TÍNH TOÁN BỘ PHẬN CÔNG TÁC

TÍNH TOÁN BỘ PHẬN CÔNG TÁC
3.1 CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN MÁY ỦI
Sơ đồ lực tác dụng lên máy ủi vạn năng được thể hiện ở hình vẽ:
Hình 3.1 Lực tác dụng lên máy ủi
Lực tác dụng lên máy ủi gồm có:
-Trọng lượng thiết bị ủi : G
TB
=23,4 kN
-Lực nâng thiết bị ủi S. Lực này được lấy giá trị lớn nhất trong các trường hợp
đã tính ở trên
S
max
=181 kN
-Trọng lượng của máy cơ sở.
-Lực kéo tiếp tuyến của máy kéo T
-Phản lực tác dụng lên dao cắt:
Phản lực này với máy ủi vạn năng gồm có 3 thành phần; P
1
,P
2
và P
3
. Tính
cho trường hợp dao cắt đang cắt đất và gặp vật cản thì các lực này có giá trị lớn:
P
max1
=393 kN P
2
=29,7 kN
P
3

=14,63 kN
-Phản lực tại khớp C
Phản lực này có hai thành phần: X
c
và Z
c

3.2 TÍNH BỀN CHO BÀN ỦI
Bộ phận công tác bao gồm : khung ủi, bàn ủi, thanh chống xiên, các cặp
xylanh. Đây chính là bộ phận chính của máy, nó tham gia trực tiếp vào quá trình
làm việc của máy.
Bàn ủi là thiết bị tiếp xúc trực tiếp với đất, trên bàn ủi có gắn lưỡi cắt, bộ phận
này làm nhiệm vụ cắt đất. Bàn ủi được liên kết trực tiếp với khung ủi nhờ một
khớp cầu và thanh chống xiên. Điều khiển góc quay của lưỡi ủi sẽ nhờ cặp
xylanh nối từ khung ủi tới bàn ủi. Lưỡi ủi vạn năng này cũng có thể điều chỉnh
được góc nghiêng của nó so với mặt phẳng ngang nhờ một xylanh nằm ngang.
3.2.1 Chọn vị trí tính toán
Sau khi tính được các lực tác dụng lên bàn ủi, ta chọn được các vị trí mà tại
đó các lực tác dụng lên bàn ủi có giá trị lớn nhất để tính toán sức bền cho bàn
ủi. Các ngoại lực tác dụng lên bàn ủi gồm có:
Phản lực của đất tác dụng lên bàn ủi theo phương ngang P
1
, phản lực này đạt
giá trị lớn nhất khi dao cắt gặp chướng ngại vật trong quá trình cắt. Máy ủi phải
sử dụng lực kéo lớn nhất của máy kéo theo lực bám để khắc phục lực cản P
1

P
max1
=393 kN

Các lực P
2
và S đạt giá trị lớn nhất trong trường hợp máy ủi ở cuối giai đoạn
đào và bắt đầu nâng bàn ủi đầy đất lên phía trước, máy ủi dùng toàn bộ công suất
của động cơ để dẫn động cho cơ cấu nâng thiết bị ủi.
Trong trường hợp này ta có giá trị của các lực P
2
và S như sau:
P
2
=29,7 kN và S= 181 kN
Theo phân tích trên có thể chọn các vị trí tính toán lưỡi ủi như sau:
1. Vị trí I
Dao cắt gặp chướng ngại vật ở giữa dao cắt trong quá trình cắt đất. Điều kiện
tính toán là:
+ Máy ủi di chuyển với vận tốc số I trên mặt phẳng ngang.
+ Khi bàn ủi gặp chướng ngại vật, máy ủi sử dụng lực kéo lớn nhất tính theo
điều kiện bám, có kể đến hệ số tải trọng động k
đ
=1,5
÷
2,5
+ Bàn ủi được đặt vuông góc với trục dọc của máy
2. Vị trí II
Dao cắt gặp chướng ngại vật tại mép dao cắt trong quá trình ấn sâu bàn ủi
xuống đất. Điều kiện tính toán:
+ Máy ủi di chuyển trên mặt phẳng ngang về phía trước
+ Góc quay của bàn ủi (
ϕ=
90

0
)
+ Phản lực theo phương ngang tác dụng lên máy ủi là lớn nhất (sử dụng lực
kéo lớn nhất tính theo điều kiện bám), hệ số tải trọng động k
đ
=1,5
÷
2,5

3. Vị trí III
Dao cắt gặp chướng ngại vật trong quá trình quay bàn ủi. Điều kiện tính toán:
+ Máy ủi di chuyển dọc theo trục dọc máy
+ Hệ số tải trọng động k
đ
=1,5
+ Góc quay của bàn ủi (
ϕ=
60
0
)
Trong các vị trí này thì vị trí I và II là hay xảy ra nhất.
3.2.2 Sơ đồ tính lưỡi ủi
Hình 3.2 Sơ đồ lưỡi ủi gặp vật cản ở cạnh dao cắt

