ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

ĐOÀN VĂN ĐĂNG

PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU
NÂNG HẠ XE HOOK LIFT BẰNG MATLAB SIMULINK

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 8520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 2 năm 2023


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Hồng Đức Thông
Chữ ký:…………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Trần Hữu Nhân
Chữ ký:…………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Nguyễn Văn Trạng
Chữ ký:…………………………………………………………………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 11 tháng 02 năm 2023.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. - Chủ tịch: PGS.TS. Lê Đình Tuân
2. - Thư ký: TS. Trần Đăng Long

3. - Phản biện 1: TS. Trần Hữu Nhân
4. - Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Trạng
5. - Ủy viên: TS. Võ Tấn Châu
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ĐOÀN VĂN ĐĂNG
MSHV: 1970404
Ngày, tháng, năm sinh: 10/06/1997
Nơi sinh: T.T.Huế
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Mã số : 8520116
I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích động học và động lực học cơ cấu nâng hạ xe Hook Lift bằng
Matlab Simulink ‘Kinematics and dynamics analysis of Hook Lift truck lifting
mechanism using Matlab Simulink’
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Mơ hình hoá 3D cơ cấu hệ thống nâng hạ lực UNILIFT A18N trên xe chở rác thùng rời

trên nền xe cơ sở HINO FM8JN7A-Q.
- Xây dựng mơ hình động học cơ cấu nâng hạ của xe chở rác thùng rời bằng Matlab
Simscape Multibody.
- Kiểm chứng động học và động lực học cơ cấu mơ hình Simscape Multibody.
- Xây dựng hệ thống thuỷ lực bằng Matlab Simulink/Simscape Hydraulics kết hợp với mơ
hình động học Simscape Multibody.
- Mơ phỏng và phân tích đặc tính động học và động lực học cơ cấu của mơ hình đã xây
dựng từ đó đưa ra những nhận xét và rút ra kết luận về kết quả đã phân tích được.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2022
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/02/2023
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. HỒNG ĐỨC THÔNG

Tp. HCM, ngày 11 tháng 02 năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
(Họ tên và chữ ký)

ii


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, xin cảm ơn gia đình đã luôn đồng hành, ủng hộ việc học cao học và tạo điều
kiện tốt nhất trong suốt quá trình học tập.
Xin chân thành cảm ơn Thầy Hồng Đức Thông là cán bộ hướng dẫn chính đã ln giúp đỡ,
truyền đạt kiến thức, luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và nghiên
cứu đề tài.
Chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo bộ mơn Kỹ thuật Ơ tơ – Cơ khí động lực
tại trường đã tâm huyết tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian
học tập tại trường.
Xin cảm ơn các cô thầy, anh chị cán bộ hành chính Khoa Kỹ Thuật Giao Thơng đã ln
giúp đỡ tận tình hỗ trợ các cơng tác thủ tục trong suốt quá trình thực hiên luận văn.
Cuối cùng xin cảm ơn các Thầy phản biện, các Thầy trong hội đồng chấm bảo vệ luận văn
đã đóng góp ý kiến để luận văn được hồn chỉnh hơn.
Mặc dù đã khơng ngừng cố gắng để hoàn thiện luận văn, tuy nhiên do sự hiểu biết cịn hạn
chế và thời gian có hạn nên trong q trình thực hiện khơng thể khơng có những sai sót.
Kính mong nhận được sự góp ý của các thầy và các bạn.
Xin chân thành cảm ơn.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 2 năm 2023

