Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO PHỤC HỒI GẦU CÔNG
DỤNG CHUNG CỦA MÁY XÚC KOMATSU PC220
NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG VÀ HIỆU QUẢ
KINH TẾ

TRẦN THỊ HUYỀN THANH
11/2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CAM ĐOAN


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU 2
Phần I. MỞ ĐẦU
3
1. Tính cấp thiết của đề tài 3
2. Mục đích nghiên cứu 3
3. Đối tượng nghiên cứu 4
4. Phương pháp nghiên cứu 4
5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Phần II: NỘI DUNG
- 5 -
Chƣơng 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY XÚC VÀ GẦU XÚC CÔNG
DỤNG CHUNG KOMATSU PC220
- 5 -
1. Giới thiệu chung 5
1.1 Giới thiệu chung về các loại máy xúc thuỷ lực gầu ngược - 5 -
1.2. Giới thiệu chung về các loại gầu xúc - 6 -
2. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy xúc Komatsu PC220 - 9 -
3. Nghiên cứu về động học và động lực học quá trình làm việc cảu gầu xúc 15
3.1. Động học và động lực học gầu xúc 15
3.2. Phân tích lực tác động lên gầu xúc 29
Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHÁ HỎNG VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN
CHẾ TẠO PHỤC HỒI
34
1.Mòn vật liệu 35
1.1. Mòn kim loại và hợp kim 36
1.2. Ma sát và mòn chất dẻo 41
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn 41

Với chính sách mở cửa của Đảng và Nhà nước, trong những năm qua nước
ta đã thu hút được nhiều vốn đầu tư của nước ngoài cho nhiều lĩnh vực, trong đó có
lĩnh vực xây dựng cơ bản. Điều này càng làm cho số lượng và chủng loại máy xây
dựng (đặc biệt là máy xúc) ở nước ta vốn đã rất đa dạng, nay lại càng đa dạng hơn.
Ngoài những máy xúc mang tính thông dụng và truyền thống vẫn nhập từ Liên bang
Nga, chúng ta còn đầu tư nhiều loại máy móc từ các nước tư bản khác. Những máy
móc này có nhiều tính ưu việt trong thi công như tính gọn nhẹ, độ bền cao, độ tin
cậy làm việc lớn, năng suất và chất lượng sản phẩm cao v.v…, chính điều này gây
một trở ngại lớn cho việc tổ chức sửa chữa theo hình thức công nghiệp và hiện đại
hóa như sửa chữa theo hình thức chuyên môn hóa, sử dụng các thiết bị chuyên dùng
cho công tác sửa chữa, nhập vật tư phụ tùng thay thế v.v…
Xuất phát từ đó tác giả đã lựa chọn đề tài "Nghiên cứu chế tạo phục hồi gầu
công dụng chung của máy xúc KOMATSU PC 220 nhằm nâng cao chất lượng và
hiệu quả kinh tế".
Đây là đề tài khoa học Công nghệ chế tạo máy nhưng để hoàn thành được đề
tài nghiên cứu thì ngoài tài liệu chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy thì tác giả
còn cần nghiên cứu rất nhiều tài liệu chuyên ngành Máy xây dựng, Cơ học đất ; Do
vậy việc tìm tài liệu tham khảo để phục vụ cho luận văn và việc nghiên cứu tài liệu
tham khảo của tác giả gặp rất nhiều khó khăn cộng thêm thời gian nghiên cứu luận
văn có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự quan tâm, góp ý
của các Thầy, Cô và đồng nghiệp để đề tài đạt chất lượng cao hơn.
Để luận văn hoàn thành đúng thời hạn, cùng với sự nỗ lực của bản thân tác
giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ. Trước tiên tác giả xin trân thành cảm ơn
PGS.TS Vũ Quý Đạc, người thầy hướng dẫn khoa học chính giúp tác giả hoàn
thành luận văn này. Ngoài ra cũng xin trân thành cảm ơn Trường Trung cấp nghề
số 1 - BQP, Công ty cổ phần Cơ khí Mỏ, Xưởng X79 - Quân khu 1,…đã giúp tác
giả trong quá trình thực nghiệm để luận văn hoàn thành đúng thời hạn./.
Thái Nguyên, ngày 6 tháng 11 năm 2009
HỌC VIÊN


Phân loại đánh giá các dạng hỏng của gầu xúc, phát hiện những nguyên
nhân chủ yếu, tìm ra cơ chế phá hỏng, từ đó đề xuất phương án chế tạo phục hồi.
3. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU.
- Răng gầu máy xúc KOMATSU PC 220
- Chốt, bạc của gầu máy xúc KOMATSU PC 220

