TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TỔNG THỂ MÁY ỦI

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TỔNG THỂ MÁY ỦI
2.1 TÍNH CHỌN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MÁY ỦI
2.1.1 Thông số của máy ủi Komatsu D61EX
Để thiết kế tổng thể máy ủi cần có một số thông số cơ bản của nó theo máy mẫu.
Dựa vào tài liệu máy ủi Komatsu D61EX(TL[11]) ta có một số thông số sau:
MÁY ỦI Komatsu D61EX:
- Trọng lượng:
Máy cơ sở: 13130 kg
Bộ công tác: 2340 kg
Toàn bộ máy: 16090 kg
- Kích thước:
Dài: 5030 mm
Rộng: 3270 mm
Cao: 2945 mm
- Vận tốc di chuyển:
Tiến: Số 1: 3.5 km/h Lùi: số 1: 4.6 km/h
Số 2: 6 km/h số 2: 7.9 km/h
Số 3: 10.3 km/h số 3: 12.8 km/h
- Chiều rộng bánh xích: 600 mm
- Áp lực lên nền: 50 kPa
- Công suất động cơ: 112 kW

Hình 2.1: Tổng thể máy ủi
Trong đó:
1. Lưỡi ủi 2. Khung ủi
3. Cabin 4. Bộ di chuyển
2.1.2 Tính chọn các thông số của máy ủi thiết kế
-Các thông số cơ bản của máy ủi được lấy giống như máy mẫu:
Trọng lượng máy cơ sở: 13130 kg
Trọng lượng bộ công tác: 2340 kg
-Thông số cơ bản của lưỡi ủi:

Do lưỡi ủi là bộ phận công tác tác động trực tiếp tới đất nên các thông số của nó
ảnh hưởng đến quá trình ủi đất. Do đó tùy vào từng loại vật liệu khác nhau trong
thiết kế, chế tạo, người ta chú ý tới các thông số ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả
làm việc và độ bền của lưỡi ủi. Qua các kết quả tính toán và qua thực nghiệm,
người ta đã đưa ra một số thông số cơ bản của lưỡi ủi để chọn cho phù hợp với quá
trình làm việc của máy:
-Chiều cao lưỡi ủi:
Chiều cao lưỡi ủi và chiều dài lưỡi ủi là hai kích thước quan trọng để xác định
thể tích của khối đất vận chuyển từ đó xác định được công suất của máy.
Chiều cao của lưỡi ủi được xác định theo giá trị của lực kéo T của máy và điều
kiện của nền đất. Trong quá trình tính toán sơ bộ chiều cao lưỡi ủi có thể được xác
định theo công thức kinh nghiệm sau:
Với lưỡi ủi vạn năng (có thể quay được):
H = 450
3
1.0 T
-0.5T (mm). (Theo tài liệu [2])
Trong đó:
T: Lực kéo danh nghĩa của máy kéo(KN)
Lực kéo T có thể xác định theo điều kiện bám. Nó chính là sức
kéo lớn nhất theo điều kiện bám được
T=G
b
.
ϕ
b

Trong đó:
G
b

: Trọng lượng bám của máy ủi
G
b
= G
mk
.cos(
α
)

α
: Là góc nghiêng của máy trên nền

ϕ
b
: Hệ số bám của máy ủi
với T lớn nhất khi
α
=0
0
,
ϕ
b
=0.9
Vậy G
b
= 10690.9,81.0,9 = 142058 N = 142,058 kN
Thay số vào ta có :
H = 450
3
058.142

-0.5.142,058 (mm)
H = 1018.8 (mm)
Chọn chiều cao lưỡi ủi là H=1000 mm
-Chiều rộng lưỡi ủi
Chiều rộng lưỡi ủi phải rộng hơn chiều rộng của máy cơ sở và phải thừa ra 2
bên, mỗi bên ít nhất là 100 mm.
Với lưỡi ủi vạn năng thì bề rộng của lưỡi được tính theo công thức:
B =
)sin(
ϕ
b
+ (700
÷
900) mm
Trong đó :
b: chiều rộng của máy cơ sở b=2,5 m

