Luận án Nghiên cứu động lực học máy xúc lội nước để khảo sát ổn định lật khi làm việc

iLỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực. Tác giả luận án Bùi Văn Hải ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc, Phòng sau đại học, khoa Động lực, bộ môn xe máy Công Binh - Học viện KTQS đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tập thể hướng dẫn PGS - TS Trần Quang Hùng, PGS - TS Lê Hồng Quân - Bộ môn xe máy Công binh - Học viện KTQS đã tận tình hướng dẫn tôi về phương pháp và nội dung nghiên cứu, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Công Ty Cảng Đình Vũ- Hải Phòng, Trung Tâm Vũ Khí HVKTQS, Viện Cơ Giới, đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để nghiên cứu sinh tiến hành làm thực nghiệm. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy thuộc bộ môn xe máy công binh - Khoa động lực - Học viện KTQS và các chuyên gia trong lĩnh vực cơ khí - Động lực trong và ngoài Học Viện đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu cho việc thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội. Khoa công nghệ ôtô đã động viên, dành cho tôi những điều kiện thuận lợi trong quá trình làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp, những người thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Bùi Văn Hải iii MỤC LỤC Lời cam đoan ..................................................................................................... ..i Lời cảm ơn ......................................................................................................... .ii Mục lục ............................................................................................................... iii Danh mục chữ viết tắt....................................................................................... vi Danh mục bảng biểu ......................................................................................... vii Mở đầu.............................................................................................................. 1 Chương 1 .......................................................................................................... 4 TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ MÁY XÚC LỘI NƯỚC VÀ MÔI TRƯỜNG TƯƠNG TÁC ............................................................... 4 1.1. Tổng quan về máy xúc lội nước ............................................................... 4 1.1.1. Đặc điểm làm việc của máy xúc lội nước ........................................... 4 1.1.2. Nhu cầu cơ giới hóa quá trình nạo vét các công trình ở vùng hàng năm ngập nước ở nước ta .................................................................. 6 1.1.3. Đặc điểm một số loại máy xúc lội nước hiện nay trên thế giới .......... 7 1.2. Một số tính chất cơ lý của đất................................................................. 10 1.2.1. Tính biến dạng của đất...................................................................... 10 1.2.2. Cường độ chống cắt của đất ............................................................. 13 1.2.3. Lực dính kết của đất.......................................................................... 13 1.2.4. Độ chặt của đất ................................................................................. 16 1.2.5. Lực cản cắt của đất ........................................................................... 17 1.2.6. Một số kết quả nghiên cứu về đất ở ao hồ ........................................ 18 1.3. Các mô hình nghiên cứu về môi trường làm việc ................................. 22 1.3.1. Mô hình đàn hồi tuyến tính ............................................................... 23 1.3.2. Mô hình đàn hồi bất đẳng hướng...................................................... 24 1.3.3. Mô hình vật liệu đàn hồi phi tuyến ................................................... 25 1.3.4. Mô hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng .................................................... 