TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 2024 233
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỀN CHO BỘ CÔNG TÁC MÁY ĐÀO
GẦU NGHỊCH KOMATSU PC200 PHỤC VỤ CHO SỬA CHỮA, THAY THẾ
CALCULATION, DESIGN, SIMULATION FOR KOMATSU PC200 REVERSE
BUCKET EXCAVATOR FOR REPAIR AND REPLACEMENT
Nguyễn Anh Văn1, Lê Văn Hiếu1, Trần Vũ Quang Huy1,
Lê Bá Nam2, Đỗ Thành Duy3, Trương Chí Công4,*
1Lớp COKHI 04 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp COKHI 01 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Lớp COKHI 03 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Đại học Công nghiệp Hà Nội
4Trường Cơ khí - Ô tô, Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: truongchicong@haui.edu.vn
TÓM TẮT
Bài báo này được thực hiện với mục đích là tính toán, thiết kế và mô phỏng bền để phục vụ sửa chữa, thay thế bộ công
tác máy đào gầu nghịch Komatsu PC200 [1]. Từ kết quả tính toán những thông số kích thước chính của bộ công tác, sử
dụng phần mềm Solidworks xây dựng mô hình để mô phỏng tính bền cho bộ công tác đó với dung tích gầu 0,7m3, kết quả
tính toán bền và phỏng có sự khác biệt nhưng không lớn, các chi tiết với kích thước như thiết kế đều nằm trong giới
hạn bền an toàn. Kiểm tra về độ ổn định của máy sau khi thay thế bộ công tác đã thiết kế vào máy Komatsu PC200, kết
quả thoả mãn độ ổn định của máy.
Từ khóa: Mô phỏng; tính bền; gầu xúc; răng gầu; cần; tay gầu.
ABSTRACT
This article was conducted with the purpose of calculating, designing and simulating durability to repair and replace
the Komatsu PC200 reverse bucket excavator [1]. From the results of calculating the main dimensional parameters of the
working set, using Solidworks software to build a model to simulate the durability of that working set with a bucket
capacity of 0.7m3, the results of calculating durability and modeling There is a difference but not large, the details with the
designed dimensions are all within the safe durability limit. Checking the machine's stability after replacing the designed
working unit on the Komatsu PC200 machine, the results satisfied the machine's stability.
Keywords: Simulation; durability; excavator bucket; bucket teeth; crane; bucket arm.
1. GIỚI THIỆU
Nghiên cứu độ cứng vững, độ bền của gầu khi va chạm
với các trường hợp nguy hiểm ý nghĩa hết sức quan trọng
giúp cho việc gia công các chi tiết đảm bảo được yêu cầu
kỹ thuật [2]. Từ đó ta tiến hành nghiên cứu mô phỏng ảnh
hưởng của lực đã tính toán va chạm với gầu ngoài thực tế
để biết được diễn biến ứng suất sự thay đổi chuyển vị lên
gầu[5, 6]. Các kết quả thu được sẽ giúp phân tích lựa chọn
phương án đặt, gia công hợp nhất. Trong nội dung
nghiên cứu thì chúng ta tiến hành phỏng lực tác dụng
lên gầu, răng gầu, tay gầu, cần, trong quá trình hoạt động
tại điểm A với lần lượt các giá trị lực thay đổi tại các lực
tương ứng giống trong tính toán [4]. Và để dễ dàng cho việc
tính toán, ta cũng chia thành phần của lực F theo lần lượt
các hướng Ox, Oy, Oz.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Các thông số của bộ công tác
- Gầu:
Hình 1. Bộ gầu xúc
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 2024 234Bảng 1. Thông số kích thước bộ gầu xúc
A1 A2 A3 A4 A5
4181 3495 720 1994 410
- Tay gầu:
Hình 2. Tay gầu
Bảng 2. Thông số kích thước tay gầu
A1 A2 A3 A4 A5
4181 3495 720 1994 410
- Cần:
Hình 3. Cần
Bảng 3. Thông số kích thước cần
A1 A2 A3 A4
5725 2515 3600 3078
- Răng gầu:
Hình 4. Thông số kích thước răng gầu
3. PHỎNG BẰNG BỀN CHO BỘ CÔNG TÁC
BẰNG PHẦN MỀM SOLIDWORKS
3.1. Mô phỏng chuyển vị cho gầu xúc
*Trường hợp lực tác dụng theo phương Ox làm chuyển
vị lớn nhất.
