Nghiên cứu giảm tải trọng động của máy ủi trong thi côngđường tuần tra biên giới

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu giảm tải trọng động của máy ủi trong thi côngđường tuần tra biên giới

1. B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN THÀNH THU NGHIÊN CỨU GIẢM TẢI TRỌNG ĐỘNG CỦA MÁY ỦI TRONG THI CÔNG ĐƯỜNG TUẦN TRA BIÊN GIỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62 52 01 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2016
2. Công trình được hoàn thành tại: Học viện Kỹ thuật Quân sự Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS Chu Văn Đạt 2. PGS.TS Lê Văn Cường Phản biện 1: PGS.TS Trần Văn Tuấn Phản biện 2: PGS.TS Bùi Hải Triều Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Trang Minh Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại: vào hồi . giờ ngày tháng năm . Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự Thư viện Quốc gia
3. A. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong công cuộc xây dựng và bảo vệ Tổ quốc, xây dựng đường tuần tra biên giới là một trong các hạng mục quan trọng của dự án xây dựng Quốc phòng. Khi thi công đường tuần tra biên giới phải thực hiện nhiều công đoạn như: khai tuyến, thông tuyến, giải phóng mặt bằng, khắc phục chướng ngại, làm mặt đường, nền đường, lề đường, rãnh thoát nước v.v Trong số đó, lượng công việc phải sử dụng máy ủi để thi công là rất lớn. Những nghiên cứu, khảo sát thực tế trên một số tuyến đường tuần tra biên giới cho thấy, môi trường địa chất nơi đây rất phức tạp (đất cứng, đất lẫn đá, nền đất và mặt đất mấp mô, ). Do vậy, việc thi công bằng máy ủi gặp nhiều khó khăn, lực cản tác dụng lên thiết bị công tác máy ủi thay đổi đột ngột và có phạm vi biến thiên quá rộng, gây nên tải trọng động lớn, làm tăng tần suất hỏ ng hóc, giảm năng suất máy khi sử dụng. Vấn đề trên đặt ra yêu cầu xác định quy luật tác dụng của tải trọng động lên các bộ phận máy ủi, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm tải trọng động cho các bộ phận công tác, nâng cao hiệu quả sử dụng máy. Tình hình trên và nhiệm vụ được giao là những cơ sở chính của việc xây dựng đề tài luận án: “Nghiên cứu giảm tải trọng động của máy ủi trong thi công đường tuần tra biên giới”. 2. Mục đích và nhiệm vụ của luận án Mục đích nghiên cứu của đề tài là giảm tải trọng động tác động lên các bộ phận, nhất là thiết bị công tác của máy ủi trong quá trình đào và chuyển đất ở khu vực đất cứng, đất lẫn đá, mặt đất mấp mô - những đặc trưng về đất ở đường tuần tra biên giới phía Bắc nước ta. Để đạt được các mục tiêu trên, luận án thực hiện các nhiêṃ vu ̣nghiên cứu sau: - Xây dựng mô hình khảo sát động lực học máy ủi DZ271 (loại máy ủi được sử dụng phổ biến trên đường tuần tra biên giới phái Bắc), bao gồm các nội dung: giới thiệu cơ hệ, xác định các yếu tố tham gia trong mô hình (giá trị của các thông số động lực học, đặc điểm và quy luật tác dụng của các lực), thiết lập hệ phương trình 1
4. vi phân chuyển động và đề xuất phương pháp giải bằng số hệ phương trình vi phân chuyển động. - Khảo sát trên lý thuyết các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động tác dụng lên thiết bị công tác máy ủi. Thông qua đó để tìm ra miền giá trị hơp̣ lý của các thông số thiết kế và vận hành trong viêc̣ giảm tải trọng đông̣ tác dụng lên thiết bị công tác và các bộ phận của máy. - Tiến hành thực nghiệm để xây dựng bộ dữ liệu đầu vào phục vụ cho quá trình tính toán, khảo sát động lực học, đồng thời kiểm tra sự đúng đắn của một số công thức tính đã xây dựng được trong tính toán lý thuyết. - Dựa trên các kết quả khảo sát lý thuyết và thực nghiệm để đề xuấ t các giải pháp phù hơp̣ nhằm nâng cao hiêụ quả sử dung̣ và tăng tuổi thọ của máy. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án giải quyết một trong những bài toán phức tạp của cơ học - bài toán khảo sát động lực học của máy ủi làm việc trong điều kiện địa hình rừng núi phía Bắc Việt nam. Tính phức tạp nằm ở cả bản thân cơ hệ khảo sát, số lượng và đặc tính của các thành phần tải trọng mà nó phải chịu. Xoay quanh bài toán đó, luận án đã giải quyết nhiều vấn đề khoa học có liên quan như: thu thập bộ số liệu phản ánh những tính chất cơ lý đặc trưng của đất đường tuần tra biên giới, xây dựng mô hình khảo sát động lực học, thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động, xác định giá trị các thông số động lực học trong mô hình, tìm quy luật tác dụng của ngoại lực - đặc biệt là lực cản phát sinh trong quá trình đào và chuyển đất, giải hệ phương trình vi phân chuyển động để xác định đáp ứng động lực học của hệ và nhiều tính toán khảo sát cần thiết khác. Những kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học cho việc định hướng cải tiến một số bộ phận, nhất là thiết bị công tác của máy ủi DZ271 nhằm tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí và nâng cao hiêụ quả sử dụng. Phương pháp luận của luận án có thể được vận dụng trong nghiên cứu động lực học của một số loại máy khác, hay để xây dựng các bài thí nghiệm phục vụ đào tạo của Học viện Kỹ thuật Quân sự. 2
