ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG 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
THÁI NGUYÊN – 2013
1
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp
Người hướng dẫn khoa học: TS. HOÀNG VỊ
Phản biện 1: ………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………
Phản biện 2: ………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………….
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
………………………………………………………………………………
Vào hồi:……….giờ…… ngày…….tháng……năm 20….
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
và Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
2
I. Mở đầu
Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ trong đó
có kỹ thuật máy tính, công tác nghiên cứu để nâng cao năng suất, chất lượng,
hiệu quả khai thác sử dụng máy móc, trang thiết bị, trong đó có nội dung hoàn
thiện kết cấu luôn mang ý nghĩa thực tiễn lớn và mang tính khả thi cao.
Khối lượng thi công tất cả các công trình máy xúc thường là chiếm tỉ
phần lớn. Có thể nói máy xúc quyết định đến tiến độ thực hiện nhiều hạng
mục, công trình. Chính vì lí do đó mà công nghệ và kỹ thuật sản xuất chế tạo
máy xúc nói chung được ưu tin và quan tâm của rất nhiều cơ sở khoa học,

II.1. Cấu tạo và hoạt động chung
Cấu tạo của máy xúc thuỷ lực gồm các bộ phận chủ yếu sau: Cabin (1)
là nơi tập trung các cơ cấu điều khiển hoạt động của máy; hệ thống di chuyển
xích (8) dùng để di chuyển máy trong công trường; cơ cấu quay sàn (9) giúp
cho máy có thể thay đổi được vị trí của gầu trong mặt phẳng ngang để đào và
xả đất; sàn quay (10) là nơi bố trí cabin, các bộ truyền động và đối trọng; đối
trọng (11) dùng để cân bằng sàn quay và đảm bảo sự ổn định của máy trong
quá trình làm việc; động cơ và các bộ truyển động (12) là nơi cung cấp nguồn
động lực để duy trì hoạt động của máy, trên máy xúc người ta thường sử dụng
động cơ có turbo tăng áp. Từ động cơ, thông qua hệ thống dẫn động thuỷ lực
thuỷ tĩnh, truyền năng lượng dẫn động di chuyển máy và các các thao tác làm
việc của thiết bị công tác.
Thiết bị công tác của máy gồm: cần (2) có hai đầu được lắp với sàn quay và
tay gầu (5) nhờ khớp trụ; xi lanh cần (3) dùng để điều khiển việc nâng hạ cần;
tay gầu (5) là nơi gá lắp và điều khiển hoạt động của gầu; xi lanh tay gầu (4)
4
dùng để điều khiển việc co duỗi tay gầu; gầu xúc (7) thường được lắp thêm
các răng để giảm lực cản cắt đất, điều khiển hoạt động của gầu được thực hiện
nhờ xi lanh gầu (6).
II.2. Quá trình động lực học của máy xúc một gầu dẫn động
thủy lực
Máy đào một gầu dẫn động thủy lực là một hệ thống cơ học phức tạp,
gồm các khâu động lực học hoàn chỉnh, các khâu nằm trong sự tương tác
động lực học khi thực hiện quá trình công tác bao gồm: Động cơ - hệ thủy lực
– bộ dẫn động – mạch phân phối – thiết bị công tác. Quá trình hoạt động bao
gồm tất cả các khâu chức năng của hệ thống và người lái. Người lái tạo thành
một mạch kín: Động cơ – hệ thủy lực – dẫn động – người lái – bộ công tác –
động cơ.
Quá trình tăng tốc và phanh hãm thiết bị công tác về bản chất cơ học là
quá trình xảy ra đột ngột, còn quá trình đào, cắt đất, nâng hạ thiết bị là quá