27 1.3.5. Mô hình đàn nhớt ( mô hình Kelvin - Voight)................................... 28 1.4. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới máy xúc lội nước. 29 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..................................................... 29 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước...................................................... 35 iv Kết luận chương 1 ......................................................................................... 38 Chương 2 ........................................................................................................ 40 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY XÚC LỘI NƯỚC............................ 40 2.1. Giới thiệu ................................................................................................. 40 2.2. Các giả thiết ............................................................................................. 40 2.3. Mô hình khảo sát động lực học trong mặt phẳng dọc .......................... 41 2.4. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ.................. 43 2.5. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động theo phương ngang . 54 2.5.1. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động ............................... 55 2.5.2. Tính toán các tham số động lực học của mô hình ............................ 57 2.6. Xác định các thông số đặc trưng của mô hình động lực học ............... 65 2.6.1. Mô hình 3D và các thông số động lực học của các khâu ................. 65 2.6.2. Xác định mô men dẫn động của các xy lanh thủy lực....................... 66 Chương 3 ........................................................................................................ 69 KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH CỦA MÁY XÚC LỘI NƯỚC............................. 69 LÀM VIỆC TRONG VÙNG NƯỚC CẠN ................................................. 69 3.1. Các vấn đề chung .................................................................................... 69 3.2. Khảo sát ổn định dọc cho cả hai trường hợp máy xúc lội nước nghiêng dọc và nghiêng ngang ................................................................... 70 3.2.1. Thông số đầu vào .............................................................................. 70 3.2.2. Các đặc trưng chuyển động của khâu 1............................................ 70 3.2.3. Các đặc trưng chuyển động của khâu 2............................................ 75 3.2.4. Các đặc trưng chuyển động của khâu 3............................................ 76 3.2.5. Các đặc trưng chuyển động của khâu 4............................................ 78 3.3. Kết quả khảo sát ổn định theo phương ngang....................................... 80 3.3.1. Thông số đầu vào .............................................................................. 80 3.3.2. Kết quả khảo sát................................................................................ 80 3.3.3. Ảnh hưởng của hệ số nền và tốc độ làm việc.................................... 84 3.4. Khả năng ổn định của máy xúc lội nước............................................... 86 3.4.1. Xác định góc nghiêng giới hạn ......................................................... 86 v3.4.1.1. Xác định góc nghiêng theo điều kiện ổn định lật........................... 86 3.4.1.2. Xác định góc nghiêng theo điều kiện trượt .................................... 88 3.4.1.3. Khả năng nghiêng dọc của máy..................................................... 88 3.4.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc ổn định của máy xúc lội nước .................................................................................. 91 3.4.2.1. Ảnh hưởng của các yếu tố hình học và kết cấu của phao xích ...... 91 3.5. Phương pháp xác định chế độ làm việc ổn định của máy xúc lội nước ................................................................................................................ 