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 4 -
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.
a.Ý nghĩa khoa học.
Nghiên cứu ứng dụng thành công phương án chế tạo phục hồi vào quá trình
cải tạo, sửa chữa chi tiết gầu máy xúc sẽ đóng góp thêm các kiến thức về công nghệ
sửa chữa chi tiết máy. Cung cấp thêm kiến thức về cơ chế mòn của chi tiết gầu
trong các máy xúc đào thi công.
b.Ý nghĩa thực tiễn.
Với các ứng dụng của nghiên cứu áp dụng cho gầu máy xúc sẽ làm quá trình
sử dụng công suất máy được triệt để nhờ cớ sẵn đồ thay thế, làm giảm công sức sửa
chữa của công nhân và mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn. Ngoài lợi ích về kinh tế,
việc tìm ra phương án chế tạo phục hồi hiệu quả còn làm tăng tuổi thọ của gầu xúc.


Ngày nay chúng ta không còn thấy các máy đào dẫn động cáp được sản xuất
bởi các hãng hàng đầu thế giới. Hầu hết các máy đào đều có hệ thống dẫn động bộ
công tác bằng thuỷ lực, trừ một số loại máy đào gầu kéo, gầu ngoặm phục vụ những
công việc đặc biệt. Đa số là máy đào có bộ di chuyển xích, máy đào bánh lốp chỉ
được chế tạo với loại công suất nhỏ, phục vụ các công trình có khối lượng nhỏ,
trong địa bàn thành phố hoặc các công việc cần di chuyển nhiều.
Do nhu cầu khác nhau của các công trình và sự đòi hỏi ngày càng cao của
các công trình xây dựng. Máy xúc được nhập vào nước ta ngày càng nhiều từ các
thị trường Nhật Bản, Trung Quốc và Hàn Quốc do các hãng hàng đầu thế giới như
Caterpillar, Komatsu, Volvo,… chế tạo.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 6 -

Hình 1.1 Các loại máy xúc

1.2. Giới thiệu chung về các loại gầu xúc
Ngày nay, để đáp ứng yêu cầu của những công việc và điều kiện làm việc
khác nhau, các nhà sản xuất máy xây dựng, khai thác đã chế tạo ra rất nhiều loại gầu
của các máy chất tải. Mỗi loại chỉ phù hợp với những điều kiện làm việc nhất định.
Việc lựa chọn gầu máy chất tải không phù hợp có thể làm giảm năng suất của dây
chuyển bốc xúc vận chuyển tới 30%, làm tăng chi phí vận hành từ 10% đến 20%
hoặc lớn hơn, do làm gầu nhanh mòn, thậm chí có thể làm vỡ gầu, gây ra những
thiệt hại kinh tế. Vì vậy việc lựa chọn loại gầu máy chất tải phù hợp kết hợp với các
thao tác đúng kĩ thuật của người thợ vận hành sẽ mang lại những lợi ích rõ rệt, góp
phần làm giảm chi phí đơn vị sản phẩm[1]. Ở đây sẽ tập trung vào các loại gầu của
máy đào gầu sấp – Đây là loại máy chất tải chủ yếu, chiếm khoảng 80% tổng số
máy chất tải trong thực tiễn xây dựng, khai thác tại Việt Nam.

