NÂNG CAO HIỆU QUẢ BẢO VỆ NGƯỜI VẬN HÀNH MÁY TỰ HÀNH TRÁNH RUNG ĐỘNG

Bản ghi

1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY SAN TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CONSTRUCTION MODEL DYNAMICS OF GRADERS DURING WORK GS.TS Chu Văn Đạt(1), Ths. Đào Mạnh Quyền(), TS. Bùi Văn Hải(3) 1,,Học viện Kỹ thuật Quân sự. 3 Đại học công nghiệp Hà Nội Tóm tắt: Nghiên cứu nâng cao năng suất của máy và độ phẳng của bề mặt đường sau san là nhu cầu cấp thiết hiện nay. Để đáp ứng được nhu cầu đó ta cần xây dựng được mô hình động lực học của máy san trong quá trình làm việc, thiết lập được hệ phương trình toán học. Sau đó sử dụng các phần mềm chuyên dùng để tính toán giải hệ phương trình, khảo sát động lực học của máy san khi làm việc. Từ đó hướng tới việc đề xuất chế độ làm việc hợp lý nhằm nâng cao năng suất của máy và độ phẳng của bề mặt đường sau khi san. Nội dung bài báo sẽ xây dựng mô hình động lực học của máy san trong quá trình làm việc. Từ khóa: Mô hình động lực học của máy san. Summary: Improve the quality of research work of the grader in the process of working is now an urgent need. To do that we need to build mathematical equations, built models of graders dynamics in the work process. Then use specialized software to calculate equations, survey graders dynamics when working. Since then propose the appropriate input parameters of the grader when working to improve the quality and efficiency of the process of leveling. Keyword: Model dynamics of grader 1. Đặt vấn đề Quá trình làm việc của các máy san ủi luôn là các quá trình động lực học phức tạp, các tải trọng động biến đổi trong phạm vi rộng gây ảnh hưởng lớn đến quá trình điều khiển, chất lượng công việc và độ bền của các chi tiết. Do đó việc nghiên cứu các tính chất động lực học của các máy san ủi nhằm hạn chế những ảnh hướng xấu đến quá trình khai thác máy là một vấn đề rất cần thiết. Ở các nước có nền công nghiệp phát triển, vấn đề này đã được giải quyết ở mức độ cao, các kết quả nghiên cứu đã góp phần quan trọng trong thiết kế, chế tạo và khai thác có hiệu quả các loại máy san ủi [1-]. Tuy nhiên, ở Việt Nam, vấn đề này còn mang tính thời sự cao. Để nâng cao năng suất của máy và độ phẳng của bề mặt đường sau khi san ta cần nghiên cứu động lực học của máy, khảo sát các thông số động lực học của máy trong 1

2 quá trình làm việc như: chiều sâu cắt, góc cắt, vận tốc cắt Để làm được việc đó ta cần xây dựng hệ phương trình toán học, mô hình động lực học của máy. Sau đó sử dụng các phần mềm chuyên dùng để tính toán, khảo sát động lực học khi máy làm việc. Từ đó hướng tới việc đề xuất chế độ làm việc hợp lý của máy nhằm nâng cao năng suất và độ phẳng của bề mặt đường sau khi san.. Xây dựng mô hình động lực học của máy san trong quá trình làm việc.1. Xây dựng mô hình động lực học của máy san trong quá trình làm việc Để xây dựng được mô hình động lực học của máy san trong quá trình làm việc ta cần đưa ra các giả thiết cơ bản, lựa chọn tọa độ suy rộng và các phương trình liên kết. Các giả thiết cơ bản như sau: Mặt đất trong quá trình làm việc có dạng mấp mô ngẫu nhiên và được xác định từ thực nghiệm, bỏ qua các nguồn kích thích dao động trên máy, bỏ qua ảnh hưởng của sự trượt của các bánh xe, bỏ qua lực cản không khí do máy di chuyển với tốc độ thấp, coi trong quá trình làm việc các lốp của máy san luôn tiếp xúc với mặt đất và là tiếp xúc điểm, giả thiết máy luôn chuyển động thẳng trong quá trình làm việc. Đối tượng lựa chọn nghiên cứu là máy san DZ - 1. Mô hình nghiên cứu ta lựa chọn gồm có 5 khâu, khâu 1 là nền đất, khâu là cầu sau, khâu 3 là khung vỏ và cabin, khâu là cơ cấu lưỡi san, khâu 5 là cầu trước (như hình ). Trong đó m 0, m 1, m, m 3 lần lượt là khối lượng của khung máy, cầu sau, cầu trước và cơ cấu công tác; ct đ, b tương tđ ứng là hệ số đàn hồi và hệ số cản nhớt tương đương của lốp và nền đất (được xác định bằng thực nghiệm); P k ; P c tương ứng là lực kéo, lực cản di chuyển của máy san được tính toán theo [3]; P đ là tổng lực cản cắt đất được xác định theo []. Mặt đất trong quá trình làm việc có dạng mấp mô ngẫu nhiên và được xác định từ thực nghiệm (hình 1). Căn cứ vào bảng giá trị có được từ thực nghiệm và dựa vào phần mềm Matlab sẽ xây dựng được biên dạng mấp mô ngẫu nhiên của mặt đường thành một hàm thay đổi theo thời gian. Đây là dữ liệu để giải hệ phương trình vi phân ở phần sau.. Hình1. Mấp mô dạng ngẫu nhiên của mặt đường Chọn hệ trục tọa độ đề các Oxyz cố định gắn với mặt đất, gốc tọa độ trùng với vị trí ban đầu của trọng tâm máy san, trục Oz theo phương thẳng đứng, trục Ox theo

