Mô hình hóa và tính lực tại các khớp máy xúc khi hoạt động

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------------------

PHẠM NGỌC QUANG

MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH LỰC TẠI CÁC KHỚP MÁY XÚC

KHI HOẠT ĐỘNG

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

2013

iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa………………………………………………………………….i

Lời cam đoan………………………………………………………………….ii

Mục lục.............................................................................................................iii

Danh mục các ký hiệu dùng trong luận văn....................................................vii

Danh mục các chữ viết tắt dùng trong luận văn...............................................ix

Danh mục các bảng dùng trong luận văn.........................................................ix

Danh mục hình vẽ dùng trong luận văn ............................................................ x

MỞ ĐẦU ......................................................................................................…1

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU......................... 4

1.1. Máy xúc thủy lực một gầu ................................................................ 4

1.1.1. Đặc điểm cấu tạo và điều khiển hoạt động của máy xúc một gầu

dẫn động thủy lực ....................................................................................... 4

1.1.2. Xu hướng phát triển hoàn thiện của máy xúc ..........……………..13

1.2. Quá trình động lực học của máy xúc một gầu dẫn động thủy lực ....... 15

1.3. Tổng quan các nghiên cứu về máy xúc thủy lực.................................. 16

CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH ĐÀO

ĐẤT CỦA MÁY XÚC THỦY LỰC MỘT GẦU ....................................... 19

2.1. Xây dựng mô hình vật lý mô tả động lực học quá trình đào đất của máy

xúc ............................................................................................................... 19

2.1.1. Quá trình đào đất của máy xúc....................................................... 19

v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.1.2. Các giả thiết khi xây dựng mô hình ............................................... 22

2.1.3. Mô hình vật lý khảo sát động lực học quá trình đào đất................ 24

2.2. Xây dựng mô hình toán quá trình chuyển động của máy xúc trong quá

trìnhđào đất.................................................................................................. 27

2.3. Xây dựng mô hình toán phản lực tại các khớp liên kết: ...................... 37

2.4. Xây dựng bộ thông số đầu vào để khảo sát mô hình toán quá trình động

lực học máy xúc .......................................................................................... 41

2.4.1. Áp dụng kỹ thuật máy tính xây dựng mô hình 3D máy xúc thủy

lực……………………………………………………………………….41

2.4.2. Xác định bộ thông số đầu vào cho bài toán khảo sát ..................... 44

CHƢƠNG 3. KHẢO SÁT MÔ HÌNH TOÁN QUÁ TRÌNH ĐỘNG LỰC

HỌC CỦA MÁY XÚC BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ................................ 47

3.1. Khảo sát mô hình toán phản lực trong các khớp liên kết của TBCT máy

xúc ............................................................................................................... 47

3.2. Thuật toán khảo sát mô hình toán quá trình động lực học của máy xúc

bằng phương pháp số .................................................................................. 49

3.3. Kết quả khảo sát mô hình toán quá trình động lực học của máy xúc

bằng phương pháp số .................................................................................. 51

3.3.1. Kết quả khảo sát về động học......................................................... 51

3.3.2. Kết quả khảo sát về động lực học .................................................. 54

3.4. Mô hình hóa quá trình động lực học, và lực liên kết trong các khớp của

máy xúc bằng Matlab-Simulink.................................................................. 56

3.4.1. Giới thiệu về Matlab-Simulink………………………………...55

3.4.2. Mô hình hóa bằng Matlab-Simulink…………………………...56

vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.4.3. Kết quả khảo sát bằng Matlab-Simulink……………………….61

3.5. Kiểm nghiệm kết quả khảo sát quy luật phản lực trong các khớp liên

kết của TBCT máy xúc bằng mô phỏng ..................................................... 63

3.5.1. Xây dựng mô hình trên phần mềm ADAMS. ................................ 63

3.5.2. Kết quả mô phỏng động học .......................................................... 67

3.5.3. Kết quả mô phỏng động lực học .................................................... 71

3.6. Vận dụng kết quả nghiên cứu cho thiết kế và khai thác vận hành máy

xúc ............................................................................................................... 75

3.6.1. Vận dụng kết quả nghiên cứu cho thiết kế..................................... 75

3.6.2. Khuyến cáo sử dụng thiết bị thực hiện quá trình đào đất............... 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................... 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 79

