuận của tay xúc ……………………
2.2.1.1- Các phƣơng trình liên hệ giữa các góc với vị trí gầu
xúc
2.2.1.2- Các phƣơng trình liên quan giữa chiều dài của cần
thuỷ lực với các góc quay tại các khớp
………………………
2.2.2- Động học ngƣợc của tay xúc ………………………………
2.2.2.1- Các phƣơng trình liên hệ giữa vị trí gầu xúc với các
góc quay tại các khớp
Trang

1

3
6
6
6
7
11
15
15
16
18
21
21
21
24
24

26
29

29
31


2

.
2.2.2.2- Mt lm vic ca tay xỳc


2.3- Mụ hỡnh ng lc hc

2.3.1- Mụ hỡnh ng lc hc
2.3.2- Cỏc phng trỡnh vn tc v gia tc
2.3.3- Phng trỡnh chuyn ng cho mi khõu .
Chng 3- T chc chng trỡnh tớnh toỏn v kt qu tớnh
3.1- T chc chng trỡnh tớnh toỏn .
3.2- Phng phỏp gii phng trỡnh vi phõn trong Matlab
3.3- Cỏc thụng s u vo gii bi toỏn
3.3.1- Cỏc thụng s ng hc v ng lc hc
3.3.2- Cỏc iu kin u
3.4- Kt qu tớnh toỏn
3.4.1- th chuyn v, vn tc, gia tc khõu 2 (cn mỏy xỳc)
3.4.2- th chuyn v, vn tc, gia tc khõu 3 (tay gu)
3.4.3- th chuyn v, vn tc, gia tc khõu 4 (gu xỳc)
3.4.4- Biu lc cỏc khõu
3.4.5- Biu mụmen ca cỏc khõu
KT LUN
TI LIU THAM KHO
PH LC .
Phụ lục 1- Ch-ơng trình maple tính các góc của các cần thuỷ lực
Phụ lục 2 - Ch-ơng trình Maple thiết lập ph-ơng trình vi phân
chuyển động cơ hệ
Phụ lục 3- Ch-ơng trình Matlab giải hệ ph-ơng trình vi phân
33
33
38
42
58
58
60
62

62
64
64
65
66
67
68
69
70
71
72
72

76

85

94

3

chuyển động cơ hệ
Phụ lục 4- Một số hình vẽ liên hệ giữa các góc của xilanh và các
khâu

M U
Trong cỏc cụng trỡnh xõy dng ng sỏ, ờ p thu li, thu in, kờnh
o, mng mỏng, khai thỏc m v.v, mỏy xỳc mt gu chim v trớ quan
trng nht trong cụng tỏc o, p t ỏ. Mỏy xỳc mt gu m nhn trờn
di 50% tng khi lng t ỏ phi thi cụng, phn cũn li do cỏc loi mỏy

lm t khỏc m nhim. Trong khong ba chc nm tr li õy, cỏc mỏy xỳc
mt gu dn ng thu lc ó c phỏt trin mnh m v ang cú xu hng
thay th dn cỏc mỏy xỳc cú b truyn ng c khớ. c bit t sau nm 1975,
cỏc mỏy xỳc thu lc c nh v va hu nh l loi mỏy xỳc duy nht c
ch to ti cỏc nc cụng nghip phỏt trin nh Nht, Nga, c, v c
trao i, buụn bỏn thnh hnh trờn th trng th gii. tng nng sut cho
mỏy, mt trong nhng hng c bn trong ci tin v i mi trang b l rỳt
ngn thi gian quỏ trỡnh thao tỏc mỏy nh tng tc o xỳc, quay, rỳt ngn
thi gian ly , hóm phanh v.v. Kt qu iu ú khụng trỏnh khi cỏc ti
trng ng tỏc dng mónh lit v liờn tc vo mỏy, gõy nờn dao ng cỏc
dng, thc t l rt phc tp. Vic cho phộp tớnh toỏn ỳng lc v ti trng
ng xut hin khi mỏy lm vic cho kh nng xỏc nh c cỏc yu t nh
hng n ln v quy lut xut hin cỏc lc ú. Nh vy ta cú th tỡm
c cỏc bin phỏp nhm gim bt nhng tỏc ng xu ca chỳng, gúp phn
tng tui th v tin cy ca mỏy trong quỏ trỡnh khai thỏc. Trong lun vn
ny ó cp n vic xõy dng mụ hỡnh tớnh toỏn tng quỏt ng lc hc
mỏy xỳc mt gu dn ng thu lc, nghiờn cu nh hng ca cỏc thụng s
4

