Tính toán thiết kế bộ công tác gầu ngược của máy

Chương10: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ CÔNG TÁC GẦU NGƯỢC CỦA MÁY 10.1 Tính toán và thiết kế tay gầu. Để tính toán và thiết kế tay gầu, ta khảo sát hai vị trí mà tại đó có lực quay tay gầu đạt giá trị lớn nhất, tức là nội lực do gây ra trong tay gầu tại tiết diện nguy hiểm là lớn nhất. Chọn vật liệu làm tay gầu là thép cán º10×10×7(CT5) có kích thước như hình vẽ: Hình 10.1 Chọn thép tấm 6mm hàn vào tay gầu để làm các tai liên kết xylanh quay gầu với tay gầu và tay gầu với cần. Hình 10.2 Tấm bên được hàn vào tay gầu bằng tay và sử dụng que hàn có quét lớp trợ dung dày, kiểu Э42. Kết cấu tay gầu: Hình 10.3 Trọng lượng tay gầu: : trọng lượng riêng của thép 10.1.1 Vị trí thứ nhất: Điều kiện tính toán: Tay gầu ở vị trí gần như vuông góc với phương ngang. Gầu đang tiến hành cắt đất, răng gầu gặp chướng ngại vật. Khi này xem xylanh nâng cần và xylanh quay gầu không làm việc. Gầu chưa tích được đất. Tách gầu ra khỏi cần máy Hình 10.4 Lực tạo với phương ngang một góc , lúc này tay gầu chụi lực uốn do gây ra và chụi nén lệch tâm do gây ra. Lực được xác định dựa vào phương trình cân bằng mômen của các lực tác dụng lên hệ tay gầu và gầu gây ra với khớp O2. Như đã tính toán ở chương phần xác định lực tác dụng lên tay gầu ta tính được ở vị trí thứ nhất lực Lập phương trình cân bằng hình chiếu của các lực xuống hệ trục tọa độ xác định phản lực tại khớp (10.1) Biểu đồ nội lực ( Tiết diện nguy hiểm của tay gầu là mặt cắt m-n đi qua khớp O2. Mômen uốn lớn nhất và làm căng mặt cắt bên trái của tay gầu. (10.2) Trong đó: : khoảng cách từ lực đến khớp O2. : góc tạo bởi phương của với phương ngang. Lực cắt lớn nhất: Lực nén lớn nhất: Mặt cắt m-n đi qua khớp O2. Hình 10.5 Để dễ dàng trong việc tính toán ta xem mặt cắt trên như sau: Hình 10.6 Xác định trọng tâm mặt cắt: Chọn tọa độ ban đầu là C1xy. Ta có thể thấy trục y là trục đối xứng nên nó là một trục mômen quán tính trung tâm vì vậy chỉ cần tìm mômen tĩnh để xác định tọa độ trọng tâm của mặt cắt. Vì và chúng đối xứng với nhau qua trục Nên: Trong đó: : khoảng cách từ các trọng tâm của đến . : diện tích các mặt cắt chia. Diện tích của mặt cắt: Trọng tâm mặt cắt: (10.3) Xác định mômen quán tính trung tâm. Vì Nên Trong đó: : là mômen quán tính của các diện tích với hệ trục trung tâm của nó : là khoảng cách từ trọng tâm của các diện tích tương ứng đến hệ trục trung tâm của mặt cắt. Vì trọng tâm mặt cắt lệch tâm tay gầu lên trên một khoảng nên mômen uốn xét tại mặt cắt có giá trị. (10.4) Vật liệu chế tạo tay gầu là thép CT5 có , . Để đảm bảo sức bền cho tay gầu thì ứng suất gây ra tại tại tiết diện m-n phải thỏa mãn điều kiện: Độ bền ứng suất pháp, theo công thức (3.24).[3]. Ưùng suất kéo (10.5) : ứng suất kéo lớn nhất. : ứng suất cho phép khi kéo. : hệ số an toàn (10.6) : diện tích mặt cắt m-n. : mômen quán tính trung tâm. : khoảng cách từ điểm chịu kéo xa nhất đến trục trung hòa. (10.7) Ưùng suất nén, theo công thức (3.24).