PHỤ LỤC 1: CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN LỰC TRONG KHỚP... 81

vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

Ký hiệu Tên gọi Đơn vị

m1 Khối lượng cần máy kg

m2 Khối lượng tay gầu kg

m3 Khối lượng gầu và đất trong gầu kg

q1 Góc quay của cần máy rad

q2 Góc quay của tay gầu rad

q3 Góc quay của gầu rad

Ft Lực cản đào theo phương tiếp tuyến N

Fn Lực cản đào theo phương pháp tuyến N

M1 Mô men dẫn động cần máy Nm

M2 Mô men dẫn động tay gầu Nm

M3 Mô men dẫn động gầu xúc Nm

M01 Mô men trong khớp chân cần Mm

R12 Phản lực trong khớp chân cần N

M12 Mô men trong khớp liên kết cần và tay gầu Mm

R12 Phản lực trong khớp liên kết cần và tay gầu N

M23 Mô men trong khớp liên kết tay gầu và gầu Mm

R23 Phản lực trong khớp liên kết tay gầu và gầu N

B,b Chiều rộng của gầu (chiểu rộng phoi cắt) m

h Chiều dày phoi cắt m

viii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1 Hệ số ảnh hưởng đến lực cản pháp tuyến

k1 Hệ số lực cản cắt của gầu đào KN/m2

l1 Kích thước liên kết của cần máy m

l2 Kích thước liên kết của tay gầu m

l3 Kích thước liên kết của gầu m

a1 Chiều dài kết cấu của cần máy m

α1 Góc kết cấu của cần máy Rad

a2 Chiều dài kết cấu của tay gầu m

α2 Góc kết cấu của tay gầu Rad

a3 Chiều dài kết cấu của gầu m

α3 Góc kết cấu của gầu Rad

ix

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Diễn giải Ghi chú

ĐH Động học

ĐLH Động lực học

TBCT Thiết bị công tác

DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN VĂN

TT Bảng Tên gọi Trang

1 Bảng 2.1 Hệ số lực cản cắt đối với gầu đào 22

2 Bảng 2.2 Các thông số liên quan đến mô hình khảo sát 45

x

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN

Hình Tên hình vẽ Trang

Hình 1.1 Các loại máy xúc một gầu và các dạng thiết bị tích hợp 5

Hình 1.2 Bố trí chung máy xúc thủy lực 6

Hình 1.3 Kết cấu cần máy xúc thủy lực 9

Hình 1.4 Kết cấu tay gầu máy xúc thủy lực 10

Hình 1.5 Kết cấu liên kết tay gầu với gầu và cơ cấu 4 khâu của

máy xúc

12

Hình 1.6 Các khâu động lực học trong quá trình công tác của

máy xúc

15

Hình 2.1 Các thông số của quá trình cắt 20

Hình 2.2 Mô hình vật lý khảo sát động lực học máy xúc thủy lực 24

Hình 2.3 Mô hình vật lý khảo sát động lực học để tính lực trong

các khớp của máy xúc

25

Hình 2.4 Mô hình vật lý gầu xúc (khâu 3) tách tự do 39

Hình 2.5 Mô hình vật lý tay gầu (khâu 2) tách tự do 40

Hình 2.6 Mô hình vật lý cần (khâu 1) tách tự do 41

Hình 2.7 Màn hình hiển thị phần mềm Inventor thiết kế chi tiết 42

Hình 2.8 Màn hình hiển thị phần mềm Inventor lắp ghép chi tiết 43

Hình 2.9 Màn hình hiển thị các thông số động học, động lực học

của chi tiết

43

Hình 2.10 Mô hình 3D tổng thể của máy xúc Solar 130W-V thiết

kế trên Inventor

44

xi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.1 Đào đất bằng phương pháp quay gầu 47