động lực học đến chất lƣợng công tác, năng suất, kết cấu của máy để từ đó
xác định các chế độ làm việc hợp lý.
Các mô hình động học và động lực học của máy xúc một gầu điều khiển
thuỷ lực đƣợc xây dựng trên cơ sở lý thuyết cơ học hệ nhiều vật. Các mô hình
động học và động lực học đã đƣợc phát triển từ nền tảng lý thuyết tay máy
rôbốt. Mô hình động học đƣợc tính toán theo nguyên lý Denavit- Hartenberg
còn mô hình động lực học thì sử dụng các phƣơng trình Newton- Euler viết
cho các khâu. Trong luận văn tác giả đã sử dụng các thông số kích thƣớc động
học và động lực học của máy xúc thực nghiệm Komatsu PC05-7, và sử dụng
phần mềm Matlab để giải hệ phƣơng trình chuyển động.
Mô hình động học máy xúc là sự thể hiện các mối liên hệ hình học của các

thiết bị. Dựa theo nguyên lý Denavit- Hartenberg và xuất phát từ các mối
quan hệ động học liên hệ giữa các góc quay tại khớp của máy xúc xác định
trong các hệ trục toạ độ khác nhau đã xây dựng một mô hình động học đầy đủ
cho máy xúc, nguyên lý này đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực rôbốt.
Các phƣơng trình động học thuận và ngƣợc đã trình bày, mô tả vị trí và hƣớng
của gầu xúc, các góc quay tại khớp và chiều dài của cần thuỷ lực. Các phƣơng
trình này đƣợc giới thiệu chi tiết trong mục II chƣơng 2 của luận văn.
Động học thuận liên quan giữa các góc quay tại khớp với vị trí của cần,
tay gầu và gầu xúc, đƣợc sử dụng cho mô phỏng chuyển động của máy. Động
học ngƣợc biểu diễn mối liên quan giữa vị trí và hƣớng của gầu xúc với góc
quay tại các khớp, một tƣ thế của gầu xúc có thể không đạt tới đƣợc bởi vì nó
cần phải có các góc khớp vƣợt xa hơn các giới hạn của máy, hoặc bởi vì nó
nằm ngoài mặt làm việc của máy xúc. Cả hai điều kiện này có thể tìm đƣợc từ
kết quả giải các phƣơng trình động học ngƣợc.
5

Trong khi các mô hình động học có cơ sở là các mối liên hệ hình học thì
các mô hình động lực học đề cập đến các vần đề nhƣ: lực, gia tốc, quán tính
và ma sát. Mô hình động lực học xác định mối liên hệ giữa các mô men xoắn
và các ngoại lực với chuyển động của các khâu của máy xúc. Mô hình động
lực học thuận sử dụng để mô phỏng các mô men xoắn, các ngoại lực và các
mô men đã cho, chuyển động của máy có thể biết trƣớc. Mô hình động lực
học ngƣợc có tính thực tiễn lớn, cung cấp một quan hệ giữa mô men xoắn ở
các khớp với quỹ đạo chuyển động và các ngoại lực đã cho. Các phƣơng trình
động lực học đƣợc giới thiệu chi tiết trong mục III chƣơng 2 của luận văn.
Qua đây tôi xin phép bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy giáo hƣớng
dẫn, TS Chu Văn Đạt, PGS TS Phan Nguyên Di đã tận tình chỉ dẫn và góp
những ý kiến quý báu trong quá trình thực hiện luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Đại học quốc gia Hà nội, Trung tâm hợp
tác đào tạo và bồi dƣỡng cơ học, Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ

quốc gia Viện cơ học đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tôi đƣợc học tập
trong suốt thời gian qua.
Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn tới các đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ,
động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn.