Đoàn Văn Đăng

iii


TĨM TẮT
Cùng với sự phát triển khơng ngừng của các lĩnh vực, các vấn đề đằng sau đó như
năng lượng, môi trường, tài nguyên,... đang là những chủ đề khiến các quốc gia, tổ chức
phải đau đầu vì sự cạn kiệt, xuống cấp của chúng. Một trong những câu hỏi được đặt ra là
làm sao có thể thu gom hiệu quả rác thải của một thành phố trên mười triệu dân, hệ thống
thu gom rác đã được áp dụng tương đối hiệu quả bằng những phương tiện chuyên dụng

như xe thu gom rác cá nhân chưa qua ép, xe thu gom và ép rác, xe chở rác thùng rời đến
khu vực xử lý rác.
Trong đề tài này, chúng tôi phân tích và đánh giá tính hiệu quả về mặt kỹ thuật của
cơ cấu chuyên dùng trên xe chở rác thùng rời hay còn gọi là xe Hook Lift. Dựa trên các
thông số thiết kế ô tô chở rác thùng rời trên nền chassis tải HINO FM8JN7A-Q sử dụng cơ
cấu nâng hạ thuỷ lực UNILIFT A18N [7], đề tài "Phân tích động học và động lực học cơ
cấu nâng hạ xe Hook Lift bằng Matlab Simulink" tập trung xây dựng mô hình hố nhiều
chi tiết phức tạp của cơ cấu cơ khí và thuỷ lực trong mơi trường Matlab Simulink.
Chúng tơi tiến hành chạy mơ phỏng 5 mơ hình của 3 giai đoạn hoạt động bao gồm:
nâng thùng có tải, giai đoạn đổ rác và hạ thùng không tải dựa trên nguyên lý làm việc của
cơ cấu nhằm đánh giá đặc tính động học, động lực học và hệ thống thuỷ lực cơ cấu nâng
hạ trên xe. Từ đó đưa ra được sự tương quan của cơ cấu thuỷ lực theo thời gian như chuyển
vị xy lanh, vận tốc xy lanh, gia tốc xy lanh, áp suất xy lanh, lưu lượng dầu qua bơm, tương
quan giữa góc nâng xy lanh. Đặc biệt, chúng tôi đưa ra được ứng xử của áp lực thuỷ bên
trong hệ thống nâng hạ và động lực học cơ hệ khi hệ thống chuyển đổi trạng thái từ di
chuyển lăn khơng trượt sang chịu tác động hồn tồn của tải trọng thùng.
Từ những kết quả đó tiến hành phân tích phân tích đặc tính, ứng xử của hệ thống
thuỷ lực trong từng giai đoạn làm việc, đến phản lực tại các chốt xoay. Từ đó đưa ra các
nhận xét phân tích, đánh giá khách quan đưa ra các cải tiến và các phương án nghiên cứu
mới nhằm giúp phương tiện hoạt động một các hiệu quả nhất, đồng thời cũng góp phần
đóng góp vào nguồn tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu khoa học tương tự.

iv


ABSTRACT
Along with the continuous development of various fields, issues such as energy,
environment, resources, etc. are becoming topics that make countries and organizations
headaches due to their depletion and degradation. One of the questions raised is how to
effectively collect the waste of a city with over ten million people. The waste collection

system has been relatively effective using specialized vehicles such as personal garbage
trucks, garbage collection and compression trucks, and garbage container trucks to
transport waste to processing areas.
In this topic, we analyze and evaluate the technical effectiveness of the specialized
structure on the garbage container trucks, also known as the Hook-Lift mechanism. Based
on the design parameters of the garbage container truck on the HINO FM8JN7A-Q chassis
using the UNILIFT A18N hydraulic lift mechanism [7], the topic "Kinematics and
Dynamics analysis of Hooklift truck lifting mechanism using Matlab Simulink"
focuses on building complex models of the mechanical and hydraulic mechanism in the
Matlab Simulink environment.
We simulated 5 models of 3 operating stages including lifting the loaded container,
dumping the waste, and lowering the empty container based on the working principle of
the mechanism to evaluate the dynamic and kinetic characteristics and the hydraulic system
of the lifting mechanism on the truck. From that, we determined the correlation of the
hydraulic mechanism over time, such as displacement and velocity of the cylinder,
acceleration of the cylinder, cylinder pressure, oil flow through the pump, and correlation
between the lifting angle of the cylinder. In particular, we also determined the behavior of
the internal hydraulic pressure of the lifting system and the dynamic mechanics of the
system when it transitions from rolling without sliding to fully bearing the load of the
container.
From these results, we analyzed the characteristics and behavior of the hydraulic
system in each working stage, up to the reaction force at the pivot points. We then provided
objective analysis and evaluation, and proposed improvements and new research directions
to help the vehicle operate most effectively. At the same time, this study also contributes
to the reference materials for similar scientific research topics.