5. B. NỘI DUNG Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được viết thành 4 chương như sau: Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Chương này đề cập đến các vấn đề về môi trường đất nói chung, đất đường tuần tra biên giới nói riêng, các loại máy ủi đang được sử dụng trên đường tuần tra biên giới, các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động máy ủi, kế t quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước về những nội dung có liên quan. Từ đó đề ra mục tiêu và nhiệm vụ của luận án. 1.1. Tổng quan về môi trường đất Những khảo sát về đất tự nhiên và đất đường tuần tra biên giới cho thấ y đất là môi trường phức tạp, phân tán rời rạc, không đồng nhất và được cấu tạo bởi ba pha cứng, lỏng và khí. Các tính chất cơ lý của đất thay đổi tùy thuộc vào tính chất và thành phần của các pha chứa trong đất. Đất đường tuần tra biên giới chủ yếu là đất sét màu vàng nhạt, nâu hồng, xen lẫn các mảnh đá phong hóa. Lượng đá, sỏi, cuội lẫn trong đất khá lớn, chiếm khoảng 15÷20% thể tích. 1.2. Tổng quan về máy ủi sử dụng trên đường tuần tra biên giới Khảo sát các loại máy ủi đang thi công trên đường tuần tra biên giới cho thấy máy ủi DZ271 chiếm 18,75% trong biên chế của Binh chủng Công binh và chiếm 35,29% trong xây dựng công trình chiến đấu và làm đường tuần tra biên giới. Như vậy, máy ủi DZ271 đang được sử dụng phổ biến trong xây dựng các công trình chiến đấu và làm đường tuần tra biên giới của lực lượng Công binh, là loại máy đóng vai trò chủ đạo trong nhiệm vụ chuẩn bị cho các công trình thi công. 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tương tác Khi lưỡi ủi tương tác với nền đất sẽ xuất hiện các thành phần lực cản. Các thông số ảnh hưởng đến lực cản cắt đất và đào đất của máy ủi là chiều dày phoi cắt, tố c đô ̣di chuyển của máy, đô ̣cứ ng của thiết bị công tác và của đất. - Ảnh hưởng của chiều rộng và chiều dày phoi cắt đến lực cản cắt. Chiều rộng và chiều dày phoi cắt có ảnh hưởng lớn đến lực cản cắt đất và được xác định theo công thức: P11 k .b.h (1.1) Từ công thức (1.1) ta thấy: khi chiề u rông̣ b và chiề u dày phoi cắ t h tăng thì lực cản cắt tiếp tuyến P1 sẽ tăng. Với mỗi loại máy ủi xác định, chiều rộng b của lưỡi ủi (chiều rộng phoi cắt) không đổi, lực cản cắt tiếp tuyến chỉ phụ thuộc vào chiều 3
6. dày phoi cắt h và lực cản cắt riêng k1. - Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển của dao cắt đến lực cản cắt. Tốc độ di chuyển vc của dao cắt ảnh hưởng đến lực cản cắt đất P1 của máy ủi theo công thức: b. h ( x ). .v 2 sin .cos Pk c . (1.2) 1 v g sin  trong đó, b và h(x) - chiề u rông̣ và chiề u dày phoi cắ t;  - trọng lượng riêng của đấ t,  - góc cắ t;  - góc tạo bởi quỹ đạo chuyển động của dao và phương chuyển động của đất, kv - hệ số kể đến ảnh hưởng của các yếu tố vật lý trong quá trình cắt, tiêu biểu là độ cứng của đất. Vớ i máy ủi xác đinḥ , lưc̣ cản cắ t chỉ còn phu ̣ thuôc̣ vào chiề u dày phoi cắt, tố c đô ̣ cắ t và độ cứng của đấ t. Sư ̣ ảnh hưở ng của các thông số này đế n lưc̣ cản cắt đấ t, lực cản đào đấ t sẽ đươc̣ phân tích trong chương 3. Theo đó, khi các thông số hình học của lưỡi ủi không đổi, lực cản cắt đất tỷ lệ thuận với diện tích tiết diện ngang của phoi cắt S = b.h(x) và bình phương tốc độ di chuyển của dao cắt vc. 1.4. Tổng quan về các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước Môi trường đất là môi trường rất phức tạp, kém đồng nhất, do vậy thiết bị công tác của máy đào đất và phương pháp đào cũng rấ t khác nhau. Điều này dẫn đến việc xuất hiện những cách tiếp cận khác nhau trong xác định lực cản cắ t đấ t và đào đấ t. Các công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề này như sau: - Các công trình nghiên cứ u lý thuyết và thực nghiệm của các nhà khoa học nước ngoài về lực tương tác giữa lưỡi ủi với nền đất như Viêṇ sy ̃ V.P. Goritrackin, N.G. Dombrovski, GS.TSKH A. N. Zelenhin, Ju .A. Vetrov đã kể đến khá đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng trong công thức tính lực cản đào đất, đạt độ chính xác khá cao đối với đất cấp III, cấp IV. Do đó, có thể sử dụng công thức trên để tính lực cản đào và di chuyển đất. Tuy nhiên, do tính chất cơ lý của đất phức tạp, phụ thuộc vào điều kiện cụ thể nên việc thực hiện các nghiên cứu tiếp theo là cần thiết. - Tác giả A.V. Struckop đã nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động đến hệ thống truyền động cơ khí và thủy cơ máy ủi, từ đó đưa ra kết luận rằng khi máy ủi sử dụng biến mô men thủy lực thì dao động xoắn trong truyền tải của hệ thống thủy cơ giảm 15  35%, nhờ vậy động cơ không bị quá tải khi làm việc. Ở Việt Nam, các nghiên cứu về động lực học máy ủi có liên quan đến thiết bị công tác cũng đã được nhiều tác giả quan tâm, nghiên cứu. Các tác giả Vũ Thế Lộc, Vũ Thanh Bình, Phạm Hữu Đỗng, Hoa Văn Ngũ và Lưu Bá Thuận đã có những nghiên cứu cơ bản về máy làm đất. Bằng phương pháp 4
7. quy dẫn, họ đã xác định được các thông số kết cấu, thông số độ cứng để tính toán khảo sát động lực học của máy ủi trong chuyển động thẳng có va đập khi đào và chuyển đất, đã xây dựng được hệ phương trình vi phân chuyển động không thuần nhất hệ số hằng mô tả các biên độ dao động của máy theo thời gian. Như vậy, tính đến nay đã có nhiề u công trình nghiên cứ u về đông̣ lưc̣ hoc̣ máy ủi, về lưc̣ cản cắ t, lưc̣ cản đào đấ t và tải trong̣ đông̣ tác dụng lên thiết bị công tác của máy ủi, nhưng vấn đề giảm tải trong̣ đông̣ cho thiết bị công tác khi đào và di chuyển đấ t trong môi trường địa chấ t phức tạp, đặc trưng cho đất ở đường tuần tra biên giớ i Viêṭ Nam thì chưa có tác giả nào nghiên cứ u hoăc̣ công bố. Những nghiên cứu ở trên cho thấ y, lưc̣ cản đào phu ̣thuôc̣ vào nhiề u yế u tố : tính chất cơ lý của đấ t, hình dang̣ và kế t cấ u của thiết bị công tác, đăc̣ trưng hình hoc̣ của phoi cắ t, tố c đô ̣ di chuyển của