3 phương dọc thân máy và trục Oy theo phương vuông góc với thân máy. Chọn hệ tọa độ suy rộng như sau: q1 x là dịch chuyển của trọng tâm máy san theo phương Ox; 0 q z là dịch chuyển của trọng tâm thân máy theo phương thẳng đứng; 0 q3 là góc lắc 0 của thân máy trong mặt phẳng (xoz); q là góc lắc của cầu sau trong mặt phẳng 1 (yoz); q5 là góc lắc của cầu trước trong mặt phẳng (yoz); q xác định vị trí của lưỡi san so với thân máy; Z1 Z0 Z3 Z Ctdp3 btdp3 Ctdp1 btdp1 Ctdp btdp O m0 bp O3 PCT X3 Ct1 PCS bt1 Pk m1 X1 O1 PCS G1 Y1 Ct bt Pk Y0 G Z X0 Cp Z0 Ct bt X0 Y0 I Pd(t) m3 G3 Ct3 Y3 m O G Y bt3 X PCS Pk PCS Pk PCT O X Y Hình. Mô hình dao động của máy san trong không gian Với giả thiết máy san dao động quanh vị trí cân bằng tĩnh trong quá trình làm việc, các góc lắc ngang và lắc dọc của thân máy rất nhỏ coi gần đúng: sin, cos 1, sin, cos 1. Gọi l là khoảng cách từ trọng tâm của m đến khớp cầu O O3 0 3 tính theo phương trục x. Khi đó cơ hệ có một số phương trình liên kết như sau z q l. q h ; z q l. q h bs 1 t t q l10. q3 h10. q; bs 1p p q l10. q3 h10. q b b q l. q h. q ; q l. q h. q x q l ; z q l. q h t t 3t p O3 1 O3 O3 O3 3 O3 xls q1 lo3 l33 cos q; zls q lo3. q3 l33 sin q x q l l cos q l ; z q l. q l sin q h I 1 O3 33 3I I O I (1).. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của máy san trong quá trình làm việc 3

4 Tác giả sử dụng phương trình Lagrang loại II để lập phương trình vi phân chuyển động cho hệ. Phương trình Lagrang loại II viết theo các tọa độ suy rộng có dạng d T T () Qqi qi qi qi qi trong đó T là hàm động năng của hệ; là hàm thế năng của hệ; là hàm hao tán của hệ; q i là các tọa độ suy rộng (i = 1,, 3.); Q là lực suy rộng của các lực không thế tác qi dụng lên cơ hệ. Sau khi tính toán ta thu được các kết quả như sau Biểu thức thế năng của cơ hệ bao gồm thế năng của trọng lực tác dụng lên các khâu và thế năng của lực đàn hồi, chọn gốc thế năng tại mặt đất ta có m. g. q m. g.( q l. q h ) m. g.( q l. q h ) bs m3. g.( q lo3. q3 l33 sin q) (ct đ1 c t đ ) ( q l10. q3 h10 ) (. q) bt bx l c t đ3 ( q l0. q3 h0 ) (. q5) c t đ l3.sin q (. q ) Biểu thức động năng của cơ hệ như sau (3) 1 1 T ( m0 m1 m m3 ) q1 ( m0 m1 m m3 ) q 1 1 ( J m. l m. l m. l ). q ( J J J ) q 1 1 J xq5 m3. l33. q ( m1. l10 m. l0 m3. lo3) q. q3 m 3 q1. l33.sin q. q q. l33. q.cos q lo3. l33. q3. q.cos q () Biểu thức hàm hao tán 0 y O3 3 0x 1x 3x bs bt Φ ( bt đ1 bt đ) ( q l10. q3) (. q) bt đ3 ( q l0. q3) (. q5) bxl btđ l3. q. cos q. q (5)

