Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày phương pháp xác định tổng lực cản và mô men tác dụng vào răng gầu trong quá trình tích vật liệu vào gầu của máy xúc lật thông qua lực dẫn động của máy và lực trong các xi lanh thủy lực.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LỰC MÔ MEN TÁC ĐỘNG VÀO RĂNG GẦU TRONG Q TRÌNH ĐÀO VÀ TÍCH VẬT LIỆU CỦA MÁY XÚC LẬT Tạ Văn Huy1*, Chu Văn Đạt2, Lê Văn Dưỡng3 Tóm tắt: Q trình tích vật liệu vào gầu máy xúc lật trình làm việc kết hợp đồng thời di chuyển máy tạo lực đẩy đồng thời điều khiển cần, gầu để đạt hiệu cao Chính vậy, tổng lực tác dụng lên gầu xúc ngồi phụ thuộc vào tính chất lý vật liệu phụ thuộc vào lực đẩy máy di chuyển lực xi lanh điều khiển cần gầu Bài báo trình bày phương pháp xác định tổng lực cản mô men tác dụng vào gầu q trình tích vật liệu vào gầu máy xúc lật thông qua lực dẫn động máy lực xi lanh thủy lực Từ khóa: Máy xúc lật đổ bên; thiết bị cơng tác; mơ hình động học The method of determining the force- torque on the teeth of bucket during digging and loading Abstract: The bucket filling of a side dump loader during working process is a contemporaneous combination of the moving of the loader and controlling its boom and bucket to achieve maximum efficiency Therefore, the total force applied to the bucket depends on the mechanical properties of materials, and it also depends on the machine thrust and the forces in the boom and bucket cylinders This article presents a method of determining the total force and torque applied to the bucket teeth during the filling process by the driven forces of machine and hydraulic cylinders Keywords: Side discharge loader; work equipment; kinamatics Nhận ngày 10/5/2017, sửa xong 7/6/2017, chấp nhận đăng 23/6/2017 Received: May 10, 2017; revised: June 7, 2017; accepted: June 23, 2017 Đặt vấn đề Máy xúc lật sử dụng rộng rãi với mục đích giới hóa lĩnh vực xây dựng, khai thác mỏ, vận tải… Cơng dụng máy bốc xúc đất, đá vật liệu rời, vận chuyển chúng trực tiếp gầu đổ lên thiết bị vận chuyển khác Trong chu trình làm việc, máy thực theo phân đoạn: tích vật liệu - chuyển tải - dỡ vật liệu Chi phí thời gian cho phân đoạn lượng vật liệu nằm gầu xúc định đến suất làm việc máy Tính tốn lực cản tổng qt tác dụng lên gầu xúc q trình tích vật liệu vào gầu quan trọng cần thiết q trình tính tốn thiết kế vận hành máy xúc lật theo xu phát triển hoàn thiện dạng máy thi cơng Đã có số cơng trình nghiên cứu tương tác thiết bị công tác môi trường làm việc nhằm mục đích đưa mơ hình tính số thành phần lực cản với gầu xúc lật [1-4] Trong tác phẩm [5], tác giả xây dựng mơ hình tính tốn đưa khảo sát ảnh hưởng tham số kết cấu tính vật liệu đến lực cản vật liệu tác dụng lên gầu xúc Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu vào xây dựng mơ hình khảo sát trường hợp máy đứng yên thực thao tác thiết bị công tác để tích vật liệu vào gầu Tuy nhiên, tích vật liệu vào gầu xúc sử dụng nâng hạ cần khơng hiệu [6] Q trình tích đất vào gầu hiệu kết hợp trình di chuyển tịnh tiến máy với thao tác điều khiển nâng hạ cần quay gầu Bài báo tập trung vào xây dựng mơ hình xác định tổng lực cản mô men tác dụng vào đỉnh gầu xúc trường hợp máy xúc lật thao tác để tích vật liệu vào gầu kết hợp di chuyển máy với điều khiển nâng hạ cần quay gầu Xây dựng mơ hình tính tốn Bài báo xây dựng mơ hình tính máy xúc lật đổ bên VWC E500-1 chế tạo Công ty Cổ phần chế tạo máy - VINACUMIN, thuộc Tập đồn Than khống sản Việt Nam (Hình 1) Cấu tạo máy ThS, Trường Trung cấp Kỹ thuật công binh, Binh chủng Công binh GS.TS, Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân TS, Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân *Tác giả E-mail: quanghuycb1971@gmail.com TẬP 11 SỐ 07 - 2017 183 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG gồm phần xe sở phần thiết bị công tác Thiết bị công tác gồm khâu động