máy, v.v Khi khảo sát, các tác giả đã giả thiế t rằ ng những yếu tố trên không thay đổi và do đó, lực cản cắ t chỉ phu ̣ thuộc vào các thông số hình hoc̣ của lưỡi ủi. Điều này khác xa so với điề u kiêṇ thi công thực tế , đăc̣ biệt là khi máy ủi thực hiện nhiệm vụ khai thác ở môi trường đấ t đồ i nú i - đăc̣ trưng của đấ t đườ ng tuần tra biên giới phía Bắc Viêṭ Nam. Kết luận chương 1 1. Đất là môi trường rất phức tạp, có đặc tính cơ lý khác nhau tùy theo vùng miền. Đất đường tuần tra biên giới vừa mang đặc tính của đất nói chung, vừa có đặc tính riêng như mặt đất mấp mô, không bằng phẳng, trong đất lẫn nhiều đá và rễ cây (chiế m từ 15 đến 20% thể tích). Nghiên cứ u tổng quan về môi trườ ng đấ t cho phép xác đinḥ các tính chấ t cơ lý của nó, đồng thời định lượng được sư ̣ tác động của chúng trong khảo sát động lực học máy ủi. 2. Khi máy ủi gặp chướng ngại trong giai đoạn đào và chuyển đất sẽ phát sinh tải trọng động tác dụng lên các bộ phận. Điều này không chỉ gây ra sự làm việc không ổn định và kém hiệu quả mà còn rút ngắn tuổi thọ của máy. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động (chiề u dày phoi cắ t, tố c đô ̣ di chuyển của máy và đô ̣ cứng của đất) làm căn cứ để đề xuất các biện pháp giảm tải trong̣ đông̣ tác dụng lên các bộ phận máy là việc làm cần thiết. 3. Máy ủi DZ271 hiện đang được sử dụng phổ biến (chiếm tỷ lệ khoảng 35,29% tổng số máy móc) trong xây dựng các công trình phục vụ chiến đấu của lực lượng công binh, kể cả hệ thống đường tuần tra biên giới. Đây sẽ là đối tượng nghiên cứu của luận án. 4. Trên cơ sở tìm hiểu các công trình nghiên cứ u trong và ngoài nước về đông̣ lưc̣ hoc̣ máy ủi, về lực cản cắt và tải trong̣ động máy ủi, tác giả đã đưa ra được muc̣ đích, nội dung và phương pháp nghiên cứ u của luâṇ án. 5
8. Chương 2 MÔ HÌNH KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC MÁY ỦI Chương này xây dựng mô hình khảo sát động lực học của máy ủi DZ271 trong tư cách một cơ hệ chuyển động phẳng với 4 bậc tự do. Việc thiết lập hê ̣ phương trình vi phân chuyển đông̣ được thực hiện bằng cách áp dụng lý thuyết động lực học hệ nhiều vật. Các đại lượng có mặt trong hệ phương trình vi phân chuyển động như khối lượng hoặc mômen quán tính khối lượng, độ cứng của các lò xo thực sự và lò xo mô hình, hệ số cản của các giảm chấn thực sự và giảm chấn mô hình, lực kéo của máy, lực cản của đất (có tính đến các đặc trưng về đất tại khu vực đường tuần tra biên giới) đều được xác định. Cuối chương trình bày phương pháp giải hệ phương trình vi phân chuyển động để xác định đáp ứng động lực học của cơ hệ và để phục vụ cho các tính toán khảo sát sẽ được triển khai ở chương 3. 2.1. Xây dựng mô hình khảo sát động lực học máy ủi DZ271 2.1.1. Cấu trúc tổng quan của máy ủi DZ271 Hình 2.1 biểu diễn một máy ủi loại DZ271 đang ở trong trạng thái đào và di chuyển đất. Máy ủi bao gồm các khâu (bộ phận) cơ bản là bánh sao chủ động 1, khung gầm 2, khung đẩy và lưỡi ủi 3 và thân máy 4. v 4 Mbs 1 2 3 Pd(t) h(x) PF PK Hình 2.1. Má y ủi DZ271 khi đà o và chuyển đấ t gặp chướng ngại. (1 - Bánh sao chủ động; 2 - Khung gầm; 3 - Khung đẩy và lưỡi ủi; 4 - Thân máy ủi) Khung gầm liên kết với thân máy bằng khớp bản lề A cùng với một cụm lò xo - giảm chấn. Cụm khung đẩy - lưỡi ủi liên kết với khung gầm bằng khớp bản lề F, với thân máy bằng 2 xy lanh thủy lực nâng hạ lưỡi ủi. 2.1.2 Cá c giả thiết xây dưng̣ mô hình Mô hình khảo sát động lực học máy ủi DZ271 được xây dưng̣ trên cơ sở thừ a nhận các giả thiết sau: 6
9. Khối lượng phân bố của các khâu được quy về khối lượng tập trung đặt tại trọng tâm, các trọng tâm này cùng nằm trong mặt phẳng đối xứng thẳng đứng của máy. Chuyển động của các điểm thuộc các khâu chỉ diễn ra trong mặt phẳng thẳng đứng (mô hình phẳng). Khi máy ủi đào và chuyển đất gặp chướng ngại, thiết bị di chuyển xích không bị trượt và đang thực hiện chuyển động tịnh tiến. Khung đẩy máy ủi được coi là một khâu đàn hồi có hệ số độ cứng dọc là k2 và hệ số cản dọc là c2. Bỏ qua ma sát trong các khớp động. 2.1.3. Mô hình khảo sát động lực học má y ủi Từ việc tìm hiểu cấu trúc, điều kiện làm việc kết hợp với các giả thiết ở trên, có thể đưa ra mô hình khảo sát động lực học máy ủi DZ271 như hình 2.2. z v D C Mbs Pxl Jtd mT.g B q E H 4 N Pd(t) c1, k1 q K 3 I A' A mG.g F K. c2, k2 m g o q x0 1 PK PF q M x 2 Hình 2.2. Mô hình động lực học máy ủi DZ271 khi đà o và chuyển đấ t. Trên hình 2.2, hệ tọa độ cố định Oxyz gắn liền với mặt đất, trục Ox nằm ngang, trùng với phương chuyển động, trục Oz thẳng đứng, trục Oy song song với trục của các bánh sao chủ động. Chuyển động của các điểm trên máy xem như chỉ diễn ra trong các mặt phẳng song song với mặt phẳng (Oxz). Cụm lò xo - giảm chấn (k1, c1) thuộc hệ treo của máy, còn cụm lò xo - giảm chấn (k2, c2) để mô tả tính đàn hồi và tính cản của khung đẩy khi chịu lực theo phương dọc của máy ủi. Hệ tọa độ suy rộng mô tả vị trí và chuyển động của máy ủi và các bộ phận gồm: q1 - dịch chuyển của điểm A trên khung gầm theo phương x; q2 - biến dạng dọc của lò xo k2; q3 và q4 - góc định vị của khung đẩy và thân máy so với phương ngang. Ngoại lực tác dụng lên cơ hệ gồm: mômen dẫn động của động cơ quy về bánh sao Mbs=Mdcitl, lực kéo của máy ủi PK, lực cản di chuyển của máy PF, lực chống của xy lanh nâng ha ̣lưỡi ủi Pxl, lực cản do đào và di chuyển đất Pd(t) (tác dụng trên lưỡi ủi) và trọng lượng bản thân của các khâu Gi=mig (i=14). 7
