bộ giáo dục v đo tạo bộ quốc phòng
học viện kỹ thuật quân sự
lê anh sơn
Khảo sát động lực học thiết bị công tác
của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hà Nội - năm 2007
bộ giáo dục v đo tạo bộ quốc phòng
học viện kỹ thuật quân sự
lê anh sơn

Mã số : 60 52 36
Ngày giao đề tài luận văn : 02/02/2007
Ngày hoàn thành luận văn : 17/05/2007

Ngời thực hiện:
Họ và tên : Lê Anh Sơn Cấp bậc: Thiếu tá
Lớp : Kỹ thuật xe máy Công binh Khoá: 17
Hệ đào tạo : Tập trung

Cán bộ hớng dẫn:
Họ và tên: Lê Hồng Phơng Cấp bậc: Thợng tá
Học hàm, học vị: TS Đơn vị công tác: Viện kỹ thuật CGQS - TCKT Hà Nội - Năm 2007
Danh mục các kí hiệu v chữ viết tắt
Kí hiệu Diễn giải Đơn vị tính
C
d
Nhiệt dung riêng của dầu nhờn kJ/kg
o
C
D
n
Đờng kính xu páp nạp mm
D
t

R
Khối lợng chuyển động quay của trục khuỷu kg
N
e
Công suất định mức của động cơ kW
n Tốc độ trục khuỷu v/ph
p
0
áp suất môi trờng
MPa
p
k
áp suất tăng áp
MPa
p
kt
áp suất khí thể
MPa
P
j
Lực quán tính của khối lợng tham gia chuyển
động tịnh tiến
MN
P
R
Lực quán tính ly tâm của khối lợng tham gia
chuyển động tịnh tiến quay
MN
Q
c


s
Góc phun sớm Độ

Hệ số kết cấu -

Số kì -

Tố độ góc 1/s

Hệ số phụ tải của ổ trợt

Khe hở hớng kính của ổ trợt mm

td
Độ tăng nhiệt độ của dầu nhờn
o
C

DANH MụC các bảng
Bảng Tên bảng Trang
1.1 Các thông số cơ bản của động cơ DSC-80 5
1.2 Các thông số cơ bản của động cơ DSC-80TA 6
1.3 Kích thớc cơ bản của cổ trục và chốt khuỷu động cơ DSC-80 14

2.1
Đồ thị lực khí thể p
kt
theo góc quay trục khuỷu
27
2.2
Đồ thị lực quán tính p
j
theo góc quay trục khuỷu
31
2.3 Lực và mô men tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền 32
2.4
Đồ thị lực khí thể p
kt
, p
J
, p

theo góc quay trục khuỷu
33
2.5 Sơ đồ trục khuỷu động cơ DSC-80TA 37
2.6 Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ trục 2-3 động cơ
DSC-80TA
43
2.7
Đồ thị triển khai đồ thị véc tơ phụ tải theo góc quay trục khuỷu
44
3.1 Biểu đồ áp suất thuỷ động tác dụng lên ổ 46
3.2
áp suất thuỷ động của ổ phân bố theo chiều trục

Kết luận chơng 1
15
Chơng 2- Xác định và khảo sát qui luật thay đổi lực
trong các khâu của thiết bị công tác máy
xúc một gầu dẫn động thuỷ lực
16
2.1. Cơ sở tính toán thiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ
lực
16
2.2. Lực tơng hỗ giữa bộ phận công tác và đất
17
2.3. Khảo sát sự thay đổi lực và nội lực trong hệ thống thiết bị công
tác máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực
20
2.3.1. Đối với trờng hợp cắt và tích đất bằng xi lanh quay gầu
21
2.3.2. Đối với trờng hợp cắt và tích đất bằng xi lanh quay tay
gầu
31
2.3.3. Xây dựng chơng trình máy tính xác định các nội lực ứng
với các trờng hợp cắt và tích đất trong quá trình đào của
thiết bị công tác
41
Kết luận chơng 2
51
Chơng 3- Thiết lập mô hình động học và động lực
học thiết bị công tác máy xúc một gầu
dẫn động thuỷ lực
52
3.1. Cơ sở lý thuyết phục vụ nghiên cứu động học và động lực học

