Tính toán động học, động lực học và mô phỏng máy xúc

Luận án tốt nghiệp

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. 4
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... 5
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. 10
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 11
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MÁY XÚC MỘT GẦU ........................................ 12
1.1 Công dụng máy xúc một gầu ......................................................................... 12
1.2 Phân loại máy xúc một gầu ............................................................................ 13
1.3 Cấu tạo máy xúc một gầu nghịch dẫn động thủy lực ..................................... 15
1.4 Các bộ phận chính máy xúc một gầu nghịch ................................................. 17
1.4.1 Gầu nghịch ............................................................................................. 17
1.4.2 Tay cần .................................................................................................. 17
1.4.3 Cần ......................................................................................................... 18
1.5 Tính toán chung máy xúc một gầu ................................................................. 18
1.5.1 Nhiệm vụ tính toán ................................................................................ 18
1.5.2 Xác định sơ bộ thông số chủ yếu máy xúc một gầu .............................. 19
1.5.3 Tính toán các cơ cấu của thiết bị làm việc máy xúc một gầu ................ 22
1.5.4 Tính cân bằng bàn quay và đối trọng .................................................... 25
1.5.5 Độ ổn định máy xúc gầu nghịch ............................................................ 26
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÁY XÚC MỘT GẦU ...... 28
2. 1 Cơ sở phương pháp ma trận Craig ................................................................ 28
2.1.1 Các tọa độ thuần nhất và phương pháp biển đổi thuần nhất ................. 28
2.1.1.1 Định nghĩa ma trận cosin chỉ hướng ............................................. 28
2.1.1.2 Ý nghĩa ma trận cosin chỉ hướng .................................................. 29
2.1.1.3 Định nghĩa các tọa độ thuần nhất ................................................. 30
2.1.1.4 Biến đổi phép cộng vecto 3 chiều thành nhân vecto 4 chiều ....... 31
2.1.2 Phép biến đổi ma trận thuần nhất và tọa độ thuần nhất ....................... 32

2.1.3 Ma trận nghịch đảo của ma trận biến đổi thuần nhất ........................... 33
2.1.4 Các ma trận quay và tịnh tiến cơ bản thuần nhất .................................. 34
Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-1-


Luận án tốt nghiệp

2.1.5 Các ma trận quay cơ bản và tịnh tiến thuần nhất ........................................ 35
2.2 Phương pháp ma trận Craig ........................................................................... 36
2.2.1 Cách xác định các trục của hệ tọa độ khớp ............................................ 36
2.2.2 Các tham số động học Craig .................................................................. 38
2.2.3 Ma trận Craig ........................................................................................ 39
2.3 Bài toán động học thuận................................................................................. 40
2.3.1 Xác định vị trí khâu thao tác và điểm tác động cuối .............................. 41
2.3.1.1 Xác định vị trí khâu thao tác .......................................................... 41
2.3.1.2 Xác định vị trí điểm tác động cuối ................................................. 42
2.3.2 Xác định vận tốc và gia tốc điểm tác động cuối .................................... 42
2.3.3 Xác định vận tốc và gia tốc góc các khâu tay máy ................................ 43
2.4 Bài toán động học ngược ............................................................................... 44
2.4.1 Tọa độ khớp và tọa độ thao tác .............................................................. 44
2.4.2 Phương pháp giải bài toán động học ngược ........................................... 46
2.5 Bài toán động lực học .................................................................................... 48
2.5.1 Phương trình Lagrange loại 2.................................................................. 48
2.5.2 Biến đối phương trình vi phân chuyển động ........................................... 53
2.5.3 Dạng ma trận của phương trình Lagrange loại 2 .................................... 54
2.5.4 Dạng ma trận mới của phương trình Lagrange loại 2 ............................. 61