ϕ
: Góc quay tối đa của lưỡi ủi
ϕ
=60
0
Sau khi tính toán ta chọn bề rộng của lưỡi ủi là:
B=3300 mm
-Xác định góc cắt đất
δ
Góc cắt đất
δ
có ảnh hưởng tới quá trình cắt đất, nếu chọn góc cắt đất hợp lý thì
sẽ làm giảm được lực cắt, góc cắt càng nhỏ thì lực cắt càng nhỏ.Với các loại lưỡi ủi

có thể quay được thì thông thường người ta chọn góc
δ
theo kinh nghiệm như sau:

δ
=50
0
– 55
0
chọn
δ
=55
0
-Xác định góc nhọn
β
(
β
=
δ
-
α
)
Góc nhọn của lưỡi ủi đặc trưng cho mức độ mài mòn của lưỡi cắt , nó đặc
trưng cho sự thay đổi áp lực riêng của lưỡi lên đất. Góc nhọn này càng nhỏ thì áp
lực lưỡi lên nền nhỏ nhưng độ bền của lưỡi nhỏ. Với mục đích tăng độ bền của
lưỡi theo kinh nghiệm người ta thường lấy
β

≥
20

0

Chọn
β
=22
0

Hình 2.2 Dạng hình học của lưỡi ủi
-Xác định góc sau
α
Góc sau
α
được xác định theo điều kiện làm việc của máy ủi , nó không được
nhỏ hơn góc lên dốc hoặc xuống dốc của máy ủi, góc
α
càng nhỏ thì lực ma sát
giữa lưỡi ủi với đất càng lớn.
Theo kinh nghiệm thì
α
=30
0
- 35
0
Đồng thời
α
=
δ
-
β
Vậy

α
=33
0
-Xác định góc quay
ϕ
Với máy ủi vạn năng thì lưỡi ủi có thể quay được nên xuất hiện góc quay
ϕ
.
Khi quay lưỡi ủi thì có tác dụng vận chuyển đất về một phía, đồng thời cũng làm
cho máy có xu hướng quay quanh trọng tâm của nó. Theo kinh nghiệm người ta
hay chọn góc quay lưỡi ủi
ϕ
=45
0
- 60
0
Chọn
ϕ
=60
0
-Xác định góc chếch
γ
:
Góc chếch
γ
(là góc tạo bởi mép dưới dao cắt với phương ngang). Với máy ủi
vạn năng sự thay đổi góc chếch này rất dễ dàng nhờ vào một xylanh thủy lực đẩy
chếch lưỡi ủi. Nó có thể thay đổi trong khoảng :
γ
=

±
(6
0
- 12
0
)
Hình 2.3 Mặt cắt của lưỡi ủi
-Xác định góc đổ
ψ
Góc đổ của lưỡi ủi được chọn đảm bảo cho đất không tràn qua lưỡi ủi để ra phía
sau. Khi góc đổ nhỏ thì đất nhanh tích lũy trong lưỡi và lát cắt mau cuộn lại, như
thế sẽ làm tăng áp lực lên lưỡi ủi và sẽ dẫn đến tăng lực ma sát lên lưỡi ủi. Do đó
theo kinh nghiệm người ta thường chọn góc đổ như sau:

ψ
=60
0
- 75
0
Chọn
ψ
=70
0
-Xác định góc đặt lưỡi
ε
Góc đặt lưỡi ủi là góc tạo bởi phương của lưỡi cắt với phương ngang. Theo kinh
nghiệm người ta thường chọn góc đặt lưỡi
ε
:

ε
=75
0

Hình dạng của lưỡi ủi:
Hình dạng hợp lý của lưỡi ủi là có dạng hình thân khai, tuy nhiên như thế thì việc
chế tạo nó gặp nhiều khó khăn, thông thường người ta thường làm nó có độ cong
nhất định với bán kính R:
R=
ψδ
δ
cos
)sin(.
+
−
Cos
aH
(4.1.4, [2])
Trong đó :
a: phần thẳng của lưỡi ủi ở phía trên
Theo công thức kinh nghiệm có thể lấy :
R=(0,8 – 0,9).H
R=(0,8 – 0,9).1000 mm
Chọn R=800 mm
-Xác định chiều dài phần thẳng a:
Chiều dài phần thẳng a phụ thuộc vào điều kiện liên kết với lưỡi cắt , phần thẳng
chịu mòn nhiều nhất do đó vật liệu được chọn để chế tạo phải hợp lý, đồng thời
chiều dài phần thẳng này còn có ảnh hưởng lớn tới việc cắt đất. Chiều dài a thường
được chọn trong khoảng : 150-200 mm.
Chọn chiều dài phần thẳng a=180 mm.