v


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi thực hiện dưới sự hướng
dẫn khoa học của TS. Hồng Đức Thông. Các số liệu và kết quả phân tích trong luận văn là
hồn tồn trung thực.
Tp. HCM, ngày 11 tháng 2 năm 2023

Đoàn Văn Đăng

vi


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... iii
TÓM TẮT........................................................................................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... vi
MỤC LỤC ......................................................................................................................... vii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ................................................................................................ 1
1.1.

Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước. ................................................... 1

1.1.1.

Đặt vấn đề........................................................................................................ 1

1.1.2.

Các nghiên cứu trong và ngoài nước............................................................... 2

1.2.


Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.......................................................................... 3

1.2.1.

Đối tượng nghiên cứu...................................................................................... 3

1.2.2.

Phạm vi nghiên cứu. ........................................................................................ 3

1.2.3.

Mục tiêu nghiên cứu. ....................................................................................... 3

1.3.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn. ................................................................. 4

1.3.1.

Ý nghĩa khoa học............................................................................................. 4

1.3.2.

Ý nghĩa thực tiễn. ............................................................................................ 4

1.4.

Phương pháp nghiên cứu. ...................................................................................... 4


1.4.1.

Phương pháp phân tích tư liệu sẵn có. ............................................................ 4

1.4.2.

Phương pháp mơ phỏng. ................................................................................. 4

Chương II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................................ 5
2.1.

Giới thiệu chung. .................................................................................................... 5

2.2.

Kết cấu móc xoay theo một góc nhất định (Articulated Arm).............................. 5

2.3.

Nguyên lý làm việc. .............................................................................................. 6

2.4.

Phân tích động học cơ cấu nâng hạ trên xe Hook Lift. .......................................... 7

vii


2.5.


Phân tích động lực học cơ cấu nâng hạ trên xe Hook Lift. .................................... 8

2.5.1.

Mơ hình động lực học của giai đoạn thứ nhất. ................................................ 9

2.5.2.

Mơ hình động lực học của giai đoạn thứ hai. ................................................ 10

2.5.3.

Mơ hình động lực học giai đoạn đổ rác......................................................... 11

2.6.

Phân tích hệ thống thuỷ lực.................................................................................. 12

CHƯƠNG III. XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG..................................................... 14
3.1.

Giới thiệu chung. .................................................................................................. 14

3.2.

Sơ đồ nghiên cứu. ................................................................................................ 14

3.3.

Phương pháp mơ phỏng. ...................................................................................... 14


3.4.

Sơ đồ mơ phỏng. .................................................................................................. 15

3.5.

Mơ hình mô phỏng. .............................................................................................. 15

3.5.1.

Thùng chứa rác rời. ....................................................................................... 16

3.5.2.

Cơ cấu nâng hạ. ............................................................................................. 17

3.5.3.

Hệ thống thuỷ lực. ......................................................................................... 18

3.5.4.

Mơ hình Matlab Simscape Multibody........................................................... 20

3.5.5.

Mơ hình Matlab Simscape Hydraulic. .......................................................... 23

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................. 26

4.1.

Giới thiệu chung:.................................................................................................. 26

4.2.

Kiểm chứng mơ hình động lực học. ..................................................................... 26

4.3.

Kết quả thu được qua q trình mơ phỏng........................................................... 31

4.3.1.

