Thiết kế tối ưu động học và động lực học cơ cấu nâng hạ thùng xe tự đổ

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> <br /> THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC<br /> CƠ CẤU NÂNG HẠ THÙNG XE TỰ ĐỔ<br /> OPTIMAL KINETICS AND DYNAMICS DESIGN<br /> OF A DUMP TRUCK HOIST<br /> Nguyễn Hồng Quân1, Nguyễn Thành Công1, Phạm Văn Thắng2<br /> Email: congnt@utc.edu.vn<br /> 1<br /> Trường Đại học Giao thông Vận tải<br /> 2<br /> Trường Đại học Sao Đỏ<br /> Ngày nhận bài: 15/5/2018<br /> Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 26/9/2018<br /> Ngày chấp nhận đăng: 28/9/2018<br /> Tóm tắt<br /> Việc tính toán tối ưu động học và động lực học cơ cấu nâng hạ thùng tự đổ rất phức tạp nếu giải quyết<br /> bằng phương pháp đồ họa hoặc giải tích thông thường. Bài báo ứng dụng phần mềm phân tích động<br /> học và động lực học hệ nhiều vật ADAMS thiết kế tối ưu động học và động lực học cơ cấu nâng hạ<br /> thùng tự đổ. Kết quả của bài báo là cơ sở quan trọng để thiết kế, chế tạo hệ thống nâng hạ thùng ô tô<br /> tự đổ.<br /> Từ khóa: Thiết kế tối ưu; cơ cấu nâng hạ; động học và động lực học; ADAMS.<br /> Abstract<br /> <br /> The optimal kinetics and dynamics of the dump truck hoistis very complex if solved by the conventional<br /> graphical or analytical methods. The paper describe the application of the dynamic analysis software<br /> and the multiple-dynamics systems ADAMS to optimize kinetics and dynamics of the dump truck hoist.<br /> The paper’s result is an important premise for the optimal design and construction the dump truck hoist.<br /> Keywords: Optimal design; dump truck hoist; kinetics and dynamics; ADAMS.<br /> <br /> <br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> <br /> Tính toán tối ưu động học và động lực học cơ Lựa chọn đối tượng nghiên cứu là ô tô tự đổ<br /> cấu nâng hạ thùng tự đổ rất khó thực hiện nếu Hyundai HD370, với khối lượng hàng hóa nâng là<br /> giải quyết bằng phương pháp đồ họa hoặc giải 23.000 kg, khối lượng thùng hàng 4.000 kg, yêu<br /> tích thông thường. Bài báo ứng dụng phần mềm cầu góc nâng thùng tối thiểu đạt 52o. Sơ đồ cơ cấu<br /> ADAMS xây dựng mô hình 3D được tham số hóa, nâng hạ thùng như hình 1. Chọn hệ tọa độ OXYZ<br /> từ đó tính toán và thiết kế tối ưu động học và động có gốc tọa độ trùng với tâm chốt quay thùng O,<br /> lực học cơ cấu nâng hạ thùng tự đổ theo hai mục phương và chiều các trục như hình 1 [3, 4]. Lựa<br /> tiêu, công suất nâng lớn nhất hoặc công suất nâng chọn sơ bộ tọa độ ban đầu các điểm như bảng 1.<br /> trung bình của xylanh đạt giá trị nhỏ nhất [1, 2].<br /> Kết quả của bài báo là cơ sở quan trọng để thiết<br /> kế, chế tạo hệ thống nâng hạ thùng ô tô tự đổ.