6






Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1- MÔ HÌNH HỆ NHIỀU VẬT VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.1.1- Mô hình hệ nhiều vật
Hệ nhiều vật là một cơ hệ gồm nhiều vật rắn (vật rắn tuyệt đối hoặc vật rắn
biến dạng) liên kết với nhau bằng khớp chuyển động có quy luật, lò xo, giảm
chấn, tựa,… Các máy, cơ cấu, ô tô, máy bay, tàu thuỷ, các loại rôbốt,… đều là
những hệ nhiều vật. Vật rắn trong hệ nhiều vật đƣợc gọi là một hệ con (hoặc
các phần tử, kết cấu con) có thể có hình dáng, cấu trúc tuỳ ý mà từ nay về sau
để đơn giản trong cách gọi tên ta gọi là vật. Các vật trong cơ hệ nhiều vật có
thể chuyển động tịnh tiến và quay, tất nhiên những chuyển động này không
hoàn toàn tuỳ ý, do nó là một phần tử nằm trong cơ hệ chịu liên kết.
Rõ ràng khi biết đƣợc vị trí, vận tốc, gia tốc của một điểm tuỳ ý trên một
vật tuỳ ý thì cơ hệ là hoàn toàn xác định, nghĩa là cấu hình của cơ hệ sẽ nhận
biết đƣợc. Vì vậy mọi cố gắng của chúng ta là xác định chuyển động (cũng có
nghĩa là cả vận tốc, gia tốc) của điểm tuỳ ý này trong một cơ hệ chịu liên kết.

7

Hiển nhiên, do chất điểm nằm trên vật, cho nên muốn xác định chuyển
động của nó cần phải biết chuyển động của vật chứa điểm ấy. Nói cách khác,
trƣớc hết phải xét chuyển động của vật bất kỳ thuộc hệ vật. Có 3 hƣớng khác
nhau để nghiên cứu chuyển động của vật này.
Hƣớng thứ nhất (hay cách tiếp cận thứ nhất) là nghiên cứu theo quan điểm
một vật rắn tuyệt đối. Khi đó, nếu cho rằng vật rắn hoàn toàn tự do, ta cần 6
tham số để xác định vị trí của nó. Mô hình toán học này dẫn đến một hệ 6
phƣơng trình vi phân cấp 2 phi tuyến bậc cao do xem góc quay là lớn.
Hƣớng thứ hai, nghiên cứu theo quan điểm cơ học kết cấu, nghĩa là một bộ
phận của cơ học vật rắn biến dạng, cần phải dùng một số lớn tham số để xác
định chuyển động của vật này.
Hƣớng thứ ba, nghiên cứu theo quan điểm cơ học môi trƣờng liên tục, mô
hình toán học, khác với hai hƣớng trên sẽ dẫn đến các phƣơng trình phi tuyến
vô hạn bậc tự do.
Trong các phần tiếp theo đây, ta nghiên cứu theo hƣớng thứ nhất, xem các
vật (hệ con) là những vật rắn tuyệt đối có mô hình nhƣ (hình 1.1)
8


Hình 1.1- Hệ nhiều vật rắn
1.1.2- Hệ toạ độ
Cấu hình của một hệ nhiều vật hoàn toàn xác định nếu nhƣ biết đƣợc vị trí,
vận tốc, gia tốc của một điểm tuỳ ý trên một vật tuỳ ý. Các véc tơ này có quan
hệ với hệ toạ độ đƣợc chọn (hệ quy chiếu). Hệ quy chiếu thƣờng dùng để
nghiên cứu hệ nhiều vật là toạ độ đề các. Giả sử một hệ trục đề các nào đó có
gốc là O, các trục tƣơng ứng là X
1
, X

2
, X
3
, các véc tơ đơn vị trên trục tƣơng
ứng là e
1
, e
2
, e
3
, thì một véc tơ tuỳ ý trong không gian, không nhất thiết có gốc
trùng với gốc O, sẽ có toạ độ duy nhất trên hệ trục đƣợc chọn. Chẳng hạn véc
tơ đó là U có các thành phần tƣơng ứng trên các trục là: u
1
, u
2
, u
3
, ta viết:
U=  u
1
u
2
u
3

