TÍNH TOÁN BỘ PHẬN CÔNG TÁC 3.1 CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN MÁY ỦI Sơ đồ lực tác dụng lên máy ủi vạn năng được thể hiện ở hình vẽ:
Hình 3.1 Lực tác dụng lên máy ủi Lực tác dụng lên máy ủi gồm có: TB
-Trọng lượng thiết bị ủi : G =23,4 kN -Lực nâng thiết bị ủi S. Lực này được lấy giá trị lớn nhất trong các trường hợp đã tính ở trên max
S =181 kN -Trọng lượng của máy cơ sở. -Lực kéo tiếp tuyến của máy kéo T -Phản lực tác dụng lên dao cắt: 1
2
3
Phản lực này với máy ủi vạn năng gồm có 3 thành phần; P ,P và P . Tính cho trường hợp dao cắt đang cắt đất và gặp vật cản thì các lực này có giá trị lớn:
P
1 max
2
=393 kN
P =29,7 kN
3
P =14,63 kN -Phản lực tại khớp C c
Phản lực này có hai thành phần: X và Z
c
3.2 TÍNH BỀN CHO BÀN ỦI Bộ phận công tác bao gồm : khung ủi, bàn ủi, thanh chống xiên, các cặp xylanh. Đây chính là bộ phận chính của máy, nó tham gia trực tiếp vào quá trình làm việc của máy. Bàn ủi là thiết bị tiếp xúc trực tiếp với đất, trên bàn ủi có gắn lưỡi cắt, bộ phận này làm nhiệm vụ cắt đất. Bàn ủi được liên kết trực tiếp với khung ủi nhờ một khớp cầu và thanh chống xiên. Điều khiển góc quay của lưỡi ủi sẽ nhờ cặp xylanh nối từ khung ủi tới bàn ủi. Lưỡi ủi vạn năng này cũng có thể điều chỉnh được góc nghiêng của nó so với mặt phẳng ngang nhờ một xylanh nằm ngang.
3.2.1 Chọn vị trí tính toán Sau khi tính được các lực tác dụng lên bàn ủi, ta chọn được các vị trí mà tại đó các lực tác dụng lên bàn ủi có giá trị lớn nhất để tính toán sức bền cho bàn ủi. Các ngoại lực tác dụng lên bàn ủi gồm có: 1
Phản lực của đất tác dụng lên bàn ủi theo phương ngang P , phản lực này đạt giá trị lớn nhất khi dao cắt gặp chướng ngại vật trong quá trình cắt. Máy ủi phải sử dụng lực kéo lớn nhất của máy kéo theo lực bám để khắc phục lực cản P P
1 max
1
=393 kN
2
Các lực P và S đạt giá trị lớn nhất trong trường hợp máy ủi ở cuối giai đoạn đào và bắt đầu nâng bàn ủi đầy đất lên phía trước, máy ủi dùng toàn bộ công suất của động cơ để dẫn động cho cơ cấu nâng thiết bị ủi. 2
Trong trường hợp này ta có giá trị của các lực P và S như sau: 2
P =29,7 kN và S= 181 kN Theo phân tích trên có thể chọn các vị trí tính toán lưỡi ủi như sau:
1. Vị trí I Dao cắt gặp chướng ngại vật ở giữa dao cắt trong quá trình cắt đất. Điều kiện tính toán là: + Máy ủi di chuyển với vận tốc số I trên mặt phẳng ngang. + Khi bàn ủi gặp chướng ngại vật, máy ủi sử dụng lực kéo lớn nhất tính theo đ
÷
điều kiện bám, có kể đến hệ số tải trọng động k =1,5 2,5 + Bàn ủi được đặt vuông góc với trục dọc của máy 2. Vị trí II Dao cắt gặp chướng ngại vật tại mép dao cắt trong quá trình ấn sâu bàn ủi xuống đất. Điều kiện tính toán: + Máy ủi di chuyển trên mặt phẳng ngang về phía trước 0
+ Góc quay của bàn ủi (ϕ= 90 ) + Phản lực theo phương ngang tác dụng lên máy ủi là lớn nhất (sử dụng lực đ
÷
kéo lớn nhất tính theo điều kiện bám), hệ số tải trọng động k =1,5 2,5 3. Vị trí III Dao cắt gặp chướng ngại vật trong quá trình quay bàn ủi. Điều kiện tính toán: + Máy ủi di chuyển dọc theo trục dọc máy đ
+ Hệ số tải trọng động k =1,5 0
+ Góc quay của bàn ủi (ϕ= 60 ) Trong các vị trí này thì vị trí I và II là hay xảy ra nhất.
3.2.2 Sơ đồ tính lưỡi ủi
Hình 3.2 Sơ đồ lưỡi ủi gặp vật cản ở cạnh dao cắt 1
Khi máy ủi gặp vật cản thì thành phần lực P có ảnh hưởng nhiều nhất vì 1 max
giá trị này lớn P =393 kN. Khi xét theo phương ngang thì có thể coi lưỡi ủi là một dầm có thể quay quanh khớp cầu A.(Khớp cầu A liên kết lưỡi ủi với khung ủi) Lưỡi ủi còn liên kết với khung ủi qua hai xylanh thủy lực, khi máy ủi gặp vật cản thì hai xylanh này cũng chịu lực. Để dễ tính toán ta có thể coi lưỡi ủi như một dầm siêu tĩnh có một gối cố định ở vị trí khớp cầu A, hai gối di động ở hai vị trí xylanh quay lưỡi ủi Với dầm siêu tĩnh này khi tính toán ta sử dụng phần mềm SAP để tính Sơ đồ tính lưỡi ủi như sau:
Hình 3.3 Sơ đồ tính lưỡi ủi Sau khi đã vẽ được sơ đồ tính và nhập các giá trị trong SAP ta có các biểu đồ sau:
Hình 3.4 Biểu đồ mômen
Hình 3.5 Giá trị phản lực tại các gối Dựa vào hai biểu đồ trên ta thấy mômen ở điểm 4(B) rất lớn và giá trị phản lực ở các gối di động (vị trí các xylanh) khác nhau nhiều.
