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

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