10. 2.2. Tính toán các đại lượng trong mô hình khảo sát động lực học Để thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động, cần xác định giá trị hoặc quy luật tác dụng của các thông số đầu vào trong mô hình khảo sát động lực học. Cách xác định từng đại lượng có liên quan được trình bày chi tiết trong luận án. 2.2.1. Tính lực kéo máy ủi Hình 2.3 là mô hình hoạt động cắt của xích và bánh xe. Gm Gm PK BỀ MẶT CẮT PK Hình 2.3. Hoạt động cắt của xích và bánh xe. Trên cơ sở phân tích mô hình vật lý của quá trình cắt của xích và bánh xe, luận án đã xác định được lực kéo của máy (tác dụng trên phương x) theo công thức: ix lx P b c p tg 1 e km dx (2.1) K x x t 0 với c - lực kết dính (kPa), px - áp suất tiếp xúc (kPa), t - góc ma sát trong (độ), km - môđun biế n dang̣ cắ t (cm), i – hệ số trượt của dải xích. Để sử dụng công thức (2.1), cần xác định được quy luật phân bố của áp suất px. Hình 2.4. biểu diễn một số quy luật phân bố áp suất px theo chiều dài dải xích. v Gm x lx a b c d e Hình 2.4. Các dạng phân bố áp suất. (a – Phân bố đều, b – Hình sin, c và d – Bậc nhất, e – Parabol) Đối với máy ủi đang đào và chuyển đất, quy luật phân bố áp suất là quy luật tam giác hình 2.4c, với: 8
11. Gmm x G .x px 2 . 2 2 bx .l x l x b x .l x Lúc đó, công thức (2.1) trở thành : 2 i.l i.l k x i.l x (2.2) P G tg 1 2 m 1 e km x e km K m t i.l k x m trong đó Gm - trọng lượng máy ủi (N), bx và lx - chiều rộng và chiều dài của phần xích tiếp đất (m). 2.2.2. Xác định lực cản di chuyển của máy Hình 2.5 là mô hình tương tác xích - đất để xác định lực cản di chuyển của máy. v Gm 3 M 1 2 5 4 Gi z PK  p p lx bx Hình 2.5. Mô hình khảo sát tương tác xích - đất. (1- Bánh sao chủ động; 2- Bánh đỡ xích; 3- Bánh bị dẫn; 4- Dải xích; 5- Bánh tỳ) Trên cơ sở phân tích mô hình vật lý quá trình tương tác xích - đất, đã đi đến công thức tính lực cản di chuyển của máy: (n 1) n 1 Gm (2.3 ) PF 1 n l 1 k x n c n 1 bx k bx trong đó n, kc, k - các hệ số thực nghiệm (được tra trong sách chuyên ngành). 2.2.3. Xác định lực cản đào khi máy ủi không gặp chướng ngại T Pms N Pd(t) P5 Gd P4 p  h h(x) P3 P1 P2 Hình 2.6. Sơ đồ lực tác động lên lưỡi ủi khi đào và chuyển đất. 9
12. Khi máy ủi đào và di chuyển đất không gặp chướng ngại, các thành phần lực từ đất tác dụng lên lưỡi ủi như hình 2.6. Lưc̣ cản đào tổng cộng đươc̣ tính theo công thức: PPPPPPd 1 2 3 4 5 (2.4) với P1 - lực cản cắt đất; P2 - lực cản do ấn lưỡi dao xuống nền đất; P3 - lực cản di chuyển do ma sát giữa dao cắt với nền đất; P4 - lực cản di chuyển do khối đất lăn trước lưỡi ủi; P5 - lực cản di chuyển do khối đất cuộn lên phía trên lưỡi ủi. Khảo sát máy ủi ở giai đoaṇ vừ a đào vừ a chuyển đấ t. Lúc đó, xy lanh thủ y lưc̣ nâng hạ lưỡi ủi ở trạng thái khóa, lực cản do ấn lưỡi dao xuống nền đất và lưc̣ cản di chuyển do ma sát giữa dao cắt với nền đất nhỏ, có thể bỏ qua (P2 = 0 ; P3 = 0). Công thứ c (2.4) đươc̣ viế t thành (hình 2.7): PPPPd 1 4 5 (2.5) T Pms N Pd(t) P5 Gd P4 p  h h(x) P1 Hình 2.7. Sơ đồ lực tác động lên lưỡi ủi khi đào và chuyển đất. Các tính toán chi tiết dẫn đến công thức tính tổng lực cản của đấ t tác dung̣ lên lưỡi ủi theo phương nằm ngang: k .F. sin .cos t Px v . .v 2 f f cos 2   B q h(x)dt (2.6) d c t n 1 g sin   0 trong đó: kv - hê ̣số kể đế n ảnh hưở ng của các yế u tố vâṭ lý trong quá trình cắ t đấ t; F - diện tích tiết diện ngang của phoi cắt;  - trọng lượng riêng của đất; g - gia tốc rơi tự do;  - góc cắt của dao cắt;  - góc taọ bở i quỹ đaọ chuyển đông̣ của dao và phương chuyển động của các phầ n tử đất về các phía, đô;̣ vc - vâṇ tố c di chuyển của dao cắ t; ft, fn - hệ số ma sát trong và ngoài; B - chiều rộng lưỡi ủi; q1 - vận tốc di chuyển của máy; h(x) - chiều dày phoi cắt. 2.2.4. Xác định lực cản đào khi máy ủi gặp chướng ngại Khi máy ủi đào và chuyển đất, dao cắt của lưỡi ủi có thể vấp phải đá hộc, gốc cây lớn, .v.v. Khi đó, lực cản đào sẽ xuất hiện ở trạng thái động (hình 2.8). Lúc này, tổng lực cản của đấ t và chướng ngại tác dung̣ lên lưỡi ủi được xác định bởi: 10
13. k .F. sin .cos q2 C m Px2 v . .v T  P 1 1 10 0 dcg sin   2 TP  (2.7) t f f cos2   B q h(x)dt t n 1 0 ở đây T - lực đẩy của động cơ; P - tổng lực cản tác dụng lên máy ủi; C0 - đô ̣ cứ ng tương đương của hê;̣ m - khối lượng máy ủi. v Pd(t) ' P1 h(x) Hình 2.8. Sơ đồ máy ủi khi đào và chuyển đất gặp chướng ngại. 2.2.5. Xác định chiều dày phoi cắt Chiều dày phoi cắt có ảnh hưởng lớn đến lực cản cắt và lực cản đào đất của máy ủi. Do địa hình phức tạp, mặt đất mấp mô nên chiều dày phoi cắt thay đổi theo thời gian (hình 2.9). z T= h.S h(x) h.htb htb o x M z (xi) M z M Hình 2.9. Sơ đồ xác định chiều dày phoi cắt của máy ủi. Giả sử cao độ của nền đất phía trước lưỡi ủi có dạng hình sin: x (2.8) h(x) htb  h h tb sin(2 ) hS trong đó αh, βh là các hệ số thể hiện tần suất xuất hiện mấp mô và biên độ mấp mô của nền đất nơi máy ủi thi công. 11