5 Lực suy rộng tương ứng với các tọa độ suy rộng được tính như sau: Các lực không thế tác dụng lên cơ hệ bao gồm lực kéo P, lực cản di chuyển K P và lực cản đào F đất P thay đổi theo thời gian. Tổng công ảo của các thành phần lực không thế xét trong một di chuyển khả dĩ của các khâu là x z x z A P - P q - P ( t). x P ( t). z P ( t). x P ( t). z - P. q () K Fs 1 N N dp M dp M Ft 1 x z trong đó P ( t), P ( t ) lần lượt là tổng lực cản cắt đất tác dụng lên nửa lưỡi san bên trái x z theo phương nằm ngang và thẳng đứng; P ( t), P ( t ) lần lượt là tổng lực cản cắt đất tác dp dụng lên nửa lưỡi san bên phải theo phương nằm ngang và thẳng đứng, PK, PFt, P lần Fs lượt là lực kéo tiếp tuyến tác dụng lên các bánh xe chủ động, lực cản tác dụng lên bánh trước và bánh sau. Sau khi tính toán ta xác định được lực suy rộng tương ứng với các tọa độ suy rộng như sau x x z z Qq 1 PK PFs P t Pdp t PFt Qq P t Pdp t z z Qq 3 P t Pdp t. lo3 z z B Qq P t Pdp t. Qq 5 0 Q P t. l.sin q P t. l.sin q P t. l.cos q P t. l.cos q x x z z q 33 dp dp 33 1 dp (7) T ( m0 m1 m m3 ) q1 m3. l33. q.sin q q1 d T ( m m m m ) q m. l. q.sin q m. l. q.cos q q1 T 0; 0; 0 q1 q1 q (8) 5

6 T ( m0 m1 m m3 ) q ( m1. l10 m. l0 m3. lo3). q3 m3. l33. q.cos q q d T ( m0 m m m ). q ( m. l m. l m. l ). q m. l. q.cos q m. l. q.sin q q T 0; q ( m0 m1 m m3 ). g ( ctđ 1 ct đ)( q l10. q3 h10 ) ct đ3.( q l0. q3 h0 ) q.( bt đ1 bt đ)( q l10. q3) btđ 3.( q l0. q3) q O (9) 3 T ( J0 y m1. l10 m. l0 m3. lo3) q3 ( m1. l10 m. l0 m3. lo3) q q3 m3. lo3. l33. q.cos q d T ( J m. l m. l m. l ). q ( m. l m. l m. l ) q q3 0 y O O3 m3. lo3. l33. q.cos q m3. lo3. l33. q.sin q T 0; q3 ( m. g. l m. g. l m. g. l ). q ( c c )( q l. q h ). l q3 ctđ 3.( q l0. q3 h0). l0 ( btđ 1 btđ ).( q l10. q3). l10 btđ 3.( q l0. q3). l0 q O3 3 tđ1 tđ T ( J0x J1x J3x ). q q d T ( J J J ). q q T 0 q 1 ( ctđ 1 ctđ ). bs. q q 1 ( btđ1 btđ ). bs. q q 0x 1x 3x (10) (11) 5

7 T Jx. q5 q5 d T J. q q5 T 0 q5 1 c. b. q q5 1 b. b. q q5 x 5 tđ 3 t 5 tđ 3 t 5 (1) T m3. l33. q m3 q1. l33.sin q q. l33.cos q lo3. l33. q3.cos q q d T q1. l33.sin q q1. q. l33.cos q q. l33.cos q m3. l33. q m3 q q. q. l33.sin q lo3. l33. q3.cos q lo3. l33. q3. q.sin q T m 3 q1. l33.cos q. q q. l33. q.sin q lo3. l33. q3. q.sinq q m3. g. l33.cos q q 0 q (13) Sau khi biến đổi ta được hệ phương trình vi phân như sau 7