105
4.2.1. Các thông số động học và động lực học
105
4.2.2. Các điều kiện đầu
107
4.3. Một số kết quả tính toán
107
4.3.1. Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của cần máy xúc
108
4.3.2. Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của tay gầu
109
4.3.3. Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của gầu xúc
111
4.3.4. Biểu đồ lực của các khâu
112
4.3.5. Biểu đồ mô men các khâu
114
4.3.6. Biểu đồ lực biểu diễn các lực dọc trục của liên kết bốn
khâu bản lề
115
Kết luận chơng 4
116
Kết luận và kiến nghị 117
Tài liệu tham khảo 119

1 Mở đầu
Máy xúc một gầu đợc xếp vào nhóm máy chủ đạo trong tổ chức thi công

trọng lớn nhất phục vụ cho việc tính bền các chi tiết của thiết bị công tác trong
quá trình tính toán thiết kế.
- Hai là khảo sát động học, động lực học hệ thống thiết bị công tác đảm
bảo sự làm việc êm dịu cho thiết bị công tác nói riêng và toàn máy nói chung.
Trong luận văn đã trình bày việc xác định lực và nội lực trong hệ thống
thiết bị công tác bằng phơng pháp giải tích khi tách các khâu và xét điều kiện
cân bằng của chúng. Khảo sát sự thay đổi lực và nội lực trong quá trình làm việc
cần phải xét cho từng trờng hợp để từ đó xác định các lực tác dụng lên thiết bị
công tác theo các trờng hợp khác nhau làm cơ sở cho việc phân tích so sánh và
đa ra chế độ tải lớn nhất. Tuy nhiên hai trờng hợp cắt và tích đất bằng xi lanh
quay gầu và xi lanh quay tay gầu đợc sử dụng chủ yếu trong quá trình đào đất
nên tác giả đã tập trung khảo sát cho hai trờng hợp này.
Mô hình động học và động lực học thiết bị công tác máy xúc một gầu dẫn
động thuỷ lực đợc xây dựng trên cơ sở lý thuyết cơ học hệ nhiều vật. Mô hình
động học và động lực học này đã đợc phát triển từ nền tảng lý thuyết tay máy
rôbốt. Mô hình động học đợc tính toán theo nguyên lý Denavit Hartenberg
còn mô hình động lực học thì sử dụng các phơng trình Newton Euler viết cho
các khâu. Trong luận văn tác giả đã sử dụng các thông số kích thớc của máy xúc
Komatsu PC200-3 làm các thông số để phục vụ tính toán (lý do là máy xúc dự
kiến chế tạo tại Việt Nam theo kiểu nh PC200-3) và sử dụng phần mềm Matlab
để giải hệ phơng trình vi phân chuyển động.
Nội dung chính của luận văn bao gồm 4 chơng nh sau:
3 Chơng 1: Tổng quan về máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực và khái
quát các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài.
Chơng 2: Xác định và khảo sát quy luật thay đổi lực và nội lực trong
các khâu của thiết bị công tác.
Chơng 3: Thiết lập mô hình động học và động lực học của thiết bị

Cùng với thời gian máy xúc một gầu không ngừng đợc cải tiến và hoàn
thiện về mọi mặt.
Về nguồn động lực, động cơ hơi nớc đã đợc thay thế bằng động cơ đốt
trong từ không có tăng áp đến có tăng áp. ở một số máy xúc khổng lồ chuyên
dùng, ngời ta đã sử dụng động cơ điện để dẫn động riêng cho từng cơ cấu và
thiết bị công tác.
Về mặt dẫn động các cơ cấu công tác, hiện nay máy xúc một gầu của tất
cả các hãng sản xuất đều sử dụng dẫn động thuỷ lực vì các đặc tính u việt của
nó nh kết cấu máy nhỏ gọn, điều khiển nhẹ nhàng, tạo đợc lực cắt đất lớn và
cho năng suất cao, dẫn động cơ khí (cáp) chỉ còn sử dụng ở một số máy xúc đặc
chủng đào và xúc ở độ sâu lớn.
Hệ thống điều khiển trên các loại máy xúc thuỷ lực của các hãng trên thế
giới đang sử dụng là điều khiển cơ khí, khí nén - thuỷ lực, điện - thuỷ lực hoặc
điện tử - thuỷ lực. Trên các máy thế hệ mới ngời ta sử dụng hệ thống điều khiển
điện tử - thuỷ lực với bộ xử lý trung tâm với các chơng trình nạp sẵn. Các máy
loại này cho phép điều khiển nhẹ nhàng nhanh chóng, chính xác và cho năng
suất cao.
5 Các máy xúc thuỷ lực đầu tiên đợc chế tạo vào cuối những năm 1940 tại
Mỹ, sau đó là ở Anh, Liên Bang Đức, Pháp, Italia, Liên Xô (cũ), Nhật, Hàn
Quốc. Từ đầu những năm 1960, máy xúc thuỷ lực đã đợc sản xuất với số lợng
lớn, đợc sử dụng rộng rãi ở tất cả các nớc công nghiệp phát triển. Vào những
năm 1966 ở Đức, 1969 ở Nhật, số lợng máy xúc thuỷ lực đợc xuất khẩu đã
chiếm hơn nửa số máy xúc đợc xuất khẩu của họ. Nửa sau thập kỷ 60 nhiều
nớc đã sản xuất các máy xúc thuỷ lực cỡ lớn với trọng lợng 18 40 tấn, dung
tích gầu 3 4 m
3
để dùng chủ yếu cho khai thác đá, khai thác mỏ.