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MÁY XÚC ........ 64
3.1 Nhiệm vụ tính toán thiết kế ............................................................................ 64
3.2 Tính toán động học thuận............................................................................... 64
3.3 Xây dựng phương trình quỹ đạo làm việc gầu xúc ........................................ 65
3.4 Tính toán động học ngược ............................................................................. 67
3.5 Tính toán động lực học .................................................................................. 68
3.6 Bài toán động lực học ngược ......................................................................... 71
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG MÁY XÚC ...................................... 84
4.1 Khái quát công việc mô phỏng ...................................................................... 84
4.2 Xây dựng phương trình quỹ đạo làm việc gầu xúc ........................................ 85
4.2.1 Xuất đối tượng Solidworks sang file dạng *.STL.................................. 85
4.2.2 Biên dịch file dạng *.STL sang file lưu trữ tọa độ các đỉnh .................. 86
Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-2-


Luận án tốt nghiệp

4.3 Đọc dữ liệu tính toán ...................................................................................... 86
4.4 Cấu trúc chương trình máy xúc ...................................................................... 90
Phụ lục 1: Xây dựng phương trình vi phân chuyển động bằng Maple ........ 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 99
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 100

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-3-


Luận án tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Ngô Trung Dũng.
Sinh ngày 15 tháng 10 năm 1986.
Học viên cao học: Chuyên ngành: Cơ Học Kỹ Thuật. Khoá 2009-2011. Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin cam đoan:
Đề tài: “ Tính toán động học, động lực học và mô phỏng máy xúc “ do
GS.TSKH Đỗ Sanh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các
tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 06 tháng 06 năm 2012
Tác giả

Ngô Trung Dũng

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-4-


Luận án tốt nghiệp

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ĐƯỢC SỬ DỤNG
STT

Ký hiệu

1

Ci

cos(qi)

2

Cij

cos(qi + qj)

3

Si

sin(qi)

4

Sij

vCi

sin(qi + qj)


vCi

Vận tốc khối tâm Ci đối với hệ quy chiếu Rk


ωi

Vận tốc góc khâu thứ i đối với hệ quy chiếu R0

5

k

6
7



ωi

Diễn giải

Vận tốc khối tâm Ci đối với hệ quy chiếu R0

9

ω(i 0)

Vận tốc góc khâu thứ i đối với hệ quy chiếu Rk

Véc tơ đại số của ωi trong R0

10

ω(i i )


Véc tơ đại số của ωi trong Ri

k

8



11

k

ωi( 0)

Véc tơ đại số của kωi trong R0

12

k

ω(i i )

Véc tơ đại số của kωi trong Ri

13

v (Ci)
0


Véc tơ đại số của vCi trong R0

14

v (Cii )


Véc tơ đại số của vCi trong Ri

( 0)
v Ci

Véc tơ đại số của k vCi trong R0

v Ci

Véc tơ đại số của k vCi trong R0

(i )
v Ci

Véc tơ đại số của k vCi trong Ri

r,r

Tọa độ vật lý của một điểm

19

h

Tọa độ thuần nhất của một điểm

20

Ci

Ma trận Craig của khâu thứ i so với hệ R0

21

Ki

Ma trận Craig của khâu thứ i so với hệ Ri-1

22

Ai

Ma trận côsin chỉ hướng của khâu i so với hệ quy chiếu R0

23

k

Ma trận côsin chỉ hướng của khâu i so với hệ quy chiếu Rk

15

k

16

k

17

k

18

ph

r

Ai








Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-5-


Luận án tốt nghiệp

STT

Ký hiệu

Diễn giải

24

Li

25

mi

26

M (q )

Ma trận khối lượng suy rộng thực tế

27


M (q )

Ma trận khối lượng suy rộng của bộ điều khiển

28

 (q )
M

Sai số của ma trận khối lượng suy rộng

29

Ii

30

I i( i )

31

J Ti

Ma trận Jacobi tịnh tiến của khâu i

32

J Φi

Ma trận Jacobi quay của khâu i

33

JA

Ma trận Jacobi giải tích

34

JB

Ma trận Jacobi hình học

35

C ( q, q )

36

ˆ ( q, q )
C

37

 ( q, q )

C

38

qi

Tọa độ suy rộng thứ i (biến khớp i)

39

q

Véc tơ tọa độ suy rộng

40

qi

Vận tốc suy rộng thứ i

41

q

Véc tơ vận tốc suy rộng

42

qi

Gia tốc suy rộng thứ i

43


q

Véc tơ gia tốc suy rộng

44

ei

Sai số của biến khớp thứ i

45

e

Véc tơ sai số của véc tơ tọa độ suy rộng

Ma trận côsin chỉ hướng của khâu i so với hệ quy chiếu
Ri-1 (Li = i-1Ai)
Khối lượng khâu thứ i