Khi máy ủi gặp vật cản thì thành phần lực P
1
có ảnh hưởng nhiều nhất vì
giá trị này lớn P
max1
=393 kN. Khi xét theo phương ngang thì có thể coi

lưỡi ủi là một dầm có thể quay quanh khớp cầu A.(Khớp cầu A liên kết lưỡi
ủi với khung ủi)
Lưỡi ủi còn liên kết với khung ủi qua hai xylanh thủy lực, khi máy ủi gặp
vật cản thì hai xylanh này cũng chịu lực.
Để dễ tính toán ta có thể coi lưỡi ủi như một dầm siêu tĩnh có một gối cố
định ở vị trí khớp cầu A, hai gối di động ở hai vị trí xylanh quay lưỡi ủi
Với dầm siêu tĩnh này khi tính toán ta sử dụng phần mềm SAP để tính
Sơ đồ tính lưỡi ủi như sau:
Hình 3.3 Sơ đồ tính lưỡi ủi

Sau khi đã vẽ được sơ đồ tính và nhập các giá trị trong SAP ta có các biểu
đồ sau:
Hình 3.4 Biểu đồ mômen
Hình 3.5 Giá trị phản lực tại các gối

Dựa vào hai biểu đồ trên ta thấy mômen ở điểm 4(B) rất lớn và giá trị
phản lực ở các gối di động (vị trí các xylanh) khác nhau nhiều.


1, 1’: Xylanh quay lưỡi ủi
2 : Van phân phối
S
1
, S
2
: Lực kéo vào và đẩy ra của cặp
xylanh quay lưỡi ủi
Hình 3.6 Sơ đồ cặp xylanh quay lưỡi ủi
Do lưỡi ủi cũng liên kết với khung ủi qua hai xylanh thủy lực (1) và(1’).
Đặc điểm của cặp xylanh này là chúng hoạt động đồng thời với nhau và

ngược nhau nên lực trên hai xylanh này xấp xỉ bằng nhau( do có sự ảnh
hưởng của đường kính cán pittông d nên có hệ số
ϕ
, thường
ϕ
=1,25)
Do đó ta không sử dụng trường hợp này để tính toán.
Lực tác dụng lên hai xl này là S
1
và S
2
và S
1
= 1,25.S
2
Hai lực này được đặt tại hai điển B và D.
Trường hợp nguy hiểm khi ta đặt lực S
1
tại B và S
2
tại D
Khi đó viết phương trình mômen quay quanh điểm A (hình 3.7) ta tính
được giá trị của lực trong cặp xylanh này:
∑
A
M
=(S
1
+ S
2

).a - P
1
.l = 0
1,8.S
1
.a = P
1
.l
S
1
=
a
lP
.8,1
.
1
Trong đó:
a: khoảng cách từ lực S tới tâm A a=0,55 mm;
l: khoảng cách từ lực P
1
tới tâm A.
Do máy ủi có thể gặp vật cản tại bất cứ điểm nào trên máy ủi nên sét
trường hợp tổng quát ta cho giá trị l thay đổi và tìm ra vị trí nào có nội lực
lớn nhất để tính.
Vậy có thể sơ đồ hóa lưỡi ủi (theo phương vuông góc với lưỡi) như sau:
Hình 3.7 Sơ đồ tính lưỡi ủi
Thay vị trí mép lưỡi ủi( khi gặp vật cản) bằng một gối di động phản lực tại
gối lúc này chính bằng P
1
là lực mà vật cản tác dụng lên lưỡi ủi (cùng

phương, chiều và độ lớn).
Từ sơ đồ tính này ta có thể vẽ được biểu đồ nội lực(biểu đồ mômen, lực
cắt,…) của lưỡi ủi trong trường hợp này.

3.2.3 Vẽ biểu đồ nội lực
Hình 3.8 Biểu đồ nội lực theo phương ngang của lưỡi ủi
Từ biểu đồ nội lực này ta có thể biết được vị trí lưỡi ủi gặp vật cản sẽ nguy
hiểm nhất.
Trong biểu đồ mômen: mômen ở điểm A là 0,55.S
2
, điểm B là 1,485S
1
-0,55 P
1

Mômen này lớn nhất khi giá trị của S
1
là lớn nhất.
Do S
1
=
a
lP
.8,1
.
1
=
55,0.8,1
.
1

lP
Nên nếu S lớn nhất thì l sẽ lớn nhất, khi đó lưỡi ủi gặp vật cản ở cạnh lưỡi cắt.
Vậy S
1
=
99,0
65,1.393
= 655 kN ( l=1.65 m)
X
A
= P
1
- S
1
+ S
2
= P
1
- 0,2 S
1
= 262 kN
Thay vào ta có giá trị nội lực tại các điểm sau:
Q
D
= 524 kN M
D
=0 kNm
Q
A
= 262 kN M

