Thạc Sĩ Nghiên cứu giảm tải trọng động của máy ủi trong thi công đường tuần tra biên giới

ii



MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
MỤC LỤC . ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN . vii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN ix
MỞ ĐẦU . 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5
1.1. Tổng quan về môi trường đất 5
1.1.1. Môi trường đất tự nhiên . 5
1.1.2. Môi trường đất đường tuần tra biên giới 11
1.2. Tổng quan về máy ủi sử dụng trên đường tuần tra biên giới 13
1.2.1. Khái quát về máy ủi . 13
1.2.2. Máy ủi thi công trên đường tuần tra biên giới . 15
1.2.3. Khung đẩy máy ủi 15
1.3. Tổng quan về nghiên cứu sự tương tác giữa lưỡi ủi với môi trường đất 16
1.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tương tác 16
1.3.2. Tải tro ̣ng đô ̣ng máy ủi 19
1.3.3. Tổng quan về các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 20
1.4. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án . 24
1.4.1. Mục tiêu của luận án 24
1.4.2. Nhiệm vụ của luận án . 24
Kết luận chương 1 26
Chương 2. MÔ HÌNH KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC MÁY ỦI . 27
2.1. Giới thiệu . 27
2.2. Xây dựng mô hình khảo sát động lực học máy ủi DZ271 27
2.2.1. Cấu trúc tổng quan của máy ủi DZ271 27
2.2.2 Các giả thiết xây dựng mô hình 28
2.2.3. Mô hình khảo sát động lực học máy ủi 29
2.3. Tính toán các đại lượng trong mô hình khảo sát động lực học . 30
2.3.1. Tính lực kéo của máy . 30
2.3.2. Xác định lực cản di chuyển của máy . 33
2.3.3. Xác định lực cản khi đào và di chuyển đất không gặp chướng ngại . 35
2.3.4.Xác định lực cản khi đào và di chuyển đất gặp chướng ngại . 39
2.3.5. Xác định chiều dày phoi cắt . 43
2.3.6. Xác định mômen quán tính khối lượng quy đổi 45
2.3.7. Xác định hệ số độ cứng k 2 và hệ số cản c 2 . 48
2.4. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ . 50 iii



2.4.1. Vectơ vị trí của các điểm 50
2.4.2. Động năng của cơ hệ 51
2.4.3. Thế năng . 53
2.4.4. Hàm hao tán . 53
2.4.5. Lực suy rộng của các lực không thế . 54
2.5. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động . 55
2.6. Phương pháp giải hệ phương trình vi phân chuyển động . 57
Kết luận chương 2 58
Chương 3. KHẢO SÁT TẢI TRỌNG ĐỘNG MÁY ỦI - ĐỀ XUẤT GIẢI
PHÁP GIẢM TẢI TRỌNG ĐỘNG 59
3.1. Giới thiệu . 59
3.2. Tải trọng động máy ủi . 59
3.2.1. Thông số đặc trưng cho tải trọng động máy ủi 59
3.2.2. Xác định phản lực liên kết tại khớp nối khung đẩy và khung gầm . 60
3.3. Xây dựng thuật toán và chương trình tính 62
3.4. Xác định các thông số đầu vào và đầu ra của chương trình tính 67
3.4.1. Khối lượng và mô men quán tính khối lượng của các khâu 69
3.4.2. Xác định các kích thước động học của máy ủi 70
3.4.3. Các điều kiện đầu . 71
3.4.4. Đầu ra của chương trình tính 71
3.5. Kết quả khảo sát động lực học máy ủi 71
3.5.1. Quỹ đạo chuyển động của dao cắt trong mặt phẳng thẳng đứng . 71
3.5.2. Khảo sát thành phần lực cản đào đất P d . 72
3.5.3. Khảo sát thành phần phản lực liên kết R F tại khớp F . 74
3.6. Giảm tải trọng động máy ủi 77
3.6.1. Giảm tải trọng động trong khai thác sử dụng 79
3.6.2. Giảm tải trọng động bằng cách sửa đổi thiết kế . 80
Kết luận chương 3 88
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM . 89
4.1. Mục đích và các thông số đo . 89
4.2. Trang thiết bị thực nghiệm 90
4.3 Chọn số lần thực nghiệm 100
4.4 Phương pháp đánh giá sai số thực nghiệm . 100
4.5 Phương pháp đo lực cản trong quá trình đào và di chuyển đất 101
4.6 Kiểm nghiê ̣m công thức tính lực cản theo lý thuyết 103
4.7. Kết quả thực nghiệm . 107
Kết luận chương 4 116
KẾT LUẬN CHUNG . 117
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 118 iv



DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu Tên gọi Đơn vị
 tl  Hiệu suất hệ thống truyền lực
 Hệ số bám
 Ứng suất tiếp tuyến kG/cm 2
 Góc sắc của dao cắt độ
B Chiều rộng lưỡi ủi m
 Góc sau của dao cắt độ
b x Chiều rộng dải xích m
c Lực dính đơn vị kPa
C Chỉ số Dornhin
C 0 Độ cứng của hệ va vấp kN/m
C 1 Độ cứng của TBCT kN/m
C 2 Độ cứng của chướng ngại kN/m
c i Hệ số cản Ns/m
 Góc cắt của dao cắt độ
f Hệ số cản lăn
f n Hệ số ma sát ngoài
f t Hệ số ma sát trong
 Trọng lượng riêng của đất kN/m 3
G b Tro ̣ng lượng bám của máy kG
 bs  Góc quay bánh sao chủ động độ
 d  Góc chảy tự nhiên của đất độ
G m Trọng lượng máy ủi kG
G mc Tro ̣ng lượng máy cơ sở kG v



Ký hiệu Tên gọi Đơn vị
G tb Trọng lượng thiết bị kG
h Chiều dày phoi cắt m
H Chiều cao lưỡi ủi m
i tl Tỷ số truyền lực
J G Mô men quán tính khung gầm máy ủi kg.m 2
J K Mô men quán tính khung và lưỡi máy ủi kg.m 2
 n  Góc ma sát ngoài độ
 t  Góc ma sát trong độ
J T Mô men quán tính của thân máy ủi kg.m 2
J td Mô men quán tính tương đương kg.m 2
k Lực cản cắt riêng kN/m 2
k c Hệ số thực nghiệm kN/m n+1
k Hệ số thực nghiệm kN/m n+2
k i Hệ số độ cứng N/m
k m Mô đun biến dạng cắt mm
l x Chiều dài phần xích tiếp đất m
M bs Mô men dẫn động đặt tại bánh sao chủ động N.m
M c Mô men cản uốn N.m
M dc Mô men động cơ N.m
m G Khối lượng khung gầm kg
m K Khối lượng khung và lưỡi ủi kg
m T Khối lượng thân máy kg
M u Mô men uốn N.m
n Hệ số thực nghiệm
N Công suất động cơ kW vi



Ký hiệu Tên gọi Đơn vị
n bs Số vòng quay bánh sao chủ động v/ph
p Áp suất của đất tác dụng lên dải xích kG/cm 2
P d Lực cản đào đất kN
Pđ/c Lực kéo lớn nhất của động cơ kN
P F Lực cản di chuyển của máy kN
P K Lực kéo của dải xích kN
P xl Lực trong xi lanh nâng hạ lưỡi ủi kN
R A Phản lực trong khớp A kN
r bs Bán kính bánh sao chủ động m
R F Phản lực trong khớp F kN
 Ứng suất pháp tuyến kG/cm 2
 u  Ứng suất uốn kG/cm 2
v c Vận tốc di chuyển của dao cắt m/s
V d Thể tích khối đất m 3


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Diễn giải Ghi chú
ĐH Động học
ĐLH Động lực học
MLĐ Máy làm đất
TBCT Thiết bị công tác
TTBG Tuần tra biên giới
PTVP Phương trình vi phân
PTVPCĐ Phương trình vi phân chuyển động vii



DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN

Bảng 1.1. Phân loa ̣i đất theo kích thước ha ̣t . 7
Bảng 1.2. Phân loại đất theo trọng lượng riêng và hệ số tơi xốp 7
Bảng 1.3. Phân cấp đất theo thi công bằng cơ giới . 8
Bảng 1.4. Phân loa ̣i đất theo kích cỡ ha ̣t . 9
Bảng 1.5. Tính chất cơ lý đất đường tuần tra biên giới. . 12
Bảng 2.1. Sự phụ thuộc của hệ số cắt vào tốc độ cắt 37
Bảng 2.2. Mô men quán tính khối lượng của các khâu máy ủi DZ271. . 46
Bảng 3.1. Khối lượng và mômen quán tính khối lượng của các khâu. . 70
Bảng 3.2. Các thông số hình học của máy ủi. . 70
Bảng 3.3. Giá trị trung bình của lực cản đào theo các vận tốc khác nhau. . 73
Bảng 3.4. Giá trị trung bình của lực cản đào ở các vận tốc khác nhau . 74
Bảng 3.5. So sánh lực cản đào ở hai trường hợp khác nhau . 74
Bảng 3.6. So sánh lực cản đào với phản lực liên kết khớp F. . 75
Bảng 3.7. So sánh phản lực R F và lực cản đào Pd khi gặp chướng ngại 76
Bảng 3.8. So sánh phản lực liên kết tại khớp F trong hai trường hợp gặp và
không gặp chướng ngại . 77
Bảng 3.9. Miền giá trị của cặp lò xo - giảm chấn k 2 , c 2 81
Bảng 3.10. So sánh phản lực liên kết tại khớp F khi gặp chướng ngại ở các giá
trị c 2 , k 2 khác nhau. 82
Bảng 3.11. So sánh phản lực liên kết tại khớp F khi gặp chướng ngại ở các giá
trị c 2 , k 2 khác nhau . 83
Bảng 3.12. So sánh phản lực liên kết tại khớp F khi gặp chướng ngại ở các giá
trị c 2 , k 2 khác nhau. 84
Bảng 3.13. So sánh phản lực liên kết tại khớp F khi gặp chướng ngại ở các giá
trị c 2 , k 2 khác nhau . 85 viii



Bảng 3.14. So sánh phản lực liên kết tại khớp F khi gặp chướng ngại ở các giá
trị c 2 , k 2 khác nhau . 86
Bảng 3.15. So sánh phản lực R F F khi thay đổi giá trị của cặp k 2 , c 2 . . 86
Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của cảm biến đo lực LCV-A. 91
Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của đồng hồ đo tốc độ vòng quay HHT13. 94
Bảng 4.3. Các thông số kỹ thuật của cảm biến H7. 95
Bảng 4.4. Các thông số kỹ thuật cảm biến đo tốc độ GSS25. 96
Bảng 4.5. Thông số kỹ thuật thiết bị ghi và xử lý tín hiệu Dewetron 3020. . 97
Bảng 4.6. Chỉ số Dornhin và lực cản cắt theo cấp đất. . 105
Bảng 4.7. Giá trị lực cản đào tại các vận tốc di chuyển khác nhau. . 111
Bảng 4.8. Giá trị lực cản đào ở các vận tốc di chuyển của máy . 112
Bảng 4.9. Giá trị trung bình của lực cản đào và chuyển đất trong trường hợp
thông thường (không gặp chướng ngại) 114
Bảng 4.10. Giá trị trung bình của lực cản do đào và chuyển đất trong trường
hợp gặp chướng ngại. 115