[3]. (10.8) : ứng suất nén lớn nhất. (10.9) : ứng suất cho phép khi nén. (10.10) Độ bền ứng suất tiếp: Theo thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất, theo công thức (6.29).[3]. (10.11) Trong đó: : lực cắt lớn nhất : mômen tĩnh của mặt cắt phía dưới đối với trục . mômen quán tính của toàn mặt cắt. Ưùng suất tiếp lớn nhất. (10.12) Ưùng suất tiếp cho phép: (10.13) Kiểm tra theo lý thuyết bền thứ 3, theo công thức (6.32).[3]. (10.14) Kết luận tay gầu đủ bền ở vị trí làm việc thứ nhất. Vị trí thứ hai : Điều kiện tính toán: Gầu đang cắt đất ở cuối giai đoạn đào và tích đất với chiều day phoi cắt lớn nhất. Gầu đã tích đầy đất. Lực của xylanh quay tay gầu có phương tạo với trục dọc của tay gầu góc Hình 10.7 Lực tạo với phương ngang một góc , lúc này tay gầu chụi lực uốn do gây ra và chụi kéo lệch tâm do gây ra. Tiết diện nguy hiểm của tay gầu là mặt cắt m-n đi qua khớp O2. Lực được xác định dựa vào phương trình cân bằng mômen của các lực tác dụng lên hệ tay gầu và gầu gây ra với khớp O2. Như đã tính toán ở chương phần xác định lực tác dụng lên tay gầu ta tính được ở vị trí thứ nhất lực . Lập phương trình cân bằng mômen các lực đối với điểm xác định phản lực tại tại các gối . (10.15) Biểu đồ nội lực và Tiết diện nguy hiểm của tay gầu là mặt cắt m-n đi qua khớp O2. Giả sử trọng lượng của tay gầu phân bố đều trên tay gầu. Lúc đó trọng lượng phân bố sẽ có giá trị: (10.16) Mômen uốn lệch tâm do , và trọng lượng bản thân tay gầu gây ra đạt giá trị lớn nhất và căng phía trên của mặt cắt. (10.17) : khoảng cách từ lực đến khớp O2. : góc tạo bởi phương của với phương ngang. : khoảng cách từ lực đến khớp C1. Lực cắt lớn nhất: Lực kéo tay gầu: (10.18) Trong trường hợp này mặt cắt bị căng thớ trên tức là bị kéo do đó ta chỉ kiểm tra ứng suất kéo. (10.19) Ưùng suất kéo lớn nhất: (10.20) Ưùng suất kéo cho phép: (10.21) Kiểm tra độ bền ứng suất tiếp. Theo thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất. (10.22) Trong đó: : lực cắt lớn nhất : mômen tĩnh của mặt cắt phía trên đối với trục . mômen quán tính của toàn mặt cắt. Ưùng suất tiếp lớn nhất. Ưùng suất tiếp cho phép: (10.23) Kiểm tra theo lý thuyết bền thứ 3 (10.24) Kết luận: tay gầu đủ bền ở vị trí làm việc thứ hai. 10.2 Tính toán và thiết kế cần. Chọn vật liệu làm cần là thép cán º10×10×7(CT5) gồm hai đoạn có kích thước như hình vẽ. Hình 10.8 Hai đoạn cần liên kết với nhau bằng hai tấm thép 10mm ốp hai bên và trên tấm thép có gia công lỗ để làm tai liên kết xylanh cần và xylanh tay gầu. Hình 10.9 Tấm bên được hàn vào tay gầu bằng tay và sử dụng que hàn có quét lớp trợ dung dày, kiểu Э42. Kết cấu cần: Hình 10.10 Trọng lượng cần: Cần máy được tính sức bền ở vị trí như trên hình vẽ 9.5 Điều kiện tính toán: - Tại vị trí này