việc khó khăn. kết cấu gầu vững chắc hơn loại gầu chế độ nặng (b);
- Các tấm chống mòn bên kéo dài lên phía trên để bảo vệ gầu khi đào đá.
- Răng gầu và các chi tiết cắt đất có kích thước lớn hơn để tăng độ bền và
hiệu quả làm việc; Dung tích gầu tương đương loại gầu chế độ nặng.
d. Gầu chế độ làm việc rất nặng: dùng với đất đá có độ mài mòn cao, lực
cản đào lớn như với các loại đất đá hỗn hợp bền chắc, nhưng không phù hợp với
loại vật liệu kết dính như đất sét. Đặc điểm của loại gầu này là:
- Bán kính răng gầu nhỏ, khoảng cách giữa hai chốt bản lề lớn nên lực đào
rất lớn; So với loại gầu chế độ nặng, chu kì làm việc của máy ngắn hơn nhiều trong
hầu hết các điều kiện làm việc;
- Độ bền tương đương loại gầu chế độ nặng; Có khoan trước các lỗ để bắt
tấm bảo vệ thành bên và lưỡi cắt khi cần;
- Răng gầu và các chi tiết cắt đất có kích thước lớn hơn để tăng độ bền và
hiệu quả làm việc; Dung tích gầu tương đương loại gầu chế độ nặng.
e. Gầu nạo vét rãnh, kênh, mƣơng: để làm sạch các rãnh, kênh, mương, tạo
mái dốc và các công việc hoàn thiện:
- Gầu nông và kích thước gọn nên có thể hoạt động dễ dàng hơn trong các
khu vực chật hẹp; Có các lỗ thoát nước để dỡ tải dễ dàng;
- Có thể lắp các lưỡi cắt tùy chọn bằng bu-lông.
f. Các gầu có công dụng đặc biệt: khi có các nhu cầu đặc biệt, người sử
dụng có thể yêu cầu nhà sản xuất chế tạo gầu theo đơn đặt hàng. Tuy nhiên, các loại
gầu này thường có giá thành cao. Ví dụ, hình 1.2. f. là loại gầu được chế tạo để bóc
mặt đường (ripper bucket).
Các loại gầu xúc mới được thiết kế chế tạo có khả năng hoạt động cao. Một
máy đào có thể lắp các loại gầu khác nhau tuỳ theo yêu cầu công việc. Gầu thường
được chế tạo bằng thép có độ bền lớn, nên có thể vẫn đảm bảo độ bền, giảm tự
trọng của gầu để tăng khả năng chất tải. [22]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 1.4. Máy xúc Komatsu PC220 gầu ngược

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 11 - Để hiểu rõ cấu tạo cũng như quá trình làm việc của gầu máy xúc, trước tiên
tác giả xin giới thiệu cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động của máy xúc và của bộ
phận công tác như sau:

a. Cấu tạo chung

4 – Xi lanh quay tay đẩy
5 – Tay đẩy
6 – Xi lanh xoay gầu
7 – Đòn bẩy
8 - Gầu
Quá trình làm việc qua các thao tác sau: Rút xi lanh 6 và xi lanh 4 để nâng và
dựng gầu; hạ cần 2 cho gầu chạm đất; đẩy xi lanh 4 để cắt đất và làm đầy gầu. Đẩy
xi lanh 3 để nâng cần và quay cần cùng gầu đến nơi dỡ tải.[2]
c. Thiết bị công tác Hình 1.6. Liên hệ giữa con người và máy xúc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 14 -
Hình 1.7. Thiết bị công tác gầu ngược [1]
1 – Khung bàn quay
2 - Buồng lái
3,4 - cần trong và cần ngoài
5,6,11 – Xi lanh thuỷ lực
7 – Tay gầu
8 – Tay đòn gầu

gian khởi động, thời gian làm việc ổn định, thời gian hãm và các thời gian chuyển
tiếp. Tốc độ của máy thay đổi sẽ phát sinh lực động.
Mục đích nghiên cứu động lực học là tìm quy luật chuyển động của hệ, tức là
xác định các quy luật biến thiên của độ dịch chuyển, vận tốc, gia tốc theo thời
gian. Từ đó, xác định các lực động, nghiên cứu, xem xét ảnh hưởng của các lực
động đến máy, bộ phận máy và tìm cách sử dụng chúng một cách hợp lý hoặc giảm
bớt, hạn chế tác hại của chúng.
Bài toán động lực học nghiên cứu, tính toán ảnh hưởng của các tải trọng
động phát sinh trong quá trình máy làm việc đến các chi tiết, cụm chi tiết, các bộ
máy, đến kết cấu thép, móng máy… để tính bền, tính mỏi, xác định tuổi thọ, tính ổn
định theo quan điểm động lực học… Các nghiên cứu này có xu hướng muốn làm
giảm ảnh hưởng xấu của tải động.
Đối với máy xúc, nếu gọi X là quãng đường di chuyển theo phương ngang, A
là hệ số đặc trưng cho sự thay đổi của lực cản từ đất (cường độ biến đổi trở lực cản)
tác dụng lên gầu thì:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16
x
k
d
dF
A 