Tenxơ quán tính khối của khâu i trong hệ quy chiếu R0
Tenxơ quán tính khối của khâu i trong hệ quy chiếu quán
tính Ri

Ma trận hệ số quán tính ly tâm và Côriôlis của mô hình

thực
Ma trận hệ số quán tính ly tâm và Côriôlis của mô hình
điều khiển
Sai số giữa C ( q, q ) và Cˆ ( q, q )

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-6-


Luận án tốt nghiệp

STT

Ký hiệu

Diễn giải

46

ei

Sai số của vận tốc suy rộng thứ i

47

e

Véc tơ sai số của vận tốc suy rộng

48

ei

Sai số của gia tốc suy rộng thứ i

49

e

Véc tơ sai số của gia tốc suy rộng

50

si

Sai số suy rộng của véc tơ tọa độ suy rộng thứ i

51

s

Véc tơ sai số suy rộng của tọa độ suy rộng

52

s

Véc tơ sai số suy rộng của vận tốc suy rộng

53

s

Véc tơ sai số suy rộng của gia tốc suy rộng

54

n

Số tọa độ của khâu thao tác

55

m

Số bậc tự do của hệ

56

T

Động năng tay máy

57

Π

Thế năng tay máy

58

x

Véc tơ tọa độ khâu thao tác

59

x

Véc tơ vận tốc khâu thao tác

60

x

Véc tơ gia tốc khâu thao tác

61

x = f (q)

Phương trình động học rôbôt

62

τi

Mômen hoặc lực suy rộng tác dụng lên khớp i

63

τ

Véc tơ mômen điều khiển

64

kPi

Hệ số điều khiển quán tính cho động cơ khớp i

65

kDi

Hệ số điều khiển vi phân cho động cơ khớp i

66

kIi

Hệ số điều khiển tích phân cho động cơ khớp i

67

KP

Véc tơ hệ số điều khiển quán tính

68

KD

Véc tơ hệ số điều khiển vi phân

69

KI

Véc tơ hệ số điều khiển tích phân

70

KSi

Hệ số điều khiển trượt cho động cơ khớp i

71

KS

Véc tơ hệ số điều khiển trượt

72

ϕ,ψ , θ

Ba góc quay theo các trục của khâu

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-7-


Luận án tốt nghiệp

STT

Ký hiệu

73

V(x)

74

PD

75

PID

76

T

Diễn giải
Hàm Lyapunov
Proportion - Diff
Tỷ lệ - Vi phân
Proportion - Integral - Diff
Tỷ lệ - Tích phân - Vi phân
Ma trận biến đổi thuần nhất

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-8-


Luận án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 ................................................................................................................ 13
Hình 1.2 ................................................................................................................ 15
Hình 1.3 ................................................................................................................ 16
Hình 1.4 ................................................................................................................ 17
Hình 1.5 ................................................................................................................ 18
Hình 1.6 ................................................................................................................ 18
Hình 1.7 ................................................................................................................ 22
Hình 1.8 ................................................................................................................ 24
Hình 1.9 ................................................................................................................ 25
Hình 1.10 .............................................................................................................. 25
Hình 1.11 .............................................................................................................. 26

Hình 1.12 .............................................................................................................. 27
Hình 2.1 ................................................................................................................ 28
Hình 2.2 ................................................................................................................ 29
Hình 2.3 ................................................................................................................ 30
Hình 2.4 ................................................................................................................ 30
Hình 2.5 ................................................................................................................ 30
Hình 2.6 ................................................................................................................ 31
Hình 2.7 ................................................................................................................ 31
Hình 2.8 ................................................................................................................ 33
Hình 2.9 ................................................................................................................ 36
Hình 2.10 .............................................................................................................. 37
Hình 2.11 .............................................................................................................. 38
Hình 2.12 .............................................................................................................. 41
Hình 2.13 .............................................................................................................. 43
Hình 2.14 .............................................................................................................. 47
Hình 2.15 .............................................................................................................. 48
Hình 2.16 .............................................................................................................. 51
Hình 3.1 ................................................................................................................ 64
Hình 3.2 ................................................................................................................ 66
Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-9-