lực một gầu
II.3.1. Xây dựng mô hình vật lý mô tả động lực học quá trình đào
đất của máy xúc
Trong mô hình khảo sát động lực học thiết bị công tác để tính toán
lực trong các khớp liên kết của TBCT, để giảm tính phức tạp mà vẫn đảm bảo
độ tin cậy của kết quả nghiên cứu, thừa nhận một số giả thiết sau:
- Máy xúc được tách thành 4 khâu gồm: Toa quay, cần, tay gầu và gầu,
khối lượng các khâu được đặt tại trọng tâm của chúng;
- Các khâu của máy xúc được coi là vật rắn tuyệt đối;
- Bỏ qua tổn hao ma sát trong các khớp trong quá trình tính toán;
- Vị trí máy xúc đứng coi như cứng tuyệt đối;
6
- Chỉ nghiên cứu máy đào trong trường hợp góc tạo bởi phần trên và
phần dưới sàn quay bằng không và sự chuyển động của các khâu diễn ra trong
mặt phẳng thẳng đứng;
- Trọng tâm của cần, tay gầu và gầu xúc nằm trong mặt phẳng chuyển
động của cơ hệ khảo sát;
- Các lực dẫn động trong các xy lanh cần, tay gầu và gầu xúc được quy
đổi tương ứng thành các mô men M
1
, M
2
, M
3
.
- Trong quá trình cắt xem như lực các thành phần lực cản cắt chỉ thay
đổi về phương và không thay đổi về độ lớn, tức phoi cắt có chiều dày không
đổi và hệ số lực cản không thay đổi.
- Khối lượng lượng của gầu được tính bằng tổng khối lượng đất và gầu,
tọa độ trọng tâm của gầu không thay đổi trong quá trình cắt đất.

mô hình toán quá trình
động lực học của máy xúc
bằng phương pháp số
8
9
III.3. Kết quả khảo sát về động lực học
10
III.4. Mô hình hóa quá trình động lực học của máy xúc bằng
Matlab-Simulink
Mô hình hóa quá trình động lực học của máy xúc là sử dụng các
khâu, các khối có sẵn trong thư viện của Matlab-Simulink để giải mô hình
toán của máy xúc bằng Simulink. Mô hình toán được xây dựng là mô hình
khá tổng quát, vì vậy việc tìm hàm truyền giữa các khâu là rất phức tạp. Do
đó tác giả chọn phương pháp mô hình từng phần tử trong mô hình toán, và sử
dụng các hàm toán học của Simulink để kết nối các phần từ và giải mô hình.
III.5. Kiểm nghiệm kết quả khảo sát quy luật phản lực trong các
khớp liên kết của TBCT máy xúc bằng mô phỏng
Kết quả khảo sát tính toán bằng phương pháp số có thể kiểm nghiệm
bằng đo thực nghiệm hoặc bằng kết quả mô phỏng trên phần mềm tính toán,
khảo sát động lực học. Luận văn sử dụng phần mềm MSC.ADAMS để mô
phỏng động lực học máy xúc SOLAR 130W-V.
Phần mềm ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical
System) là phần mềm mô phỏng động lực học và phân tích chuyển động hệ
thống cơ khí nhiều vật được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Adams giúp
các kỹ sư nghiên cứu sự động học của bộ phận chuyển động, giải pháp đặt tải
trọng và các lực lượng phân bố trên toàn hệ thống cơ khí để cải thiện và tối ưu
hóa hiệu suất và các chỉ tiêu kỹ thuật các sản phẩm thiết kế.
Phần mềm cho phép các nhà thiết kế dễ dàng tạo ra và thử nghiệm
nguyên mô hình ảo của các hệ thống cơ khí trong một thời gian ngắn và chi
phí cần thiết cho xây dựng và thử nghiệm mô hình vật lý. Khả năng liên kết