liên kết với khớp lề cần, giá gầu gầu; tương ứng với xi lanh dẫn động (xi lanh nâng hạ cần, xi lanh quay gầu xi lanh đổ nghiêng gầu) Trong làm việc, tích vật liệu vào gầu, xi lanh lật gầu không làm việc, máy di chuyển kết hợp với điều khiển xi lanh cần xi lanh quay gầu để tích vật liệu vào gầu Khi vật liệu tích đầy gầu, nâng gầu lên di chuyển máy đến vị trí xả vật liệu, điều khiển xi lanh lật gầu để nghiêng gầu xúc đổ vật liệu sang bên Hình Sơ đồ kết cấu chung máy xúc lật đổ bên Hình Mơ hình khảo sát ĐLH q trình tích vật liệu vào gầu máy xúc lật Trên sở cấu tạo nguyên lý làm việc máy, tác giả xây dựng mơ hình khảo sát động lực học q trình tích vật liệu vào gầu máy xúc lật thể Hình Trong mơ hình này, để đơn giản hóa, giả sử phần xe sở giá trượt mà có gắn phần thiết bị cơng tác gồm cần, giá gầu gầu (trong q trình tích vật liệu giá gầu gầu khối) Khi đó, q trình tích vật liệu máy, hệ đồng thời thực hai chuyển động: phần tử hệ chuyển động quay tương mặt phẳng thẳng đứng toàn hệ chuyển động tịnh tiến theo máy Trên mơ hình khảo sát, hệ gồm khâu: Khâu giá trượt (thân xe), khâu cần; khâu giá gầu gầu Các khâu liên kết với khớp lề B H Đặc trưng chuyển động hệ qua thông số: dịch chuyển tịnh tiến d1, góc quay θ2, θ3 Để quan sát vật mặt phẳng thẳng đứng, gắn vào hệ hệ tọa độ cố định X0O0Z0, hệ tọa độ X1O1Y1, X2O2Y2, X3O3Y3 có gốc gắn điểm liên kết khâu thiết bị cơng tác (Hình 2) Vị trí tương đối khâu xác định thông số: tọa độ xi, yi góc θi (i = 1,2,3) Hệ tọa độ X4O4Y4 đặt đỉnh gầu xúc nhằm mục đích xác định hướng gầu xúc thơng qua góc ψ Áp dụng phép biến đổi Denavit Hartenberg [7] để xác định ma trận hai khâu liền kề [i (i-1)], viết tổng quát là: Các thông số cấu trúc động học khâu xác định Bảng (với αi, góc khoảng cách trục Oizi Oi-1zi-1 đo theo trục xi; di, θi góc khoảng cách trục Oixi Oi-1xi-1 đo theo trục zi) Từ công thức (1) giá trị Bảng 1, ta có ma trận chuyển vị cho khâu sau: (1) Bảng Các tham số cấu trúc động học hệ Liên kết khâu i αi di 90o k d1+b r θ2 0 θ3 Ma trận chuyển hai hệ trục tọa độ X3O3Y3 X4O4Y4 xác định: 184 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 θi (2) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG (3) đó: giá trị khoảng cách k, b, r, q1, q2 góc β khơng đổi thể Hình Động học trình làm việc: Trong trình máy thực tích vật liệu vào gầu xúc, ta quan tâm đến quỹ đạo đỉnh gầu (điểm L) góc xác định hướng gầu xúc ψ so với hệ tọa độ cố định Tọa độ điểm L xác định thông qua ma trận chuyển: (4) Góc ψ xác định hướng gầu xúc so với hệ tọa độ cố định xác định thông qua góc khác theo cơng thức: (5) Như vậy, tọa độ đỉnh gầu L hướng gầu xúc trình thao tác làm việc phụ thuộc vào góc quay θ2, θ3 dịch chuyển máy d1 Trong thực tế việc, giá trị góc θ2, θ3 hồn tồn xác định cách đo trực tiếp thông qua thiết bị đo gắn liền khớp B H Dịch chuyển máy d1 xác định cách gắn thiết bị định vị JBS đo dịch chuyển máy Trong toán động học ngược, thời điểm có ba giá trị xác định: góc ψ xác định hướng gầu xúc, chiều cao đỉnh gầu khoảng cách từ đỉnh gầu với thân máy (tọa độ đỉnh gầu), từ phương trình (4) (5) ta xác định d1, θ2, θ3 thời điểm Tính tốn lực-mơ men đỉnh gầu xúc: Trong phần này, sở mô hình động lực học q trình tích vật liệu vào gầu xúc máy xúc lật, tác giả xây dựng mối quan hệ xác định giá trị lực cản mơ men đỉnh gầu q trình tích vật liệu vào gầu phụ thuộc vào lực đẩy di chuyển máy, lực xi lanh thủy lực dẫn động thiết bị công tác góc quay θ2, θ3 q trình thao tác tích vật liệu Nếu ta giả thiết q trình tích vật liệu vào gầu, máy di chuyển với vận tốc chậm, sử dụng ma trận Jacobian hệ để xác định lực mô men đỉnh gầu xúc thông qua lực đẩy máy lực xi lanh thủy lực Do hệ khảo sát có ba bậc tự chuyển động phẳng cấu, nên cần ma trận Jacobian 3x3 tối giảm đủ Ma trận xác định sau: (6) đó: S23 = sin(θ2 + θ3), C23 = cos(θ2 + θ3), S2 = sinθ2 C2 = cosθ2; Biểu thức (6) ma trận