Luận án tốt nghiệp

Hình 3.3 ................................................................................................................ 68
Hình 3.4 ................................................................................................................ 71

Hình 3.5 ................................................................................................................ 83
Hình 3.6 ................................................................................................................ 83

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 ............................................................................................................... 20
Bảng 1.2 ............................................................................................................... 21
Bảng 2.1 ............................................................................................................... 39
Bảng 3.1 ............................................................................................................... 66
Bảng 3.2 ............................................................................................................... 71

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-10-


Luận án tốt nghiệp

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại ngày nay, công nghệ cơ điện tử đòi hỏi người kỹ sư phải có
kiến thức vững chắc về cơ khí nói chung cũng như cơ kỹ thuật nói riêng. Đồng
thời người kỹ sư phải có hiểu biết về các loại máy móc phổ biến trong thực tiễn
đời sống ngày nay. Vì lý do đó tác giả đã chọn đề tài “Tính toán động học, động
lực học và mô phỏng máy xúc” cho luận văn cao học của mình. Luận văn tìm
hiểu về máy xúc, một loại máy xây dựng phổ biến và rất hữu ích trong thi công
xây dựng ngày nay. Luận văn giúp tìm hiểu quá cơ cấu làm việc, quá trình vận
hành và điều khiển máy xúc. Từ nguyên lý chung cho máy xúc một gầu ta có thể
áp dụng cho các loại máy xúc khác.
Luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về máy xúc. Chương này em giới thiệu về các loại máy
xúc, các ứng dụng của máy xúc trong các lĩnh vực sản xuất. Chương này em
cũng giới thiệu cấu tạo chung của máy xúc.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết cho bài toán tính toán động học và động lực học máy
xúc. Chương này em xin giới thiệu những lý thuyết cơ bản dùng trong tính toán
động học và động lực học cho máy xúc.
Chương 3: Tính toán động học và động lực học máy xúc. Chương này đi cụ thể
vào bài toán động học và động lực học máy xúc.
Chương 4: Mô phỏng hoạt động của máy xúc.
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Đỗ Sanh, Viện Cơ khí Đại học
BKHN đã tận tình hướng dẫn và Ths Trần Đức đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả hoàn
thành luận văn này. Do hiểu biết và khả năng của tác giả còn một số điểm hạn
chế nên luận văn chắc sẽ có những vấn đề sai sót, kính mong các thầy cô tận tình
giúp đỡ và đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả

Ngô Trung Dũng

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-11-


Luận án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU MÁY XÚC MỘT GẦU NGHỊCH
1.1 CÔNG DỤNG MÁY XÚC MỘT GẦU

Máy xúc một gầu được sử dụng chủ yếu 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 thủy lợi, xây dựng cầu đường…Cụ thể nó
có thể phục vụ các công việc sau:
+ 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,
điện thoại, bốc xúc vật liệu ở các bãi, kho chứa vật liệu. Ngoài ra có lúc làm việc
thay cần trục khi lắp các ống thoát nước hoặc thay các búa đóng cọc để thi công
móng cọc, phục vụ thi công 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 ta-luy khi thi công đường sát 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 nổ sau mìn,…).
+ Trong các lĩnh vực khác: Nhào trộn vật liệu trong các nhà máy hóa chất
(phân lân, cao su,…). Khai thác đất cho các nhà máy gạch, sứ,… Tiếp liệu cho
các trạm trộn bê-tông át-phan… Bốc xếp vật liệu trong các ga tàu, 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 như: Cần trục, búa đóng cọc, thiết bị ấn bấc thấm,…