T
hoặc: U= u
1
e

1
+ u
2
e
2
+ u
3
e
3

Các vật của hệ nhiều vật nói chung không hoàn toàn tự do, chúng đƣợc
liên kết với nhau cho nên chuyển động của vật này phụ thuộc vào chuyển
động của vật kia. Vì vậy để nghiên cứu chuyển động hệ nhiều vật cần phải
dùng một hệ thống các hệ trục toạ độ. Tuy nhiên nếu biết một chuyển động
9

của một hệ toạ độ này đối với một hệ toạ độ khác, thì quá trình xác định các
hệ toạ độ tiếp theo đối với hệ toạ độ thứ 3, thứ 4 là hoàn toàn tƣơng tự. Vì vậy
trong cách trình bày ở đây chỉ giới hạn hai hệ trục toạ độ, một hệ trục toạ độ
đƣợc xem là cố định (trên thực tế không nhất thiết cố định) tại gốc O, các trục
tƣơng ứng là: X
1
, X
2
, X
3
dùng để quan sát chuyển động của hệ trục gắn với
vật chuyển động gọi là hệ trục động. Nếu vật cần quan sát gọi là i, ta sẽ chọn
một điểm O
i

tuỳ ý trên vật i làm gốc, lập một hệ trục toạ độ đề các X
1
i
X
2
i
X
3
i

gắn chặt với vật, vì vậy xác định đƣợc vị trí hệ trục toạ độ này (điểm gốc O
i

và hƣớng của các trục) thì vị trí của vật i hoàn toàn xác định (hình 1.2)
X
1

X
3

X
2

U
i

P
X
3
i

O
i

X
2
i

X
1
i


Hình1.2- Hệ cố định và hệ động
Khi vật i chuyển động, hệ chuyển động, các véc tơ đơn vị trên hệ động là:
e
1
i
e
2
i
e
3
i
sẽ là những hàm thời gian.
Bây giờ ta xét một véc tơ U
i
gắn với hệ động, gọi:
i
1

u
i
2
u
i
3
u
là thành phần
của nó trên hệ động:
U
i
=
i
1
u
e
1
i
+
i
2
u
e
2
i
+
i
3
u
e

3
i

Còn trên hệ cố định: (xem hình 1.3)
10

U
i
=
i
1
u
e
1
i
+
i
2
u
e
2
i
+
i
3
u
e
3
i

X
1

X
2

O
i

P
X
3

X
3
i

i
1
u
i
2
u
i
3
u
X
1
i

X
2
i

U
i

i
2
u
i
3
u
i
1
u

Hình 1.3- Toạ độ của U
i
biểu diễn trên hệ cố định và hệ động
Nhƣ vậy cùng một véc tơ, mỗi hệ toạ độ có một cách biểu diễn, nói cách
khác ở trên hệ quy chiếu khác nhau nhận biết véc tơ khác nhau. Vấn đề đặt ra
là, cần tìm quan hệ giữa các thành phần của véc tơ trong hai hệ toạ độ khác
nhau, để khi biết thành phần của nó trong hệ toạ độ này thì cũng biết đƣợc
trong hệ toạ độ khác. Để dễ hình dung ta xét chuyển động phẳng của vật cho
trên (hình 1.4)
Hình 1.4- Quan hệ
toạ độ của cùng một
véc tơ trong hai hệ
toạ độ khi chuyển

động phẳng

i
1
u
i
2
u
i
2
u
i
3
u
i
1
u
i
U
1
x
2
x
i
x
1
O
i
x
2

i


11

Giả sử chuyển động của hệ động so với hệ cố định đƣợc xác định bởi góc
i

.
Các véc tơ đơn vị trên hệ động là:
e
1
i
= cos
i

e
1

+ sin
i

e
2

e
2
i
= - sin
i


+ cos
i

e
2

Biểu diễn U
i
trên hệ động là
U
i
=
i
1
u
e
1
i
+
i
2
u
e
2
i

Thế biểu thức của e
1
i

e
2
i
vào biểu thức U
i
với chú ý thành phần U
i
trong hệ
trục cố định là u
1
i
, u
2
i
, ta nhận đƣợc:
u
1
i
=
i
1
u
cos
i