III.6.2. Khuyến cáo sử dụng thiết bị thực hiện quá trình đào đất
Tuổi thọ của các chi tiết, cụm chi tiết và toàn máy ngoài việc phụ
thuộc vào chất lượng chế tạo, nó còn phụ thuộc rất nhiều vào trình độ khai
thác sử dụng. Nhà sản xuất phải cung cấp đầy đủ tài liệu hướng dẫn sử dụng,
vận hành, bảo dưỡng để người sử dụng chấp hành.
Cơ sở đưa ra các khuyến cáo và chế độ bào dưỡng cho máy chính là
trên cơ sở bài toán thiết kế sản phẩm. Giới hạn phạm vi an toàn cho máy phải
có kể đến các hệ số an toàn.
Ngoài ra trong quá trình khai thác khi cần thay thế các chi tiết, phần
tử thì kết quả nghiên cứu trên chính là cơ sở khoa học người khai thác đưa ra
mô hình để tính toán thiết kế, lựa chọn các phần tử thay thế làm việc an toàn.
IV. Kết luận và kiến nghị
12
IV.1. Kết luận
Trong quá trình nghiên cứu và khảo sát luận văn đã tập trung giải
quyết được các vấn đề sau:
1. Tổng quan lại các vấn đề liên quan đến nội dung thực hiện của
luận văn từ trước tới nay. Đặc biệt là các kết quả nghiên cứu liên quan đến
giải bài toán động lực học máy xúc.
2. Trên cơ sở nghiên cứu đặc điểm làm việc của máy xúc, đặc biệt là
một chu kỳ làm việc của máy. Phân tích lựa chọn giai đoạn đào đất để đặt ra
vấn đề nghiên cứu áp lực trong các khớp của thiết bị công tác của máy xúc.
Nghiên cứu đưa ra các giả thiết để thiết lập mô hình hình học, từ đó xây dựng
các mô hình vật lý quá trình động lực học và phản lực tương tác giữa các
khâu và các khớp của máy xúc. Các mô hình này mang tính tổng quát có thể
áp dụng khảo sát cho các loại máy xúc khác nhau.
3. Từ các mô hình vật lý, nghiên cứu xây dựng mô hình toán quá
trình động lực học và lực liên kết trong các khớp của máy xúc. Mô hình toán
được thành lập theo phương pháp LagarangII, đảm bảo tính tổng quát cao.
4. Nghiên cứu các phần mềm mô phỏng chuyên dụng, xây dựng mô

tải, 1997.
[[2] Lưu Bá Thuận, Tính toán máy thi công đất, NXB Xây dựng, Hà
nội 2005.
[3] Nguyễn Văn Vịnh. Động lực học máy xây dựng, NXB Giao thông
vận tải, 2004.
[4] Trần Xuân Hiển, Máy xúc thủy lực, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà
nội 2008.
[5] Nguyễn Văn Khang, Động lực học hệ nhiều vật, NXB Khoa học và
Kỹ thuật, Hà nội 2007.
[6] Trần Xuân Hiển, Giáo trình khai thác máy xây dựng, NXB Lao
động - xã hội, Hà nội 2007.
[7] Nguyễn Viết Trung, Thiết kế tối ưu, NXB Xây dựng, 2003
[8] Tạ Văn Đĩnh, Phương pháp tính, Hà nội, NXB Giáo dục, 1999.
[9] Bùi Minh Trí, Bùi Thế Tâm, Giáo trình tối ưu hoá- Cơ sở lý thuyết,
thuật toán, chương trình mẫu Pascan. NXB Giao thông vận tải, 1995.
[10] Lê Đình Thịnh. Đại số tuyến tính. Hà nội, NXB Khoa học và kỹ
thuật, 1996.
[11] Nguyễn Văn đạo (2001). Cơ học giải tích. Nhà xuất bản Đại Học
Quốc Gia Hà Nội.
[12] GS.TSKH Nguyễn Văn Khang (2007). Động lực học hệ nhiều
vật. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.
[13] Đỗ Sanh. Cơ học (Tập 1, Tập 2). Nhà xuất bản Giáo dục.
[14] Nguyễn Hữu Lộc. AUTODESK INVENTOR phần mềm thiết kế
công nghiệp. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
[15] Nguyễn Phùng Quang. MATLAB&SIMULINK. Nhà xuất bản
Khoa học và kỹ thuật.
Tiếng Anh
[16] RaoV. Dukipati. Solving vibration analysis problem using matlab.
New Delhi, 2007.
15