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-12-


Luận án tốt nghiệp

Hình 1.1: Các loại máy xúc một gầu và các dạng thiết bị lắp lẫn khác
a, Máy xúc gầu thuận dẫn động cơ khí; b)Máy xúc gầu thuận dẫn động thủy lực;
c) Máy xúc gầu bào; d) Máy xúc gầu nghịch dẫn động cơ khí; đ) Máy xúc gầu
nghịch dẫn động thủy lực; e) Cần trục; f) Máy xúc gầu ngoạm dẫn động cơ khí; i)
Máy xúc gầu ngoạm dẫn động thủy lực; k) Máy đóng cọc; l) Máy xúc gầu dây;
m) Máy xúc lật; n) Máy ấn thấm bấc dẫn động thủy lực.
1.2 PHÂN LOẠI MÁY XÚC MỘT GẦU
a) Phân loại theo dạng thiết bị làm việc:
+ Máy xúc gầu thuận (gầu ngửa).
_ Dẫn động cơ khí.
Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-13-


Luận án tốt nghiệp

_ Dẫn động thủy lực.
Loại máy này thường làm việc ở nơi cao hơn mặt đứng của máy.
+ Máy xúc gầu nghịch (gầu sấp).
_ Dẫn động cơ khí.
_ Dẫn động thủy lực.
Loại máy này thường làm việc ở nơi thấp hơn mặt bằng đứng của máy.
+ Máy xúc gầu dây (gầu quăng, gầu kéo).
+ Máy xúc gầu ngoạm.
_ Dẫn động cơ khí.
_ Dẫn động thủy lực.

+ Máy xúc gầu bào.
+ Máy xúc lật (máy bốc xếp).
b) Phân loại theo hệ số dẫn động của thiết bị làm việc
+ Máy xúc một gầu dẫn động cơ khí (cáp).
+ Máy xúc một gầu dẫn động thủy lực.
c) Phân loại theo hệ số di chuyển
+ Máy xúc một gầu di chuyển bằng bánh lốp.
+ Máy xúc một gầu di chuyển bằng xích.
+ Máy xúc một gầu di chuyển bằng bánh sắt chạy trên ray.
+ Máy xúc một gầu di chuyển bằng phao.
+ Máy xúc một gầu di chuyển tự bước.
d) Phân loại theo động cơ trang bị trên máy
+ Máy xúc một gầu trang bị một động cơ (dẫn động chung).
+ Máy xúc một gầu trang bị nhiều động cơ cùng loại (dẫn động riêng).
+ Máy xúc một gầu trang bị tổ hợp: động cơ đi-ê-zen – máy phát – động cơ
điện.
e) Phân loại theo dung tích gầu xúc
+ Máy xúc một gầu cỡ nhỏ: loại máy có dung tích gầu q < 1m3.
+ Máy xúc một gầu cỡ trung bình: loại máy có dung tích gầu q = 1…2 m3.
+ Máy xúc một gầu cỡ lớn: loại máy có dung tích gầu q > 2m3.
f) Phân loại theo công dụng
Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-14-


Luận án tốt nghiệp

+ Máy xúc một gầu thông dụng.
+ Máy xúc một gầu chuyên dụng.
1.3 CẤU TẠO MÁY XÚC GẦU NGHỊCH DẪN ĐỘNG THỦY LỰC

Hình 1.2: Sơ đồ kết cấu máy xúc gầu nghịch dẫn động thủy lực
1. Cơ cấu di chuyển; 2. Cơ cấu quay; 3. Bàn quay; 4. Xi lanh nâng hạ cần; 5. Gầu
xúc; 6. Xi lanh điều khiển gầu; 7. Tay gầu; 8. Xi lanh điều khiển tay gầu; 9. Cần;
10. Ca bin; 11. Động cơ và các bộ truyền động; 12. Đối trọng.
Kết cấu của máy 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 (1) chủ yếu di chuyển máy trong công
trường. Nếu cầu di chuyển máy với cự ly lớn phải có thiết bị vận chuyển chuyên
dùng. Cơ cấu quay (2) dùng để thay đổi vị trí của gầu trong mặt phẳng ngang
trong quá trình đào và xả đất. Trên bàn quay (3) người ta bố trí động cơ, các bộ
truyền động cho các cơ cấu,… Ca bin (10) là nơi tập trung cơ cấu điều khiển toàn
bộ hoạt động của máy. Đối trọng (12) là bộ phận cân bằng bàn quay và ổn định
của máy.
Phần thiết bị công tác: Cần (9) một đầu được lắp khớp trụ với bàn quay
còn đầu kia được lắp khớp với tay cầm. cần được nâng lên hạ xuống nhờ xi lanh
duỗi được nhờ xilanh (8). Điều khiển gầu xúc (5) nhờ xi lanh (6). Gầu thường
được lắp thêm các răng để làm việc ở nền đất cứng
Nguyên lý làm việc:
Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-15-


