Nghiên cứu xác định lực cản tổng quát trong quá trình tích vật liệu vào gầu của máy xúc lật

Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực C.V. Đạt, L.V. Dưỡng, T.V. Huy, “Nghiên cứu xác định lực cản gầu của máy xúc lật.” 166 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH LỰC CẢN TỔNG QUÁT TRONG QUÁ TRÌNH TÍCH VẬT LIỆU VÀO GẦU CỦA MÁY XÚC LẬT Chu Văn Đạt1, Lê Văn Dưỡng1, Tạ Văn Huy2* Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp xác định lực cản tổng quát trong quá trình tích vật liệu vào gầu của máy xúc lật trong đó có kể đến ảnh hưởng của các thông số hình học của gầu và các tính chất cơ lý của vật liệu. Trên cơ sở đó khảo sát sự ảnh hưởng của một số thông số hình học của gầu và các đặc tính cơ lý của vật liệu đến giá trị lực cản tổng quát tác dụng lên gầu trong quá trình tích vật liệu. Từ khóa: Máy xúc lật, Gầu xúc, Lực cản tổng quát. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Máy xúc lật được sử dụng rộng rãi với mục đích cơ giới hóa trong các lĩnh vực xây dựng, khai thác mỏ, vận tảiCông dụng chính của máy là bốc xúc đất, đá và vật liệu rời, vận chuyển chúng trực tiếp trong gầu hoặc đổ lên thiết bị vận chuyển khác. Trong một chu trình làm việc, nhìn chung máy thực hiện theo các phân đoạn: Tích vật liệu-Nâng-Di chuyển-Dỡ vật liệu-Triển khai vị trí mới. Chí phí thời gian cho các phân đoạn và lượng vật liệu nằm trong gầu xúc sẽ quyết định đến năng suất làm việc của máy. Thêm vào đó đặc điểm vừa di chuyển vừa điền đầy vật liệu vào gầu nên giai đoạn tích vật liệu thường là giai đoạn chi phí công suất cao nhất. Việc tính toán để có được kết cấu gầu xúc hợp lý trong những điều kiện thi công cụ thể là rất cần thiết để giảm thiểu thời gian cũng như chi phí năng lượng tiêu hao cho phân đoạn điền đầy vật liệu. Mô hình tính toán lực cản tổng quát tác dụng lên gầu xúc trong quá trình tích vật liệu vào gầu là hết sức quan trọng và cần thiết trong quá trình tính toán thiết kế và vận hành máy xúc lật theo xu thế phát triển và hoàn thiện các dạng máy thi công hiện nay. Đã có một số công trình nghiên cứu về sự tương tác giữa thiết bị công tác và môi trường làm việc nhằm mục đích đưa ra các mô hình tính một số thành phần lực cản với gầu xúc lật [1-4]. Tuy nhiên các tính toán chưa khảo sát và đề cập đầy đủ đến các tham số về kết cấu và về cơ tính của vật liệu. Nên kết quả tính toán mới chỉ đạt được ở từng tiêu chí riêng rẽ. Bài báo tập trung vào xây dựng mô hình tương tác giữa thiết bị công tác với môi trường làm việc của máy xúc lật, từ đó xác định sự phụ thuộc của lực cản tổng quát tác dụng lên gầu xúc vào các thông số hình học của gầu và đặc tính cơ lý của môi trường công tác. 2. THIẾT LẬP CÔNG THỨC TÍNH LỰC CẢN TỔNG QUÁT TÁC DỤNG LÊN GẦU TRONG QUÁ TRÌNH TÍCH VẬT LIỆU Trong giai đoạn tích vật liệu vào gầu (hình 1), trước tiên gầu được hạ xuống miệng hướng về phía trước tiếp cận đống vật liệu kết hợp di chuyển của máy để tiến hành xúc vật liệu vào gầu, phần lăng kính vật liệu