1, 1’: Xylanh quay lưỡi ủi 2 : Van phân phối S1, S2 : Lực kéo vào và đẩy ra của cặp xylanh quay lưỡi ủi
Hình 3.6 Sơ đồ cặp xylanh quay lưỡi ủi
Do lưỡi ủi cũng liên kết với khung ủi qua hai xylanh thủy lực (1) và(1’). Đặc điểm của cặp xylanh này là chúng hoạt động đồng thời với nhau và
ngược nhau nên lực trên hai xylanh này xấp xỉ bằng nhau( do có sự ảnh ϕ
ϕ
hưởng của đường kính cán pittông d nên có hệ số , thường =1,25) Do đó ta không sử dụng trường hợp này để tính toán. Lực tác dụng lên hai xl này là S1 và S2 và S1 = 1,25.S2 Hai lực này được đặt tại hai điển B và D. Trường hợp nguy hiểm khi ta đặt lực S1 tại B và S2 tại D Khi đó viết phương trình mômen quay quanh điểm A (hình 3.7) ta tính được giá trị của lực trong cặp xylanh này:
∑M
A
1
=(S1 + S2).a - P .l = 0 1
1,8.S1.a = P .l S1 =
P1 .l 1,8.a
Trong đó: a: khoảng cách từ lực S tới tâm A 1
a=0,55 mm;
l: khoảng cách từ lực P tới tâm A. Do máy ủi có thể gặp vật cản tại bất cứ điểm nào trên máy ủi nên sét trường hợp tổng quát ta cho giá trị l thay đổi và tìm ra vị trí nào có nội lực lớn nhất để tính. Vậy có thể sơ đồ hóa lưỡi ủi (theo phương vuông góc với lưỡi) như sau:
Hình 3.7 Sơ đồ tính lưỡi ủi
Thay vị trí mép lưỡi ủi( khi gặp vật cản) bằng một gối di động phản lực tại 1
gối lúc này chính bằng P là lực mà vật cản tác dụng lên lưỡi ủi (cùng phương, chiều và độ lớn). Từ sơ đồ tính này ta có thể vẽ được biểu đồ nội lực(biểu đồ mômen, lực cắt,…) của lưỡi ủi trong trường hợp này.
3.2.3 Vẽ biểu đồ nội lực
Hình 3.8 Biểu đồ nội lực theo phương ngang của lưỡi ủi Từ biểu đồ nội lực này ta có thể biết được vị trí lưỡi ủi gặp vật cản sẽ nguy hiểm nhất. Trong biểu đồ mômen: mômen ở điểm A là 0,55.S2, điểm B là 1,485S1-0,55 P Mômen này lớn nhất khi giá trị của S1 là lớn nhất. P1 .l 1,8.a
P1 .l 1,8.0,55
1
Do S1 = = Nên nếu S lớn nhất thì l sẽ lớn nhất, khi đó lưỡi ủi gặp vật cản ở cạnh lưỡi cắt.
393.1,65 0,99
Vậy S1 = = 655 kN XA = P1 - S1+ S2 = P1- 0,2 S1 = 262 kN Thay vào ta có giá trị nội lực tại các điểm sau: D
( l=1.65 m)
D
Q = 524 kN
M =0 kNm
A
A
Q = 262 kN
M =288 kNm
B
B
Q = 262 kN
M =756,5 kNm
C
C
Q = 262 kN
M =0 kNm 2
Khi xét thêm cả thành phần lực P =29,7 kN trong quá trình ấn lưỡi ủi xuống đất để cắt đất thì ta có thêm một biểu đồ mômen nữa: Có thể sơ đồ hóa và vẽ biểu đồ mômen theo hình 3.9 dưới đây.