lực đẩy của xylanh quay tay gầu có phương tạo với trục dọc của tay gầu một góc - Tại răng gầu có lực cản đào do chướng ngại vật gây ra. - Gầu chưa tích được đất. Tách cần ra khỏi tay gầu và thay vào khớp O2 (liên kết giữa cần và tay gầu) các phản lực XO2 và YO2. Hình 10.11 Các phản lực tại khớp . Xác định lực trong xylanh nâng cần. Giả sử trọng lượng của cần phân bố đều trên cần. Lúc đó trọng lượng phân bố sẽ có giá trị: Lập phương trình cân bằng mômen với khớp . (10.25) Xác định các phản lực tại khớp chân cần XO1 và YO1. Lập phương trình cân bằng hình chiếu của các lực xuống các trục tọa độ XO1Y. (10.26) Biểu đồ nội lực. Tiết diện nguy hiểm của tay gầu là mặt cắt đi qua khớp O. Mômen uốn do phản lực tại khớp , và trọng lượng bản thân cần gây ra đặt giá trị lớn nhất. (10.26) Lực cắt cần lớn nhất. Lực kéo trong cần: Xác định trọng tâm mặt cắt: Hình 10.12 Chọn tọa độ ban đầu là O1xy. Ta có thể thấy trục y là trục đối xứng nên nó là một trục mômen quán tính trung tâm vì vậy chỉ cần tìm mômen tĩnh để xác định tọa độ trọng tâm của mặt cắt. Vì và chúng đối xứng với nhau qua trục Nên: Trong đó: : khoảng cách từ các trọng tâm của đến . : diện tích các mặt cắt chia. Diện tích của mặt cắt: Trọng tâm mặt cắt: (10.28) Vì trọng tâm mặt cắt lệch tâm cần lên trên một khoảng nên mômen uốn xét tại mặt cắt có giá trị. (10.29) Xác định mômen quán tính trung tâm. Vì Nên V ật liệu chế tạo cần là thép CT5 có , . Để đảm bảo sức bền cho cần thì ứng suất gây ra tại tại tiết diện a-a phải thỏa mãn điều kiện: Độ bền ứng suất pháp: (10.30) Uùng suất kéo lớn nhất: (10.31) Ưùng suất cho phép (10.32) : hệ số an toàn của chốt. Độ bền ứng suất tiếp. Theo thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất. (10.33) Trong đó: : lực cắt lớn nhất : mômen tĩnh của mặt cắt phía trên đối với trục . mômen quán tính của toàn mặt cắt. Ưùng suất tiếp lớn nhất. Ưùng suất tiếp cho phép: (10.34) Kiểm tra theo lý thuyết bền thứ 3 (10.35) Kết luận: cần đủ bền khi làm việc. 10.3 Tính toán và thiết kế gầu. Điều kiện tính toán: Gầu vẫn đang tiến hành cắt đất ở cuối giai đoạn đào và tích đất với chiều dày phoi cắt lớn nhất, đồng thời răng gầu gặp chướng ngại vật. Tay gầu gần như nằm ngang. Gầu đã được tích đầy đất. Lúc đó gầu chịu lực lớn nhất do lực đẩy của xylanh quay gầu truyền tới qua khớp O3 và xylanh tay gầu truyền tới qua khớp O2. Hình 10.13 Xác định các phản lực Lập phương trình cân bằng mômen với khớp O3 (10.36) Trong đó: : khoảng cách từ lực đến khớp . : khoảng cách từ lực đến khớp . : khoảng cách từ lực đến khớp . : khoảng cách từ lực đến khớp . Lập phương trình cân bằng mômen với khớp O4. (10.37)Trong đó: : khoảng cách từ lực đến khớp . : khoảng cách từ lực đến khớp . : khoảng cách từ lực đến khớp . : khoảng cách từ lực đến khớp . Gầu có kết cấu không gian và chụi lực phức tạp nên việc tính sức bền của gầu muốn đạt dược độ chính xác cao