Luận án tốt nghiệp

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, nhưng nền đất mềm và chỉ có xi
lanh quay gầu để cát đất). Đất được xả qua miệng gầu. Máy 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. Đưa gầu vươn xa máy và hạ xuống, răng gầu
tiếp xúc với nền đất. Gầu tiến hành cắt đất và tích đất vào gầu từ vị trí I cho đến
II nhờ xi lanh (8) hoặc kết hợp với xi lanh(4).
Quỹ đạo chuyển động của răng gầu trong quá trình cắt đất là một đường
con. Chiều dày phoi cắt thông thường thay đổi từ bé đến lớn. Vị trí II gầu đầy đất
và có chiều dày phoi đất lớn nhất. Đưa gầu ra khỏi tầng đào và nâng gầu lên nhờ
xi lanh (4). Quay máy về vị trí xả đất nhờ cơ cấu quay (2). Đất có thể xả thành
đống hoặc xả vào thiết bị vận chuyển. Đất được xả ra khỏi miệng gầu nhờ xi lanh
(6). Quay máy về vị trí làm việc tiếp theo với một chu kì hoàn toàn tương tự.
Các cơ cấu dẫn động thủy lực:

Hình 1.3: Sơ đồ dẫn động thủy lực một dòng chảy có cung cấp nối tiếp
Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-16-


Luận án tốt nghiệp

1. Bơm thủy lực; 2. Van áp lực; 3. Khối van phân phối; 4. Nhánh ống đến động
cơ thủy lực của bộ phận phụ; 5. Xi lanh nâng hạ cần; 6. Xi lanh co duỗi tay cần;
7. Cơ cấu lái; 8. Xi lanh quay gầu; 9. Van một chiều; 10. Động cơ của cơ cấu di
chuyển; 11. Xi lanh chân chống ngoài; 12. Mối liên hệ ngược của cơ cấu lái.

1.4 CÁC BỘ PHÂN CHÍNH CỦA MÁY XÚC MỘT GẦU NGHỊCH
1.4.1 Gầu nghịch
Cấu tạo của gầu được mô tả trong hình 1.4

Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo gầu xúc của máy xúc gầu nghịch dẫn động thủy lực
1. Răng gầu; 2. Đai trước; 3. Răng bên; 4. Thành bên gầu; 5. Đai miệng gầu; 6.
Tai lắp với tay cần; 7. Tai lắp với tay đòn điều khiển quay gầu; 8. Thành sau; 9.
Chốt răng gầu.
Gầu xúc của máy xúc gầu nghịch có thể chế tạo bằng phương pháp hàn
hoặc đúc. Đáy gầu được chế tạo liền với các thành gầu thành một khối. Số răng
gầu lắp trên đai trước của gầu phụ thuộc vào chiều rộng của gầu và công dụng
của máy.
1.4.2 Tay cần
Tay cần thông thường có kết cấu hàn hình hộp, có thể lắp lẫn khi thay thế
các dạng gầu xích khác nhau hoặc chỉ dung riêng cho từng loại. Sơ đồ cấu tạo thể
hiện ở hình 1.5. Đây chỉ là một kiểu dành cho máy xúc loại nhỏ và vừa.

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-17-


Luận án tốt nghiệp

1.5: Sơ đồ cấu tạo của tay cần dẫn động thủy lực
1. Lỗ lắp pittông co duỗi tay cần; 2. Lỗ lắp với cần; 3. Tai lắp xilanh điều
khiển gầu xúc; 4. Lỗ lắp tay đòn điều khiển gầu xúc; 5. Lỗ lắp với tai gầu xúc
1.4.3 Cần

Cần được kết cấu bằng phương pháp hàn có dạng hình hộp. Chân cần nối
khớp trụ với bàn quay. Độ rộng của chân phải đủ lớn để đảm bảo độ ổn định
ngang khi thiết bị chịu momen xoắn và uốn. Phía đầu cần có lỗ để lắp trục của
cụm puly. Kết cấu của cần có dạng như hình 1.6. Lỗ đầu cần dùng để lắp tay cần
và trên cần có bố trí các tai để lắp xi-lanh thủy lực.