14. Chiều dày phoi cắt khi kể đến chuyển động của thân máy, khung và lưỡi ủi được tính theo công thức: t0 h(x) zMM z h(x) (2.9) x 0 lFM sin(q 3 7 ) z M h tb  h h tb sin(2 ) hS ở đây 0 - độ cao của đỉnh dao cắt lưỡi ủi (điểm M) tại thời điểm ban đầu (m), zM t zM - độ cao của đỉnh dao cắt lưỡi ủi tại thời điểm t (m); lFM - khoảng cách giữa hai điểm F, M (m), q3 - góc quay của khung đẩy quanh khớp F (độ), 7 - góc KFM (độ). 2.2.6. Xác định mômen quán tính khối lượng quy đổi Trên cơ sở phân tích hệ thống truyền lực máy ủi DZ271, xác định được mômen quán tính khối lượng quy đổi của toàn hệ về trục của bánh sao chủ động: 2 2 2 21 1  2  20 1 (2.10) Jtd J td J 12 J 2 2 J 20 2 J 21 232 2  2  32 2  21  32 2  32 với J1, J2 Jn - mômen quán tính của các khối lượng quay với vận tốc góc 1, 2 n trên các trục tương ứng 1, 2, , n và , , - hiệu suất của bộ truyền từ 2 n trục 2, , n đến trục thứ nhất. 2.2.7. Xác định hệ số độ cứng k2 và hệ số cản c2 Hình 2.10 là kết cấu và kích thước của khung đẩy bên phải máy ủi DZ271. E-E E E C D e=148 A B Hình 2.10. Kết cấu và kích thước khung đẩy máy ủi DZ271. Kết cấu như mô tả trên hình 2.10 tạo cho khung đẩy một độ đàn hồi và một sức cản nào đó, có tác dụng làm giảm và dập tắt một phần va chạm truyền trực tiếp từ 12
15. chướng ngại lên thân máy. Để kể đến tác dụng này, kết hợp với tính đàn hồi vốn có của vật liệu, trong mô hình khảo sát động lực học máy ủi ở hình 2.2 đã đưa vào cặp lò xo – giảm chấn có hệ số độ cứng và hệ số cản là k2 và c2. Nhiệm vụ đặt ra là xác định giá trị của k2 và c2 phục vụ cho khảo sát động lực học. Hệ số độ cứng k2 được xác định dựa trên mối quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển vị của điểm đặt lực, sử dụng phần mềm ANSYS, còn giá trị của hệ số cản c2 được xác định theo công thức thực nghiệm. Phương pháp xác định và kết quả đạt được được trình bày trong bài báo khoa học số 6. Kết quả mô phỏng cho giá trị k2=365.000.000N/m đối với khung đẩy máy ủi DZ271. Giá trị này được lấy làm giá trị đầu vào cho bài toán khảo sát động lực học. 2.4. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ Phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ sẽ được thiết lập bằng cách áp dụng phương trình Lagrange loại 2 dựa trên mô hình động lực học hình 2.2. Sau khi tìm được tọa độ trọng tâm của các khâu và các điểm đặt lực, rồi tính tổng động năng, thế năng, hàm hao tán và lực suy rộng của các lực không thế, sẽ áp dụng phương trình Lagrange loại 2 để đi đến hệ phương trình vi phân chuyển động như sau: Hệ phương trình vi phân chuyển động ở trên là một hệ phi tuyến. 13
16. 2.5. Phương pháp giải hệ phương trình vi phân chuyển động Do hệ phương trình vi phân chuyển động (2.11) là một hệ phi tuyến nên không thể áp dụng phương pháp giải tích để giải hệ phương trình này, cần giải bằng phương pháp số. Luận án sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab Simulink. Bằng phép đổi biến, chúng ta chuyển hệ (2.11) thành 8 phương trình vi phân cấp 1. Với Matlab Simulink và các thuật giải có sẵn của Matlab, chúng ta có thể giải hệ phương trình này theo điều kiện đầu cho trước để nhận được đáp ứng động lực học của cơ hệ thể hiện qua các hàm mô tả sự thay đổi các tọa độ suy rộng theo thời gian. Phương pháp giải cùng với chương trình tính ở trên cho phép thực hiện một số khảo sát tiếp theo liên quan đến động lực học máy ủi. Kết luận chương 2 1. Chương 2 đã xây dựng được mô hình khảo sát động lực học máy ủi với 4 bậc tự do, xét trong giai đoạn đào và di chuyển đất. Mô hình được luận án xây dựng đã kể đến những nét đặc trưng của đất thuộc khu vực đường tuần tra biên giới phía Bắc nước ta. Điều này thể hiện qua công thức tính lực cản đào và di chuyển đất khi gặp chướng ngại và công thức mô tả sự thay đổi chiều dày phoi cắt qua các hệ số h, h thể hiện tần suất và biên độ của mấp mô của của nền đất nơi thi công. 2. Đã đề xuất phương pháp sử dụng phần mềm Ansys để xác định hệ số độ cứng của lò xo đại diện cho tính đàn hồi dọc của các khung đẩy. 3. Đã đề xuất phương pháp giải hệ phương trình vi phân chuyển động nhằm xác định đáp ứng động lực học của cơ hệ. Đây là căn cứ chính để thực hiện các khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến tải trọng động tác dụng lên các bộ phận máy ủi. Chương 3 KHẢO SÁT TẢI TRỌNG ĐỘNG MÁY ỦI – ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM TẢI TRỌNG ĐỘNG Chương 3 đã phân tích và chỉ ra thông số đại diện cho tải trọng động máy ủi, cách xây dựng thuật toán và chương trình tính để khảo sát động lực học máy ủi, vấn đề xác định các thông số đầu vào, đầu ra của chương trình tính, đồng thời trình bày một số kết quả khảo sát động lực học máy ủi DZ271 theo quỹ đạo chuyển động của dao cắt, sự phụ thuộc của lực cản đào đất và phản lực liên kết tại khớp nối khung đẩy - khung gầm vào vận tốc di chuyển của máy ủi khi không gặp và khi gặp chướng ngại. Từ đó đề xuất một số giải pháp khai thác sử dụng hoặc thay đổi thiết kế nhằm giảm tải trọng động máy ủi. 3.1. Tổ chức tính toán khảo sát Chương trình tính toán động lực học máy ủi đươc̣ viế t bằ ng ngôn ngữ lập trình 14
17. Matlab kết hợp với công cụ Simulink trong Matlab. Các thông số đầu vào được xác định bằng lý thuyết và thực nghiệm, cùng với các phần mềm hỗ trợ như AutoCAD, Inventor, Ansys. Đầ u ra của chương trình là các file Excel kế t quả từ viêc̣ tính toán các thông số động lực học của máy ủi bao gồ m: vận tốc di chuyển của máy, phản lưc̣ của đấ t tác dung̣ lên lưỡi ủi thay đổi theo thời gian, phản lưc̣ tại khớp F liên kế t giữa khung đẩy vớ i khung gầm máy ủ i. Số liệu tính toán cho mỗi phương án se ̃ cho môṭ file kết quả riêng biệt ở daṇ g bảng và có thể biểu diêñ dưới dang̣ đồ thi.̣ 3.2. Kết quả khảo sát động lực học thiết bi công̣ tá c má y ủ i Kết quả khảo sát động lực học máy ủi trong quá trình đào và di chuyển đất được trích ra một phần, ứng với khoảng thời gian từ giây thứ 10 đến giây thứ 20, tương ứng với giai đoạn làm việc ổn định của máy. 3.2.1. Khả o sá t thành phần lưc̣ cả n đào đấ t Pd - Ảnh hưởng của vâṇ tố c di chuyển đế n lưc̣ cản đà o đấ t trong quá trình đà o và di chuyển đấ t Tiế n hanh khao sát ơ cac vân tố c di chuyển ={0,35; 0,42; 0,50} (m/s), đấ t cấ p ̀ ̉ ̉ ́ ̣ q1 IV, chiề u sâu cắ t htb = 0,18m. Kế t quả khảo sát được thể hiện trên đồ thị hình 3.1. Giá trị lực cản đào đất tăng lên theo vận tốc di chuyển của máy và thời gian khảo sát. Giá trị lớn nhất lực cản đào Pd max = 96,625kN. Giá trị trung bình của lực cản đào ở các vận tốc tương ứng là Pd ={32,556; 47,909; 72,901} (kN). Hình 3.1. Sư ̣ thay đổi của lưc̣ cản đà o đấ t Pd theo thờ i gian. (1. = 0,35m/s; 2. = 0,42m/s, 3. =0,50m/s) q11 q12 q13 - Ảnh hưởng của vâṇ tố c di chuyển đế n lưc̣ cản đà o đấ t khi đào và di chuyển đất găp̣ chướ ng ngaị 15