Kết quả thu được giai đoạn nâng thùng đầy tải............................................. 34

4.3.1.1.

Nâng thùng đầy tải - giai đoạn 1. ............................................................... 34

4.3.1.2.

Nâng thùng đầy tải - giai đoạn 2. ............................................................... 38

4.3.2.

Kết quả thu được giai đoạn đổ rác. ............................................................... 42

viii



4.3.3.

Kết quả thu được giai đoạn hạ thùng không tải. ........................................... 47

4.3.3.1.

Hạ thùng không tải - Giai đoạn 1............................................................... 47

4.3.3.2.

Hạ thùng không tải - giai đoạn 2. .............................................................. 51

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỂ TÀI ................................... 56
5.1.

Kết luận: ............................................................................................................... 56

5.2.

Hướng phát triển đề tài. ....................................................................................... 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 58
PHỤ LỤC : CÁC KHỐI CHỨC NĂNG SIMSHYDRAULICS. ...................................... 60
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ............................................................................................... 66
Q TRÌNH ĐÀO TẠO .................................................................................................. 66
Q TRÌNH CƠNG TÁC ................................................................................................ 66

ix



DANH MỤC HÌNH ẢNH
Chương 1:
Hình 1.1: Quy trình xử lí rác của trạm ép rác kín................................................................1
Chương 2:
Hình 2.1: Quy trình nạp rác từ ngồi vào thùng..................................................................6
Hình 2.2: Quy trình nâng hạ thùng hàng.............................................................................7
Hình 2.3: Quy trình đổ rác từ thùng hàng ra ngồi..............................................................7
Hình 2.4: Sơ đồ ngun lý động học cơ cấu Hook Lift.......................................................8
Hình 2.5: Mơ hình động lực học giai đoạn thứ nhất............................................................9
Hình 2.6: Mơ hình động lực học giai đoạn thứ hai............................................................11
Hình 2.7: Mơ hình động lực học giai đoạn đổ rác.............................................................12
Hình 2.8: Sơ đồ thuỷ lực hệ thống nâng hạ xe Hook Lift..................................................14
Chương 3:
Hình 3.1: Mơ hình mơ phỏng hệ thống nâng hạ xe Hook Lift .........................................16
Hình 3.2: Sơ đồ xác định thể tích thùng chứa...................................................................17
Hình 3.3: Thơng số kích thước cơ cấu nâng hạ ................................................................18
Hình 3.4: Thơng số kích thước lắp đặt thùng và cơ cấu nâng hạ.......................................19
Hình 3.5: Mơ hình hệ thống thuỷ lực rút gọn phục vụ tính tốn mơ phỏng......................19
Hình 3.6: Mơ hình vật lý hệ thống nâng hạ xe Hook Lift được xây dựng trong mơi trường
Matlab Simscape multybody..............................................................................................21
Hình 3.7: Mơ hình mơ phỏng giai đoạn nâng thùng hàng có tải khi thùng đang chạm
đất

.................................................................................................................................21

x


Hình 3.8: Mơ hình mơ phỏng giai đoạn nâng thùng hàng có tải khi thùng vừa rời mặt