Hình 3.9 Biểu đồ nội lực của lưỡi ủi
∑M
A
=ZE.h – P2.l = 0 ZE=
P2 .l h
Trong đó : h: khoảng cách từ lực ZE tới tâm A
h=0,65 m
29,7.1,65 0,65
Vậy ZE= =75,5 kN Do lực ZE đặt lệch một đoan h nên gây ra mômen là ME 2
ME = ZE . h=1,65. P = 49 kNm Theo biểu đồ thì tại điểm E có các giá trị nội lực NZ=75,5 kN
Qx=29,7 kN Mmax=34,2 kNm Trên phương đứng còn có trọng lượng bản thân của lưỡi ủi tuy nhiên lực này bé và khi ủi đất lưỡi ủi tiếp xúc với đất nên ta không xét tới thành phần này. 1
2
Sau khi vẽ được biểu đồ nội lực do hai thành phần lực P ,P gây ra theo hai phương đứng và ngang ta thấy được vị trí điểm nguy hiểm có giá trị nội lực lớn đó là điểm B. Điểm B có các giá trị nội lực sau: 1
Do P gây ra có: B
B
Q = 262 kN
M =756,5 kNm
2
Do P gây ra có: NZ=75,5 kN Qx=29,7 kN
My=16,3 kNm
Sau khi đã tính được giá trị nội lực lớn nhất tại một mặt cắt của máy ủi (mặt cắt B) ta phải xác định tiết diện hợp lý của lưỡi ủi để cho nó đảm bảo điều kiện bền. Bàn ủi là một chi tiết quan trọng của máy ủi, nó tiếp xúc trực tiếp với đất, các ngoại lực tác dụng lên máy ủi đều truyền qua bàn ủi. Chính vì vậy vật liệu được dùng để chế tạo lưỡi ủi phải là vật liệu tốt, có giới hạn bền, giới hạn chảy cao. Chọn vật liệu chế tạo lưỡi ủi là thép CT5. Đây là thép có giới hạn bền cao b
σ =510−640 ΜPa Chọn hệ số an toàn là n=1,2 Vậy
td
[σ ]=
σ ch n
ch
σ =260−290 ΜPa
=240 ΜPa
Kết cấu của lưỡi ủi rất phức tạp, nó bao gồm rất nhiều tấm thép cong và thẳng được hàn với nhau, (tiết diện của nó được thể hiện trong hình 3.10). Việc xác định các giá trị đặc trưng hình học của nó như: tọa độ trọng tâm, mômen quán tính trục, mômen chống uốn, trục quán tính chính trung tâm,…của mặt cắt là rất phức tạp. Để đơn giản trong tính toán ta chia mặt cắt lưỡi ủi ra thành nhiều phần ( 13 phần) và coi mỗi phần đó có tiết diện là hình chữ nhật có bề rộng là
δ
, ta phải tính
δ
toán để chọn ra được mặt cắt hợp lý nhất, tức là có nhỏ nhất để đảm bảo không tốn vật liệu đồng thời giảm nhẹ trọng lượng cho máy ủi. Tuy nhiên do kết cấu của lưỡi ủi rất phức tạp nên việc này rất khó. Tạm thời chọn cho lưỡi ủi.
δ
=10 mm để kiểm tra bền
Tiết diện của lưỡi ủi được thể hiện ở hình dưới đây với hệ trục tọa độ ban đầu XOY như hình vẽ:
Hình 3.9 Tiết diện lưỡi ủi Bảng 3.1 Tọa độ và kích thước của các đoạn chia. Đoạn 1 2
X 32.2 28.5
Y 56 99.5
Dài( cm) 88 8
Rộng (cm) 1 1
F(cm2) 88 8
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
25.6 29.5 27.4 24.5 17.6 6.4 8.8 16.7 18.8 27 29.4
89.6 79.3 64.9 39.3 22.7 8.2 10 6.7 13.6 26.3 47.1
20 4.6 25 21 15 17.5 19 30 12 11 5
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
20 4.6 25 21 15 17.5 19 30 12 11 5
Sau khi lập được bảng ta xác định được tọa độ trọng tâm của tiết diện lưỡi ủi là 13
∑x
c1
Fi
1
Xc=
F
∑y
ci
=23,9 cm
(5.5, [4])
.Fi
F
Yc= =43 cm (5.5, [4]) Sau khi xác định được tọa độ trọng tâm của lưỡi ủi ta chuyển mômen quán tính trục, mômen quán tính ly tâm của các đoạn về trục trung tâm sau đó xác định được trục quán tính chính trung tâm. Bảng 3.2 Xác định mômen quán tính của lưỡi ủi Đoạn Jxi (cm4) 1 62706.45 2 620.67 3 717.87 4 5 6 7 8 9
Jyi (cm4) Jxy(cm4) Jxc(cm4) Jyc(cm4) Jxyc(cm4) 14879.33 9380.8 62706.5 14879 9380.8 25268.19 3821.6 25262.1 614.6 -2306.7 43432.87 1491.2 1137.5 42189 -7330.3 6061.75 173.71 4 1001.88 6223.7 562.4 1152.2 12102.0 1591.08 8 1870 11954.9 1470.8 1489.4 777 289.24 -38.85 336.2 766.6 100.7 6523.65 541.25 1836 641.9 3066 3872.1 22006.79 5671.46 11056.5 663.2 6221.6 -3365.4 4961.34 20692.5 9530.4 6541.7 1188.8 -16917
10
3848.7
11 12 13
468.48 203.43 156.22
Jxyc
8 39970 10586.0 8 2995.67 84.47
7993.5
2935.2
30609
-16939
1853.28 -526.35 110.7
5557.2 300.8 156.2
8984.8 2090.2 84.5
5802 1348.3 110.7
Theo bảng trên ta có : Jxc=124417 cm4 Jyc=112727 cm4 Jxyc=-23602 cm4 Khi đã xác định được mômen quán tính trục J xc, Jyc và mômen quán tính ly tâm của mặt cắt ta có thể xác định được trục chính trung tâm của mặt cắt với góc
nghiêng
α
: 2 J xy
α
tg(2 )=