18. Tiế n hành khảo sát ở các vâṇ tố c di chuyển ={0,30; 0,43; 0,55} (m/s), đấ t cấ p IV, chiề u sâu cắ t htb = 0,18m. Kế t quả được thể hiện trên đồ thị hình 3.2. Hình 3.2. Sư ̣ thay đổi của lưc̣ cản đà o đấ t Pd theo thờ i gian (1. = 0,30m/s; 2. = 0,43m/s; 3. =0,55m/s) q11 q12 q13 Giá trị lực cản đào tăng theo vận tốc di chuyển của máy và thời gian khảo sát. Ở các giây thứ 12,6 và 17,2 biên độ dao động của lực cản đào tăng nhanh, phù hợp q1 với thời điểm lưỡi ủi gặp chướng ngại. Giá trị lớn nhất của lực cản đào Pdmax= 119,736kN. Giá trị trung bình của lực cản đào ở các vận tốc tương ứng là Pd ={55,428; 68,913; 81,932} (kN). Lập bảng 3.1 để so sánh lực cản đào ở hai trường hợp khác nhau ở trên. Bảng 3.1. So sánh lực cản đào ở hai trường hợp khác nhau TT Nội dung Pd (kN) Tỷ lệ % 1 Pd khi lưỡi ủi chưa gặp chướng ngại 72,901 100,00 2 Pd khi lưỡi ủi gặp chướng ngại 81,932 112,388 Các kết quả trên cho thấy lực cản đào khi gặp chướng ngại (và vượt qua được) lớn hơn đáng kể so với trường hơp không gặp chướng ngại ở cùng vận tốc di chuyển của máy. Sự sai khác tính theo giá trị trung bình là 12,388%. 3.2.2. Khả o sá t thành phần phản lưc̣ liên kết RF tại khớp F - Ảnh hưởng của vâṇ tố c di chuyển đế n phản lưc̣ liên kế t tại khớp nối giữa khung đẩy và khung gầ m khi đà o và di chuyển đấ t không găp̣ chướ ng ngaị Tiế n hành khảo sát ở các vâṇ tố c di chuyển =0,50m/s, đấ t cấ p IV, chiề u sâu cắ t htb=0,18m. Kế t quả khảo sát được thể hiện trên đồ thị hình 3.3. Giá trị của phản lực liên kết RF tăng dần theo thời gian và biến thiên với tần số tăng nhẹ, biên độ khá ổn định. Sự biến thiên này phù hợp với thực tế về độ mấp mô 16
19. của mặt đường. Giá trị trung bình của phản lực liên kết là RF = 98,615kN. Hình 3.3. Sư ̣ thay đổi của phản lưc̣ RF theo thờ i gian. - Ảnh hưởng của vâṇ tố c di chuyển đế n phản lưc̣ liên kết tại khớ p nối giữa khung đẩy và khung gầ m khi đà o và di chuyển đấ t găp̣ chướ ng ngaị q Tiế n hành khảo sát ở các vâṇ tố c di chuyển 1 =0,55m/s, đấ t cấ p IV, chiề u sâu cắ t htb=0,18m, c2= , k2= . Kế t quả khảo sát được thể hiện trên đồ thị hình 3.4. Hình 3.4. Sư ̣ thay đổi của phản lưc̣ RF theo thờ i gian. Giá trị phản lực RF cũng tăng dần theo thời gian khảo sát và biến thiên liên tục với biên độ dao động lớn. Đặc biệt, ở thời điểm 12,2s và 17,3s phản lực RF tăng đột ngột do lưỡi ủi gặp phải chướng ngại. Giá trị trung bình của phản lực liên kết là RF=112,291kN. Lập bảng 3.2 để so sánh phản lực trong khớp F ở hai trường hợp khác nhau ở trên. 17
20. Bảng 3.2. So sánh phản lực trong khớp F ở hai trường hợp khác nhau TT Nội dung RF (kN) Tỷ lệ % 1 RF khi lưỡi ủi chưa gặp chướng ngại 98,615 100,00 2 RF khi lưỡi ủi gặp chướng ngại 112.291 113,868 3.3. Giảm tải trọng động má y ủ i Để giảm tải trọng động tác dụng lên các bộ phận máy ủi, có thể sử dụng một trong các nhóm giải pháp sau: - Nhóm giải pháp liên quan đến chế độ khai thác, sử dụng. - Nhóm giải pháp liên quan đến cải tiến, sửa đổi thiết kế. a) Giảm tải trọng động trong khai thác sử dụng. Tải trọng động tác dụng lên thiết bị công tác của máy ủi phụ thuộc vào tốc độ di chuyển, chiều sâu cắt và vấn đề gặp phải chướng ngại hay không. Theo kết quả nhận được từ quá trình khảo sát ở trên, để giảm tải trọng động máy ủi trong quá trình đào và di chuyển đất, có thể sử dụng các giải pháp khai thác sau: chọn tốc độ di chuyển của máy và chiều sâu cắt thích hợp, chủ động lựa vị trí hoặc tránh các chướng ngại nếu có thể. Trong khai thác, nên sử dụng kết hợp các giải pháp nêu trên và ra quyết định sử dụng chúng một cách mềm dẻo. b) Giảm tải trọng động bằng cách sửa đổi thiết kế. Việc sửa đổi thiết kế (cải tiến) có thể làm giảm tải trọng động tác dụng lên máy ủi do làm thay đổi các thông số động lực học của máy. Trong phạm vi luận án, tác giả đề xuất giải pháp thay đổi thiết kế của khung đẩy bằng cách thay đổi vật liệu và một số kích thước hình học của chúng. Những thay đổi này đều làm thay đổi hệ số đàn hồi k2 và hệ số cản c2 của cặp lò xo - giảm chấn đại diện cho tính đàn hồi và tính cản dọc của khung đẩy. Thông qua việc xác định hệ số độ cứng k2 bằng cách mô phỏng sự làm việc của khung đẩy trong phần mềm ANSYS (bài báo khoa học số 6), tác giả luận án đã khảo sát sự thay đổi của k2 theo độ lệch tâm e của khung đẩy và mô-đun đàn hồi E của vật liệu khung đẩy. Hệ số cản c2 thì được tính theo k2 và lực tác dụng dọc khung theo công thức thực nghiệm. Theo kết quả khảo sát trình bày trong bài báo số 6 của tác giả luận án, khi thay đổi độ lệch tâm e trong khoảng [148168] mm thì miền giá trị của hệ số độ cứng k2 thay đổi trong khoảng [364963978,7N/m  332702793,8N/m] và hệ số cản c2 thay đổi trong khoảng [2092,742Ns/m  1998,107Ns/m]. Khảo sát sự thay đổi của phản lực liên kết RF tại khớp F trong 5 trường hợp ứng với 5 cặp giá trị của k2 và c2, lập được bảng so sánh (bảng 3.3). 18