-
i
2
u
sin

i


u
2
i
=
i
1
u
sin
i


+
i
2
u
cos
i


Đây là hai đẳng thức biểu thị mối quan hệ giữa các thành phần của cùng một
véc tơ trong hai hệ toạ độ khi đã biết vị trí của hệ toạ độ động so với hệ cố
định. Đẳng thức trên viết gọn dƣới dạng ma trận là:
u
i
= A
i
i

u

A
i
đƣợc gọi là ma trận biến đổi hay ma trận chuyển.








ii
ii
i
A


cossin
sincos

1.1.3- Phép biến đổi Denavit-Hartenberg ma trận chuyển cấp bốn:
Đây là phép biến đổi nhờ sử dụng ma trận chuyển cấp 4 để khảo sát
chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến. Ma trận chuyển cấp 4 Denavit-
Hartenberg là hàm của 4 thông số: 2 thông số là kích thƣớc hình học của
khâu, 2 tham số khác nghiên cứu chuyển động đinh ốc.
12

trôc khíp i-l

H×nh 1.5. C¸c tham sè cña kh©u.
trôc khíp i
kh©u i-l
i
a
i


Hình-1.5 vẽ khâu i-1 trong chuỗi liên kết động học. Một đầu của khâu i-1
liên kết với trục khớp i-1, còn đầu kia là trục của khớp i. Gọi khoảng cách
giữa hai trục là a
i

trừ hai trục song song nhau, còn nếu không song song thì
đƣờng vuông góc với cả hai trục khớp để xác định khoảng cách giữa 2 trục là
duy nhất.
Khoảng cách a
i
là tham số không đổi thứ nhất của khâu, gọi là độ dài của
khâu. Tham số không đổi thứ hai là độ xoắn của khâu, ký hiệu là 
i
là góc
giữa hai trục nằm trong mặt phẳng vuông góc với a
i
góc này tính từ trục i-1
đến i theo hƣớng phải đối với a
i
.
Hai tham biến khác đƣợc dùng trong ma trận chuyển Denavit-Hartenberg
cấp 4 là d

i
- khoảng cách hai khâu và 
i
- góc quay khớp i. Khoảng cách d
i
xác
định độ trƣợt tƣơng đối giữa khâu i-1 và i; còn góc 
i
độ thay đổi hƣớng của
khâu i so với khâu i-1.
13

trôc i-l
trôc i
1i
a
i
a
i
O
1i
O
1i
z
1i
x
1i
y
i


i
x
i
y
i
z
kh©u i
kh©u i-1
H×nh 1.6. BËc tù do cña khíp.

Hình-1.6 cho biết khâu i-1 và khâu i liên kết với nhau tại khớp i, nhƣ vậy
trục i là trục khớp chung của 2 khâu liền kề i-1 và i. Nếu a
i
là đƣờng vuông
góc với khâu i, d
i
là khoảng cách dọc theo trục i từ giao điểm của a
i
với trục i
đến giao điểm của a
i+1
với trục i. Góc liên kết 
i
đƣợc xác định bằng góc giữa
đƣờng a
i
với a
i+1
đƣợc đo đối với trục khớp i.
Để xác định chuyển động tƣơng đối của khâu i so với khâu i-1 ta xây dựng

2 hệ toạ độ: Hệ toạ độ x
i-1
y
i-1
z
i-1
có gốc tại O
i-1
gắn với khâu i-1 và hệ toạ độ
x
i
y
i
z
i
có gốc tại O
i
gắn với khâu i. Hệ toạ độ x
i-1
y
i-1
z
i-1
đƣợc chọn sao cho trục
z
i-1
dọc theo trục khớp i-1, trục x
i-1
dọc theo hƣớng vuông góc a
i