sẽ rất khó khăn và phức tạp. Thành gầu được hàn với đai gầu nhằm làm tăng độ cứng vững cho gầu. Vì vậy để bài toán đơn giản hơn, ta tiến hành tính sức bền các đai gầu và sau đó chọn chiều dày thành gầu dựa vào chiều dày đai gầu theo kinh nghiệm thực tế của các máy đồng dạng hiện có. Gầu thường có hai đai: trên và dưới, trong đó đai trên chụi lực lớn hơn đai dưới, nên ta tính sức bền đai trên. Khi tính toán sức bền đai trên của gầu, ta thừa nhận các giả thiết sau: Lực cản đào của chướng ngại vật tác dụng vào chính giữa thành trước của gầu và có phương vuông góc với thành trước của gầu. Phản lực do tay gầu truyền tới đặt ở chính giữa thành sau và có phương vuông góc với thành sau của gầu ( trong mặt phẳng chứa đai trên của gầu ). Phản lực được phân bố đều cho hai khớp O liên kết giữa thành sau của gầu và đòn gánh. Xác định chiều dầy thành gầu theo công thức kinh nghiệm của Stefan Mihailescu. (10.38) Chọn Từ đó chiều đai gầu được chọn gần đúng theo công thức kinh nghiệm : (10.39) Chọn chiều rộng Chọn chiều cao Mômen chống uốn tiết diện đai gầu. (10.40) Mômen quán tính tiết diện đai gầu. (10.41) Mômen tĩnh tiết diện đai gầu. (10.42) Biểu đồ nội lực trên đai gầu. Tiết diện tại khớp chụi lực lớn nhất. Để đảm bảo sức bền cho tay gầu thì ứng suất gây ra tại tại tiết diện m-n phải thỏa mãn điều kiện: (10.43) (10.44) (10.45) Chọn vật liệu chế tạo đai gầu là thép CT5 có (10.46) : hệ số an toàn của gầu. Kết luận: đai gầu đủ bền. 10.4 Tính sức bền chốt cần liên kết với máy. Điều kiện tính toán: Khi lực trong xylanh nâng cần lớn nhất tương ứng với giai đoạn gầu đã tích đầy đất xylanh cần co lại nâng gầu khỏi tầng đào và chuẩn bị quay để đổ đất. Hình 10.14 Lập phương trình cân bằng lực đối với hệ trục (10.47) Hợp lực của hai phản lực (10.48) Biểu đồ nội lực: Mặt cắt nguy hiểm là mặt cắt đi qua lực T, vì chốt có tiết diện hình tròn và không đổi suốt chiều dài do đó: Mômen quán tính mặt cắt: (10.49) ( đối với trục trung hòa) Kiểm tra theo lý thuyết bền thứ 3 (10.50) Ưùng suất tiếp lớn nhất. (10.51) Ưùng suất tiếp lớn nhất. (10.52) Chọn vật liệu chế tạo chốt cần là thép CT5 có (10.53) : hệ số an toàn của chốt. Kết luận: chốt đủ bền. 10.5 Tính sức bền chốt tay gầu liên kết với cần. Điều kiện tính toán: Khi lực trong xylanh co duỗi tay gầu lớn nhất tương ứng với giai đoạn cuối quá trình đào tích đất, răng gầu gặp chướng ngại vật. Phản lực tại chốt: Giá trị các phản lực đã tính được từ trên. Hợp lực của hai phản lực (10.54) Biểu đồ nội lực: Mặt cắt nguy hiểm là mặt cắt đi qua lực T, vì chốt có tiết diện hình tròn và không đổi suốt chiều dài do đó: Mômen quán tính mặt cắt: (10.55) Mômen tĩnh mặt cắt: Kiểm tra theo lý thuyết bền thứ 3. (10.56) Ưùng suất pháp lớn nhất. (10.57) Ưùng suất tiếp lớn nhất. (10.58) Chọn vật liệu chế tạo chốt cần là thép CT5 có (10.59) : hệ số an toàn của chốt. Kết luận: chốt đủ bền. 11.6 Tính sức