<br /> <br /> 2. CÁC NỘI DUNG CHÍNH<br /> <br /> 2.1. Phân tích động học và đông lực học cơ<br /> cấu nâng hạ trong ADAMS<br /> <br /> 2.1.1. Xây dựng mô hình mô phỏng cơ cấu<br /> nâng hạ trong ADAMS Hình 1. Sơ đồ cơ cấu nâng hạ thùng ô tô tự đổ<br /> <br /> Người phản biện: 1. PGS.TS. Trần Văn Như<br /> 2. TS. Nguyễn Đình Cương<br /> <br /> <br /> <br /> 34 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> Bảng 1. Lựa chọn sơ bộ tọa độ ban đầu các điểm của cơ cấu nâng hạ<br /> Tọa độ<br /> TT Tên điểm Ghi chú<br /> X Y Z<br /> 1 AL -2775.0 147 235.0 AL điểm liên kết bên trái giàn nâng chữ A với thùng<br /> 2 AR -2775.0 147 -235.0 AR điểm liên kết bên phải giàn nâng chữ A với thùng<br /> 3 BT -3720.0 47.0 0.0 BT là điểm liên kết giữa chốt xylanh với xylanh<br /> 4 BL -3720.0 47.0 235.0 BL điểm liên kết chốt xylanh với bên trái giàn chữ A<br /> 5 BR -3720.0 47.0 -235.0 BR điểm liên kết chốt xylanh với bên phải giàn chữ A<br /> 6 CL -3937.0 -260.0 235.0 CL điểm liên kết tay nâng trái với giàn chữ A<br /> 7 CR -3937.0 -260.0 -235.0 CR điểm liên kết tay nâng phải với giàn chữ A<br /> 8 O1 -2236.0 -212.0 0.0 O1 điểm đặt chốt quay của xylanh với khung xe<br /> 9 O2L 1967.0 138.0 235.0 O2L điểm liên kết giữa tay nâng trái với khung xe<br /> 10 O2R 1967.0 138.0 -235.0 O2R điểm liên kết giữa tay nâng phải với khung xe<br /> 11 O 0.0 0.0 0.0 O là điểm đặt chốt quay của thùng xe<br /> Trên cơ sở trên xây dựng mô hình mô phỏng trong ADAMS như hình 2 [5, 6].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Mô hình mô phỏng cơ cấu nâng hạ trong ADAMS<br /> 2.1.2. Phân tích động học và động lực học cơ<br /> cấu nâng hạ<br /> Lựa chọn thời gian nâng thùng là 25 s, kết quả<br /> tính toán động học như hình 3.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> c) Hành trình nâng thùng theo thời gian<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) Góc nâng thùng theo thời gian<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> d) Hành trình nâng thùng theo góc nâng<br /> Hình 3. Kết quả tính toán động học cơ cấu nâng<br /> Nhận xét: Kết quả cho thấy tại hành trình xylanh<br /> 983,15 mm, góc nâng thùng đạt giá trị 52o. Tại vị<br /> trí hành trình lớn nhất là 1.245,5 mm, góc nâng<br /> b) Góc quay xylanh theo góc nâng thùng thùng lớn nhất là 72,3o, góc quay xylanh là 92,8o.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 35<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> <br /> nâng thùng là 6,6o, lực nâng thùng nhỏ nhất<br /> Fmin= 2.011 N tại góc nâng thùng là 70o, lực nâng<br /> thùng ban đầu là 419.330 N.<br /> <br /> 2.2. Tối ưu động học và động lực học cơ<br /> cấu nâng<br /> <br /> 2.2.1. Xây dựng bài toán tối ưu<br /> <br /> 2.2.1.1. Xác định mục tiêu tối ưu<br /> <br /> Lựa chọn hàm mục tiêu tối ưu là một trong hai<br /> trường hợp sau: Công suất nâng lớn nhất của<br /> xylanh đạt giá trị nhỏ nhất; Công suất nâng trung<br /> bình của xylanh đạt giá trị nhỏ nhất.<br /> <br /> 2.2.1.2. Xác định tham số tối ưu<br /> <br /> Để tiến hành tối ưu, ta cần tham số hóa điểm đặt<br /> Hình 4. Lực nâng theo thời gian và theo các khớp của cơ cấu nâng trong ADAMS. Tham số<br /> góc quay thùng tối ưu là tọa độ các khớp A, B, C, O1, O2 của cơ cấu<br /> Kết quả tính động lực học như hình 4. Từ đồ nâng, từ vị trí ban đầu của các điểm ta dịch chuyển<br /> thị ta thấy, lực nâng lớn nhất 469.430 N tại góc các khớp này theo phương OX và OY như bảng 2.