A
=288 kNm
Q
B
= 262 kN M
B
=756,5 kNm
Q
C
= 262 kN M
C
=0 kNm
Khi xét thêm cả thành phần lực P
2
=29,7 kN trong quá trình ấn lưỡi ủi xuống
đất để cắt đất thì ta có thêm một biểu đồ mômen nữa:
Có thể sơ đồ hóa và vẽ biểu đồ mômen theo hình 3.9 dưới đây.
Hình 3.9 Biểu đồ nội lực của lưỡi ủi
∑
A
M
=Z
E
.h – P
2
.l = 0
Z
E
=
h

lP .
2
Trong đó :
h: khoảng cách từ lực Z
E
tới tâm A h=0,65 m
Vậy Z
E
=
65,0
65,1.7,29
=75,5 kN
Do lực Z
E
đặt lệch một đoan h nên gây ra mômen là M
E
M
E
= Z
E
. h=1,65. P
2
= 49 kNm
Theo biểu đồ thì tại điểm E có các giá trị nội lực
N
Z
=75,5 kN
Q
x
=29,7 kN

M
max
=34,2 kNm
Trên phương đứng còn có trọng lượng bản thân của lưỡi ủi tuy nhiên lực này bé
và khi ủi đất lưỡi ủi tiếp xúc với đất nên ta không xét tới thành phần này.
Sau khi vẽ được biểu đồ nội lực do hai thành phần lực P
1
,P
2
gây ra theo hai
phương đứng và ngang ta thấy được vị trí điểm nguy hiểm có giá trị nội lực lớn đó
là điểm B.
Điểm B có các giá trị nội lực sau:
Do P
1
gây ra có:
Q
B
= 262 kN M
B
=756,5 kNm
Do P
2
gây ra có:
N
Z
=75,5 kN
Q
x
=29,7 kN M

y
=16,3 kNm

Sau khi đã tính được giá trị nội lực lớn nhất tại một mặt cắt của máy ủi (mặt cắt
B) ta phải xác định tiết diện hợp lý của lưỡi ủi để cho nó đảm bảo điều kiện bền.
Bàn ủi là một chi tiết quan trọng của máy ủi, nó tiếp xúc trực tiếp với đất, các
ngoại lực tác dụng lên máy ủi đều truyền qua bàn ủi. Chính vì vậy vật liệu được
dùng để chế tạo lưỡi ủi phải là vật liệu tốt, có giới hạn bền, giới hạn chảy cao.
Chọn vật liệu chế tạo lưỡi ủi là thép CT5. Đây là thép có giới hạn bền cao


σ
b
=510−640 ΜPa σ
ch
=260−290 ΜPa
Chọn hệ số an toàn là n=1,2
Vậy [σ
td
]=
n
ch
σ
=240 ΜPa

Kết cấu của lưỡi ủi rất phức tạp, nó bao gồm rất nhiều tấm thép cong và thẳng
được hàn với nhau, (tiết diện của nó được thể hiện trong hình 3.10). Việc xác định
các giá trị đặc trưng hình học của nó như: tọa độ trọng tâm, mômen quán tính trục,
mômen chống uốn, trục quán tính chính trung tâm,…của mặt cắt là rất phức tạp.
Để đơn giản trong tính toán ta chia mặt cắt lưỡi ủi ra thành nhiều phần ( 13

phần) và coi mỗi phần đó có tiết diện là hình chữ nhật có bề rộng là
δ
, ta phải tính
toán để chọn ra được mặt cắt hợp lý nhất, tức là có
δ
nhỏ nhất để đảm bảo không
tốn vật liệu đồng thời giảm nhẹ trọng lượng cho máy ủi. Tuy nhiên do kết cấu của
lưỡi ủi rất phức tạp nên việc này rất khó. Tạm thời chọn
δ
=10 mm để kiểm tra bền
cho lưỡi ủi.

Tiết diện của lưỡi ủi được thể hiện ở hình dưới đây với hệ trục tọa độ ban đầu
XOY như hình vẽ:
Hình 3.9 Tiết diện lưỡi ủi
Bảng 3.1 Tọa độ và kích thước của các đoạn chia.
Đoạn X Y Dài( cm) Rộng (cm) F(cm
2
)
1 32.2 56 88 1 88
2 28.5 99.5 8 1 8
3 25.6 89.6 20 1 20
4 29.5 79.3 4.6 1 4.6
5 27.4 64.9 25 1 25
6 24.5 39.3 21 1 21
7 17.6 22.7 15 1 15
8 6.4 8.2 17.5 1 17.5
9 8.8 10 19 1 19
10 16.7 6.7 30 1 30
11 18.8 13.6 12 1 12

12 27 26.3 11 1 11
13 29.4 47.1 5 1 5
Sau khi lập được bảng ta xác định được tọa độ trọng tâm của tiết diện lưỡi ủi là
X
c
=
F
Fx
ic
∑
13
1
1
=23,9 cm (5.5, [4])
Y
c
=
F
Fy
ici
∑
.
=43 cm (5.5, [4])
Sau khi xác định được tọa độ trọng tâm của lưỡi ủi ta chuyển mômen quán tính
trục, mômen quán tính ly tâm của các đoạn về trục trung tâm sau đó xác định được
trục quán tính chính trung tâm.