1
0












(1 – 1)
Trong đó:
I
r
- Mô men quán tính quy dẫn của tất cả các chi tiết máy quay về trục
của bánh chủ động
T - Lực kéo, là hàm của vận tốc
F
r
- Lực cản di chuyển
F
1
- Lực cản do biến dạng của nền
r – Bán kính quy dẫn
m - Khối lượng của máy
+ Nếu coi máy như hệ 1 khối lượng, phương trình chuyển động có thể viết
dưới dạng sau :
F
h
17
3.1.1.Khảo sát sơ đồ máy xúc nhƣ một hệ thống khối lƣợng quy kết có độ bám
tốt.
* Mục đích của việc nghiên cứu, khảo sát động lực học của máy xúc như một
hệ thống khối lượng quy kết có độ bảm tốt là viết được phương trình dịch chuyển,
vận tốc, gia tốc của hệ quy kết theo phương trình Lagrange loại II từ đó tìm ra được
những yếu tố ảnh hưởng tới lực cản tác dụng lên gầu trong quá trình làm việc của
gầu để tìm cách giảm lực cản tác dụng lên gầu.
Nếu trị số tuyệt đối của độ cứng kết cấu máy lớn hơn hệ số đặc trưng cho sự
thay đổi lực cản, thì chúng ta có thể coi máy xúc đất như một khối lượng m
r
chuyển
động.
Sơ đồ khảo sát như sau :

Hình 1.8 Sơ đồ máy xúc - vận chuyển đất như một khối lượng quy kết,
máy có độ bám tốt.
a) Trước khi gặp vật cản b) Sau khi gặp vật cản

Phương trình chuyển động khi máy gặp vật cản, độ bám tốt như sau :

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18

Tổng lực cản F
e
xác định như sau :
F
e
= F
f
+ Ax

= F
f
+ F
k
(x) (1-5)
Trong trường hợp tổng quát khi máy di chuyển trên nền có độ dốc thì:
F
f
= f .G.cos  G. sin
Với: G - Trọng lượng máy
 - Độ dốc của nền
F - Hệ số cản di chuyển
Lực tác động lớn nhất khi:
F
f
= f. G.cos - G.sin
Khi: f.G.cos = G.sin thì: F
f
= 0
Từ đồ thị đường đặc tính của động cơ, chúng ta có công thức tính lực kéo F
h
Hình 1.9. Đường đặc tính cơ của máy

v)(v
vv
T
TF
0
n0
n
h



(1-6)
Thay công thức (5), (6) vào biểu thức (4) và biến đổi chúng ta có:
0
dt
xd
mA.xFv)(v
)v(v
T
2
2
rf0
n0

v 
ta có:
f0
n0
n
n0
n
2
2
r
Fv
)v(v
T
A.x
dt
dx
.
)v(v
T
dt
xd
m 





Chia 2 vế cho m
r
ta có:

Đặt
rn0
n
).mv(v
T
G


và
r
f
0
m
F
G.vD 
phương trình trên trở thành:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20
D.x
m
A
dt
dx
G.
dt
xd
r


Chúng ta có công thức xác định chuyển dịch, vận tốc, gia tốc như sau :
+ Chuyển dịch :
A
D.m
.e
r
A
D.m
.αV
.e
r
A
D.m
.αV
x
r
.tα
r
1k
.tα
r
2k
21







a



Lực tác dụng lên gầu :
F
k
= A.x hoặc F
k
= T – F
f
– m
r
.a ; (a – Gia tốc)
Đối với cát và bùn : A = 1.10
3
kg/m
2
Đối với đá vôi : A = 2.10
3
kg/m
2
Đối với đá cục Granit : A = 4.10
3
kg/m
2 * Nhận xét:



Hình 1.11 : Sơ đồ máy xúc như một khối lượng quy kết bị trượt
(độ bám đạt trị số tới hạn)
Lúc này, do lực chủ động và lực quán tính tăng lên và bằng lực bám, hệ
thống sẽ trượt hoàn toàn.
Trong trường hợp, khi hệ số bám  tuy còn lớn hơn nhưng vẫn có khả năng
trượt vì bộ công tác cắt sâu vào lòng đất và phát sinh ra gia tốc âm (gia tốc chậm
dần) có giá trị lớn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22
Phương trình chuyển động:
0FxmT
e



(1-9)
Khi bắt đầu trượt ở thời điểm này chúng ta có các quan hệ sau:

k0r
m.aA.xFT 
(1-10)
Lực cản :
AxA.xFF
0re



3
và N
4
.
m
A
VN
k3


;
A
ma
N
k
4



Từ đó, chúng ta có công thức xác định dịch chuyển, vận tốc, gia tốc như sau:
+ Dịch chuyển :
A
ma
.t
m
A
.cos
A
m.a
-.t

A
.cosa .t
m
A
.sin
m
A
.Va
kk



Tải trọng tác dụng lên bộ công tác :

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23
rkk
FA.m.VTF 

(1-12)
Trong trường hợp di chuyển lên dốc :
A.m.VG.sinαf.G.cosα.GF
ktk


(1-13)
Với : G
t