đất .....................................................................................................................................22
Hình 3.9: Mơ hình mơ phỏng giai đoạn đổ rác..................................................................22
Hình 3.10: Mơ hình mơ phỏng giai đoạn hạ thùng khơng tải khi thùng nằm trên xe....... 23
Hình 3.11: Mơ hình mơ phỏng giai đoạn hạ thùng không tải khi thùng chạm đất........... 23
Hình 3.12: Sơ đồ tổng quát hệ thống thuỷ lực được xây dựng bằng phần mềm Matlab...24
Hình 3.13: Mơ hình mơ phỏng khối bơm và thùng dầu.................................................... 25
Hình 3.14: Mơ hình mơ phỏng cụm điều khiển xy-lanh....................................................25
Hình 3.15: Mơ hình mơ phỏng cụm xy-lanh. ....................................................................26
Chương 4
Hình 4.1: Mơ hình động lực học giai đoạn nâng thùng khi chưa chạm đất......................27
Hình 4.2: Mơ hình động lực học giai đoạn trượt thùng khi thùng chạm đất ..............…..28
Hình 4.3: Mơ hình kiểm chứng động học và động lực học cơ cấu..............................…..29
Hình 4.4: Mơ hình điều khiển hành trình xy-lanh..............................................…...…....30
Hình 4.5: Đồ thị lực xy-lanh nâng mơ phỏng và tính tốn lý thuyết. ...............................31
Hình 4.6: Hành trình giai đoạn 1-Nâng thùng có tải..........................................................32
Hình 4.7: Hành trình giai đoạn 2-Nâng thùng có tải..........................................................32
Hình 4.8: Hành trình giai đoạn đổ rác................................................................................32
Hình 4.9: Hành trình giai đoạn 1-Hạ thùng khơng tải.......................................................33
Hình 4.10: Hành trình giai đoạn 1- Hạ thùng khơng tải....................................................33
Hình 4.11: Mơ hình mơ phỏng và vị trí các chốt ở giai đoạn 1 khi thùng nâng đầy tải....34
Hình 4.12: Đồ thị hành trình xy-lanh nâng giai đoạn 1-nâng thùng có tải theo thời
gian.. ..................................................................................................................................34

xi


Hình 4.13: Đồ thị vận tốc xy-lanh nâng giai đoạn 1- nâng thùng có tải theo thời gian.....35
Hình 4.14: Đồ thị gia tốc xy-lanh nâng giai đoạn 1- nâng thùng có tải theo thời gian......35
Hình 4.15: Đồ thị lưu lượng bơm giai đoạn 1- nâng thùng có tải theo thời gian...............36
Hình 4.16: Đồ thị áp suất hệ thống giai đoạn 1-nâng thùng có tải theo thời gian.............36

Hình 4.17: Đồ thị phản lực tại các chốt xoay ở giai đoạn 1-nâng thùng có tải theo
thời gian.............................................................................................................................37
Hình 4.18: Mơ hình mơ phỏng giai đoạn 2-nâng thùng có tải...........................................38
Hình 4.19: Đồ thị hành trình xy-lanh nâng giai đoạn 2-nâng thùng có tải........................38
Hình 4.20: Đồ thị hành trình xy-lanh trượt thùng giai đoạn 2-nâng thùng có tải..............39
Hình 4.21: Đồ thị vận tốc xy-lanh nâng thùng giai đoạn 2-nâng thùng có tải...................39
Hình 4.22: Đồ thị gia tốc xy-lanh nâng thùng giai đoạn 2-nâng thùng có tải....................40
Hình 4.23: Đồ thị lưu lượng bơm giai đoạn 2-nâng thùng có tải.......................................40
Hình 4.24: Đồ thị áp suất hệ thống giai đoạn 2-nâng thùng có tải....................................41
Hình 4.25: Đồ thị phản lực tại các chốt ở giai đoạn 2-nâng thùng có tải..........................42
Hình 4.26: Mơ hình mơ phỏng giai đoạn đổ rác................................................................42
Hình 4.27: Đồ thị hành trình xy-lanh giai đoạn đổ rác......................................................43
Hình 4.28: Đồ thị góc nâng thùng lăn giai đoạn đổ rác.....................................................43
Hình 4.29: Đồ thị vận tốc xy-lanh nâng giai đoạn đổ rác..................................................44
Hình 4.30: Đồ thị gia tốc xy-lanh nâng giai đoạn đổ rác...................................................44
Hình 4.31: Đồ thị gia tốc xy-lanh nâng giai đoạn đổ rác...................................................45
Hình 4.32: Đồ thị áp suất hệ thống giai đoạn đổ rác..........................................................46
Hình 4.33: Đồ thị phản lực tại các chốt giai đoạn đổ rác...................................................46
Hình 4.34: Đồ thị mơ hình mơ phỏng giai đoạn 1- hạ thùng khơng tải.............................47