bền mối hàn. 11.6.1 Mối hàn trên cần. Các mối hàn trên cần đối xứng với nhau qua tâm cần và điểm đặt của các lực nằm trên đường tâm cần. Từ biều đồ nội lực tính cần mối hàn chịu các lực sau: Hình 10.15 Lực kéo: Mômen uốn: Lực cắt: Mối hàn chịu đồng thời M, Q và N: độ bền của nó được kiểm tra theo công thức: (10.60) Trong đó: : phương pháp hàn tay. : tỷ số biên độ ứng suất. : chiều dày cạnh hàn. : chiều dài cạnh hàn. Vật liệu chế tạo cần là thép CT5 có (10.61) : hệ số an toàn lấy đối với cần. 11.6.2 Kiểm nghiệm sức bền mối hàn trên tay gầu. Tiến hành kiểm nghiệm tại vị trí mà lực trong xylanh co duỗi tay gầu là lớn nhất, tức lúc này tay gầu nằm ngang. Lực trong xylanh co duỗi tay gầu đạt max . Vì lúc này coi gầu là cố định với tay gầu nên không tính đến lực trong xylanh quay gầu. Từ biểu đồ nội lực của tay gầu mối hàn chụi mômen uốn, lực nén và lực cắt. Hình 10.16 Lực cắt Lực nén Mômen uốn Mối hàn chịu đồng thời M, Q và N: độ bền của nó được kiểm tra theo công thức: (10.62) Trong đó: : phương pháp hàn tay. : tỷ số biên độ ứng suất. : chiều dày cạnh hàn. : chiều dài cạnh hàn. Vật liệu chế tạo cần là thép CT5 có (10.63) : hệ số an toàn lấy đối với tay gầu. 10.7 Tính toán và thiết kế khung bệ máy. Kết cấu khung máy gồm hai dầm dọc được chế tạo từ các thép tấm 12mm hàn với nhau có chiều dài . Hai dầm dọc được liên kết với nhau bằng hai dầm ngang và đặt trên bốn bánh xe di chuyển máy. Kết cấu dầm dọc. Khối lượng của một dầm Trọng lượng một dầm . Trọng lượng phân bố trên dầm Vì dầm dọc chụi lực chính dầm ngang chỉ có tác dụng liên kết hai dầm dọc nên ta kiểm nghiệm dầm dọc và được kiểm nghiệm tại vị trí làm việc thứ 2 hình 9.3. Lúc này gầu đang cuối quá trình đào, gầu đầy đất và chụi lực cản đào tiếp tuyến lớn nhất. Khung máy chụi các lực tác dụng: : trọng lượng bàn quay và cơ cấu quay. : trọng lượng phần di chuyển. : trọng lượng cần. : trọng lượng tay gầu. : trọng lượng gầu và đất. : trọng lượng xylanh cần. : trọng lượng xylanh tay gầu. : trọng lượng xylanh gầu. : lực cản đào tiếp tuyến. Dời các lực và về tâm bàn quay khi đó trên dầm sẽ có một lựcvà một mômen . Vì hai dầm dọc kết cấu giống nhau và đối xứng, các lực tác dụng trên có điểm đặt giữa hai dầm nên ta chỉ kiểm tra một bên do đó các lực tác dụng lên dầm chỉ tính một nửa. Sơ đồ tính và biểu đồ nội lực. Từ biểu đồ trên ta kiểm nghiệm khung tại vị trí có: Lực cắt. Mômen uốn Mômen quán tính trung tâm mặt cắt. V ật liệu chế tạo khung là thép CT5 có , . Để đảm bảo sức bền cho khung máy thì ứng suất gây ra thỏa mãn điều kiện: Độ bền ứng suất pháp: (10.64) Uùng suất kéo lớn nhất: (10.65) Ưùng suất cho phép (10.66) : hệ số an toàn Độ bền ứng suất tiếp. Theo thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất. (10.67) Trong đó: : mômen tĩnh của mặt cắt đối với trục . Ưùng suất tiếp lớn nhất. Ưùng suất tiếp cho phép: (10.68) Kết luận khung bệ máy đủ bền.