Hình 1.6: Sơ đồ cấu tạo của cần máy xúc gầu thuận dẫn động thủy lực.
1. Lỗ để lắp tay cần; 2. Tai để lắp xilanh co duỗi tay cần; 3. Lỗ để lắp
pittông nâng hạ cần; 4. Cần; 5. Lỗ chân cần để lắp khớp trụ với bàn quay.
1.5. TÍNH TOÁN CHUNG MÁY XÚC MỘT GẦU
1.5.1 Nhiệm vụ tính toán chung
Xuất phát từ yêu cầu hay nhiệm vụ thiết kế, người thiết kế phải đưa ra
được một mô hình của máy mà mình sẽ thiết kế: Loại máy, kích cỡ máy, dung
tích gầu, loại dẫn động, kích thước của bộ phận công tác, tốc độ của các cơ cấu
chính, công suất máy,…
Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-18-


Luận án tốt nghiệp

1.5.2 Xác định sơ bộ thông số chủ yếu của máy xúc một gầu
Chúng ta có thể lựa chọn sơ bộ các thông số và kích thước ban đầu của
máy thiết kế, dựa vào luật đồng dạng sau:

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-19-


Luận án tốt nghiệp

Theo kinh nghiệm thiết kế, đối với máy xúc xây dựng có công suất nhỏ, dung
tích gầu q = 0,28 – 0,4 m3 và G = 9 – 11 tấn thì thời gian một chu kì làm việc tối
ưu là: tck = 14 – 15 giây.
Bảng 1.1Bảng phân bố trọng lượng của các bộ phận chính trong máy
(Tính theo % so với trọng lượng làm việc của máy)
Tên các bộ phân chính

Tỷ lệ %

Bộ phận công tác của máy xúc gầu nghịch

16 – 20

Gầu và đòn gánh

3,5 – 4,5

Tay cần

3,0 – 4,0

Cần

7,0 – 8,0

Xi-lanh điều khiển gầu

0,3 – 0,5

Xi-lanh co duỗi tay cần

0,8 – 1,0

Xi-lanh nâng hạ cần

1,2 – 1,5

Bàn quay và các cơ cấu

36 – 39

Động cơ và khung máy

6,0 – 7,0

Thiết bị thủy lực và thiết bị phụ trợ

6,0 – 10,0

Cơ cấu quay

1,0 – 3,0

Bàn quay

10,0 – 16,0

Bộ phận điều khiển

0,5 – 1,0

Vỏ máy

2,0 – 2,5

Đối trọng

0 – 1,0

Phần di chuyển

38 – 42

Vòng ổ quay

1,0 – 1,8

Khung dưới và vòng bánh răng

7,0 – 10,0

Ngõng trục trung tâm

0,6 – 0,8

Cơ cấu di chuyển

3,0 – 5,0

Khung xích

6,5 – 7,0

Bánh chủ động, bánh bị dộng và bánh tì

5,0 – 10,0

Dải xích

8,0 – 10,0

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-20-


Luận án tốt nghiệp

Bảng 1.2 Mối quan hệ giữa các thông số chủ yếu của máy xúc thủy lực xây dựng
với trọng lượng G(kN) và dung tích gầu (m3)
Thông số và các hệ số

Máy xúc cỡ nhỏ

Máy xúc cỡ vừa

15 – 350

400 – 1300

0,1 – 1,75

2,0 – 5,0

Điều kiện làm việc nhẹ

130 – 180

180 – 220

Điều kiện làm việc nặng

150 – 200

200 – 250

Chiều cao buồng máy

1,25 – 0,85

0,93 – 0,88

Bán kính thành sau vỏ máy

0,95 – 0,90

1,05 – 1,10

Chiều cao khớp chân cần

0,70 – 0,65

0,65 – 0,60

Chiều dài cần (gầu nghịch)