<br /> Bảng 2. Bảng tham số hóa tọa độ các khớp trong ADAMS<br /> <br /> Tên Tọa độ ban đầu (mm) Tọa độ sau khi tham số (mm)<br /> STT<br /> điểm<br /> X Y Z X Y Z<br /> 1 AL -2775.0 147 235.0 -2775.0+A_X 147+A_Y 235.0<br /> 2 AR -2775.0 147 -235.0 -2775.0+A_X 147+A_Y -235.0<br /> 3 BT -3720.0 47.0 0.0 -3720.0+B_X 47.0+B_Y 0.0<br /> 4 BL -3720.0 47.0 235.0 -3720.0+B_X 47.0+B_Y 235.0<br /> 5 BR -3720.0 47.0 -235.0 -3720.0+B_X 47.0+B_Y -235.0<br /> 6 CL -3937.0 -260.0 235.0 -3937.0+C_X -260.0+C_Y 235.0<br /> 7 CR -3937.0 -260.0 -235.0 -3937.0+C_X -260.0+C_Y -235.0<br /> 8 O1 -2236.0 -212.0 0 -2236.0+O1_X -212.0+O1_Y 0<br /> 9 O2L 1967.0 138.0 235.0 1967.0+O2_X 138.0+O2_Y 235.0<br /> 10 O2R 1967.0 138.0 -235.0 1967.0+O2_X 138.0+O2_Y -235.0<br /> <br /> 2.2.1.3. Điều kiện ràng buộc Bảng 3. Giới hạn dịch chuyển của các điểm<br /> <br /> Dựa vào kết cấu thực tế của ô tô HD370, lựa chọn<br /> Tên Dải Tên Dải<br /> khoảng thay đổi của các điểm như trong bảng 3, TT TT<br /> biến thay đổi biến thay đổi<br /> ví dụ điểm A dịch chỉnh quanh vị trí ban đầu như<br /> hình 5 biểu thị. 1 A_X -40≤ A_X ≤40 6 C_Y -40≤ C_Y ≤40<br /> <br /> 2 A_Y -40≤ A_Y ≤40 7 O1_X -40≤ O1_X ≤40<br /> <br /> 3 B_X -40≤ B_X ≤40 8 O1_Y -40≤ O1_Y ≤40<br /> <br /> 4 B_Y -40≤ B_Y ≤40 9 O2_X -40≤ O2_X ≤40<br /> <br /> 5 C_X -35≤ C_X ≤35 10 O2_Y -40≤ O2_Y ≤40<br /> Hình 5. Điểm A dịch chỉnh quanh vị trí ban đầu<br /> <br /> <br /> 36 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> 2.2.1.4. Mô hình toán học bài toán tối ưu Bảng 4. Kết quả tối ưu theo công suất nâng lớn<br /> nhất của xylanh đạt giá trị nhỏ nhất<br /> Bài toán tối ưu hóa có mô hình toán học như sau:<br /> Tìm: Vị trí tọa độ các điểm A, B, C, O1, O2 Lực<br /> A A B B C C O1 O1 O2 O2<br /> nâng lớn<br /> Sao cho: _X _Y _X _Y _X _Y _X _Y _X _Y<br /> nhất<br /> Trường hợp 1: Công suất nâng lớn nhất của<br /> 371.200<br /> xylanh đạt giá trị nhỏ nhất. -40 40 40 40 35 -35 -40 -40 40 40<br /> (N)<br /> Trường hợp 2: Công suất nâng trung bình của Nhận xét: Công suất lớn nhất sau tối ưu là<br /> xylanh đạt giá trị nhỏ nhất.<br /> 19.673 W, giảm 21% so với công suất lớn nhất<br /> Thỏa mãn: Vị trí các điểm A, B, C, O1, O2 dịch trước tối ưu là 24.880 W. Công suất lớn đạt<br /> chuyển quanh vị trí ban đầu như bảng 3. được tại góc nâng thùng là 9,5o. Công suất trung<br /> 2.2.2. Kết quả tính toán tối ưu bình sau tối ưu là 15.494 W, giảm 16% so với<br /> 2.2.2.1. Tối ưu theo mục tiêu công suất nâng lớn công suất trung bình trước tối ưu là 18.518 W.<br /> nhất của xylanh đạt giá trị nhỏ nhất Lực nâng lớn nhất của xylanh trước tối ưu là<br /> Công suất nâng lớn nhất đạt giá trị nhỏ nhất hội tụ 469.430 N, lực nâng lớn nhất của xylanh sau tối<br /> sau tối ưu như hình 6 và bảng 4. ưu là 371.200 N, giảm 21%. Hành trình xylanh<br /> sau tối ưu là 1.192,5 mm, tăng 21% so với hành<br /> trình xylanh trước tối ưu là 983,15 mm. Góc nâng<br /> thùng lớn nhất 54,9o.