- Điểm đặt lực tại vị trí góc phía trên mũi của gầu.
- Lực nh toán tác dụng lớn nhất khi gầu xúc m
việc[3]: 35000N
- Mũi gầu hiện tượng bị bẻ cong, thanh dẫn hướng
chịu momen uốn lớn nhất là 61,733 (MPa).
Momen uốn với lực tác
dụng lớn nhất
Chuyển vị với lực tác dụng lớn
nhất
Hình 5 Momen uốn và chuyển vị của điểm A theo hướng Ox
Bảng 4. Tổng hợp kết quả các thông số tại gầu theo hướng Ox
A(OX)
F(N) Momen uốn (MPa) Chuyển vị(mm)
15000 55,99 0,175
20000 57,413 0,192
25000 58,861 0,209
30000 60,297 0,227
35000 61,733 0,244
Hình 6. Biểu đồ thể hiện sự biến đổi của momen
Hình 7. Biểu đồ thể hiện sự chuyển vị
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 2024 2353.2. Mô phỏng chuyển vị răng gầu
*Trường hợp lực tác dụng theo phương Ox làm chuyển
vị lớn nhất
- Điểm đặt lực tại vị trí góc phía trên răng gầu.
- Lực tính toán tác dụng lớn nhất khi răng gầu làm việc
[3]: 55000N
- Răng gầu hiện tượng bị bẻ cong, thanh dẫn hướng
chịu momen uốn lớn nhất là 156,239 (MPa).
Momen uốn với lực tác dụng
lớn nhấy
Chuyển vị với lực tác dụng
lớn nhất
Hình 8. Momen uốn và chuyển vị của điểm A theo hướng OY
Bảng 5. Tổng hợp kết quả các thông số tại răng gầu theo hướng
Oy
A(OY)
F(N) Momen uốn (MPa) Chuyển vị (mm)
35000 117,179 0,041
40000 126,994 0,047
45000 136,709 0,053
50000 146,474 0,059
55000 156,239 0,065
Hình 9. Biểu đồ thể hiện sự biến đổi của momen
Hình 10. Biểu đồ thể hiện sự chuyển vị
3.3. Mô phỏng chuyển vị tay gầu
*Trường hợp lực tác dụng theo phương Ox làm chuyển
vị lớn nhất
- Điểm đặt lực tại vị trí góc phía trên tay gầu.
- Lực tính toán tác dụng lớn nhất khi tay gầu làm việc
[3]: 15000N
- tay gầu hiện tượng bị bẻ cong, thanh dẫn hướng
chịu momen uốn lớn nhất là 414,565 (MPa).
Momen uốn với lực tác dụng
lớn nhất
Chuyển vị với lực tác dụng lớn
nhất
Hình 11. Momen uốn và chuyển vị của điểm A theo hướng OX
Bảng 6. Tổng hợp kết quả các thông số tại tay gầu theo hướng
OxA(OX)
F(N) Momen uốn (MPa) Chuyển vị (mm)
5000 27,72 0,043
7500 55,44 0,087
10000 83,14 0,13
12500 110,83 0,173
15000 138,5 0,21
Hình 12. Biểu đồ thể hiện sự biến đổi của momen
Hình 13. Biểu đồ thể hiện sự chuyển vị
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 2024 2363.4. Mô phỏng chuyển vị cần
- Điểm đặt lực tại vị trí bề mặt trên của cần.
- Lực tính toán tác dụng lớn nhất khi cần làm việc [3]:
35000N
- Tay cần hiện tượng bị bẻ cong, thanh dẫn hướng
chịu momen uốn lớn nhất là 42,44 (MPa).