95 3.5.1.Mô hình bài toán xác định chế độ ổn định làm việc của máy ........... 95 3.5.2. Kết quả tính toán đảm bảo điều kiện ổn định và điều kiện làm việc của máy ở khu vực nước cạn....................................................................... 97 Kết luận chương 3 ......................................................................................... 99 Chương 4 ...................................................................................................... 100 THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH LẬT CỦA MÁY XÚC LỘI NƯỚC LÀM VIỆC TRONG VÙNG NƯỚC CẠN.................................. 100 4.1. Mục đích nghiên cứu ............................................................................ 100 4.2. Đối tượng thực nghiệm......................................................................... 101 4.3. Các thông số đo thực nghiệm ............................................................... 102 4.4. Trang thiết bị thực nghiệm ................................................................... 102 4.4.1. Cảm biến đo dịch chuyển ................................................................ 102 4.4.2. Cảm biến đo gia tốc ........................................................................ 103 4.4.3. Cảm biến đo áp suất........................................................................ 105 4.4.4. Thiết bị khuếch đại tín hiệu............................................................. 106 4.4.5. Thiết bị ghi và xử lý tín hiệu ........................................................... 106 4.4.6. Phần mềm xử lý số liệu và máy tính................................................ 107 4.4.7. Thiết bị đo xác định vị trí của thân máy ......................................... 108 4.5. Các bước tổ chức thực nghiệm............................................................. 111 4.5.1. Vị trí, môi trường làm thực nghiệm ................................................ 111 4.5.2. Bố trí các đầu đo và thiết bị đo....................................................... 111 4.5.2.1. Lắp đặt đầu đo H7........................................................................ 112 4.5.2.2. Lắp đặt các đầu đo áp suất OCM-511......................................... 112 vi 4.5.2.3. Lắp đặt đầu đo gia tốc ba trục..................................................... 113 4.5.2.4. Vị trí bố trí camera ghi hình tốc độ cao....................................... 114 4.5.3. Kết nối đầu đo với thiết bị ghi, xử lý tín hiệu và máy tính.............. 114 4.5.4. Thiết lập sơ đồ các kênh đo............................................................. 115 4.6. Tiến hành thực nghiệm......................................................................... 116 4.7. Phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm ............................................ 116 4.8. Phân tích kết quả thực nghiệm ............................................................ 117 4.8.1. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm theo đồ thị ........... 117 4.8.1.1. Dịch chuyển của phao xích .......................................................... 117 4.8.1.2. Góc quay cần máy, tay gầu, gầu.................................................. 118 4.8.1.3. Vận tốc dịch chuyển của phao xích.............................................. 120 4.8.1.4. Vận tốc dịch chuyển các khâu...................................................... 121 4.8.1.5. Gia tốc dịch chuyển phao xích..................................................... 122 4.8.1.6. Gia tốc dịch chuyển các khâu ...................................................... 123 4.8.1.7. Lực tác động của các xy lanh....................................................... 124 4.8.1.7. Gia tốc dịch chuyển máy cơ sở .................................................... 124 4.8.2. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm theo sai số ..... 