OA1B trượt tự do trên mặt phẳng đáy gầu OA1 đi vào gầu (hình 1a, 1b). Tiếp theo, gầu tiếp tục di chuyển tích vật liệu, phần lăng kính vật liệu OA1B trượt trên bề mặt vật liệu OA1 của lăng kính vật liệu OA1D đã tích vào gầu (hình 1c). Cuối cùng là quá trình vừa tích vật liệu vừa điều khiển lật ngửa dần gầu lên để chứa vật liệu trong gầu (hình 1d). Quá trình tích vật liệu vào gầu, răng gầu có thể di chuyển cao hơn (hình 1a) hoặc di chuyển trên bề mặt nền (hình 1b) của đống vật liệu. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 167 Hình 1. Giai đoạn tích đất vào gầu. Để thiết lập công thức tính toán lực cản tổng quát tác dụng lên gầu của máy xúc lật đối với giai đoạn đầu của quá trình tích vật liệu vào gầu trong trường hợp răng gầu di chuyển trên bề mặt nền của đống vật liệu (hình 1b). Sơ đồ các lực tương tác giữa gầu với vật liệu trong quá trình tích vật liệu được thể hiện trên hình 2a. Quá trình tích vật liệu, gầu di chuyển ngang và mặt đáy gầu nghiêng một góc α0 so với mặt phẳng ngang, răng gầu di chuyển trên mặt phẳng nền của đống vật liệu OA, lăng kính vật liệu OA1B chuyển động trượt trên mặt phẳng đáy gầu OA1 vào gầu, khi đó góc trượt vật liệu vào gầu ψ1 bằng góc nghiêng của đáy gầu α0 (ψ1 = α0). Hình 2. Sơ đồ các lực tương tác khi tích vật liệu vào gầu. Xác định các lực tác dụng lên lăng kính vật liệu. Phần lăng kính vật liệu OA1B được coi là khối rắn đồng nhất chuyển động tịnh tiến, cân bằng và chịu tác dụng của các lực: N1, F1, N2, F2, Fkd, G (hình 2a). Trọng lượng G của khối lăng kính vật liệu OA1B được xác định theo công thức [5]:   2 2 0 2 sin sin 0,5 , sin vl dG gL B        (1) trong đó, ρvl – khối lượng riêng của vật liệu, kg/m 3; g – gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2; B0 – bề rộng của gầu xúc, m; Ld - độ sâu thâm nhập của gầu vào đống vật liệu, m; α – góc nghiêng ban đầu của đống vật liệu; ψ2 – góc trượt của lăng kính vật liệu; Lực ma sát trượt F1 của lăng kính vật liệu với đáy gầu OA1 được xác định theo công thức: 1 1 1F N (2) Lực ma sát trượt F2 giữa vật liệu với vật liệu trên đoạn OB được xác định theo công thức: 2 2 2F N (3) trong đó, μ1 – hệ số ma sát giữa vật liệu và gầu xúc; μ2 – hệ số ma sát giữa vật liệu và vật liệu. Lực kết dính của vật liệu Fkd trên mặt OB được xác định theo công thức: Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực C.V. Đạt, L.V. Dưỡng, T.V. Huy, “Nghiên cứu xác định lực cản gầu của máy xúc lật.” 168  0 2 sin , sin kd d C F B L      (4) trong đó, C là hệ số kết dính của vật liệu; Từ sơ đồ hình 2a, các phương trình cân bằng lực tác dụng lên lăng kính đất theo phương thẳng đứng và nằm ngang có dạng:     1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2 2 1 sin cos cos sin 0; cos sin sin cos 0; n in kd i n id kd i F N F F F N F G N F F F N                                (5) Giải hệ phương trình (5) ta xác định được phản lực của đáy gầu N1 và phản lực của vật liệu N2 tác dụng lên lăng kính vật liệu:  2 2 2 1 1 2 3 4 sin