hiệu quả điều khiển tốt mà kết cấu đơn giản, dễ sử dụng và sửa chữa , giá thành
rẻ.
Số lợng máy xúc bánh xích đợc lu hành và sử dụng chiếm tỷ lệ cao hơn
so với máy xúc bánh lốp do khả năng ổn định làm việc cao hơn, áp lực trên nền
đất nhỏ nên khả năng di chuyển và làm việc trên các nền đất yếu tốt hơn, giá
thành thấp, thời gian triển khai và thu hồi nhanh, năng suất cao.
Các máy xúc của Mỹ và Châu âu sản xuất có độ tin cậy làm việc cao, độ
bền và tuổi thọ lớn nhng có kết cấu phức tạp, khả năng tiếp cận khi tháo lắp
khó, phụ tùng vật t hiếm, khả năng lắp lẫn thấp dẫn đến việc khai thác và sửa
chữa gặp nhiều khó khăn, ngoài ra do tính nhiệt đới hoá không cao nên nhiều chi
tiết điện tử hay bị hỏng và đặc biệt là giá thành quá cao.
Máy xúc của Nhật Bản và Hàn Quốc có nhiều đặc điểm kết cấu và tính
năng kỹ thuật phù hợp với điều kiện khai thác và sử dụng ở Việt Nam hơn. Các
đặc tính u việt của nó nh hình dáng, kích thớc hình học và trọng lợng phù
hợp với sức vóc của ngời Việt Nam, kết cấu nhỏ gọn, khả năng tiếp cận tháo lắp
dễ dàng, các chi tiết đã đợc nhiệt đới hoá cao, khả năng khai thác sử dụng và
sửa chữa dễ, phụ tùng, vật t thay thế dễ kiếm và có khả năng lắp lẫn cao.
7 Các hãng sản xuất máy xúc của Nhật và Hàn Quốc hiện nay đều thiết kế
chế tạo theo kiểu tích hợp, tức hầu hết đều dựa trên cơ sở lựa chọn các phần cơ
bản (động cơ, bơm thuỷ lực ) của các hãng nổi tiếng rồi tổ hợp chúng theo
thiết kế của riêng mình (trừ hãng Komatsu).

Bảng dới đây sẽ cho ta thấy rõ điều đó
Các cụm cơ bản
Tên hãng
Động cơ Bơm thuỷ lực
Hita chi ISUZU KAWASAKI

chuyên dùng. Cơ cấu quay dùng để thay đổi vị trí của gầu trong mặt phẳng ngang
của quá trình đào và xả đất. Trên bàn quay ngời ta bố trí động cơ, các bộ phận
truyền động cho các cơ cấu Ca bin nơi bố trí cơ cấu điều khiển toàn bộ hoạt
động của máy. Đối trọng là bộ phận cân bằng toa quay và tạo sự ổn định của
máy.
Phần thiết bị công tác: Cần (3) một đầu đợc lắp khớp trụ với toa quay còn
đầu kia đợc lắp khớp trụ với tay gầu. Cần đợc nâng lên hạ xuống nhờ xi lanh
nâng cần (4). Điều khiển gầu xúc (8) nhờ xi lanh quay gầu (7). Gầu thờng đợc
lắp thêm các răng để làm việc ở nền đất cứng.
Máy xúc loại này thờng làm việc ở nền đất thấp hơn mặt bằng đứng của
máy (cũng có những trờng hợp máy làm việc ở nơi cao hơn, nhng nền đất mềm
và chủ yếu dùng xi lanh quay gầu để thực hiện quá trình cắt đất). Đất đợc xả
qua miệng gầu. Máy xúc làm việc theo chu kỳ và trên từng chỗ đứng. Một chu kỳ
9 làm việc của máy bao gồm những nguyên công sau: Máy đến vị trí làm việc, đa
gầu vơn 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 đến II trên hình 1.2 và 1.3 nhờ xi lanh quay gầu
7 hoặc xi lanh quay tay gầu 5.