Jacobian tọa độ tham chiếu XoOoZo (tức J = JL0) Khi đó, mối quan hệ vector lực khớp nối vector lực nạp tải đỉnh gầu xác định [8]: τ = JTF (7) (8) đó: f1 lực đẩy máy sở; τ2 mô men khớp quay B; τ3 mô men khớp quay H; Fd thành phần lực dọc đỉnh gầu L; Fn thành phần lực ngang đỉnh gầu L; M mô men đỉnh gầu L Như vậy, từ phương trình (7) nhận thấy rằng, thành phần lực mô men đỉnh gầu xúc xác định thông qua lực đẩy xe sở f1 mô men τ2, τ3 khớp quay B H tương ứng Giá TẬP 11 SỐ 07 - 2017 185 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG trị mô men τ2, τ3 xác định thông qua lực f2, f3 xy lanh nâng hạ cần xi lanh quay gầu tương ứng; Mô men τ2 xác định thông qua lực xi lanh nâng hạ cần f2 biểu thức: đó: góc α γ thể Hình (9) Thơng qua biến đổi hình học, góc α γ xác định sau: α = π − θ2 (10) (11) Thế phương trình (10), (11) vào phương trình (9), ta được: (12) Mô men τ3 xác định thông qua lực xi lanh quay gầu f3 theo biểu thức: (13) đó: g = HD = const; η = HAD Tọa độ đỉnh tam giác DHA so với hệ trục cố định xác định sau: Nhận được: rC2 + gS23 + rcosα b1 (θ ,θ3 ) = DH : 0 rS2 − gC23 − rsinα b2 (θ ,θ3 ) (14) (15) Khi đó, xác định góc η theo cơng thức: (16) Do góc η khơng nhận giá trị âm, nên khơng có giá trị âm việc xác định η từ phương trình (16) Nếu biểu thức (16) thay cosη = w kết hợp phương trình (13) nhận được: (17) Trong thực tế, giá trị lực f1, f2, f3 hồn tồn xác định cách đo đạc trực tiếp máy thông qua đầu đo lực đầu đo áp suất lưu lượng dầu xi lanh thủy lực Như vậy, hồn tồn xác định lực mô men tác dụng vào đỉnh gầu xúc q trình tích vật liệu vào gầu thông qua công thức (7), (8), (12) (17) biết giá trị lực đẩy di chuyển máy f1 lực xi lanh nâng hạ cần xy lanh quay gầu tương ứng f2 f3 Kết luận Bài báo xây dựng phương pháp tính tốn đưa cơng thức tính tốn tổng lực cản mơ men đỉnh gầu xúc q trình tích vật liệu vào gầu máy xúc lật kết hợp di chuyển máy thao tác nâng hạ cần, quay gầu kết hợp Kết báo làm sở cho việc nghiên cứu động học, động lực học trình làm việc máy xúc lật 186 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG Tài liệu tham khảo Nezami E., Hashash Y., Zhao D., Ghaboussi J (2007), “Simulation of front end loader bucket-soil interaction using discrete element method”, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 31:1147-1162 3еленин А.Н (1968), Основы разрушения грунтов механическими способами, М.: Машиностроение, 375с Тарасов В.Н (1975), Динамика систем управления рабочими процессами землеройнотранспортных машин, – Омск: Зап.-Сиб кн изд-во, Омское отделение, 182 с Баумана В.А., Лапира Ф.А (1976), Строительные машины: Справочник, Под ред -М.: Машиностроение, (1):502 Chu Văn Đạt, Lê Văn Dưỡng, Tạ Văn Huy (2016), “Nghiên cứu xác định lực cản tổng qt q trình tích vật liệu vào gầu máy xúc lật”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học Công nghệ quân sự, 41:166-172 Фисенко Н.И (1976), Исследование рабочего оборудования одноковшового фронтального погрузчика, дис .канд техн наук: 05.05.04 /Фисенко Николай Ильич-Омск, 170 с Denavit J., Hartenberg R.S (1955), “A Kinematic Notation for Lower-Pair Mechanism Based on Matrices”, J Applied Mechanics, 215-221 Paul R.P (1981), Robot Manipulators: Mathematics, Programming and Control, MIT Press TẬP 11 SỐ 07 - 2017 187 ... ĐLH q trình tích vật liệu vào gầu máy xúc lật Trên sở cấu tạo nguyên lý làm việc máy, tác giả xây dựng mơ hình khảo sát động lực học q trình tích vật liệu vào gầu máy xúc lật thể Hình Trong mơ hình... ta xác định d1, θ2, θ3 thời điểm Tính tốn lực- mơ men đỉnh gầu xúc: Trong phần này, sở mô hình động lực học q trình tích vật liệu vào gầu xúc máy xúc lật, tác giả xây dựng mối quan hệ xác định. .. giá trị lực cản mơ men đỉnh gầu q trình tích vật liệu vào gầu phụ thuộc vào lực đẩy di chuyển máy, lực xi lanh thủy lực dẫn động thiết bị công tác góc quay θ2, θ3 q trình thao tác tích vật liệu