Jx − Jy
α
tg(2 )= Vậy
α
− 23602.2 124417 − 112727
(5.12, [4]) = -0,199
0
=5,63
3.2.4 Kiểm tra bền cho bàn ủi Tại tiết diện B-B có mômen uốn lớn nhất nên ta kiểm tra tại tiết diện này:
B
σ =
Nz F
+
Mx Jx
.y +
My Jy
.x
(9.16, [4])
Tại điểm xa nhất trên tiết diện lưỡi ủi là vị trí lưỡi cắt sẽ cho ứng suất pháp lớn nhất, tại vị trí này thì: F=276 cm2 x= -24 cm y= -43 cm Nz=75,5 kN Mx= -16,3 kNm = -1630 kNcm ( ấn lưỡi ủi phía đối diện) My= -756,5 kNm = -75650 kNcm Jx=124417 cm4 Jy =112727 cm4 Thay số vào ta có:
B
Nz F
B
75,5 276
σ = σ =
+ +
Mx Jx
.y +
1630 124417
My Jy
.x
.43 +
(9.16, [4])
75650 112727
.24
B
σ =16,9 kN/cm2 B
Vậy ứng suất pháp tại tiết diện B-B là σ =16,9 kN/cm2 Ngoài ra do quá trình lập sơ đồ tính chưa thật chính xác nên ứng suất tổng trên tiết diện này lớn hơn. Để đưa thêm yếu tố này vào trong quá trình tính toán ta đưa thêm hệ số an toàn k=1,2 Vậy ứng suất tại tiết diện B-B là: td
σ =20,28 kN/cm2 Kiểm tra điều kiện bền ta có: Với vật liệu làm lưỡi ủi là thép CT5 có td
[σ ] =
σ ch n
=240 ΜPa= 24 kN/cm2
td
td
Do đó σ =20,28 kN/cm2 < 24 kN/cm2=[σ ] Vậy lưỡi ủi đảm bảo điều kiện bền.
3.3 TÍNH TOÁN KHUNG ỦI 3.3.1 Kết cấu của khung ủi Khung ủi cũng là một bộ phận quan trọng của máy ủi, nhiệm vụ của nó là liên kết với bàn ủi, giữ cho bàn ủi cố định nhờ khớp cầu liên kết giữa bàn ủi và khung ủi. Khung ủi nhận lực từ bàn ủi khi ủi đất và truyền lên máy cơ sở.
Trên khung ủi cũng lắp các cặp xylanh có nhiệm vụ nâng hạ bộ công tác, quay lưỡi ủi hoặc nghiêng lưỡi ủi. Kết cấu của khung ủi vạn năng có dạng hình chữ U được mô tả ở hình vẽ dưới đây:
Hình 3.10 Kết cấu của bộ công tác Ở kết cấu trên: Vị trí điểm A: liên kết của khung ủi với lưỡi ủi bằng khớp cầu. Vị trí điểm C: liên kết của khung ủi với máy qua hai khớp bản lề C1 và C2 Hai khớp bản lề này cho phép khung ủi có thể quay trong mặt phẳng thẳng đứng, lúc đó khung ủi đang làm nhiệm vụ nâng hạ bàn ủi. Trên khung ủi cũng có thêm một kết cấu kiểu công son có gắn với xylanh nghiêng lưỡi ủi, trong trường hợp cần nghiêng lưỡi ủi đi để san đất tạo độ chênh cao thì người ta sử dụng xylanh này. Lúc đó lực tác dụng sẽ truyền từ xylanh này xuống khung ủi. Với kết cấu của lưỡi ủi như trên và dựa vào chế độ làm việc của máy ta có thể chọn trường hợp nguy hiểm để tính bền cho khung ủi.
3.3.2 Lựa chọn trường hợp tính toán Theo tính toán bàn ủi ở trên thì toàn bộ lực tác dụng lên bàn ủi sẽ truyền lên khung ủi qua khớp cầu A. Như vậy khi lựa chon trường hợp tải trọng tính toán cho khung ủi ta dựa vào trường hợp tải trọng tính toán cho lưỡi ủi ở vị trí nguy hiểm và lấy phản lực ở khớp cầu A để tính bền cho khung ủi. Khi tính bền bàn ủi ta đã chọn vị trí I: là vị trí nguy hiểm ( khi lưỡi ủi gặp chướng ngại vật ở vị trí mép lưỡi cắt ) để tính toán. Vậy ta cũng chọn vị trí này để tính cho khung ủi. Tuy nhiên trong quá trình quay lưỡi ủi còn xuất hiên thêm thành phần lực P 3 có tác dụng đẩy ngang máy ủi ( Phương của nó tác dụng vuông góc với phương di chuyển của máy) Vậy ta lựa chon trường hợp lưỡi ủi gặp vật cản ở cạnh dao cắt trong quá trình 0
quay bàn ủi với góc quay nhỏ nhất ((ϕ= 60 ) để tính. Điều kiện tính toán: + Máy ủi di chuyển theo phương trục của máy đ
+ Hệ số tải trọng động k =1,5 0
+ Góc quay của bàn ủi (ϕ= 60 ) 3.3.3 Lựa chọn sơ đồ tính toán cho khung ủi Với kết cấu của khung ủi đã được trình bày ở trên thì khung ủi có hình dạng chữ U. Khung liên kết với lưỡi ủi nhờ một khớp cầu và thanh chống xiên, khung liên kết với máy nhờ khớp bản lề C và cặp xylanh nâng hạ bàn ủi. Khi máy di chuyển thẳng và va vấp với chướng ngại vật ở mép lưỡi ủi thì ta có thể tạm thời không xét đến phương thẳng đứng mà chỉ xét tới mặt phẳng nằm ngang. Tại mặt phẳng nằm ngang này các lực tác dụng lên khung ủi gồm: - Phản lực ở khớp cầu A: Theo phương ngang thì phản lực ở khớp cầu A gồm có 2 thành phần:X A và YA . α
Do góc nhỏ nên ta có thể lấy: XA= P1 - S1+ S2 = P1- 0,2 S1 3
YA= P =14,63 kN - Phản lực của 2 xylanh quay lưỡi ủi.