cos kdG FN K K K K       (6)  2 1 1 1 1 2 2 2 2 sin cos sin cos sin kdG F NN             (7) trong đó, K1, K2, K3, K4 là các hệ số được xác định: 1 1 1 1sin cosK     ; 2 2 2 2cos sinK     ; 3 1 1 1cos sinK     ; 4 2 2 2sin cosK     Xác định các lực tác dụng lên gầu xúc. Sơ đồ các lực tác dụng lên gầu xúc được thể hiện trên hình 2b. Trong quá trình tích vật liệu, gầu chịu tác dụng của các lực: '1N , ' 1F ; R , cF , msF . Phản lực của vật liệu tác dụng lên đáy gầu '1N và lực ma sát giữa gầu và vật liệu ' 1F được xác định theo định luật 3 Newton: ' ' 1 1 1 1; ;N N F F  (8) Phản lực R của nền tác dụng lên phần răng gầu được xác định từ điều kiện cân bằng theo phương thẳng đứng: ' ' 1 1 1 1 1 cos sin 0 n id i F R N F       (9) Thế các phương trình (2), (6) và (8) vào phương trình (9) nhận được:  ' '1 1 1 1 1 1 1 1cos sin cos sinR N F N        (10) Lực ma sát Fms của răng gầu với mặt nền được xác định:  1 1 1 1cos sinmsF fR fN      (11) trong đó, f - hệ số ma sát giữa răng gầu với nền. Sơ đồ tính toán lực cản cắt Fc tại răng gầu được thể hiện trên hình 3 [5]: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 169 Hình 3. Sơ đồ tính lực cản cắt tác dụng lên răng gầu. Từ sơ đồ hình 3, có thể tính lực cản chính diện Fc theo công thức:  2 sin coscF N F   (12) trong đó, N là áp lực trên bề mặt răng cắt và được xác định theo công thức: 0 2sin bB N    (13) Lực ma sát F được tính theo công thức: 2F N (14) Thế phương trình (13) và(14) vào phương trình (12) nhận được:   02sin cos sin c bB F        (15) trong đó, σ là ứng suất trên mặt nghiêng của răng cắt; 2 tg  - hệ số ma sát giữa vật liệu với vật liệu. Lực đẩy ngang T1 của gầu được xác định từ điều kiện cân bằng theo phương ngang: ' ' 1 1 1 1 1 1 cos sin 0 n in ms c i F T F N F F         (16) Tức là: ' ' 1 1 1 1 1cos sin ms cT F N F F     (17) Tổng lực tác dụng lên gầu (hình 2c) có thể đưa về điểm đầu răng gầu O và chia thành 2 thành phần nằm ngang và thẳng đứng P1 và P2 tương ứng [6]. ' ' 1 1 1 1 1 1cos sin ,ms cP T F N F F      (18) 2 1 1 1 1cos sin 0.P N F R      (19) Trong trường hợp này, gầu xúc di chuyển trên mặt nền được coi là cứng tuyệt đối, chính vì vậy, các lực tác dụng lên gầu xúc theo phương thẳng đứng cân bằng (P2 = 0). Thành phần lực theo phương ngang P1 chính là tổng lực cản tác dụng lên gầu trong quá trình tích vật liệu. Thế phương trình (2), (6), (8), (11) và (15) vào phương trình (18) nhận được:         2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 4 0 2 sin cos cos sin cos sin sin cos (20) sin kdG FP f K K K K bB                          Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực C.V. Đạt, L.V. Dưỡng, T.V. Huy, “Nghiên cứu xác định lực cản gầu của máy xúc lật.” 170 Như vậy, công thức (20) cho phép tính toán lực cản tổng quát tác dụng lên gầu xúc theo phương di chuyển trong quá trình tích vật liệu vào gầu trong đó kể đến các thông số hình học của gầu xúc và các tính chất cơ lý của vật liệu. 3. KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA GẦU VÀ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU ĐẾN LỰC CẢN TỔNG QUÁT Trong phần này, các tác giả khảo sát sự phụ thuộc của lực cản tổng quát P1 tác dụng lên gầu trong quá trình tích vật liệu vào một số thông số hình học của gầu và đặc tính cơ lý của môi trường công tác. Các thông số đầu vào: B0 = 3,6 m; b = 0,03 m; γ = 35 0; μ1 = μ2 = 0,5; α = 500; σ = 226,8 kPa; f = 0,45; Theo А.