-Xác định chiều cao tấm chắn
Chiều cao tấm chắn có tác dụng không cho đất tràn qua lưỡi ủi. Tấm chắn thường
đặt đứng hoặc nghiêng ra sau một chút. Chiều cao tấm chắn phải đảm bảo điều
kiện quan sát của người lái khi nâng lưỡi ủi. Thông thường chiều cao này thường
chọn trong khoảng từ (0.1-0.25)H. Tấm chắn có dạng hình thang.
Chiều dài của tấm chắn phải dài hơn chiều dài của máy cơ sở ít nhất là 200 tới
300mm và không nhỏ hơn 0,5L
Chọn chiều cao tấm chắn là: H
1
=200 mm.
2.2 KIỂM TRA BẤT PHƯƠNG TRÌNH KÉO-BÁM-CẢN

Xác định các lực cản tác dụng lên máy ủi
a. Trường hợp lưỡi ủi vuông góc với trục dọc khi làm việc
Lực tác dụng lên máy ủi là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới khả
năng làm việc của máy. Do đó trong quá trình tính toán phải xét đầy đủ các yếu tố
để đảm bảo cho máy có thể làm việc tốt và phát huy hết năng suất của máy.
Các lực chính tác dụng lên máy ủi:
Trong quá trình máy ủi làm việc có rất nhiều lực tác dụng lên máy ủi, tuy nhiên
trong quá trình kiểm tra ta chỉ xét tới một số lực cản thường xuất hiện và có ảnh
hưởng nhiều tới quá trình máy ủi làm việc.
Để máy ủi có thể làm việc được thì nó phải thỏa mãn bất phương trình sau:
T
≥
W
1
+W
2
+W + W +W
Trong đó :

T : Lực kéo của máy kéo cơ sở;
W
1
: Lực cản cắt;
W
2
: Lực cản di chuyển của khối đất lăn trước bàn ủi;
W : Lực cản di chuyển của khối đất cuộn lên trên bàn ủi;
W
4
: Lực cản di chuyển máy ủi;
3
4
5
3
W : Lực cản ma sát giữa bàn ủi với đất.
Lực cản cắt W
1

W
1
=k.B.h
1
(4.4, [3])
Trong đó:
k: lực cản cắt riêng.
Giá trị của k phụ thuộc vào góc cắt và các loại đất.
Khi góc cắt
δ
=55

0
thì:
Với đất cấp I k=10 – 55 kN/m
2
;
Với đất cấp IV k=170 – 200 kN/m
2
.
B: chiều rộng bàn ủi;
Theo quá trình chọn ở trên thì B=3300 mm.
h
1
: chiều sâu cắt
Tùy thuộc vào quá trình đào đất trên nền phẳng hay nền dốc mà người lái máy
có thể đặt chiều sâu cắt khác nhau đảm bảo cho quá trình ủi đất có thể diễn ra dễ
dàng.
Lực cản di chuyển của khối đất lăn trước bàn ủi W
2

W
2
=G
d
.
2
µ
(4.6, [3])
Trong đó :
G
d

: Trọng lượng của khối đất lăn trước bàn ủi;
G
d
=V.
ρ
(4.7, [3])
2
µ
: Hệ số ma sát giữa đất với đất;
Với đất
2
µ
=0,7.
Với cát
2
µ
=0,5.
5
ρ
: Trọng lượng riêng của khối đất;
Với đất thì
ρ
=20 kN/m
3
Với cát thì
ρ
=12 kN/m
3
V: Là thể tích khối lăn;
V=

γ
tg
HB
t
.2
.
2
(4.5, [3])
Với góc chảy tự nhiên
γ
Với đất
γ
=50
0
Với cát
γ
=40
0
H
t
:Chiều cao kể cả phần tấm chắn bên trên
H
t
= H + H
1
=1200 mm.
B=3300 mm
Thay vào ta có:
Với cát: V=1,38 m
3