<br /> Bảng 5. So sánh các giá trị động học và động lực<br /> học trước và sau tối ưu<br /> <br /> a) Đồ thị công suất nâng hội tụ sau tối ưu Mức giảm<br /> Chỉ tiêu Trước Sau<br /> trước và sau<br /> đánh giá tối ưu tối ưu<br /> tối ưu (%)<br /> Lực nâng max<br /> 469,430 371.200 21<br /> (N)<br /> Lực nâng trung<br /> 381.306 314.917 17<br /> bình (N)<br /> Công suất max<br /> 24.880 19.673 21<br /> (W)<br /> b) Đồ thị công suất nâng trước và sau tối ưu<br /> Công suất trung<br /> 18.518 15.494 16<br /> bình (W)<br /> Hành trình<br /> 983,15 1.192,5 -21<br /> (mm)<br /> <br /> 2.2.2.2. Tối ưu theo công suất nâng trung bình<br /> của xylanh đạt giá trị nhỏ nhất<br /> <br /> c) Đồ thị hành trình nâng trước và sau tối ưu Công suất nâng trung bình đạt nhỏ nhất hội tụ sau<br /> tối ưu như hình 7 và bảng 6.<br /> <br /> Nhận xét: Công suất lớn nhất sau tối ưu là 19.829<br /> W, giảm 20% so với công suất lớn nhất trước tối<br /> ưu là 24.880 W. Công suất lớn đạt được tại góc<br /> nâng thùng 8,80. Giá trị công suất trung bình sau<br /> tối ưu là 15.249 N, giảm 18% so với giá trị công<br /> suất trung bình trước tối ưu là 18.518 N. Lực<br /> d) Đồ thị lực nâng trước và sau tối ưu nâng lớn nhất sau tối ưu là 374.130 N, giảm 20%<br /> Hình 6. Kết quả tối ưu công suất nâng lớn nhất so với giá trị lực nâng lớn nhất trước tối ưu là<br /> của xylanh đạt giá trị nhỏ nhất 469.430 N. Lực nâng trung bình sau tối ưu là<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 37<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> <br /> 309.861 N, giảm 19% so với giá trị lực nâng trung<br /> bình trước tối ưu là 381.306 N. Hành trình xylanh<br /> sau tối ưu là 1.213,7 mm, tăng 23% so với hành<br /> trình xylanh trước tối ưu là 983,15 mm. Góc nâng<br /> thùng lớn nhất sau tối ưu đạt 53,6o.<br /> <br /> <br /> <br /> d) Đồ thị lực nâng nâng trước và sau tối ưu<br /> <br /> Hình 7. Kết quả tối ưu công suất nâng trung bình<br /> của xylanh đạt giá trị nhỏ nhất<br /> Bảng 6. Kết quả tối ưu theo công suất nâng trung<br /> bình của xylanh đạt giá trị nhỏ nhất<br /> a) Đồ thị công suất nâng hội tụ sau tối ưu<br /> Công suất A A B B C C O1 O1 O2 O2<br /> trung bình _X _Y _X _Y _X _Y _X _Y _X _Y<br /> <br /> 18518 (W) -40 40 40 40 -35 -35 -40 -40 40 40<br /> <br /> Bảng 7. So sánh các giá trị động học và động lực<br /> học trước và sau tối ưu<br /> Mức giảm<br /> Chỉ tiêu Trước tối Sau tối<br /> trước và sau<br /> đánh giá ưu ưu<br /> b) Đồ thị công suất nâng trước và sau tối ưu tối ưu (%)<br /> Lực nâng max<br /> 469.430 374.130 20<br /> (N)<br /> Lực nâng trung<br /> 381.306 309.861 19<br /> bình (N)<br /> Công suất max<br /> 24.880 19.829 20<br /> (W)<br /> Công suất trung<br /> 18.518 15.249 18<br /> bình (W)<br /> Hành trình<br /> 983,15 1.213,7 -23<br /> (mm)<br /> c) Đồ thị hành trình nâng trước và sau tối ưu<br /> <br /> Bảng 8. Bảng tọa độ các điểm trước và sau tối