Khi quay lưỡi ủi có lực tác dụng của 2 xylanh quay, nó gây ra lực nén hoặc kéo S tùy vào từng xylanh cho khung ủi, 2 lực này có giá trị là S1 và S2 được đặt như hình 3.12 S1=1,25.S2 Giá trị của S được tính dựa vào phương trình cân bằng mômen quanh khớp cầu (điểm A ).
∑M
A
=(S1+S2).h – P1.0,5l.sin
S1 = Trong đó:
ϕ
P1 .0,5l sin ϕ + P3 .0,5l. cos ϕ 1,8h
ϕ
3
- P . 0,5l. cos
ϕ
: góc quay lưỡi ủi ( =600) h : khoảng cách từ lực S tới tâm A ϕ
h=0,55. cos =0,48 m Thay số vào ta được S1=342 kN S2=273 kN Vậy XA= P1- 0,2 S1 = 324,6 kN Sơ đồ lực tác dụng như sau:
ϕ
Hình 3.11 Sơ đồ lực tác dụng lên bàn ủi khi quay lưỡi ủi Sau khi lựa chọn trường hợp tính toán khung ủi, tính toán hết các ngoại lực đặt vào khung ủi, ta có thể chọn sơ đồ tính cho khung ủi. Nếu chỉ xét trong mặt phẳng nằm ngang, khi đó ta chỉ xét tới trường hợp máy ủi gặp va vấp khi đang ủi không xét đến ảnh hưởng của cặp xylanh nâng bộ công tác thì sơ đồ tính toán khung ủi như một khung chữ U có hai đầu liên kết ngàm( vì khi đó hai khớp bản lề C1 và C2 trở thành cứng). Phản lực từ lưỡi ủi được đặt vào điểm A ở giữa khung. Khung ủi có hình dạng cong đều ở hai mép, tuy nhiên để dễ tính toán ta cho vị trí này vuông góc, lúc đó ứng suất ở đây sẽ lớn hơn thực tế. Do phản lực từ xylanh quay lưỡi ủi tác dụng lên khung ủi có phương lệch so với α
α ≈
phương của khung một góc , tuy nhiên góc này nhỏ ( 30) nên có thể bỏ qua được và coi nó tác dụng theo phương trục của khung ủi. Sơ đồ tính khung ủi như sau: Chọn lại hệ trục tọa độ OXYZ như hình vẽ Trục Z có phương vuông góc với mặt phẳng đang xét (phương đứng)
Hình 3.12 Sơ đồ tính khung ủi 3.3.4 Tính toán nội lực trong khung và vẽ biểu đồ nội lực Nhập các giá trị vào phần mềm SAP ta có các giá trị nội lực. Thứ tự làm như sau : Bảng 3.3 Lực tác dụng lên giữa khung ủi ( thanh 3 trong sơ đồ) FRAM E
SPAN
FRAM E
TYPE
POINT
LOADS
DIRECTION DISTANCE
LoadCase LOAD1 VALUE
3
FORCE GLOBAL-Y
0.5000
-324.6000
3
FORCE GLOBAL-X
0.5000
14.6300
Với các lực: XA= 324,6 kN 3
YA= P =14,63 kN Lực tác dụng của xylanh nén khung ủi (S) Bảng 3.4 Lực tại các điểm 2 và 5 trên sơ đồ (S1 và S2) JOINT JOINT
Hình 3.13Biểu đồ lực cắt
FORCES LoadCase LOAD1 GLOBAL-X GLOBAL-Y GLOBAL-Z 2 0.000 273.000 0.000 — 5 0.000 0.000 342.000
đồ
Sau khi nhập các giá mômen, lực cắt, lực - Tại điểm A có - Tại hai góc vuông - Tại hai ngàm
Tương tự ta có
mômen uốn trục Z
Hình 3.14 Biểu
trị vào ta có được các giá trị nội lực: dọc trục,… Từ biểu đồ mômen ta thấy: mômen là MZA= -66,5 kNm M3= 17,26 kNm M4= 28,28 kNm M1= 1,62 kNm M6= -19,87 kNm
các biểu đồ sau
Hình 3.15 Biểu đồ các lực dọc trục Trên đây là các biểu đồ nội lực của khung ủi. Để biết được giá trị nội lực của các điểm ta có bảng sau: Bảng 3.5 Bảng các giá trị nội lực FRAM E 1
2
LOAD LOC P ( kN) LOAD1 0.00 1.3E—01 2.5E—01 3.BE—01 5.0E—01 LOAD1 0.00 3.8E—01 7.5E—01 1.13 1.50
V2
V3 (kN) T
M2 (kNm)
M3
120.71 120.71 120.71 120.71 120.71
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
—9.44 —9.44 —9.44 —9.44 —9.44
0.00 —1.62 0.00 0.00 —4.425E—01 0.00 0.00 7.378E—01 0.00 0.00 1.92 0.00 0.00 3.10 0.00
—152.29 —152.29 —152.29 —152.29 —152.29
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
—9.44 —9.44 —9.44 —9.44 —9.44
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
3.10 6.64 10.18 13.72 17.26
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
3
4
5
LOAD1 0.00 2.BE—01 5.5E—01 8.3E—01 1.10 LOAD1 0.00 3.BE—01 7.5E—01 1.13 1.50 LOAD1 0.00 1.3E—01 2.5E—01 3.8E—01 5.OE—01
—9.44 —9.44 —9.44 —24.07 —24.07
0.00 152.29 0.00 0.00 152.29 0.00 0.00 152.29 0.00 0.00 —172.31 0.00 0.00 —172.31 0.00
17.26 —24.62 —66.50 —19.11 28.28
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
—172.31 —172.31 —172.31 —172.31 —172.31
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
