Đồ án tốt nghiệp tính toán thiết kế cải tiến bộ công tác máy đào gầu nghịch PC200

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI :
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢI TIẾN BỘ CÔNG TÁC MÁY
ĐÀO GẦU NGHỊCH PC200 CỦA KOMATSU.
Gvhd : PGS.TS Nguyễn Đăng Cường
Svth : Phùng Văn Ngọc

LỜI NÓI ĐẦU
+) Hiện nay đất nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước
việc cơ giới hoá trong các công trình xây dựng cơ bản là rất quan trọng và ngày càng diển
ra mạnh mẽ. Cơ giới hoá rút ngắn thời gian thi công, giảm nhân lực và mang lại hiệu quả
công việc rất cao. Trong các công trình xây dựng nói chung và thuỷ lợi nói riêng công tác
đất chiếm phần lớn công việc, cơ gới hoá công tác đất cũng đang diễn ra với tốc độ cao
trong đó máy đào giữ vai trò chủ đạo. Công việc chủ yếu của máy đào là đào và vận chuyển
đất, đó khâu đầu tiên trong dây chuyền thi công. Nếu máy đào làm việc hiệu quả thì năng
suất tổ máy tăng và ngược lại nếu máy đào làm việc kém hiệu quả thì dẩn đến năng suất tổ
máy giảm, điều này làm giảm tiến độ thi công
+) Trên thực tế các chủng loại máy đào được sử dụng trong các công trình
xây dựng là rất phong phú và đa dạng, các loại máy đào được nhập từ các nước
tư bản trên thế giới với nhiều chủng loại kích thước và các tính năng ưu việt
khác nhau. Tuy nhiên trong quá trình sử dụng máy do không nắm vững các kỷ
thuật vận hành, bảo dưỡng và sữa chữa nên không thể tránh khỏi sự hỏng hóc
các hệ thống, các bộ phận. Bộ công tác của máy đào cũng không tránh khỏi
vấn đề này do điều kiện làm việc khắc nhiệt tiếp xúc với đất bùn, chịu ma sát
và sự va đập.

Bộ công tác nếu nhập ngoại thì rất đắt, do đó nghiên cứu thiết kế bộ công tác sẽ đem lại lợi
nhuận về kinh tế rất nhiều. Mặt khác đối với điều kiện của đất nước ta hầu hết thi công các

công trình nhỏ và vừa nhưng đôi khi với những loại đất nhẹ ta cần sử dụng bộ công tác có
dung tích gầu lớn để tăng năng suất cũng có trường hợp do điều kiện địa hình di chuyển
khó khăn nên ta không thể cho máy đào tiến lại gần được vì vây đòi hỏi máy có tầm vươn
xa để đào và vận chuyển đất một cách dễ dàng còn khi ta đào các loại đất rắn thì lực cản cắt
lớn yêu cầu phải có môn men lớn vì vậy cánh tay đòn phải ngắn lại
Do đó việc tiến hành thiết kế chế tạo bộ công tác là hoàn toàn có thể.
Chính vì các lý do này mà việc nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ công tác là
rất cần thiết. Do đó em đã được giao đề tài đồ án tốt nghiệp: "Tính toán
thiết kế cải tiến bộ công tác máy đào gầu nghịch PC200 của KOMATSU
" với dung tích gầu 0,6 m3.
Nội dung thuyết minh đồ án được tiến hành với trình tự sau:
* Chương 1: Tổng quan về máy đào gầu nghịch và máy đào PC200.
* Chương 2: Tính toán thiết kế bộ công tác có dung tích gầu q= 0,6 m3.
* Chương 3: Hệ thống thuỷ lực điều khiển bộ công tác.
* Kết luận và những kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐÀO
GẦU NGHỊCH VÀ MÁY ĐÀO PC200 CỦA
KOMATSU
1.1. Máy đào gầu nghịch và tình hình sử dụng ở Việt nam.
1.1.1. Máy đào gầu nghịch.
+ Nhìn chung công nghiệp chế tạo máy xây dựng so với nền công nghiệp
chế tạo máy thì còn non trẻ, thực tế máy làm đất ra đời từ thế kỷ thứ XIX,
khi xuất hiện và dùng rộng rãi máy hơi nước.