, có hƣớng từ
khớp i-1 đến khớp i, trục y
i-1
đƣợc chọn sao cho x
i-1
y
i-1
z
i-1
là một tam diện
thuận. Tƣơng tự, xây dựng hệ toạ độ x
i
y
i
z
i
nhƣ trên hình vẽ. Nhƣ vậy độ dài
khâu a
i
là khoảng cách giữa 2 trục z
i-1
và z
i
đƣợc đo dọc theo trục x
i-1
, góc
xoắn của khâu 
i
là góc giữa z
i-1

và z
i
đƣợc đo đối với x
i-1
; khoảng cách của 2
khâu d
i
là khoảng cách giữa x
i-1
và x
i
đo dọc theo z
i
, cuối cùng góc khớp 
i
là
góc giữa trục x
i-1
và x
i
đo với z
i
.
14

Để xác định vị trí và hƣớng của hệ trục x
i
y
i
z

i
so với hệ trục x
i-1
y
i-1
z
i-1
ta xây
dựng 3 hệ trục toạ độ trung gian nhƣ trên hình-1.7.
trôc i-l
trôc i
i
x
i

i

1i
z
1i
x
1i
Y
1i
Z
1i
X
i
y
i

z
'
1i
X
'
1i
Z
'
1i
Y
i
Z
i
X
Kh©u i
Kh©u i-1
1i
y
H×nh 1.7- C¸c hÖ to¹ ®é trung gian

Hệ trục toạ độ trung gian thứ nhất là X
i-1
Y
i-1
Z
i-1
có đƣợc bằng cách quay
hệ toạ độ x
i-1
y

i-1
z
i-1
một góc 
i
quanh trục x
i-1
.
Hệ trục toạ độ trung gian thứ hai là
'
1
'
1
'
1  iii
ZYX
nhận đƣợc từ phép tịnh tiến
hệ toạ độ X
i-1
Y
i-1
Z
i-1
một đoạn a
i
dọc theo X
i-1
.
Hệ trục toạ độ trung gian thứ ba là X
i

Y
i
Z
i
có đƣợc bằng cách quay hệ toạ
độ thứ hai một góc 
i
quanh trục
'
1i
Z
. Rõ ràng là hệ x
i
y
i
z
i
nhận đƣợc bằng
cách tịnh tiến hệ X
i
Y
i
Z
i
một đoạn d
i
dọc theo Z
i
.
Ma trận chuyển cấp 4 từ hệ x

i
y
i
z
i
đến hệ X
i
Y
i
Z
i
phụ thuộc chỉ một tham số
d
i
, đó là:
15












1000
100

0010
0001
1
i
d
A

Ma trận chuyển cấp 4 từ hệ X
i
Y
i
Z
i
đến hệ
'
1
'
1
'
1  iii
ZYX
chỉ phụ thuộc 
i
đó
là:













1000
0100
00cossin
00sincos
2
ii
ii
A



Hoàn toàn tƣơng tự, ta nhận đƣợc A
3
và A
4
là ma trận chuyển cấp 4 từ hệ
'
1
'
1
'
1  iii
ZYX

đến X
i-1
Y
i-1
Z
i-1
và từ X
i-1
Y
i-1
Z
i-1
đến x
i-1
y
i-1
z
i-1
là:












1000
0100
0010
001
3
i
a
A













1000
0cossin0
0sincos0
0001
4
ii
ii
A




Vậy ma trận chuyển cấp 4 từ hệ x
i-1
y
i-1
z
i-1
đến hệ x
i
y
i
z
i
sẽ là:
















1000
cossin0
sincossincoscossin
cossinsinsincoscos
43211
iii
iiiiiii
iiiiiii
i
i
d
a
a
AAAAA