ix



DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN

Hình 1.1. Các sơ đồ đào đất của máy ủi 14
Hình 1.2. Máy ủi DZ271. 16
Hình 1.3. Sơ đồ cắt đất. . 17
Hình 2.1. Máy ủi khi đào và chuyển đất gặp chướng ngại . 28
Hình 2.2. Mô hình ĐLH máy ủi khi đào và chuyển đất. 29
Hình 2.3. Hoạt động cắt của xích và bánh xe. 30
Hình 2.4. Các dạng phân bố áp suất 32
Hình 2.5. Mô hình khảo sát tương tác xích - đất . 33
Hình 2.6. Sơ đồ lực tác động lên lưỡi ủi khi đào và chuyển đất. 35
Hình 2.7. Sơ đồ lực tác dụng lên lưỡi ủi khi đào và di chuyển đất. 36
Hình 2.8. Sơ đồ máy ủi khi đào và chuyển đất gặp chướng ngại. 39
Hình 2.9. Mô hình động lực học máy ủi khi gặp chướng ngại. 40
Hình 2.10. Sơ đồ xác định chiều dày phoi cắt của máy ủi. . 43
Hình 2.11. Biểu diễn một số dạng mấp mô tiêu biểu của nền đất. . 44
Hình 2.12. Mô hình tính động lực học hệ truyền lực máy ủi DZ271. 46
Hình 2.13. Kết cấu và kích thước khung đẩy máy ủi DZ271. 49
Hình 3.1. Sơ đồ lực tác dụng lên cụm khung đẩy và lưỡi ủi. . 60
Hình 3.2. Sơ đồ khối (sơ đồ thuật toán) của chương trình tính toán động lực
học máy ủi. 64
Hình 3.3. Khối đầu vào cho các tọa độ suy rộng. . 65
Hình 3.4. Khối đầu vào cho vận tốc ban đầu. . 65
Hình 3.5. Khối tích phân gia tốc để tìm vận tốc. 66
Hình 3.6. Khối tích phân vận tốc để tìm vị trí và chuyển vị. 66
Hình 3.7. Sơ đồ thuật toán Matlab Simulink giải hệ PTVP chuyển động 68
Hình 3.8. Mô hình 3D của máy ủi DZ271 thiết kế trên Inventor. 69
Hình 3.9. Quỹ đạo của dao cắt trong quá trình đào và di chuyển đất . 72
Hình 3.10. Sự thay đổi của lực cản đào đất Pd theo thời gian. . 72 x



Hình 3.11. Sự thay đổi của lực cản đào đất Pd theo thời gian 73
Hình 3.12. Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian. . 75
Hình 3.13. Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian. . 76
Hình 3.14. Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian. . 81
Hình 3.15. Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian. . 82
Hình 3.16. Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian. . 83
Hình 3.17. Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian. . 84
Hình 3.18. Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian. . 85
Hình 3.19. Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian. . 87
Hình 4.1. Đoàn cán bộ tại hiện trường thực nghiệm . 90
Hình 4.2. Máy ủi DZ271 để làm thực nghiệm. . 90
Hình 4.3. Cảm biến đo lực LCV-A. 92
Hình 4.4. Đồ gá cảm biến đo lực LCV-A. 92
Hình 4.5. Đồng hồ đo tốc độ vòng quay HHT13. . 93
Hình 4.6. Cảm biến đo khoảng cách H7. 95
Hình 4.7. Cảm biến đo tốc độ GSS25. 96
Hình 4.8. Thiết bị ghi và xử lý tín hiệu Dewetron 3020. 97
Hình 4.9. Các mô đun của phần mềm Dasylab 11. . 98
Hình 4.10. Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo trên DaSyLab 11. 99
Hình 4.11. Sơ đồ lực tác dụng lên máy ủi thử nghiệm. 101
Hình 4.12. Đo độ chặt của đất bằng thiết bị Dornhin. 104
Hình 4.13. Sơ đồ bố trí các cảm biến và liên kết thiết bị đo . 106
Hình 4.14. Vận tốc di chuyển của máy theo thời gian 108
Hình 4.15. Vận tốc di chuyển của máy theo thời gian 110
Hình 4.16. Sự thay đổi lực cản đào theo thời gian 111
Hình 4.17. Sự thay đổi lực cản đào theo thời gian 112
Hình 4.18. Sự thay đổi lực cản đào Pd theo thời gian 113
Hình 4.19. Sự thay đổi lực cản đào Pd khi gặp chướng ngại 114
1