Momen uốn với lực
tác dụng lớn nhất
Chuyển vị với lực tác
dụng lớn nhất
Hình 14. Momen uốn và chuyển vị của điểm A theo hướng OX
Bảng 7. Tổng hợp kết quả các thông số tại tay cần theo hướng Ox
A(OX)
F(N) Momen uốn (MPa) Chuyển vị(mm)
15000 14,15 0,129
20000 21,22 0,15
25000 28,3 0,172
30000 35,37 0,193
35000 42,44 0,214
Hình 15. Biểu đồ thể hiện sự biến đổi của momen
Hình 16. Biểu đồ thể hiện sự chuyển vị
4. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Sau khi tính toán phỏng bền bằng phần mềm
Solidworks ta thấy khi cho lực tăng dần thì biến dạng của
gầu, răng gầu, cần, tay gầu tăng dần.
- Momen uốn lớn nhất của gầu khi cho lực tác dụng theo
phương Ox là: 61,733MPa chuyển vị lớn nhất
0,244mm.
- Momen uốn lớn nhất của răng gầu khi cho lực tác dụng
theo phương Oy là: 156,239MPa chuyển vị lớn nhất
0,065mm.
- Momen uốn lớn nhất của tay gầu khi cho lực tác dụng
theo phương Ox là: 138,5MPa chuyển vị lớn nhất
0,21mm.
- Momen uốn lớn nhất của cần khi cho lực tác dụng theo
phương Ox là: 42,44MPa chuyển vị lớn nhất
0,214mm.
Từ các kết quả phỏng bền trên, ta thể nhận biết
được các vị trí chịu lực lớn nhất của bộ công tác khi máy
xúc làm việc trong các trường hợp làm việc khác nhau. Kết
quả phỏng bền gần như tương đương với kết quả tính
toán. Từ đó cho thấy việc tính toán thiết kế bộ công tác mới
đã đảm bảo an toàn tính ổn định cho việc thay thế bộ
công tác mới KOMATSU PC200.
5. KẾT LUẬN
Nghiên cứu đã thành công trong việc tính toán kích
thước, tính bền và mô phỏng bền cho bộ công tác máy đào
gầu nghịch Komatsu PC200 bằng phần mềm Solidworks.
Khi cho lực tác dụng tăng dần thì biến dạng của gầu, răng
gầu, tay gầu và cần tăng dần. Tính toán và mô phỏng ra kết
quả gần như tương đương, đã đủ đảm bảo độ bền tính ổn
định cho việc thay thế bộ công tác mới vào máy.
Qua đây kết luận thể áp dụng bộ công tác đã tính toán
để ng dụng gia công chế tạo… thay thế vào máy
KOMATSU PC200 khi xảy ra hỏng hóc.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 2024 237TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Lưu Bá Thuận, 2005. Tính toán máy thi công đất, NXB Xây dựng.
[2]. Trần Xuân Hiển, 2008. Máy xúc thủy lực, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[3]. Đỗ Quốc Kiên, Nguyễn Thị Hiền Lương, Bùi Công Thành, Hoàng Tuấn, Trần Tấn Quốc, 2006. Sức bền vật
liệu, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh.
[4]. Zhengxing Dong, Feng Jiang, Yuanqiang Tan, Fuzeng Wang, Rong Ma, and Jiawen Liu, 2023. Review of the
Modeling Methods of Bucket Tooth Wear for Construction Machinery. In Proceedings of the Regional Workshop on Area-
Wide Integration of Crop-Livestock Activities, 47-53.
[5]. Stentz, A., Bares, J., Singh, S. and Rowe, P.,1998. In Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on
Intelligent Robotic Systems. 12/06/2024, https://citeseerx.ist.psu.edu
[6]. Dae-Ji Kim, Ki-Beom Kwon, Sang-Suk Kwon, Chang-Heon Song, Joo-Young OhJung-Woo Cho, Myung-Sung
Kim, Hyuck-Jae Kang, 2022. Durability Testing and Simulation Analysis of the Tension Spring Assembly of a 20-ton
Excavator, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 155-167.