+ Trải qua nhiều giai đoạn phát triển, các loại máy xây dựng nói chung và
máy đào nói riêng đã có những thay đổi rất nhiều theo hướng hiện đại và
tiện dụng hơn. Các loại máy đào ngày nay có cấu tạo hiện đại nhằm giúp
người điều khiển vận hành máy được dễ dàng hơn năng suất đào đắp được
nâng cao.


Cấu tạo của máy đào gầu sấp (gầu nghịch) có bộ di chuyển xích bao gồm
các bộ phận chính được thể hiện trong hình:

Hình 1-1: Cấu tạo chung máy đào thuỷ lực gầu sấp
1- Xích di chuyển, 2- Máy cơ sở, 3- Cần, 4- Xi lanh nâng cần,
5- Xi lanh tay gầu, 6- Tay gầu, 7- Xi lanh quay gầu, 8- Gầu

Nguyên lý làm việc của máy đào gầu nghịch.
Loại này đào đất thấp hơn mặt bằng máy đứng. Có thể dùng để đào kênh mương
rãnh đặt đường ống, nạo vét cửa cống, đào giao thông hào, hố móng, khai thác vật
liệu,
Xilanh 4 nâng cần đảm bảo độ nghiêng thích hợp, co xilanh 5 thực hiện việc
duỗi gầu, kết hợp hạ cần bằng xilanh 4 để đặt gầu vào vị trí cắt đất.
Duỗi xilanh 4, nâng gầu, thực hiện việc cắt đất.
Khi gầu đầy đất, cũng là lúc gầu lên tới miệng hố đào, kết hợp các xilanh 4 và 5
nâng gầu lên đến một độ cao nào đó, kết hợp quay đến vị trí đổ.
Thu các xilanh 5 và 7, quay gầu duỗi ra đất được đổ qua miệng gầu.
1.1.2. Tình hình sử dụng máy làm đất ở Việt Nam.
Ở Việt Nam, vào những năm 60 của thế kỷ trước, miền Bắc đã nhập các
loại máy làm đất mà chủ yếu là máy đào để xây dựng các công trình thuỷ lợi,
thuỷ điện, giao thông, khai thác mỏ. Trong giai đoạn này công việc xây dựng
lại đất nước bắt đầu phát triển, do đó công việc bốc xúc vật liệu với khối
lượng lớn đòi hỏi phải cơ giới hoá.
Hiện nay nước ta có rất nhiều các loại máy phục vụ công tác làm đất được
nhập từ các nước tư bản như: Nhật, ý, Thụy Điển, Pháp. Ví dụ: như các loại
máy đào Caterpillar , Volvo, Komatsu, Kobelco, Hitachi, Fiat chế tạo được
nhập vào nước ta để thi công các công trình như nhà máy ximăng Hoàng
Thạch, hồ thuỷ lợi Dầu Tiếng, Thuỷ điện Trị An, và các công việc bốc xúc
trong khai thác mỏ lộ thiên ở Quảng Ninh.

Một số hình ảnh về cải tiến bộ công tác máy đào

1.2. Tìm hiểu về máy đào PC200
1.2.1. Giới thiệu về máy đào PC200 của Nhật.
+ Komatsu là một tập đoàn chuyên sản xuất máy xây dựng có uy tín trên thế
giới đặc biệt là các loại máy làm công tác đất.
+ Là một công ty của Nhật nên Komatsu hiểu rõ những tính chất về địa lý, địa
chất cũng như môi trường của các nước Châu á, do đó các loại máy do Komatsu
chế tạo rất phù hợp với điều kiện sử dụng và bảo quản ở các nước Châu á nói
chung và ở Việt Nam nói riêng.
+ Trong các loại máy của Komatsu được sử dụng ở Việt Nam ta thấy chủ yếu
là các dòng máy PC trong đó PC200 được sử dụng rất rộng rãi, do có kích thước
phù hợp đồng thời giá thành mua vào của máy không quá cao nên PC 200 được
sử dụng nhiều ở Việt Nam .
Do PC200 được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam nên việc sửa chữa, hoặc thay thế
những phần hư hỏng của máy nếu được thực hiện bằng các cơ sở trong nước thì
giá thành sẽ giảm đi đáng kể.
+ Một số hình ảnh về loại máy đào PC200:


Các thông sô chính của bộ công tác.

a. Kích thước của cần.

Theo khảo sát và các tài liệu về máy đào Komatsu PC200 thì các kích thước và
trọng lượng cơ bản của bộ công tác như sau:

Trong đó: A1 = 5725 (mm); A2 = 2515 (mm);


A3 = 3600 (mm); A4 = 3078 (mm);

Khối lượng của cần là: Gc = 1408 (kg) = 13,81 (KN).