24.07 24.07 24.07 24.07 24.07
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
28.28 19.25 10.22 1.20 —7.83
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
—51431 —514.31 —514.31 —514.31 —514.31
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
24J7 24.07 24.07 24.07 24.07
(L00 0.00 0.00 0.00 0.00
—7R3 —10.84 —13.85 —16.86 —19.87
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
3.3.5 Tính chọn mặt cắt khung ủi Từ các giá trị ở trên đây ta xác định được vị trí trên khung ủi cho ứng suất lớn nhất. Tại điểm giữa của khung ủi (điểm A) có giá trị nội lực lớn nhất. Kiểm tra tại tiết diện này ta có Mặt cắt của nó có dạng (hình 3.16) : sử dụng hai thép chữ C hàn lại với nhau
Hình 3.16 Mặt cắt khung ủi
Với thép làm khung ủi là thép CT3 có ứng suất cho phép là σ ch n
td
2500 1,2 ≈
[σ ]= = 2100 daN/cm2 =210 MPa =210000 kN/m2 Tính chọn mặt cắt, để đơn giản ta chỉ xét tới mômen σ=
Ta có
Mu Wu
td
< [σ ]
Mu [σ td ]
66,5 210000
Vậy Wu > = = 3,17 . 10-4 m3 = 317 cm3 Chọn thép C27 có các thông số: F=35,2 cm2 Jx = 4160 cm4 JZ= 262 cm4 z0= 2,47 cm Vậy mặt cắt dầm ghép trên có các thông số sau: F = 70,4 cm2 Jz = (262 + (9,5 – 2,47)2. 35,2) . 2 = 4003,23 cm4 Jz 9,5
Wz = = 421,4 cm3 Jy = 8320 cm4 Kiểm tra: Ứng suất pháp( nén) σn = σn = Ứng suất tiếp
N F
+
Mz Wz
24,07 70,4.10 − 4
(9.16, [4]) +
66,5 421,4.10 −6
= 16,04.104 kN/m2
Q y .S Fcat τ
=
J z .b
(7.11, [4]) −4
τ
=
151,29.2,1.10 4003,23.10 −6.0,19
= 0,42.102 kN/m2
Vậy ứng suất tổng là σtd =
σ 2 + 4τ 2
(16,04.10 )
4 2
σtd =
(
+ 4. 0,42.10 2
)
2
td
σtd = 16,05 . 104 kN/m2 < [σ ] =21 . 104 kN/m2 Vậy khung ủi thỏa mãn điều kiện bền. 3.3.6 Tính chọn mặt cắt càng của khung ủi 1. Vị trí và lực tác dụng
Càng của khung ủi được đặt gữa đầu máy và bộ di chuyển xích, do đó yêu cầu nó phải nhỏ gọn, đủ bền. Trong trương hợp máy ủi va vấp vật cản thì nội lực tại vị trí này(điểm D) nhỏ, để tính chọn mặt cắt của nó ta tính tại vị trí nguy hiểm nhất là khi nâng khung ủi lên, lúc này lực nâng của xylanh lớn nhất sẽ tạo ra mômen tại đây lớn nhất. Mômen tại điểm D là do lực đẩy của hai xylanh gây ra, tính tại điểm D 1 khi đó hai lực này cùng chiều sẽ cho mômen lớn nhất MD1= S2.(l1+ l2).sin
α
β
+ S1.l2.sin = 181.0,75.sin650 + 342.0,15.sin500 MD1= 158,37 kN.m Coi mômen này tác dụng lên Hình 3.17 Lực tác dụng lên khung ủi
điểm D1
2. Sơ đồ tính
Lúc này có thể coi khung ủi là dầm có khớp liên kết với máy là gối cố định và coi khớp cầu liên kết với lưỡi ủi là gối di động
Hình 3.18 Sơ đồ tính khung ủi 3. Biểu đồ nội lực
Hình 3.19 Biểu đồ mômen
Hình 3.20 Biểu đồ lực cắt
4. Tính chọn mặt cắt
Tính chọn mặt cắt, để đơn giản ta chỉ xét tới mômen σ=
Ta có
Mu Wu
Vậy Wu >
td
< [σ ]
Mu [σ td ]
=
118,78 210000
= 5,65 . 10-4 m3 = 565 cm3
Với mặt cắt như hình dưới đây: Thép C27 có các thông số: F=35,2 cm2 Jx = 4160 cm4 JZ= 262 cm4 z0= 2,47 cm δ
Thép tấm có bề dày =1 cm Có Jx = 1640 cm4 Vậy mặt cắt tổ hợp trên có các thông số sau: F = 62,2 cm2 Jx = 1640+4160 = 5800 cm4 Wx =
Jx 9,5
= 610,5 cm3 Hình 3.21 Mặt cắt càng khung ủi
Kiểm tra: Ứng suất pháp( nén) σn = σn =
Mx Wx 118,78 610,5.10 −6
Ứng suất tiếp
(9.16, [4]) = 19,4.104 kN/m2
τ
=
Q z .S Fcat J x .b
(7.11, [4]) −4
τ
=
79,19.3,7.10 5800 .10 −6.0,105
= 0,48.102 kN/m2
Vậy ứng suất tổng là σtd =
σ 2 + 4τ 2
(19,4.10 )
4 2
σtd =
(
+ 4. 0,48.10 2
)
2
td
σtd = 19,4 . 104 kN/m2 < [σ ] =21 . 104 kN/m2 Vậy khung ủi đảm bảo điều kiện bền. 3.3.7 Tính công son nâng hạ bộ công tác 1. Kết cấu của công son và lực tác dụng lên nó Đây là một chi tiết có một đầu lắp với xylanh nâng hạ bộ công tác, một đầu hàn vào khung ủi. Trên công son còn lắp với xylanh nghiêng lưỡi ủi. Kết cấu chính của công son gồm hai thép tấm hàn vào khung ủi, tiết diện của nó thay đổi, ở vị trí ngàm có tiết diện lớn nhất.