xii


Hình 4.35: Đồ thị hành trình xy-lanh trượt thùng giai đoạn 1- hạ thùng khơng tải...........47
Hình 4.36: Đồ thị hành trình xy-lanh nâng thùng giai đoạn 1- hạ thùng khơng tải...........48
Hình 4.37: Đồ thị vận tốc xy-lanh nâng giai đoạn 1- hạ thùng khơng tải..........................48
Hình 4.38: Đồ thị gia tốc xy-lanh nâng giai đoạn 1- hạ thùng khơng tải...........................49
Hình 4.39: Đồ thị lưu lượng bơm giai đoạn 1- hạ thùng khơng tải...................................49
Hình 4.40: Đồ thị áp suất hệ thống giai đoạn 1- hạ thùng khơng tải.................................50
Hình 4.41: Đồ thị phản lực tại các chốt giai đoạn 1- hạ thùng không tải..........................51

Hình 4.42: Mơ hình mơ phỏng giai đoạn 2- hạ thùng khơng tải........................................51
Hình 4.43: Đồ thị hành trình xy-lanh nâng giai đoạn 2- hạ thùng khơng tải.....................52
Hình 4.44: Đồ thị vận tốc xy-lanh nâng giai đoạn 2- hạ thùng không tải..........................52
Hình 4.45: Đồ thị gia tốc xy-lanh nâng giai đoạn 2- hạ thùng khơng tải...........................53
Hình 4.46: Đồ thị lưu lượng bơm giai đoạn 2- hạ thùng khơng tải...................................53
Hình 4.47: Đồ thị áp suất hệ thống giai đoạn 2- hạ thùng khơng tải.................................54
Hình 4.48: Đồ thị phản lực tại các chốt giai đoạn 2- hạ thùng không tải..........................55

xiii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Thông số thùng chứa rác rời..............................................................................17
Bảng 3.2: Thơng số hệ thống thuỷ lực...............................................................................20
Bảng 4.1: Tính tốn lý thuyết động học và động lực học..................................................28
Bảng 4.2: Kết quả kiểm nghiệm động học và động lực học bằng mơ hình mơ phỏng......30
Bảng 4.3. Khảo sát các giai đoạn hoạt động của phương tiện...........................................32

xiv


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước.
1.1.1. Đặt vấn đề.
Những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của kinh tế, xã hội nhanh chóng ở Việt
Nam, cùng với đó là sự phát triển dựa trên chủ nghĩa tiêu dùng dẫn đến lượng rác thải tăng
lên đáng kể mỗi năm. Riêng ở thành phố Hồ Chí Minh: mỗi ngày đổ ra khoảng 6300 - 6700
tấn rác thải sinh hoạt, 1000 – 1200 tấn chất thải rắn công nghiệp, 150 - 200 tấn chất thải
nguy hại, 9 - 12 tấn chất thải rắn y tế [1]. Làm thế nào để xử lý nhanh chóng và hiệu quả
chất thải rắn đô thị trở thành một vấn đề lớn mà chúng ta phải đối mặt. Xe chở rác Hooklift

là một phần trong quy trình gom rác hiệu quả ngày nay. Xe được trang bị cơ cấu nâng hạ
thực hiện các chức năng tự động bốc dỡ container và đổ rác. Vận hành xe là công đoạn
chuyển tiếp từ việc thu gom rác đến vận chuyển rác ra xa thành phố, mà không qua việc
trữ rác tạm thời, giảm ơ nhiễm mơi trường ở địa phương. Quy trình thu gom rác qua trạm
ép rác mang lại hiệu quả cao. Quy trình theo các bước sau: Thu gom nhờ xe ép rác, đưa
đến trạm ép, rác được chất đầy thùng chứa, xe chở rác đến vận chuyển rác đến bãi cách xa
thành phố. Với ưu điểm thu gom rác tập trung, giảm thiểu các điểm thu gom rác hở nằm
gần khu dân cư, trường học, chợ… gây ô nhiễm mơi trường; thu gom, vận chuyển rác
nhanh chóng, hiệu quả.