, G
d
=16,6 kN , W
2
=8,3 kN
Với đất: V=1,96 m
3
, G
d
=7,76 kN , W
2
=18,9 kN

Lực cản di chuyển của khối đất cuộn lên trên bàn ủi W
W =F
ms
.cos
δ
(4.7, [3])
Trong đó:
F
ms
:Lực ma sát chống lại chuyển động của đất cuộn lên trên
bàn ủi;
F
ms
=N.
1
µ
= G

d
. cos
δ
.
1
µ

3
3
δ
: Góc cắt;
1
µ
:Hệ số ma sát giữa thép và đất.
Với đất
1
µ
=0.6
Với cát
1
µ
=0.4
Vậy W =
1
µ
.G
d
. cos
2
δ

(4.8, [3])

Như vậy ứng với mỗi loại đất công tác khác nhau thì sẽ tính được lực cản di
chuyển của khối đất cuộn lên trên bàn ủi W khác nhau
Với cát: W =2,19 kN;
Với đất: W =7,76 kN
Lực cản di chuyển máy ủi W
W =G
mk
.(sin
α
±
f.cos
α
) (4.9, [3])
Trong đó :
G
mk
: Trọng lượng của máy ủi;
G
mk
=16090 kG.
α
: Góc nghiêng nơi máy làm việc so với phương ngang;
f : Hệ số cản lăn.
Với đất: f=0,07;
Với cát: f=0,12
3
3
3

3
4
4
Lực cản ma sát giữa bàn ủi với đất W
Đây là thành phần lực cản xuất hiện khi máy ủi đất với lưỡi ủi bị mòn.
W =
1
µ
.R
2

Trong đó:
R
2
: áp lực của đất lên lưỡi ủi;
R
2
= k.x.B
Trong đó:
k:Hệ số khả năng chịu tải của đất;
k=60N/cm
2
x: Độ mòn của lưỡi.
x=1,5 cm
B: Chiều rộng bàn ủi.
B=330 cm.
Vậy R
2
=60.1,5.330=29700N=29,7 kN
Với cát: W =12,6 kN

Với đất: W =18,9 kN

Vậy tổng trở lực cản tác dụng lên máy ủi:
∑
W
= W
1
+W
2
+W + W +W

Để máy làm việc được thì nó phải thỏa mãn bất phương trình:
∑
W
≤
T
≤
P
b
Trong đó :
T : Lực kéo của máy;
P
b
: Lực bám của máy.
P
b
=G
b
.
ϕ

=G
m
.
ϕ
. cos
α
(4.13, [3])
5
5
5
5
3
4
5
Trong đó :

ϕ
:Hệ số bám của máy lên mặt đất
Tùy vào từng loại đất công tác khác nhau mà hệ số bám này sẽ khác nhau
Với cát
ϕ
=06
Với đất
ϕ
=0.9
Như vậy ứng với từng loại đất công tác khác nhau sẽ tìm được các lực cản khác
nhau và hệ số bám khác nhau.
Trong quá trình kiểm tra ta chia ra trường hợp để kiểm tra đó là :
-Khi máy ủi đất.
-Khi máy ủi cát.

Các hệ số được chọn như sau:
HỆ SỐ ỦI ĐẤT ỦI CÁT
Hệ số cắt đất k 200 55
Ma sát thép-đất μ1 0.6 0.4
Ma sát đất-đất μ2 0.7 0.5
Góc chảy tự nhiên γ 40 50
Góc di chuyển α α α
Trọng lượng riêng ρ 20 12
Hệ số cản lăn f 0.07 0.12
Hệ số bám φ 0.9 0.6
Khi ủi ứng với góc dốc
α
khác nhau sẽ cho một chiều sâu đào khác nhau để
máy ủi vẫn đảm bảo điều kiện bám.
Khi nào chiều sâu đào nhỏ hơn 0 tức là khi đó với góc dốc
α
máy sẽ bị trượt.
Trường hợp ủi đất : lúc đó lực cản đào W
1
, lực cản di chuyển của khối đất lăn
trước bàn ủi W
2
, Lực cản di chuyển của khối đất cuộn lên trên bàn ủi W Lực cản
di chuyển máy ủi W ,Lực cản ma sát giữa bàn ủi với đất W
5
là lớn nhất.
3
4
Tuy nhiên trường hợp này thì hệ số bám
ϕ

của máy ủi cũng lớn

ϕ
=0,9
Trường hợp ủi cát thì hệ số bám bé hơn
ϕ
=0,6 tuy nhiên các lực cản tác dụng
lên máy ủi cũng bé hơn.
Bảng dưới đây là kết quả kiểm tra khả năng làm việc của máy ủi khi ủi đất và ủi
cát ứng với mỗi góc
α
khác nhau. Khi chiều sâu đào âm tức là ứng với góc
α
đó
máy ủi di chuyển sẽ bị trượt.
Thông thường khi máy ủi làm việc góc dốc
α
≤
10
0