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 (TTBG) là một trong các hạng mục quan trọng của dự án xây dựng
Quốc phòng. Khi thi công đường TTBG 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 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 (TBCT) máy ủi thay đổi
đột ngột, biến thiên trong phạm vi quá rộng gây nên tải trọng động lớn làm
tăng tần suất hỏng 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.
2. Mục đích nghiên cứu
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.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các máy ủi loại DZ271 (là loại
máy ủi đang được sử dụng khá phổ biến trong thi công các đường tuần tra tại
biên giới phía Bắc nước ta) và thiết bị công tác của chúng. 2

4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là sự kết hợp giữa lý thuyết, mô
phỏng bằng phần mềm, tính toán số và thực nghiệm.
Về phương pháp lý thuyết, luận án đã sử dụng lý thuyết động lực học
hệ nhiều vật để xây dựng mô hình động lực học và thiết lập hệ phương trình
vi phân chuyển động của cơ hệ. Vấn đề mô phỏng bằng phần mềm đã được áp
dụng để xác định một số thông số động lực học trong mô hình khảo sát.
Phương pháp tính toán số được áp dụng để giải hệ phương trình vi phân
chuyển động và khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của các thông số cần quan tâm
(như vận tốc di chuyển của máy, chiều dày phoi cắt, hệ số cản của giảm chấn
và hệ số độ cứng của lò xo thuộc hệ treo) đến tải trọng động. Phương pháp
thực nghiệm được áp dụng để xác định giá trị của một số thông số đầu vào và
đầu ra nhằm kiểm chứng sự đúng đắn của mô hình toán đã được thiết lâ ̣p.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa học
Luận án giải quyết một trong những bài toán phức tạp của cơ học, đó là
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
và tải trọng mà nó phải chịu.
Xoay quanh bài toán đó, luận án cần giải quyết hàng loạt các vấn đề 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. 3

5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Những kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở lý luận để định hướng
việc 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 hiê ̣u 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.
6. Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo,
các nội dung chính của luận án được chia thành 4 chương.
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,
kết 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.
Chương 2 - Mô hình khảo sát động lực học máy ủi. Trên cơ sở tìm hiểu
kết cấu thực và điều kiện làm việc thực tế của máy ủi DZ271, chương 2 của
luận án đề xuất mô hình khảo sát động lực học của nó. Những nội dung liên
quan trực tiếp đến việc xây dựng mô hình khảo sát động lực học ở đây bao
gồm: các giả thiết đơn giản hóa, sơ đồ mô hình, xác định các thông số động
lực học trong mô hình (các khối lượng và mômen quán tính khối lượng, hệ số
độ cứng của các lò xo và hệ số cản của các giảm chấn, lực kéo và các lực
cản), thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động và phương pháp chung để
giải hệ phương trình vi phân chuyển động.
Chương 3 - Khảo sát tải trọng động máy ủi – Đề xuất giải pháp giảm
tải trọng động. Chương này sử dụng phần mềm Matlab Simulink để giải hệ
phương trình vi phân chuyển động nhằm xác định các thông số mô tả đáp ứng
và tải trọng động tác dụng lên bộ phận công tác của máy ủi. Bằng cách thay 4

đổi giá trị của các thông số đầu vào liên quan đến cụm lò xo - giảm chấn k 2 , c 2
trong miền cho phép của chúng để tìm ra giá trị thích hợp cho phép giảm
thiểu tải trọng động tác dụng lên bộ phận công tác khi gặp phải chướng ngại
trong quá trình làm việc.
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, xác định quy luật tác dụng của lực cản
đào & di chuyển đất và 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.