Hình 1.1: Qui trình xử lí rác của trạm ép rác kín [1].
Hiện nay nước ta đã thiết kế và sản xuất được các xe chuyên dụng này, tuy nhiên để
tối ưu chi phí cũng như tính hiệu quả, cơng năng sử dụng thì cần có những nghiên cứu

1


khoa học nhằm phân tích đánh giá về đặc tính động học và động lực học cơ cấu chuyên
dùng của phương tiện.
Dựa trên thiết kế ô tô chở rác thùng rời trên nền chassis tải HINO FM8JN7A-Q sử
dụng cơ cấu nâng hạ thuỷ lực UNILIFT A18N. Đề tài: “ Phân tích động học và động
lực học cơ cấu nâng hạ xe Hook Lift bằng Matlab Simulink” tập trung xây dựng mơ
hình tốn học cơ cấu cơ khí và thuỷ lực bằng mơi trường Matlab Simulink nhằm đánh
giá đặc tính động học, động lực học và hệ thống thuỷ lực cơ cấu nâng hạ trên xe. Từ
kết quả đó đưa ra những điều chỉnh tốt nhất về mặt thiết kế nhằm đạt được tính kinh
tế và tính hiệu quả về mặt kỹ thuật trong quá trình vận hành phương tiện.

1.1.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước.
 Ngoài nước:
-


Năm 2009, Guanglin SHI và đồng sự phân tích đặc tính động học và động lực
học cơ cấu nâng hạ trên xe rác thùng rời từ đó đưa ra các điều kiện biên để tính
độ bền cơ cấu bằng phần mềm ADAMS/ANSYS.[2]

-

Năm 2012, Rongchao Jiang và đồng sự đã phân tích đặc tính động học, động lực
học xe nâng hạ có cơ cấu nâng kiểu chữ T. Nghiên cứu cung cấp tài liệu tham
khảo khoa học cho việc thiết kế kết cấu và phân tích sức bền của cơ cấu nâng.[3]

-

Năm 2013, Jianming Hu và các cộng sự đã phân tích đặc tính động học và động
lực học một cơ cấu nâng của một hệ thống đồ gá quá trình rèn.[4]

-

Năm 2014, Shanzeng Liu và đồng sự phân tích đặc đính động học và động lực
học cơ cấu nâng hạ trên xe chở rác thùng rời bằng phương pháp giải tích.[5]

 Trong nước:
-

Năm 2017, Nguyễn Phúc Định và các cộng sự đã nghiên cứu phân tích lực tác
động lên xy lanh thuỷ lực chính của cơ cấu nâng hạ trên xe hook lift bằng phương
pháp giải tích. [6]

2



1.2.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
Trong đề tài này, đối tượng cần nghiên cứu là hệ thống nâng hạ chuyên dụng trên xe tải
chở rác thùng rời có khả năng tự nâng chuyển thùng hàng.

1.2.2. Phạm vi nghiên cứu.
- Đề tài xây dựng mơ hình tính tốn, phân tích đặc tính động học và động lực học cơ
cấu, hệ thống thuỷ lực phương thiện chở rác thùng rời bằng phần mềm Matlab.
- Tập trung khảo sát cơ cấu nâng hạ thùng, bỏ qua các kết cấu khác như cơ cấu khoá
thùng, cơ cấu chân chống sau.
- Tốc độ động cơ được giữ cố định.
- Bỏ qua ma sát giữa các khớp xoay.