Bảng 3.2 Xác định mômen quán tính của lưỡi ủi
Đoạn Jxi (cm
4

) Jyi (cm
4
) Jxy(cm
4
) Jxc(cm
4
) Jyc(cm
4
) Jxyc(cm
4
)
1 62706.45 14879.33 9380.8 62706.5 14879 9380.8
2 620.67 25268.19 3821.6 25262.1 614.6 -2306.7
3 717.87 43432.87 1491.2 1137.5 42189 -7330.3
4 173.71
6061.75
4 1001.88 6223.7 562.4 1152.2
5 1591.08
12102.0
8 1870 11954.9 1470.8 1489.4
6 777 289.24 -38.85 336.2 766.6 100.7
7 6523.65 541.25 1836 641.9 3066 3872.1
8 22006.79 5671.46 11056.5 663.2 6221.6 -3365.4
9 4961.34 20692.5 9530.4 6541.7 1188.8 -16917
8
10 3848.7 39970 7993.5 2935.2 30609 -16939
11 468.48
10586.0
8 1853.28 5557.2 8984.8 5802
12 203.43 2995.67 -526.35 300.8 2090.2 1348.3

13 156.22 84.47 110.7 156.2 84.5 110.7
Theo bảng trên ta có :
J
xc
=124417 cm
4
J
yc
=112727

cm
4
J
xyc
=-23602 cm
4
Khi đã xác định được mômen quán tính trục J
xc
, J
yc
và mômen quán tính ly tâm
J
xyc
của mặt cắt ta có thể xác định được trục chính trung tâm của mặt cắt với góc
nghiêng
α
:
tg(2
α
)=

yx
xy
JJ
J
−
2
(5.12, [4])
tg(2
α
)=
112727124417
2.23602
−
−
= -0,199
Vậy
α
=5,63
0
3.2.4 Kiểm tra bền cho bàn ủi
Tại tiết diện B-B có mômen uốn lớn nhất nên ta kiểm tra tại tiết diện này:
σ
B
=
F
N
z
+
Jx
M

x
.y +
Jy
My
.x (9.16, [4])

Tại điểm xa nhất trên tiết diện lưỡi ủi là vị trí lưỡi cắt sẽ cho ứng suất pháp lớn
nhất, tại vị trí này thì:
F=276 cm
2
x= -24 cm
y= -43 cm N
z
=75,5 kN
M
x
= -16,3 kNm = -1630 kNcm ( ấn lưỡi ủi phía đối diện)
M
y
= -756,5 kNm = -75650 kNcm
J
x
=124417 cm
4
J
y
=112727

cm
4

Thay số vào ta có:
σ
B
=
F
N
z
+
Jx
M
x
.y +
Jy
My
.x (9.16, [4])
σ
B
=
276
5,75
+
124417
1630
.43 +
112727
75650
.24
σ
B

=16,9 kN/cm
2
Vậy ứng suất pháp tại tiết diện B-B là σ
B
=16,9 kN/cm
2
Ngoài ra do quá trình lập sơ đồ tính chưa thật chính xác nên ứng suất tổng trên
tiết diện này lớn hơn. Để đưa thêm yếu tố này vào trong quá trình tính toán ta đưa
thêm hệ số an toàn k=1,2
Vậy ứng suất tại tiết diện B-B là:
σ
td
=20,28 kN/cm
2
Kiểm tra điều kiện bền ta có:
Với vật liệu làm lưỡi ủi là thép CT5 có
[σ
td
] =
n
ch
σ
=240 ΜPa= 24 kN/cm
2

Do đó σ
td
=20,28 kN/cm
2
< 24 kN/cm

2
=[σ
td
]
Vậy lưỡi ủi đảm bảo điều kiện bền.
3.3 TÍNH TOÁN KHUNG ỦI
3.3.1 Kết cấu của khung ủi

Khung ủi cũng là một bộ phận quan trọng của máy ủi, nhiệm vụ của nó là liên
kết với bàn ủi, giữ cho bàn ủi cố định nhờ khớp cầu liên kết giữa bàn ủi và khung
ủi. Khung ủi nhận lực từ bàn ủi khi ủi đất và truyền lên máy cơ sở.