ưu<br /> <br /> Tên Tọa độ ban đầu Theo lực nâng lớn nhất Theo lực nâng lớn trung bình<br /> STT<br /> điểm (mm) (mm) (mm)<br /> <br /> X Y Z X Y Z X Y Z<br /> 1 AL -2775.0 147 235.0 -2815 107 235.0 -2815 107 235.0<br /> 2 AR -2775.0 147 -235.0 -2815 107 -235.0 -2815 107 -235.0<br /> 3 BT -3720.0 47.0 0.0 -3680 87 0.0 -3680 87 0.0<br /> 4 BL -3720.0 47.0 235.0 -3680 87 235.0 -3680 87 235.0<br /> 5 BR -3720.0 47.0 -235.0 -3680 87 -235.0 -3680 87 -235.0<br /> 6 CL -3937.0 -260.0 235.0 -3902 -295 235.0 -3972 -295 235.0<br /> 7 CR -3937.0 -260.0 -235.0 -3902 -295 -235.0 -3972 -295 -235.0<br /> 8 O1 -2236.0 -212.0 0 -2276 -252 0 -2276 -252 0<br /> 9 O2L 1967.0 138.0 235.0 2007 178 235.0 2007 178 235.0<br /> 10 O2R 1967.0 138.0 -235.0 2007 178 -235.0 2007 178 -235.0<br /> <br /> <br /> <br /> 38 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> Nhận xét: Tọa độ các điểm sau tối ưu theo hai Kết quả của bài báo là tiền đềquan trọng để thiết<br /> mục tiêu lực nâng lớn nhất đạt giá trị nhỏ nhất và kế, chế tạo tối ưu cơ cấu nâng hạ trên ô tô tự đổ.<br /> lực nâng trung bình đạt giá trị nhỏ nhất thay đổi<br /> nhiều so với trước tối ưu, tọa độ các điểm sau tối<br /> ưu theo hai mục tiêu trên chỉ khác nhau ở điểm C TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> theo phương OX.<br /> [1]. ADAMS Full Simulation Guide (2005). Advanced<br /> 3. KẾT LUẬN ADAMS/View Training Guide.<br /> Các kết quả đạt được của bài báo thể hiện ở các [2]. Chu Tạo Đoan (2001). Cơ học lý thuyết, Tập I,<br /> điểm sau: Tập II. Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội.<br /> - Xây dựng mô hình mô phỏng phân tích động [3]. Nguyễn Văn Khang (2007). Động lực học hệ<br /> học, động lực học cơ cấu nâng hạ. Mô hình được<br /> nhiều vật thể. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.<br /> tham số hóa nên có khả năng đánh giá sự ảnh<br /> hưởng của vị trí các khớp đến động học và động [4]. Huixiang Yang, Junpeng Zhao, Dawei Jiang,<br /> lực học của cơ cấu nâng hạ và có khả năng thay Guowa Song and Bangcheng Zhang (2017).<br /> đổi thông số để tính toán thiết kế nhiều loại cơ cấu Dynamic Simulation Analysis of Key Components<br /> nâng hạ tương tự. of Special Transport Vehicle for Blowout<br /> - Ứng dụng mô hình tính toán động học và động Prevention Equipment Based on ADAMS. Journal<br /> lực học cho xe Hyundai HD370, từ đó tính toán of Physics: Conf. Series 910 (2017) 012035.<br /> tối ưu lần lượt theo hai mục tiêu là công suất làm<br /> [5]. YIN Huijun, WEI Zhilin, HUANG Changchun,<br /> việc lớn nhất và công suất làm việc trung bình của<br /> HUANG Guidong, SHEN Guangli (2007).<br /> xylanh, kết quả cho thấy các chỉ tiêu về công suất<br /> và lực nâng đều giảm. Từ kết quả có thể lựa chọn Optimization Design of Lifting Triangular Arm of<br /> vị trí các khớp và kích thước các khâu tùy theo Dump Truck. Journal of Agricultural Mechanization,<br /> mục tiêu nào. 2007, 09: 186-188.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 39<br />