Hình 3.22 Sơ đồ lực tác dụng lên công son 2. Sơ đồ tính công son Có thể coi công son là một ngàm có sơ đồ sau:
Hình 3.23 Sơ đồ tính công son Các ngoại lực: -
Lực đẩy của xylanh nghiêng lưỡi ủi S1 S1= 342 kN β
S1t = S1. cos = 342 . cos 500 S1t = 219,8 kN β
S1n = S1. sin = 342 . sin 500 S1n = 262 kN -
Lực đẩy của xylanh nâng hạ bộ công tác S2 S2= 181 kN α
S2t = S2. cos = 181 . cos 650 S2t = 76,5 kN β
S2n = S2. sin = 181 . sin 650 S2n = 164 kN - Chiều dài các đoạn l1 = 0,15 m l2 = 0,6 m Từ các ngoại lực tác dụng trên ta vẽ được biểu đồ nội lực trên công son và tính chọn mặt cắt.
3.Vẽ biểu đồ nội lực Nội lực trong công son gồm có : mômen uốn, lực dọc trục và lực cắt. Trên biểu đồ thì tại vị trí ngàm sẽ có các giá trị nội lực lớn nhất, ta sẽ đi tính chọn mặt cắt dựa vào vị trí này Biểu đồ của nó như sau:
Hình 3.24 Biểu đồ nội lực trên công son 4. Tính chọn mặt cắt Tại ngàm: MO= 162,3 kNm Nz = 296 kN
Qy= 426 kN
Vị trí này mặt cắt gồm có hai thanh thép tấm bề dày thanh là 0,8 m. Tính chọn theo mômen uốn :
δ
hàn lại, chiều dài mỗi
σ=
Ta có
Vậy Wu >
Mu [σ td ]
Mu Wu
td
< [σ ]
162,3 210000
= = 7,72 . 10-4 m3 = 772 cm3
Với tiết diện như trên thì Wu = 2.
Wu = 2. δ
δ .80 2 6
δ .80 2 6
<772 cm3
=0.35 cm
Chọn
δ
=1 cm δ .80 2 6
Wu = 2. = 2133,3 cm3 Hình 3.25 Mặt cắt công son tại ngàm Kiểm tra - Ứng suất pháp: σn =
N F
+
Mx Wx
296,3 160.10 − 4
σn = - Ứng suất tiếp:
(9.16, [4]) +
162,3 2133,3.10 −6
= 9,41.104 kN/m2
Q y .S Fcat τ
=
J z .b
(7.11, [4]) −4
τ
=
426.16.10 42666.10 −6.0,12
= 1,25.102 kN/m2
Vậy ứng suất tổng là σtd =
σ 2 + 4τ 2
(9,41.10 )
4 2
σtd =
(
+ 4. 1,25.10 2
)
2
td
σtd = 9,41 . 104 kN/m2 < [σ ] =21 . 104 kN/m2 Vậy công son thỏa mãn điều kiện bền. 3.3.8 Tính công son lắp xy lanh nghiêng lưỡi ủi 1. Kết cấu của công son và lực tác dụng lên nó Mặt cắt của công son thay đổi dần, trên nhỏ dưới lớn, bên dưới được hàn vào khung ủi, bên trên lắp với xylanh nghiêng lưỡi ủi Lực tác dụng lên nó chỉ có thành phần lực đẩy của xylanh tạo ra mômen uốn và mômen xoắn, tuy nhiên mômen xoắn rất nhỏ do lực đẩy của xylanh gần trục của mặt cắt. Do đó trong quá trình tính ta không xét tới thành phần này. 1. Sơ đồ tính Sơ đồ tính là một cột chịu uốn Lực đẩy S tính được S = 589,5 kN l = 0,55 m
Hình 3.26 Sơ đồ tính
2. Biểu đồ nội lực
Hình 3.27 Biểu đồ nội lực 3. Tính chọn mặt cắt Mặt cắt của công son có dạng thay đổi dần, nó được hàn từ nhiều tấm thép tấm lại, mỗi tấm có bề dày đây:
δ
, mặt cắt của nó được thể hiện ở hình vẽ dưới
Tương tự như phần tính các thông số hình học của lưỡi ủi Thông số hình học của mặt cắt như sau Jy =97415
δ
Wy = 2783,3
cm4 δ
cm3
Hình 3.28 Mặt cắt công son
δ
Tính chọn Tính chọn theo mômen uốn : σ=
Ta có
Vậy Wu >
Do đó
Mu Wu
td
< [σ ]
Mu [σ td ]