Khối lượng của xilanh cần: Gxc = 172 x 2 (kg) = 3,37 (KN).

b. Kích thước tay gầu.
Trong đó:
A1 = 3748 (mm);A2 = 2919 (mm); A3 = 950(mm); A4 = 1185(mm);
A5 = 600(mm); A6 = 610 (mm); A7 = 410(mm);
Khối lượng của tay gầu: Gt = 653 (kg) = 6,406 (KN).
Khối lượng của xilanh tay gầu: Gxt = 226 (kg) = 2,217 (KN).

c. Kích thước gầu.
Trong đó: A1 = 1480 (mm); A2 = 445 (mm); A3 = 450 (mm); A4 = 940;
A5 = 158 (mm); A6 = 750 (mm); A7 = 1200 (mm).
Các bán kính cong của đáy gầu: R1 = 400 (mm); R2 = 800 (mm).
Chiều rộng lòng gầu: 1000 (mm).
Khối lượng của gầu: Gg = 628 (kg) = 6,16 (KN).
Dung tích gầu : q = 0,8 (m3).
Khối lượng của xilanh gầu: Gxg = 136 (kg) = 1,33 (KN).
A2
A7
A1
A5A6

1.2.3. Tính các vị trí ổn định của máy cơ sở.
Để tính toán thiết kế bộ công tác lắp trên máy cơ sở PC200, trước hết ta đi xác
định các vị trí tính ổn định của máy cơ sở PC200. Tại các vị trí trên ta sẽ tìm được
mô men đối với khớp chân cần. Giá trị mô men đó phải được giữ nguyên khi lắp

bộ công tác có dung tích gầu 0,6 m3. Các vị trí tính toán sẽ được trình bày dưới
đây.

1.2.3.1. Vị trí thứ nhất.

Máy đang thực hiện quá trình đào đất, tại một vị trí trên khoang đào thì gầu
gặp phải chướng ngại vật.

M01: - Mô men đối với chân cần được xác định theo công thức:

M01 = Gc.Rc + Gt.Rt+ Gg.Rg+ P01.Rp +Gxc.Rxc + Gxt.Rxt+ Gxg.Rxg.

+ Gc, Gt, Gg , Gxc, G xt, Gxg: trọng lượng cần máy, tay gầu, gầu, xy lanh cần
xy lanh tay gầu và trọng lượng xy lanh gầu.

+ P0- Lực cản đào lớn nhất do chướng ngại vật sinh ra tại răng gầu:

P0 = P1.kđ (2-14a) - [II]

kđ - Hệ số tải trọng động, chọn: kđ = 1,3

P1 - Lực cản đào tiếp tuyến của đất tác dụng lên răng gầu, tính theo công
thức Dombrpxki:

P1 = k.b.Cmax (1); (5-15) - [I]

k - Lực cản đào riêng hay hệ số lực cản đào, (KN/cm2)

+ Vị trí thứ hai.
Khi gầu ở cuối quá trình đào. Gầu vẫn còn cắt đất với chiều dày cắt lớn nhất và

răng gầu chịu lực cản đào P1 ở giai đoạn cuối của quá trình đào đất.
+ Vị trí thứ ba.
Máy đang tiến hành xả đất với vị trí gầu xa nhất, gầu đầy đất, cần hợp với
phương ngang góc α1 = 90, tay gầu hợp với phương ngang góc α2 = 250
+ Vị trí thứ tư.
Máy đang tiến hành xả đất trên dốc, góc dốc tính toán a= 12o.
Qua các vị trí tính toán ta thấy Mômen tại khớp chân cần có giá trị lớn nhất là
M = 313,58 (KNm).
Đối với máy cơ sở có dung tích gầu là q = 0,8 (m3) ;
Có chiều dài cần là L1 = 5725(mm)
Chiều dài tay gầu L2 = 3748 (mm)
Gọi Mtt là mô men của các bộ phận tĩnh và độ thay đổi mômen của bô công từ
khớp chân cần đến tâm máy:

Vậy Tổng mô men của bộ phận gây lật đối với tâm máy là :
M = 313,58+ Mtt :
Khi ta thay thế bộ công tác mới với các thông số hình hoc khác nhau nhưng vẫn phải thoả mãn
điều kiện cân bằng sau
Mcs < Mtk Hay 313,58 + Mtt < Mtk (*)
Từ phương trình trên là cơ sở cho ta đi tính toán bộ công tác mới có tính năng làm việc đa dạng
phù hợp với các công việc khác nhau, đối với máy Komatsu PC200 dung tích gầu nằm trong
khoảng sau 0,45 < q < 1,15 cho nên ta có thể thay thế các bộ công tác khác nhau với dung tích
gầu nằm trong khoảng cho phép:

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN BỘ CÔNG TÁC VỚI DUNG TÍCH GẦU
0,6M3
2.1 Xác định thông số hình học của toàn tay gầu mới

Để xác định sơ bộ các thông số ta dựa vào luật đồng dạng về kích thước , trọng lượng ,
công suất , dung tích gầu , lực …


A : thông số hình học

G : thông số trọng lượng

P : thông số lực

q : dung tích gầu

Xác định các thông số mới :

Cần không đổi : 5,725 (m)

Gầu : 0,6 (m3)


+ Tính toán thong số hình học của tay gầu
+ Để máy làm việc được ổn định thì tổng mô men đối với tâm máy
không đổi.
+ Theo luật đồng dạng ta có

Giải phương trình bậc 4 trên ta dựa vào phương pháp nội suy gần đúng sau dưới
dạng thử dần cho kết quả dưới dây:
L = 4,93 (m)
Với tay gầu mới gồm 2bộ phận :
+ Bộ phận cố định .
+ Bộ phận di động .
2.2. Tính toán thiết kế gầu.
Bề rộng gầu: B = 0,93 (m).
- Chiều dài gầu:

H = 1,01 (m).
- Chiều cao gầu kể cả răng gầu:
L = 1,1 (m).
- Chiều cao không kể răng:
l = 0,81 (m)
- Bán kính cong đáy lòng gầu: R2 = 0,565 (m); R1 = 0,365 (m);
- Bề dày thành gầu, tính theo công thức kinh nghiệm của Stefan Mihailescu:
S0 = 16,86 ÷25,3 (mm).
Chọn: S0 = 20(mm).
- Khối lượng gầu:
Gg = 4,62 (KN)

Từ đó ta thiết kế được gầu như hình vẽ:

Sau khi thông số hình học của gầu ta đi tính lực tác dụng lên gầu và kiểm tra
điều kiện bền của gầu.
Tính bền răng gầu
+ Xem lợi lưỡi cắt như một dầm một đầu ngàm, một đầu tự do. Để quen
thuộc với sơ đồ tính dầm ta quay sơ đồ tính lưỡi cắt như hình vẽ, khi đó ta có
biểu đồ nội lực như sau:
458,1
l
L
H

Tính ứng suất tại mặt cắt nguy hiểm:
t
a
l
P

0
d
b
M
x
q
y

Giải ta được:
Thoả mãn điều kiện bền
Vậy ta chọn răng gầu có kích thước như đã chọn. Và số răng gầu là: 4 răng
2.3 Tính toán thiết kế tay gầu.
2.2.1 Xác định kích thước, khối lượng và các thông số hình học của tay gầu
o
3
P
0
z
0
X
0
o
2
S
xltg
L
G
g
o
3

n n
1467,76
R1R2
P
01
P
02
o
3
o
1
z
0
X
0
o
2
S
xltg

Chiều dài tay gầu cố định là L1 = 2930 (mm)
Chiều dài tay gầu cố định là L1 = 2710 (mm)
+ Tính bền tay gầu.
Vị trí tính toán thứ nhất
G
g
o
3
n n
1467,76

R1R2
P
01
P
02
o
3
o
1
z
0
X
0
o
2
S
xltg

+ Vị trí tính toán thứ hai
Vị trí tính toán này là khi máy nâng lên chiều cao đổ, tay gầu gần như nằm ngang
và máy quay với vận tốc góc lớn nhất và phanh đột ngột. Khi đó mặt cắt nguy
hiểm nhất vẫn là mặt cắt (n-n) đi qua chốt của cần và tay gầu.
2328,21
6144,38
7497,75
R0=5138,87

2.3. Kiểm tra khả năng làm việc của cần.
Vị trí thứ nhất.
Tay gầu có phương vuông góc với cần,cần nghiêng một góc 280

Vị trí thứ hai.
Kết thúc quá trình đào, cần nghiêng một góc -110
Gg
Gtg
o
Rtg=841,97
Rg=1643,18
Gc