125 Nhận xét..................................................................................................... 127 Kết luận chương 4 ....................................................................................... 128 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................. 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 132 PHỤ LỤC 1 .................................................................................................. 136 PHỤC LỤC 2 ............................................................................................... 142 CHƯƠNG TRÌNH KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH NGANG.............................. 142 vii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký Hiệu Diễn giải Đơn vị đo a Hệ số tính chất cơ lý của đất Kg/cm2 b1 Kích thước kết cấu dọc của phao xích m b2 Kích thước kết cấu dọc của phao xích m bn Kích thước két cấu ngang của phao xích m C0 Hệ số bám dính của đất daN/cm2 E Mô đun biến dạng đàn hồi N/cm2 E0 Mô đun đàn hồi của đất Kg/cm2 F Diện tích tiếp xúc giữa đầu đo tiếp xúc với đất Cm2 h Kích thước kết cấu phao xích m lab Khoảng cách A và B m lah Khoảng cách A và H m lci Khoảng cách C và I m ljl Khoảng cách J và L m lkl Khoảng cách K và L m lkm Khoảng cách K và M m lhe Khoảng cách H và E m lgl Khoảng cách G và L m lgm Khoảng cách G và M m lkm Khoảng cách K và M m M2 Mô men dẫn động cần máy xúc Nm M3 Mô men dẫn động tay gầu Nm M4 Mô men dẫn động gầu xúc Nm q1 Góc lắc phần phao xích khâu 1 rad q2 Góc lắc phần phao xích khâu 2 rad viii q3 Góc lắc phần phao xích khâu 3 rad q4 Góc lắc phần phao xích khâu 4 rad 1 Góc kết cấu khâu 1 Độ 2 Góc kết cấu khâu 2 Độ 3 Góc kết cấu khâu 3 Độ 4 Góc kết cấu khâu 4 Độ Cx1 Hệ số giảm chấn theo OX của nền đất Ns/m Cy1 Hệ số giảm chấn theo OY của nền đất Ns/m Kx1 Độ cứng ngang theo OX của nền đất N/m Ky1 Độ cứng ngang theo OY của nền đất N/m P1 Lực đẩy của nước tác dụng lên phao xích N/m P4 Lực đẩy nổi của nước tác dụng lên gầu xúc N/m Kb Hệ số nền đất Ns/m ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các kích thước kết cấu của máy xúc. ................................................. 55 Bảng 2.2. Bảng các thông số đầu vào . ............................................................... 56 Bảng 2.3. Các thông số cơ bản của các khâu mô hình 3D ................................. 67 Bảng 3.1. Kết quả chế độ làm việc của máy khi nước ngập ¼ phao xích. ......... 99 Bảng 3.2. Kết quả chế độ làm việc của máy khi nước ngập ½ phao xích. ........ 100 Bảng 3.3. Kết quả chế độ làm việc của máy khi nước ngập ¾ phao xích. ........ 100 Bảng 4.1. Các thông số kỹ thuật của đầu đo dịch chuyển ................................. 106 Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật cảm biến gia tốc ................................................... 107 Bảng 4.3. Các thông số kỹ thuật cảm biến OCM-511 ........................................ 108 Bảng 4.4. Các thông số kỹ thuật của thiết bị ghi NI6210 ................................... 110 Bảng 4.5. Thông số kỹ thuật camera ghi hình tốc độ cao................................... 112 Bảng 4.6. So sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm....................... 127 xDANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu tạo chung máy xúc lội nước. 4 Hình 1.2. Các trạng thái làm việc của máy xúc lội nước. 5 Hình 1.3. Máy xúc lội nước BIGFLOAT Hyundai Robex R210LC-7. 7 Hình 1.4. Máy xúc lội nước của hãng CAT 320D. 8 Hình 1.5. Máy xúc lội nước Hitachi AE200. 8 Hình 1.6. Máy xúc lội nước Sinoway SWEA220. 9 Hình 1.7. MXLN PC200 tác nghiệp tại cảng Đình Vũ - Hải Phòng. 9 Hình 1.8. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tương đối của nền. 11 Hình 1.9. Sơ đồ nén lún của đất. 11 Hình 1.10. Đường nén lún của mẫu đất nguyên dạng. 12 Hình 1.11. Điều kiện cân bằng giới hạn. 13 Hình 1.12. Sự phụ thuộc ứng suất tiếp tuyến k vào biến dạng của đất h. 14 Hình 1.13. Ứng suất dính phụ thuộc độ sâu các lớp đất. 15 Hình 1.14. Lực dính bám phụ thuộc vào độ ẩm của đất 7 . 15 Hình 1.15. Sự phụ thuộc lực cản cắt vào độ ẩm 7 . 