324,2 210000
= = 15,43 . 10-4 m3 = 1543 cm3
Wy = 2783,3 δ
δ
δ
cm3 = 1543 cm3
= 0,55 cm
Chọn = 1 cm Vậy Wy = 2783,3 cm3 Kiểm tra - Ứng suất pháp: My
σ=
Wy
(9.16, [4])
324,2 2783,3.10 −6
σ= - Ứng suất tiếp: τ
=
= 11,6.104 kN/m2
Q x .S Fcat J y .b
(7.11, [4]) −4
τ
=
589 ,5.8,4.10 97415.10 −6.0,17
= 0,31.102 kN/m2
Vậy ứng suất tổng là σtd =
σ 2 + 4τ 2
(11,6.10 )
4 2
σtd =
(
+ 4. 0,31.10 2
)
2
σtd = 11,6 kN Do trong quá trình sơ đồ tính không thật chính xác nên ta xét thêm hệ số an toàn k = 1,5 td
σ’td = k. σtd =1,5 . 11,6 . 104 =17,4 kN/m2 < [σ ]=21 . 104 kN/m2 Vậy công son thỏa mãn điều kiện bền
3.4 TÍNH TOÁN MỘT SỐ CHI TIẾT KHÁC 3.4.1 Tính chọn chốt liên kết khung ủi với xl nâng bộ công tác 1. Lực tác dụng lên chốt Lực tác dụng lên chốt chính là lực kéo lớn nhất của xylanh, ở phần trên ta tính được lực kéo lớn nhất trong trường hợp nâng bộ công tác lên khi lưỡi ủi đầy đất( ở cuối quá trình đào). Lực nâng S= S2 = 181 kN Lực S tác dụng lên chốt sẽ làm cho nó bị đứt hoặc bị dập, vậy ta tính chọn đường kính chốt theo hai điều kiện này. 2. Tính chọn đường kính chốt Vật liệu làm chốt là thép 45 có σb
[
σd
= 600 MPa ] = 150 MPa=15 kN/cm2
σ ch
[
τđ
= 340 MPa ÷
] = 60 90 MPa
Mặt cắt thể hiện liên kết chốt của khung ủi với xl nâng bộ công tác như sau:
Hình 3.29 Mặt cắt liên kết chốt giữa khung ủi với bộ công tác
Theo điều kiện cắt đứt chốt: τđ
Với
T=
S 2
τđ
=
T F
<[
τđ
]
([9])
= 90,5 kN
[ ]= 60 MPa= 6 kN/cm2 F: tiết diện của chốt T [τ đ ]
90,5 6
Vậy F> = Do có khoan lỗ dẫn mỡ bôi trơn nên πd 2 4
= 15,1 cm2
π .0 .8 2 4
F= >15,1 cm2 ( với đường kính lỗ mỡ bôi trơn là 0,8 cm2) Vậy d > 4,5 cm Theo điều kiện bền dập: σd
= Với S= 3 cm
T d .S
<[ T
[σ d ].S
σd
]
([9])
90,5 15.3
d> = = 2,1 cm Vậy để thỏa mãn hai điều kiện trên ta chọn đường kính chốt d=6 cm để có thể lắp vừa với xylanh. 3.4.2 Tính chọn chốt liên kết khung ủi máy 1. Lực tác dụng lên chốt Lực tác dụng lên chốt chủ yếu là lực dọc khung ủi N = 514,3 kN đã tính được ở phần trên( trong trường hợp lưỡi ủi va phải vật cản). Lực này cũng làm cho chốt bị dập hoặc đứt. Tính chọn đường kính chốt tương tự như trường hợp ở trên. 2. Tính chọn đường kính chốt Vật liệu làm chốt là thép 45. Do có chịu va đập nên chọn các ứng suất như sau:
σb
[
σd
σ ch
= 600 MPa ] = 110 MPa=11 kN/cm2
[
τđ
= 340 MPa ] = 60 MPa = 6 kN/cm2
Hình 3.30 Mặt cắt liên kết chốt giữa khung ủi với máy Theo điều kiện bền cắt ta có: τđ
Với
T=
=
N 2
τđ
T F
<[
τđ
]
([9])
= 257,1 kN
[ ]= 60 MPa= 6 kN/cm2 F: tiết diện của chốt Vậy
F> F=
Vậy
d > 7,4 cm
Theo điều kiện bền dập:
T [τ đ ]
πd 2 4
=
257,1 6
= 42,8 cm2
>42,8 cm2
σd
= Với S= 3 cm
T d .S
<[ T
[σ d ].S
σd
]
([9]) 257,1 11.3
d> = = 7,8 cm Vậy để thỏa mãn hai điều kiện trên ta chọn đường kính chốt d=8 cm.