Hình 3.2 Đào đất bằng phương pháp quay tay gầu 48

Hình 3.3 Đào đất bằng phương pháp kết hợp 49

Hình 3.4 Sơ đồ khối chương trình tính toán động lực học thiết bị

công tác của máy xúc trong quá trình đào đất

50

Hình 3.5 Góc quay của cần máy theo thời gian 51

Hình 3.6 Góc quay của tay gầu theo thời gian 51

Hình 3.7 Góc quay của gầu xúc theo thời gian 52

Hình 3.8 Vận tốc góc của cần máy theo thời gian 52

Hình 3.9 Vận tốc góc của tay gầu theo thời gian 52

Hình 3.10 Vận tốc góc của gầu xúc theo thời gian 53

Hình 3.11 Gia tốc góc của cần máy theo thời gian 53

Hình 3.12 Gia tốc góc của tay gầu theo thời gian 53

Hình 3.13 Gia tốc góc của gầu xúc theo thời gian 54

Hình 3.14 Giá trị áp lực trong khớp tay gầu-gầu xúc theo thời gian 54

Hình 3.15 Giá trị mô men trong khớp tay gầu-gầu xúc theo thời

gian

54

Hình 3.16 Giá trị áp lực trong khớp cần-tay gầu theo thời gian 55

Hình 3.17 Giá trị mô men trong khớp cần-tay gầu theo thời gian 55

Hình 3.18 Giá trị áp lực trong khớp chân cần theo thời gian 55

Hình 3.19 Giá trị mô men trong khớp chân cần theo thời gian 56

Hình 3.20 Sơ đồ cấu trúc hộp công cụ Simulink 57

xii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.21 Mô hình phần tử M11,M12,M21 58

Hình 3.22 Mô hình các phần tử M13, M31,M23, M32, M33 58

Hình 3.23 Mô hình phần tử H1 59

Hình 3.24 Mô hình phần tử H2 59

Hình 3.25 Mô hình phần tử H3 60

Hình 3.26 Mô hình các phần tử

 1

, 2

, 3

60

Hình 3.27 Mô hình các phần tử

Q1

, Q2

, Q3

60

Hình 3.28 Mô hình phần tử

1



q

61

Hình 3.29 Mô hình phần tử

2



q

61

Hình 3.30 Mô hình phần tử

3



q

61

Hình 3.31 Mô hình khảo sát động lực học máy xúc 62

Hình 3.32 Chuyển vị của khâu 2, khâu 3, khâu 4 62

Hình 3.33 Vận tốc quay của khâu 2, khâu 3, khâu 4 62

Hình 3.34 Gia tốc quay của khâu 2, khâu 3, khâu 4 62

Hình 3.35 Mô phỏng kiểm nghiệm máy xúc Solar 130w-v 63

Hình 3.36 Màn hình mở file 3D*.stp trên ADAMS 64

Hình 3.37 Gắn các khớp liên kết của mô hình trên ADAMS 65

Hình 3.38 Gán vật liệu cho các chi tiết của mô hình trên ADAMS 65

Hình 3.39 Đặt các chuyển động, lực dẫn động trên ADAMS 66

Hình 3.40 Chọn bước và thời gian khảo sát mô hình trên ADAMS 66

Hình 3.41 Màn hình xử lý kết quả trên ADAMS 67

xiii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.42 Dịch chuyển trọng tâm của cần máy theo thời gian 67

Hình 3.43 Dịch chuyển trọng tâm của tay gầu theo thời gian 68

Hình 3.44 Dịch chuyển trọng tâm của tay gầu theo thời gian 68

Hình 3.45 Vận tốc trọng tâm của cần máy theo thời gian 69

Hình 3.46 Vận tốc trọng tâm của tay gầu theo thời gian 69

Hình 3.47 Vận tốc trọng tâm của gầu theo thời gian 70

Hình 3.48 Gia tốc trọng tâm của cần máy theo thời gian 70

Hình 3.49 Gia tốc trọng tâm của tay gầu theo thời gian 71

Hình 3.50 Gia tốc trọng tâm của gầu theo thời gian 71

Hình 3.51 Áp lực trong khớp chân cần 72

Hình 3.52 Mô men trong khớp chân cần 72

Hình 3.53 Áp lực trong khớp cần-tay gầu 73

Hình 3.54 Mô men trong khớp cần-tay gầu 73

Hình 3.55 Áp lực trong khớp tay gầu-gầu xúc 74

Hình 3.56 Mô men trong khớp tay gầu-gầu xúc 74