18 Hình 1.16. Sự phụ thuộc lực cản cắt vào độ ẩm của đất 20 . 18 Hình 1.17. Độ cứng đất phụ thuộc độ sâu ở Hồ Kiến An - Hải Phòng[20]. 19 Hình 1.18. Độ cứng của đất phụ thuộc độ sâu (kênh mương nội thành)[20]. 19 Hình 1.19.Độ cứng của đất phụ thuộc độ sâu (kênh mương thủy lợi)[20]. 20 Hình 1.20. Sơ đồ biểu diễn sự phân bố các lớp bùn đất[20]. 20 Hình 1.21. Kết quả do cắt lớp địa điền xác định trầm tích đáy hồ[20]. 21 Hình 1.22. Biều đồ mật độ trầm tích đáy hồ điều hòa[20]. 21 Hình 1.23. Sơ đồmặt cắt địa chất ở các vùng đất yếu thuộc đồng bằng Bắc bộ. 22 Hình 1.24. Sơ đồ mặt cắt địa chất ở các vùng đất yếu ở đồng bằng Bắc bộ. 22 Hình 1.25. Trạng thái ứng suất của phân tố trong bài toán không gian (a) và bài toán phẳng (b). 23 xi Hình 1. 26. Tính chất của vật liệu bất đẳng hướng. 25 Hình 1.27. Quan hệ ứng suất - biến dạng của mô hình đàn hồi phi tuyến. 26 Hình 1. 28. Quan hệ ứng suất - biến dạng của mô hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng. 27 Hình 1.29. Hàm của ứng suất đất khi chịu các lực tác dụng. 29 Hình 1.30. Mô hình tính toán động học. 31 Hình 1.31. Mô hình tay máy xúc. 32 Hình 1.32. Sơ đồ tính toán máy xúc nạo vét. 33 Hình 1.33. Mô hình tay máy. 34 Hình 1.34. Mô hình động học quá trình đào đất của máy xúc. 35 Hình 1.35. Máy xúc thủy lực một gầu đang nạo vét sông nhuệ - Hà Nội. 37 Hình 1.36. Thiết bị nạo véi gầu ngoạm do Công ty 276 chế tạo. 37 Hình 1.37. Mô hình LHM nạo vét kênh mương kiểu một gầu nghịch 20 . 37 Hình 2.1. Mô hình động lực học của máy xúc lội nước theo chiều dọc. 42 Hình 2.2. Sơ đồ xác định biến dạng của các lò xo nền đất. 47 Hình 2.3. Mô hình động lực học máy xúc lội nước theo phương ngang. 58 Hình 2.4. Sơ đồ hệ lực tác dụng khi máy xúc xả đất. 61 Hình 2.5. Sơ đồ hình dạng mặt cắt dọc đi qua trọng tâm phao xích. 64 Hình 2.6. Sơ đồ mặt cắt ngang đi qua trọng tâm các phao xích. 64 Hình 2.7. Mô hình 3D máy xúc lội nước PC200-8 thiết kế trên Inventor. 67 Hình 2.8. Sơ đồ các kích thước kết cấu của máy xúc lội nước. 68 Hình 3.1. Kết quả góc quay φ1 của thần phao xích. 73 Hình 3.2. Kết quả dịch chuyển x1 theo phương ngang của phao xích. 73 Hình 3.3. Kết quả dịch chuyển theo phương đứng y1 của phao xích. 74 Hình 3.4. Kết quả vận tốc góc quay 1 phao xích. 74 Hình 3.5. Kết quả vận tốc dịch chuyển ngang 1x của phao xích. 75 Hình 3.6. Kết quả vận tốc dịch chuyển đứng 1y của phao xích. 75 xii Hình 3.7. Kết quả gia tốc góc quay 1 của phao xích. 76 Hình 3.8. Kết quả gia tốc dịch chuyển ngang 1x của phaoxích. 76 Hình 3.9. Kết quả gia tốc dịch chuyển đứng 1y của phao xích. 77 Hình 3.10. Kết quả góc quay φ2 của thần phao xích. 77 Hình 3.11. Kết quả vận tốc góc quay 2 phao xích. 78 Hình 3.12. Kết quả gia tốc góc quay 2 phao xích. 78 Hình 3.13. Kết quả góc quay φ3 của thần phao xích. 79 Hình 3.14. Kết quả vận tốc góc quay 3 của phao xích. 79 Hình 3.15. Kết quả gia tốc góc quay 3 của phao xích. 80 Hình 3.16. Các kết quả góc quay φ4 của thần phao xích. 80 Hình 3.17. Các kết quả vận tốc góc quay 4 phao xích. 81 Hình 3.18. Các kết quả gia tốc góc quay 4 phao xích. 81 Hình 3.19. Quỹ đạo chuyển động của trọng tâm gầu xúc. 83 Hình 3.20. Đồ thị góc quay  của phao xích theo thời gian. 83 Hình 3.21. Đồ thị chuyển vị thẳng đứng h1 phao xích theo thời gian. 84 Hình 3.22. Đồ thị vận tốc góc 1 phao xích theo thời gian. 84 Hình 3.23. Đồ thị vận tốc chuyển vị thẳng đứng 1h phao xích theo thời gian. 85 Hình 3.24. Đồ thị gia tốc góc nghiêng phao xích theo thời gian. 85 Hình 3.25. Đồ thị gia tốc chuyển vị thẳng đứng phao xích 1h theo thời gian. 86 Hình 3.26. Đồ thị phản lực nền Pb tác dụng lên phao xích theo thời gian. 86 Hình 3.27. So sánh tương quan giữa hệ số nền và góc nghiêng phao xích. 87 Hình 3.28. So sánh tương quan giữa vận tốc nâng cần và góc nghiêng phao xích. 87 Hình 3.29. Sơ đồ xác định góc nghiêng dọc cho phép. 88 Hình 3.30. Sơ đồ xác định góc nghiêng ngang cho phép. 89 Hình 3.31. Sơ đồ xác định khả năng nghiêng dọc cho phép của máy. 90 xiii Hình