16

1.2- GIỚI THIỆU SƠ LƢỢC VỀ MÁY XÚC MỘT GẦU DẪN ĐỘNG
BẰNG THUỶ LỰC:
1.2.1- Đặc điểm chung của máy xúc một gầu dẫn động bằng thuỷ lực:
Trong khoảng ba chục năm trở lại đây, các máy xúc một gầu dẫn động
thuỷ lực đã đƣợc phát triển mạnh mẽ và đang thay thế dần các máy xúc có bộ
truyền động cơ khí. Đặc biệt từ sau năm 1975, các máy xúc thuỷ lực cỡ nhỏ
và vừa hầu nhƣ là loại máy xúc duy nhất đƣợc chế tạo tại các nƣớc công
nghiệp phát triển và đƣợc trao đổi, buôn bán thịnh hành trên thị trƣờng thế

giới. Sở dĩ máy xúc thuỷ lực đƣợc ƣu tiên phát triển nhƣ vậy là do so với máy
xúc truyền động cơ khí chúng có các ƣu điểm căn bản sau:
- Điều chỉnh vô cấp đƣợc tốc độ làm việc, do vậy thích hợp với sự biến
đổi phức tạp của lực cản đào trong quá trình công tác.
- Máy làm việc êm, an toàn khi quá tải, tuổi thọ cao, độ tin cậy lớn.
- Kích thƣớc nhỏ gọn, trọng lƣợng bé.
- Làm việc chính xác, quỹ đạo đào đa dạng, do vậy có thể đảm đƣơng
đƣợc những nhiệm vụ phức tạp.
- Có thể trang bị đƣợc nhiều thiết bị công tác hơn, do vậy tính vạn năng
cao hơn.
- Chăm sóc kỹ thuật đơn giản.
Các máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực hiện nay thƣờng có dung tích từ
0,25  2,5 m
3
và rất đa dạng về hình dáng. Có thể phân thành các loại dựa
theo đặc điểm sau:
- Theo kết cấu tổng thể: loại treo trên máy kéo (có góc quay hạn chế) và
loại đặt trên bệ máy chuyên dùng (quay đƣợc cả vòng).
17

- Theo thiết bị di chuyển: loại bánh hơi và loại bánh xích.
- Theo kết cấu của thiết bị công tác: loại cần đơn và loại cần lồng.
Do đƣợc trang bị bộ truyền động thuỷ lực, máy xúc một gầu dẫn động
bằng thuỷ lực có cấu tạo khác với máy xúc truyền động cơ khí. Thiết bị công
tác gồm các cơ cấu nâng hạ cần, tay gầu, quay gầu là các xilanh thuỷ lực và
hệ thống dẫn động thuỷ lực thƣờng là thiết bị thuỷ lực cao áp khoảng 1535
Mpa, đặc biệt là các bơm thuỷ lực có thể điều chỉnh đƣợc lƣu lƣợng và áp
suất.
Quá trình đào đất của máy xúc một gầu dẫn động bằng thuỷ lực có thể
đƣợc tiến hành theo các cách sau:

- Gầu và tay gầu cố định, cần chuyển động nhờ xilanh cần.
- Cần và gầu cố định, tay gầu chuyển động nhờ xilanh tay gầu.
- Cần và tay gầu cố định, gầu chuyển động nhờ xilanh gầu.
- Cần và tay gầu hoạt động đồng thời nhờ các xilanh tƣơng ứng.
1.2.2- Cơ sở tính toán thiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn động
thuỷ lực:
Khi tính toán thiết kế các thiết bị công tác của máy xúc thuỷ lực, điều quan
trọng nhất là cần phải xác định đƣợc các thông số sau:
- Hệ thống lực tác dụng lên các cụm kết cấu.
- Lực tác dụng lên các xilanh thuỷ lực.
- Công suất cần thiết để bộ công tác có thể hoạt động đƣợc.
Để xác định đƣợc các thông số trên, trƣớc hết là phải xác định đúng các
kích thƣớc cơ bản của thiết bị công tác. Sau đó, lựa chọn các trạng thái làm
việc điển hình để tính toán. Trong trạng thái làm việc điển hình, hệ thống lực
18