Hình 1.1. Cấu tạo chung máy xúc thuỷ lực, gầu ngợc
1- Cơ cấu di chuyển, 2- Xe cơ sở, 3 Cần, 4- Xi lanh nâng cần
5- Xi lanh quay tay gầu, 6- Tay gầu, 7- Xi lanh quay gầu, 8- Gầu.
Quỹ đạo chuyển động của đỉnh răng gầu trong quá trình cắt đất là một
đờng cong. Chiều dày phoi cắt thông thờng thay đổi từ bé đến lớn. Vị trí II gầu
đầy nhất và có chiều dày phoi cắt lớn nhất. Đa gầu ra khỏi tầng đào và nâng gầu
lên nhờ xi lanh cần 4. Quay máy về vị trí xả đất nhờ cơ cấu toa quay. Đất có thể
xả thành đống hoặc xả vào thiết vị vận chuyển. Đất đợc xả ra khỏi miệng gầu
nhờ xi lanh quay gầu 7. Quay máy về vị trí làm việc tiếp theo với một chu kỳ
Hình 1.5.
Sơ đồ cấu tạo tay gầu của máy xúc gầu ngợc dẫn động thuỷ lực
1- Bản thép bên số 1; 2- Vòng lắp bu lông hãm trục; 3- Tai lắp cán pít tông xi lanh
quay tay cần; 4- Bản thép đệm; 5- Bản thép phía sau; 6- Tai lắp xi lanh gầu; 7- Vòng
lắp bu lông hãm trục; 8- Bản thép gia cờng; 9- Bản thép bên số 2; 10- Bản thép trên;
11- Bản thép gia cờng; 12- ống thép lắp chốt đòn gánh; 13- ống thép lắp chốt gầu;
14- Bản thép bên số 3; 15- Bản thép phía dới.
13 Cần. Cần của máy xúc loại này đợc thể hiện trên hình 1.6:
Cần có kết cấu hình hộp đợc chế tạo bằng phơng pháp hàn. Ngoài ra còn có
các lỗ và tai để lắp xi lanh thuỷ lực. Cần có hình dạng hơi cong, mục đích là hạ
thấp đầu cần, để tăng chiều sâu đào. Hình 1.6. Sơ đồ cấu tạo cần của máy xúc gầu ngợc dẫn động thuỷ lực
1- Tai lắp tay gầu; 2- Bản thép trên; 3- Bản thép bên; 4- Tai lắp xi lanh tay gầu;
5- Bản thép phía dới; 6- Bản thép gia cờng; 7- Bản thép đệm; 8- ống thép lắp
chốt pít tông xi lanh nâng cần; 9- Chốt chân cần; 10- ống thép lắp chốt chân
cần; 11- Vòng lắp bu lông hãm trục.
14 1.4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu động lực học thiết bị công tác máy
xúc một gầu dẫn động thuỷ lực
Nh trong phần 1.1 đã nêu, trên thế giới có hơn 80 nớc đã sản xuất đợc
máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực và cũng đã có rất nhiều công trình nghiên

điểm khai thác, sử dụng máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực ở Việt Nam.
Chỉ ra những đặc điểm kết cấu của máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực nói
chung và thiết bị công tác nói riêng mà dự kiến sẽ chế tạo tại Việt Nam. Đồng
thời khái quát đợc tình hình nghiên cứu động lực học thiết bị công tác máy xúc
thuỷ lực một gầu trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay.
Kết quả nhận đợc làm cơ sở để thiết lập và tính toán lực, nội lực cũng nh
tính toán động học, động lực học máy xúc một gầu dẫn động thuỷ lực theo cách
thức mới đầy đủ hơn.