21. Bảng 3.3. So sánh phản lực liên kết RF khi thay đổi giá trị của cặp k2, c2. TT e, mm k2, N/m c2, Ns/m RF, kN Giảm (%) 1 148 364963978,7 2092,742 106,457 5,480 2 153 358142988,1 2073,093 104,730 7,220 3 158 350260293,9 2050,152 103,359 8,642 4 163 342036708,5 2025,942 102,618 9,426 5 168 332702793,8 1998,107 102,183 9,892 Theo bảng 3.3, khi tăng độ lệch tâm e của khung đẩy, độ cứng k2 giảm, đồng thời cũng làm giảm phản lực liên kết tại khớp F nối giữa khung đẩy và khung gầm. Sự thay đổi giá trị của phản lực liên kết RF theo thời gian trong 5 cặp giá trị của (k2, c2) khác nhau được thể hiện trên đồ thị hình 3.5. Hình 3.5. Sư ̣ thay đổi của phản lưc̣ RF theo thờ i gian. Đồ thị hình 3.5 cho thấy, khi tăng độ lệch tâm e, giá trị của RF giảm ở mọi thời điểm, đồng thời tại các thời điểm gặp chướng ngại thì độ tăng của RF cũng giảm đi. Như thế, có thể giảm tải trọng động bằng cách giảm độ cứng dọc của khung đẩy. Tương tự (theo bài báo số 6), để giảm tải trọng động cho máy ủi, có thể thay đổi vật liệu khung đẩy. Điều này liên quan đến việc thay đổi mô-đun đàn hồi E và do đó có liên quan đến sự thay đổi độ cứng của lò xo k2. Kết luận chương 3 1. Chương 3 đã chỉ ra đại lượng có thể đại diện một cách tiêu biểu cho tải trọng động tác dụng lên thiết bị công tác của máy ủi và thực hiện một số khảo sát về các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động. 19
22. 2. Thông qua việc khảo sát đã thu được một số kết quả đáng quan tâm: - Lực cản đào khi máy ủi đào và chuyển đất gặp chướng ngại có giá trị lớn hơn khoảng 12,388% so với khi đào và chuyển đất ở điều kiện thông thường. - Phản lực lớn nhất tại khớp F trong trường hợp gặp chướng ngại có giá trị lớn hơn khi chưa gặp chướng ngại là 13,868%. - Khi giảm độ cứng và hệ số cản của khung đẩy (bảng 3.3), phản lực tại khớp F giảm dần cả về trị số tuyệt đối, tần số và biên độ. Giá trị hợp lý của chúng là k2=332702793,8N/m và c2=1998,107Ns/m, tương ứng với độ lệch tâm e là 168mm, vật liệu dùng là thép số hiệu 60SiMn có mô-đun đàn hồi E = 2,1 x 1011Pa. Với cặp giá trị đó, giá trị trung bình của phản lực tại khớp F giảm 9,892%. 3. Đã đề xuất một số giải pháp giảm tải trọng động máy ủi, bao gồm các giải pháp về khai thác sử dụng và giải pháp thay đổi thiết kế. Mỗi giải pháp đều có ưu điểm và hạn chế của nó, đòi hỏi người khai thác phải biết kết hợp linh hoạt tùy theo từng điều kiện cụ thể. Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến thực nghiệm, giới thiệu một số kết quả thực nghiệm xác định các tính chất cơ lý của đất, quy luật tác dụng của lực cản đào và di chuyển đất, sự thay đổi của các thông số liên quan đến lực này nhằm chuẩn hóa bộ thông số đầu vào cho việc khảo sát động lực học máy ủi và kiểm nghiệm độ tin cậy của công thức lý thuyết tính lực cản đào đất đã xây dựng ở chương 3. Kết quả lực cản đào khi máy ủi đào và chuyển đất không gặp chướng ngại và gặp chướng ngại được trình bày chi tiết trong luận án. Việc so sánh giữa kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm cũng được thực hiện. * Lưc̣ cản đà o và chuyển đất trong điều kiện thông thường. Hình 4.1. Sự thay đổi lực cản đào Pd theo thời gian (1- Lý thuyế t, 2- Thưc̣ nghiêm)̣ 20
23. Việc so sánh được xét trong cùng một điều kiện khảo sát, vận tốc di chuyển của máy q1 =0,50m/s, chiều dày phoi cắt htb=0,18m, đất cấp IV. So sánh kế t quả tính lực cản đào theo công thức lý thuyết với kết quả đo được bằng thực nghiệm được thể hiện trên đồ thị hình 4.1. Quan sát đồ thị ta thấy có một sự tương đồng khá cao giữa hai đồ thị. Giá trị lực cản đào tính theo công thức lý thuyết ở hầu hết các thời điểm đều nhỏ hơn so với giá trị thực nghiệm tương ứng. Sai số trên có thể là do chọn giá trị đầu vào của các thông số trong công thức lý thuyết nhỏ hơn giá trị thực sự của chúng. Sự tương đồng trên đây gợi ý cho chúng ta về việc đưa vào một hệ số hiệu chỉnh khi sử dụng công thức tính lực cản đào và chuyển đất theo lý thuyết. Giá trị trung bình của lực cản đào được ghi trong bảng 4.1. Bảng 4.1. Giá trị trung bình của Pd khi không gặp chướng ngại. Giá trị theo lý thuyết (kN) Giá trị theo thực nghiệm (kN) Sai số, % 71,901 78,949 9,803 * Lưc̣ cản đà o và chuyển đất khi gặp chướng ngại. Việc so sánh được xét trong cùng một điều kiện khảo sát, vận tốc di chuyển của máy =0,55m/s, chiều dày phoi cắt htb=0,18m, đất cấp IV. So sánh kế t qua tính q1 ̉ lực cản theo công thức lý thuyết với kết quả đo được bằng thực nghiệm được thể hiện trên đồ thị hình 4.2. Hình 4.2. Sự thay đổi lực cản đào Pd khi gặp chướng ngại (1- Lý thuyế t, 2- Thưc̣ nghiêm)̣ 21