tác dụng lên các thiết bị công tác, đặc biệt là lực tác dụng lên các xilanh thuỷ
lực là có giá trị lớn nhất.
Sau khi xác định đƣợc hệ thống lực sẽ tiến hành tính toán kết cấu thép.
Để tính toán bộ truyền động thuỷ lực trên thiết bị công tác của máy xúc
một gầu, thông thƣờng ngƣời ta chọn trƣớc áp lực làm việc của hệ thống thuỷ
lực. Hành trình và tốc độ làm việc của các xilanh cũng có thể định ra trong
bƣớc tính toán sơ bộ. Đƣờng kính và các thông số khác của xilanh sẽ đƣợc
xác định sau khi tính đƣợc lực tác dụng lớn nhất vào nó.
Tính toán thiết bị gầu xúc tuỳ theo các cách đào mà xác định trƣờng hợp
tính điển hình. Hình (1.8) đƣa ra một mô hình tính toán điển hình cho trƣờng
hợp cần và tay gầu cố định, gầu quay quanh khớp bản lề nối với tay gầu nhờ
xilanh gầu, mô hình mô tả sơ đồ lực tác dụng lên thiết bị gầu ở trạng thái tính
toán.
Fn

Ft
Gg
Fi
Fg
Fg
Gtg
Gc
Ftg
Fc
B
A
C
D
D
N
N
R
E

19

Hình 1.8- Sơ đồ lực tác dụng lên thiết bị gầu xúc
Khi tính toán có thể tính trƣớc lực đẩy tối đa của xi lanh gầu F
gmax
theo
công thức:
F
gmax
= P
max

.S
xl

trong đó: P
max
- là áp lực làm việc tối đa của dầu trong hệ thống thuỷ lực.
S
xl
- diện tích làm việc của pittông thuộc xy lanh thuỷ lực.
1.2.3- Lực tƣơng hỗ giữa gầu và đất trong quá trình đào:
Sự tƣơng 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 trƣờng hợp đó là:
- Đào đất thuần tuý, tức đất bị bong ra dƣới tác dụng của lƣỡi đào giống
nhƣ ta dùng cuốc, xẻng; nhƣng để đo lực cản thống nhất thƣờng ngƣời
ta đào bằng lƣỡi đào mẫu.
- Đào đất và tích lại khi chúng bong ra dƣới tác dụng của lƣỡi đào.
Trong hàng loạt trƣờng hợp, năng lƣợng cần thiết trong quá trình đào đất và
tích lại trong gầu xúc lớn hơn so với quá trình đào thuần tuý trong cùng điều
kiện về chất đất, hình dạng lƣỡi đào và kích thƣớc vỏ bào.
h
n
F
x
b



t
F





n
F
t
F
0
F

20

Hình 1.9- Biểu diễn lực tƣơng tác giữa gầu và đất
Trên hình-1.9 Biểu diễn lực tƣơng tác giữa gầu và đất, hình dạng lƣỡi đào
và kích thƣớc vỏ bào.
b, h – kích thƣớc vỏ bào

- góc trƣớc

- góc sau

- góc lƣỡi cắt

=

+

- góc đào
F
0

- lực cản đào tổng hợp
F
t
, F
n
-

lực cản đào tiếp tuyến và pháp tuyến với quỹ đạo đào (theo lý
thuyết N.G Dombrôvski).
Quan sát quá trình đào thuần tuý có thể thấy nhƣ sau: Đầu tiên đất trƣớc
lƣỡi đào bị dồn lại, khi lực đào lớn bằng sức chống cắt tối đa thì đất bị bong
ra thành vỏ bào.
Đào đất có thể gặp ba trƣờng hợp: trƣờng hợp thứ nhất gặp khi xuất phát
đào (xuất hiện cả lực cản đào hai bên thành gầu); trƣờng hợp thứ hai là đào
lấn dần (chỉ xuất hiện lực cản đào một bên thành gầu); trƣờng hợp 3 đó là đào
hớt, chỉ có lực cản đào thẳng trƣớc lƣỡi đào.
Môi trƣờng đất là môi trƣờng rất phức tạp, bộ công tác đào đất và phƣơng
pháp đào cũng rất khác nhau, điều này cũng ảnh hƣởng đến sự xác định lực
cản đào, cho đến nay, một công thức chính xác để tính lực cản đào đất dù là
đào đất thuần tuý, vẫn chƣa có. Nhiều nhà khoa học đã bỏ công nghiên cứu
vấn đề này nhƣ: E. Dinlinger; Nerlo – Nerli; N.G. Dombrovski; M.I.
Galperin; Ju.A. Vetrov; A.N. Zelenin …