8 ì (m0+ m1+ m+ m 3)q1 + m 3.l 33.sinq.q + m 3.l 33.q.cosq x x = ( PK -PFs) -P (t)-p dp(t)-pft... (m0+ m1+ m+ m 3).q + (m 1.l10 - m.l0 - m 3.l O3).q3 - m 3.l 33.cosq.q + m 3.l 33.q.sinq +.(btđ1 + b tđ )(q + l 10.q 3) + b tđ3.(q - l 0.q 3) + ( m0 + m1 + m + m 3).g+ (ctđ1+ c tđ)(q + l 10.q3 - h 10) + c tđ3.(q - l 0.q3 - h 0) z z = -( P (t)+p dp(t) )... (m 1.l10 - m.l0 - m 3.l O3)q + (J0y + m 1.l10 + m.l0 + m 3.l O3).q3 + m 3.l O3.l 33.cosq.q - m 3.l O3.l 33.q.sinq + (m 1.g.l10 - m.g.l 0 - m 3.g.l O3).q3 + (ctđ1+ c tđ)(q + l 10.q3 - h (1) 10).l10 - c tđ3.(q - l 0.q3 - h 0).l0 + (btđ1 + b tđ).(q + l 10.q 3).l10 - b tđ3.(q - l 0.q 3).l0 é z z = P (t)+p dp(t) ù ë û.lo3 ï... í 1 1 (J0x + J1x + J 3x ).q + é(b tđ1 + b tđ ).bs + b tđ.b xl. ù.q + é(c tđ1+ c tđ).bs + c tđ.b xl. ù.q ë û ë û B z z = -.( P (t)-p dp(t) ) J x.q5 + b tđ3.b t.q5 + c tđ3.b t.q5 = 0... m 3.l 33.sinq.q1 - m 3.l 33.cosq.q + m 3.l O3.l 33.cosq.q3 + m 3.l 33.q + m3[ q 1.q.l 33.cosq + q.q.l 33.sinq - l O3.l 33.q 3.q.sinq] - m é 3 q 1.l 33.cosq.q + q.l 33.q.sinq - l O3.l 33.q 3.q.sinq ù ë û- m 3.g.l 33.cosq + ctđ.l 3.sinq.cosq +.b tđ.l 3.q.cos q x x z z = -( P (t).l.sinq +P (t).l.sinq -P (t)l.cosq -P (t)l ) 33 dp dp 33.cosq ï î 8

9 3. Kết quả giải hệ phương trình vi phân Chương trình tính toán, giải hệ phương trình vi phân dựa trên bộ công cụ Simulink trong phần mềm Matlab. Dưới đây là kết quả khảo sát ở vận tốc di chuyển trung bình q 1 0. m / s, chiều sâu cắt trung bình h gia tốc của lưỡi san dưới dạng đồ thị như sau: Chuyển vị của lưỡi san trong quá trình làm việc q (Hình 3) m ta thu được chuyển vị, vận tốc, Hình 3. Đồ thị chuyển vị của lưỡi san trong quá trình làm việc q (rad) Vận tốc của lưỡi san trong quá trình làm việc q (Hình ) Hình. Đồ thị vận tốc của lưỡi san trong quá trình làm việc q (rad/s) Gia tốc của lưỡi san trong quá trình làm việc q (Hình 5) Hình 5. Đồ thị gia tốc của lưỡi san trong quá trình làm việc q (rad/s ) 9

10 Phân tích kết quả khảo sát Căn cứ vào hình 3, hình, hình 5, ta thấy chuyển vị của lưỡi san trong quá trình làm việc ứng với vận tốc q1 0. m / s và chiều sâu cắt trung bình h1 0.1m là khá lớn. Điều đó làm cho vận tốc, gia tốc của lưỡi san cũng thay đổi liên tục không ổn định vì vậy độ phẳng của mặt đường sau khi san là không tốt. Căn cứ vào thực tế đó, tác giả sẽ hướng tới việc khảo sát các thông số động lực học của máy nhằm đề xuất chế độ làm việc hợp lý để nâng cao năng suất và độ phẳng của bề mặt đường sau khi san.. Kết luận Tác giả đã xây dựng được mô hình dao động, hệ phương trình vi phân bậc của máy san trong quá trình làm việc. Sử dụng công cụ Simulink trong phần mềm Matlab để giải hệ phương trình và thu được một số kết quả như sau máy. Xác định được các thông số chuyển vị, vận tốc, gia tốc của các khâu và của toàn Căn cứ vào kết quả trên sẽ hướng tới việc khảo sát các thông số động lực học của máy san trong quá trình làm việc. Từ đó đề xuất chế độ làm việc hợp lý của máy nhằm nâng cao năng suất và độ phẳng của mặt đường sau quá trình san. Tài liệu tham khảo 1. Баловнев В.И. (1981), Дорожно-строительные машины с рабочими огранами интенсифицирующего действия, Москва Машиностроение.. Корчагин П.А., Корчагина Е.А., Чакурин И.А. Снижение динамических воздействий на оператора автогрейдера в транспортном режиме: Монография. - Омск: СибАДИ, с. 3. Vũ Thế Lộc, Vũ Thanh Bình (1997), Máy làm đất, Nhà xuất bản Giao thông vận tải.. Phạm Hữu Đỗng, Hoa Văn Ngữ, Lưu Bá Thuận (00), Máy làm đất, Nhà xuất bản Xây dựng. 5. Đỗ Sanh (00), Động lực học máy, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.. Nguyễn Văn Vịnh (008), Động lực học máy xây dựng và xếp dỡ, Nhà xuất bản Giao thông vận tải. 7. Баловнев В.И. (1981), Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин. М. Высшая школа. 10