24. Đồ thị cũng cho phép đưa ra các nhận xét tương tự như trường hợp trước. Đó là sự tương đồng khá cao giữa hai đồ thị và lực cản đào tính theo lý thuyết nhỏ hơn so với giá trị thực nghiệm tương ứng. So sánh giá trị trung bình của lực cản đào theo tính toán lý thuyết và theo kết quả thực nghiệm được ghi trong bảng 4.2. Bảng 4.2. Giá trị trung bình của Pd khi gặp chướng ngại. Giá trị theo lý thuyết (kN) Giá trị theo thực nghiệm (kN) Sai số, % 81,932 97,657 19,193 Nhâṇ xét: Sai số lớn nhất của lực cản đào và di chuyển đất giữa giá trị nhận được từ thực nghiệm và giá trị tính theo lý thuyết là 9,803% khi máy ủi đào và chuyển đất mà không gặp chướng ngại, bằng 19,193% khi đào và chuyên đất gặp chướng ngại. Tuy nhiên, đây mới là những kết quả bước đầu dựa trên một bộ giá trị cụ thể mô tả các tính chất cơ lý của đất. Cần thực hiện thí nghiệm một cách đầy đủ hơn để có được những kết quả đáng tin cậy hơn. Kết luận chương 4 1. Chương 4 đã đề xuất phương án tiến hành thực nghiệm, trong đó chỉ rõ các thông số đo, mục tiêu đo và các thiết bị phục vụ quá trình đo. 2. Đã xác định được một số thông số cơ lý của đất trong khu vực khảo sát như độ ẩm, trong̣ lương̣ riêng, góc ma sát trong, góc ma sát ngoài và độ chặt. Những thông số này có quan hệ mật thiết tới công thức lý thuyết tính lưc̣ cản đào và chuyển đấ t, một thông số đầu vào quan trọng của bài toán khảo sát động lực học máy ủi trong quá trình đào và chuyển đất. 3. Đã sử dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để xác định số lần đo và lý thuyết thống kê xác suất để đánh giá sai số đo. 4. Đã triển khai thưc̣ nghiêṃ để xác định quy luật thay đổi của lực cản đào chuyển đất theo vận tốc di chuyển của máy, chiề u dày phoi cắ t (đô ̣ mấ p mô của nề n đườ ng) cả khi đào ủi thông thường và khi găp̣ chướ ng ngại. 5. Kết quả thực nghiệm thể hiện một sự tương đồng cao giữa kết quả tính toán lý thuyết và kết quả thực nghiệm. Sai số giữa tính toán lý thuyế t và thực nghiệm về giá tri ̣lưc̣ cản đào bằng 9,803% khi đào và chuyển đấ t thông thường, bằng 19,193% khi đào và chuyển đất găp̣ chướ ng ngai.̣ Sai số phạm phải có thể do sự phứ c tap̣ trong tính chất cơ lý của đấ t, các yếu tố gây nhiễu trong quá trình thưc̣ nghiêm,̣ sai số về phương pháp đo và đô ̣chính xác của thiế t bi ̣đo, .v.v. Sự tương đồng của hai kết quả gợi ý rằng có thể sử dụng công thức tính lực cản đào và di chuyển đất đã thiết lập được bằng lý thuyết nếu đưa vào một hệ số hiệu chỉnh thích hợp. 22
25. KẾT LUẬN Luận án đã giải quyết một cách căn bản các nhiệm vụ đề ra với những kết quả chính thu được như sau: 1. Đã xây dựng các mô hình vật lý – toán để khảo sát động lực học máy ủi DZ271 trong giai đoạn đào và di chuyển đất, trong đó đã sử dụng các phần mềm (Inventor, Ansys) để xác định giá trị các thông số đầu vào của mô hình. Đặc biệt, đã thiết lập được công thức xác định lực cản đào và chuyển đất có tính đến những nét đặc trưng của đất thuộc khu vực đường tuần tra biên giới phía Bắc nước ta. 2. Đã xây dựng chương trình tính (sử dụng công cụ Matlab Simulink) để giải hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ, đồng thời đã khảo sát sự thay đổi phản lực liên kết tại khớp nối giữa khung đẩy và khung gầm (khớp F). Kết quả khảo sát bước đầu cho thấy phản lực tại khớp F trong trường hợp gặp chướng ngại có giá trị lớn hơn khoảng 13,868% so với khi không gặp chướng ngại. Ngoài ra, việc thay đổi giá trị của cặp tham số k2, c2 có thể làm giảm phản lực tại khớp F được 9,892% ở giá trị trung bình và 18,186% ở giá trị lớn nhất. 3. Đã tiến hành thực nghiệm để xác định các thông số cơ lý của đất thuộc khu vực tỉnh Bắc Ninh, tương đương với đất đường tuần tra biên giới, để đo lực cản đào chuyển đất khi gặp và không gặp chướng ngại, đồng thời để kiểm nghiệm công thức tính lực cản đó theo lý thuyết. Kết quả thực nghiệm cho thấy, sai số giữa tính theo công thức lý thuyết và kết quả thực nghiệm khoảng 9,803% khi đào chuyển đấ t ở điều kiện thông thường và khoảng 19,193% khi găp̣ chướ ng ngại. 4. Để giảm tải trọng động tác dụng lên máy ủi qua khớp F, ngoài các biện pháp vận hành, có thể sử dụng một số giải pháp kỹ thuật xoay quanh việc thay đổi giá trị của cặp thông số k2, c2 đại diện cho tính đàn hồi và tính cản của khung đẩy như lựa chọn phù hợp vật liệu, kết cấu và các kích thước hình học. Theo kết quả khảo sát và tính toán bước đầu thì cặp giá trị phù hợp của chúng là k2=332702793,8N/m và c2=1998,107Ns/m. 23
26. DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1. Chu Văn Đạt, Nguyễn Thành Thu (2011), “Nghiên cứu thực nghiệm quá trình tương tác của cơ cấu công tác máy ủi với nền đất”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Tổng hội Cơ khí Việt Nam, (số 5 tháng 5-2011), tr.8-9. 2. Nguyễn Thành Thu, Chu Văn Đạt (2012), “Xác định các thành phần lực cản đào của Thiết bị công tác máy ủi trên nền đất rắn”, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học Toàn quốc lần thứ IX, Nhà xuất bản Bách khoa, Hà Nội, (số ISBN 978-604-911-432-8), tr.1047-1053. 3. Chu Văn Đạt, Nguyễn Thành Thu (2013), “Nghiên cứu phương án kết cấu hợp lý cho Thiết bị công tác máy ủi thi công trên nền đất không bằng phẳng”, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ III, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, (số ISBN 978-604- 67-0061-6), tr.810-817. 4. Nguyễn Thành Thu, Nguyễn Văn Thắng, Lê Văn Cường (2014), “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc của máy ủi khi đào và chuyển đất theo hướng hợp lý góc cắt và chiều sâu cắt”, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Khoa học lần thứ VII, Câu lạc bộ Cơ khí Động lực, Tổng hội cơ khí Việt Nam, (số đặc biệt 2014), tr.138-142. 5. Nguyễn Thành Thu, Nguyễn Thanh Hải (2014), “Nghiên cứu xác định đặc tính tải động tác động lên lưỡi ủi của máy ủi khi đào và chuyển đất gặp chướng ngại”, Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học các nhà nghiên cứu trẻ, Học viện Kỹ thuật Quân sự, (số ISSN-1859-0209), tr.128-134. 6. Nguyễn Thành Thu, Chu Văn Đạt, Trần Quang Dũng (2016), “Xác định hệ số độ cứng dọc của khung đẩy máy ủi phục vụ bài toán khảo sát động lực học”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Tổng hội Cơ khí Việt Nam, (số ISSN 0866-7056 tháng 4-2016), tr.69-73.