Trường hợp ủi đất
α W1 W4 Tb h
0 58.3 11.26 123.75 0.088329
1 55.54 14 123.73 0.084148
2 52.59 16.89 123.67 0.079678
3 49.78 19.61 123.58 0.07542
4 46.77 22.49 123.45 0.07086
5 43.89 25.2 123.28 0.066496
6 40.82 28.06 123.07 0.061845

7 37.88 30.76 122.83 0.05739
8 34.75 33.61 122.55 0.052648
9 31.76 36.28 122.23 0.048117
10 28.58 39.1 121.87 0.043299
11 25.53 41.76 121.48 0.038678
12 22.46 44.4 121.05 0.034026
13 19.2 47.19 120.58 0.029087
14 16.08 49.8 120.07 0.02436
15 12.79 52.55 119.53 0.019375
16 9.63 55.14 118.96 0.014587
17 6.29 57.86 118.34 0.009526
18 3.09 60.41 117.69 0.004678
19 -0.27 63.09 117.01 -0.00041
Trường hợp ủi cát

α W1 W4 Tb h
0 40.0986 19.308 82.5 0.22093
1 37.3536 22.0404 82.4874 0.20581
2 34.4298 24.9265 82.4497 0.1897
3 31.6486 27.6449 82.3869 0.17437
4 28.6911 30.5145 82.299 0.15808
5 25.877 33.2156 82.1861 0.14257
6 22.8895 36.0651 82.0481 0.12611
7 20.046 38.7456 81.8851 0.11045
8 17.0321 41.5716 81.6971 0.09384
9 14.1627 44.2282 81.4843 0.07803
10 11.1261 47.0271 81.2466 0.0613
11 8.23425 49.6566 80.9842 0.04537
12 5.33208 52.2717 80.6972 0.02938
13 2.26798 55.0241 80.3855 0.0125

14 -0.6513 57.6073 80.0494 -0.0036
Cả 2 trường hợp máy ủi đất và ủi cát với góc dốc
α
≤
10
0
đều đảm bảo điều
kiện bám.

∑
W
≤
P
b
Khi ủi đất máy ủi có thể làm việc với góc
α
≤
18
0

Khi ủi cát máy ủi có thể làm việc với góc
α
≤
13
0
Kiểm tra điều kiện kéo của máy ủi:
∑
W
≤
T

Trong đó :

∑
W
: tổng trở lực cản tính cho trường hợp ủi đất lớn nhất :

∑
W
=104.8 kN
T: Lực kéo của máy cơ sở
T=
v
N
η
.
N: công suất của máy cơ sở
v: Vận tốc làm việc của máy. Thường lấy vận tốc số I
v=0.96 m/s

η
: Hiệu suất truyền động cơ khí
η
=0.9
thay số:
∑
W
≤
T =
v
N

η
.
N >
η
vW.
∑
= 111 kW
Vậy với N > 111 kW thì máy làm việc thỏa mãn điều kiện kéo

Với điều kiện T
≤
P
b
do máy có nhiều cấp tốc độ và có thể thay đổi công suất
của động cơ nên khi có hiện tượng T
≥
P
b
thì có thể thay đổi công suất động cơ để
có thể giảm T để đảm bảo điều kiện bám.
Vậy máy ủi thỏa mãn bất phương trình kéo- bám- cản.
b. Trường hợp quay lưỡi ủi đi một góc
ϕ
so với trục dọc máy
Đối với loại lưỡi ủi vạn năng, khi máy làm việc lưỡi ủi còn có thể nghiêng đi một
góc
ϕ
so với mặt phẳng ngang. Trong trường hợp này thì các lực cản tác dụng lên
máy ủi được xác định theo công thức:
∑

W
’= W’
1
+W’
2
+W’ + W +W

Trong đó :
W’
1
=W
1
.Sin
ϕ
3
4
5