Н. Зеленин [7], khối lượng riêng của vật liệu ρvl và hệ số bám của vật liệu C được xác định phụ thuộc vào đặc tính cơ lý vật liệu. Cấp I: ρvl = 1250÷1750 kg/m 3, C = 0,85÷4,25 kPa; Cấp II: ρvl = 1700÷1950 kg/m 3, C = 4,25÷33,75 kPa; Cấp III: ρvl = 1750÷2200 kg/m3, C = 33,75÷60 kPa; Cấp IV: ρvl = 1800÷2400 kg/m 3, C = 60÷1320 kPa; Kết quả sự phụ thuộc của lực cản tổng quát P1 tác dụng lên gầu xúc vào góc đặt gầu ban đầu α0, góc trượt của vật liệu ψ2, độ sâu thâm nhập của vật liệu vào gầu Ld và độ kết dính của vật liệu C, được biểu diễn trên hình 4-7, tương ứng. P1, kN P1, kN 6 8 10 12 14 16 46 47 48 49 50 51 52 74 76 78 80 82 84 8651.2 51.4 51.6 51.8 52 52.2 α0, độ ψ2, độ Hình 4. Sự phụ thuộc lực cản P1 vào góc đặt gầu α0. Ld = 0,5 m; ψ2 = 80 0; C = 3 kPa. Hình 5. Sự phụ thuộc lực cản P1 vào góc trượt vật liệu ψ2. Ld = 0,5 m; α0 = 16 0; C = 3 kPa. P1, kN P1, kN 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 40 50 60 70 80 0 5 10 15 20 25 30 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Ld, m C, kPa Hình 6. Sự phụ thuộc lực cản P1 vào độ sâu thâm nhập của vật liệu Ld; ψ2 = 80 0; C = 3 kPa; α0 = 16 0 Hình 7. Sự phụ thuộc lực cản P1 vào độ kết dính vật liệu C. Ld = 0,5 m; ψ2 = 80 0; α0 = 16 0. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 171 Từ kết quả chỉ ra trên hình 4-7 nhận thấy rằng, lực cản tổng quát P1 tác dụng lên gầu xúc theo phương di chuyển trong quá trình tích vật liệu vào gầu thay đổi phụ thuộc vào góc đặt gầu ban đầu α0, góc trượt của vật liệu ψ2, độ sâu thâm nhập của đất vào gầu Ld và độ kết dính của vật liệu C. Lực cản tổng quát tác dụng lên gầu xúc P1 tăng nhanh và tăng gần như tuyến tính với góc đặt gầu ban đầu α0, độ sâu thâm nhập của đất vào gầu Ld và độ kết dính của vật liệu C. Lực cản tổng quát P1 tác dụng lên gầu xúc thay đổi từ 46,3 kN đến 51,4 kN khi góc đặt gầu ban đầu α0 thay đổi từ 6 0 đến 160, thay đổi từ 34 kN đến 80 kN khi độ sâu thâm nhập của đất vào gầu Ld thay đổi từ 0 đến 1 m, thay đổi từ 40 kN đến 160 kN khi độ kết dính của vật liệu C thay đổi từ 0 đến 30 kPa. Đồng thời, lực cản tổng quát tác dụng lên gầu xúc P1 thay từ 51,3 kN đến 52,2 kN khi góc trượt của vật liệu ψ2 thay đổi từ 74 0 đến 860 và đạt giá trị nhỏ nhất tại ψ2 ≈ 81 0. Kết quả khảo sát cho thấy mức độ ảnh hưởng của độ kết dính của vật liệu C đến lực cản tổng quát tác dụng lên gầu xúc P1 là rất lớn. 4. KẾT LUẬN Công thức tính toán lực cản tổng quát tác dụng lên gầu xúc trong quá trình tích vật liệu mà bài báo xây dựng là hàm của các thông số hình học của gầu (B0; Ld, b, γ) và các tính chất cơ lý của vật liệu (μ1, μ2, α, σ, f, C). Điều kiện triển khai ban đầu (góc đặt gầu α0) cũng làm thay đổi đáng kể giá trị lực cản tổng cộng (giá trị P1 tăng hơn 10% khi tăng góc đặt từ 60 lên 160). Bài báo đã khảo sát ảnh hưởng của các thông số hình học của gầu và đặc tính cơ lý của vật liệu đến lực cản tổng quát cho thấy mức độ ảnh hưởng của các thông số đó tới giá trị lực cản tổng quát. Mô hình tính toán đưa ra trong bài báo mô tả tổng quát quá trình gầu xúc chuyển động tiếp cận và ra khỏi đống vật liệu. Do đó khi kết hợp thêm yếu tố thời gian thì hoàn toàn có thể sử dụng để tính toán thời gian để điền đầy vật liệu vào gầu, cũng như xác định vệt di chuyển hiệu quả của răng gầu. Các thông số này, cùng với khảo sát mức độ ảnh hưởng kể trên chính là cơ sở để xây dựng và xác định các hàm mục tiêu cũng như các điều kiện biên cho bài toán tối ưu thiết kế hình học của gầu xúc, và bài toán lựa chọn biện pháp thi công mang lại hiệu quả cao nhất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phạm Hữu Đỗng, Hoa Văn Ngũ, Lưu Bá Thuận, “Máy làm đất”, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2004. [2]. Lưu Bá Thuận, “Máy làm đất và cơ giới hóa công tác đất”, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2010. [3]. Nezami E, Hashash Y, Zhao D, Ghaboussi J, “Simulation of front end loader bucket– soil interaction using discrete element method”, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, No 31, 2007, 1147-1162 pp, 2006. [4]. 3еленин А.Н. “Основы разрушения грунтов механическими способами”. М., Машиностроение. [5]. Бояркина И.В. “Технологическая механика одноковшовых фронтальных погрузчиков: монография”. – Омск: СибАДИ, 2011. –336 с. [6]. Домбровский Н.Г., Гальперин М.И. “Строительные машины: учебник для студентов вузов”. М.: Высш. школа, 1985. 224 с. [7]. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов И.П. “Машины для земляных работ: учеб. пособие для втузов”. М.: Машиностроение, 1975. 424 с. Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực C.V. Đạt, L.V. Dưỡng, T.V. Huy, “Nghiên cứu xác định lực cản gầu của máy xúc lật.” 172 ABSTRACT RESEARCH ON DETERMINING OF THE GENERAL RESISTANCE FORCES IN THE PROCESS OF CAPTURING MATERIALS INTO THE BUCKET OF A BACKHOE LOADER This article presents the theoretical approach for working out the total resistance force in the filling process of material in the bucket of backhoe excavator in concluding the geometrical parameters of bucket and mechanical characteristics of materials. This work also explores the effects of these parameters on the value of resistance forces acting on the bucket. Keywords: Backhoe loader, Bucket, General resistance forces. Nhận bài ngày 08 tháng 01 năm 2016 Hoàn thiện ngày 15 tháng 02 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 22 tháng 02 năm 2016 Địa chỉ: 1 Học viện Kỹ thuật QS; 2 Trường Trung cấp Kỹ thuật Công binh, BTL Công Binh; * Email: quanghuycb1971@gmail.com.