2,1 – 1,8

2,0 – 1,7

Chiều dài tay cần

1,6 – 1,5

1,5 – 1,4

Chiều cao đổ đất

1,6 – 1,5

1,5 – 1,35

Chiều cao xúc

2,15 – 2,05

2,05 – 1,95

Bán kính đổ đất

2,35 – 2,25

2,25 – 2,20

Bán kính xúc

2,65 – 2,52

2,50 – 2,40

Chiều dài cần (gầu dây)

4,50 – 4,60

4,50 – 4,70

Tốc độ nâng gầu (m/s)

0,35 – 0,50

0,40 – 0,65

Lực nâng đơn vị (kN/m3)

180 – 200

150 – 180

Tốc độ kéo gầu (m/s)

0,70 – 0,90

0,90 – 1,20

Tốc độ nâng gầu (m/s)

1,0 – 1,6

1,6 – 2,0

Lực nâng đơn vị (kN/m3)

100 – 140

65 – 100

Bánh xích

1,5 – 4,0

1,3 – 1,6

Bánh lốp

15 – 20

Trọng lượng máy xúc G (kN)
Dung tích gầu xúc tiêu chuẩn q (m )
3

Trọng lượng riêng G/q (kN/m ):
3

Hệ số kích thước máy xúc kA1:

Hệ số kích thước kA2 của máy xúc
nghịch và gầu dây:

Thông số về lực và tốc độ:
Máy xúc gầu thuận nghịch:

Máy xúc gầu dây:

Tốc độ di chuyển:

Áp lực đè trên nền đất (MPa)

0,03 – 0,09

Ngô Trung Dũng

0,095 – 0,13

Lớp COKT09.

-21-


Luận án tốt nghiệp

1.5.3 Tính toán các cơ cấu của thiết bị làm việc của máy xúc một gầu dẫn động
thủy lực
Xác định chiều dày phoi đất lớn nhất.

Hình 1.7: Sơ đồ lực tác dụng lên máy xúc gầu nghịch dẫn động thủy lực.
Giả sử, trong quá trình xúc đất thì khớp liên kết giữa tay cần và cần (khớp
0, hình 1.10) không thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng. Chiều dày phoi đất
lớn nhất khi răng gầu ở cuối quá trình xúc đất (ngang độ cao của khớp 0). Phoi
đất được tích đầy gầu. Như vậy ta có thể viết:
q = Cmax.b.Hn.Kt

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-22-


Luận án tốt nghiệp

Trong quá trình làm việc, gầu xúc tiến hành cắt đất và tích đất vào gầu từ

vị trí I đến vị trí II. Lực trong xi-lanh co duỗi tay cần Ptc sẽ biến thiên từ 0 đến
giá trị lớn nhất.
Từ hình vẽ, ta viết phương trình mô-men đối với khớp O của tất cả các lực
tác dụng vào hệ tay cần và gầu. Ta có:

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-23-


Luận án tốt nghiệp

Hình 1.8: Sơ đồ tính lực quay gầu xúc.
Như vậy, khớp O cố định, gầu quay từ vị trí I đến vị trí II tiến hành cắt
đất và tích đất vào gầu với chiều cao H1. Khi răng gầu kết thúc quá trình cất thì
đạt ở độ cao ngang với khớp O và chiều dày phoi đất lớn nhất.
Xác định:

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-24-


Luận án tốt nghiệp

r01, rg+d, rqg – Khoảng cách tương ứng của các lực tới khớp O.

1.5.4 Tính cân bằng bàn quay và tính chọn đối trọng
Vị trí thứ nhất: thể hiện trên hình 1.9. Trường hợp này gầu tựa lên nền đất
nên trong tính toán bỏ qua trọng lượng của gầu xúc, tay cần. Riêng cần chỉ lấy
một nửa trọng lượng.

Hình 1.9: Sơ đồ xác định đối trọng của máy xúc gầu nghịch ở vị trí thứ nhất.
Vị trí thứ 2: Gầu đầy đất, bắt đầu nang thiết bị làm việc. R2 tác dụng lên
vòng tựa quay phía trước và G2 là nhỏ nhất (Hình 1.10).
Bằng phương pháp họa đồ ta xác định được Gđt.

Hình 1.10: Sơ đồ xác định đối trọng của máy xúc gầu nghịch – vị trí thứ hai.

Ngô Trung Dũng

Lớp COKT09.

-25-