1.2.3. Mục tiêu nghiên cứu.
Mục tiêu cụ thể của đề tài là đưa ra được các kết quả phân tích về động học cơ cấu, động
lực học cơ cấu, hệ thống thuỷ lực như sau:
- Nghiên cứu tổng quan lý thuyết và mơ hình toán học cơ hệ nâng hạ trên xe rác thùng
rời ở các trạng thái làm việc.
- Từ mơ hình thực tế xây dựng mơ hình vật lý cơ hệ.
- Xây dựng mơ hình tốn phân tích động học và động lực học.
- Kiểm chứng mơ hình mơ phỏng.
- Phân tích động học, động lực học và các thông số của hệ thống thuỷ lực cơ cấu
chuyên dùng.
Từ đó đưa ra các kết quả như sau:
- Chuyển vị của xy lanh (cm,t)
- Vận tốc xy lanh (cm/s,t)

- Gia tốc xy lanh (cm/s^2,t)
- Áp suất xy lanh
- Lưu lương qua bơm (lpm)

3


- Lực tác dụng lên các điểm theo thời gian.
- Góc nâng.

1.3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn.
1.3.1. Ý nghĩa khoa học.
Nghiên cứu này đưa ra được các đường đặc tính và tính chất của thiết kế bố trí chung hệ
thống chuyên dụng xe tải chở rác thùng rời hiện nay. Nghiên cứu góp phần làm rõ mối
quan hệ giữa áp suất xy lanh, gia tốc xy lanh, lưu lượng dầu qua bơm theo thời gian, điều
này có giá trị trong việc nghiên cứu thay đổi thiết kế nhằm đạt được những mục tiêu tối ưu
công năng chuyện dụng của phương tiện.

1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn.
Đề tài này có ý nghĩa quan trọng, đóng góp quan trọng về mặt cải tiến thiết kế như tiết diện
xy-lanh, công suất bơm dầu nhằm giảm thiểu chi phí sản xuất trong sản xuất hàng loạt.
Cùng với đó nếu q trình nâng hạ được tối ưu về tính ổn định theo thời gian, điều này góp
phần nhỏ vào q trình tính toán thời gian vận hành nhằm tối ưu hệ thống vận tải để đạt
được tính hiệu quả cao và tính kinh tế trong quy trình vận hành ngành dịch vụ này.

1.4.

Phương pháp nghiên cứu.

1.4.1. Phương pháp phân tích tư liệu sẵn có.

Thu thập, chọn lọc thơng tin có giá trị từ các cơng trình nghiên cứu trước đó; những kiến
thức liên quan đến vấn đề nghiên cứu.

1.4.2. Phương pháp mô phỏng.
Sử dụng phần mềm Matlab Simulink và Matlab Simscape xây dựng mơ hình vật lý, mơ
hình tốn học cơ cấu nâng hạ và hệ thống thuỷ lực. Từ các điều kiện biên đưa ra kết quả
nghiên cứu và tiến hành phân tích kết quả dựa vào các cơng cụ hỗ trợ của phần mềm.

4


Chương II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
2.1.Giới thiệu chung.
Trong chương này sẽ giới thiệu kết cấu chính của hệ thống nâng hạ, nguyên lý hoạt động,
trình bày các lý thuyết về động học, động lực học và lý thuyết về hệ thống thuỷ lực được
sử dụng trên hệ thống nâng hạ xe Hook Lift.

2.2. Kết cấu móc xoay theo một góc nhất định (Articulated Arm).

7

6

5
8
4
9
1

2


3

10

Hình 2.1: Cấu tạo hệ thống nâng hạ trên xe Hook Lift
1: Khung phụ, 2: xy-lanh nâng, 3: Tay khuỷu, 4: Tay nâng,
5: Xy-lanh tay quay, 6: Tay quay, 7: Thùng chứa, 8: Nắp thùng chứa,
9: Bánh xe thùng chứa, 10: Bánh lăn

5


2.3. Nguyên lý làm việc.

Hình 2.2: Quy trình nâng hạ thùng hàng.
 Nguyên lý làm việc:
- Khi xe đầy tải: Thùng sau khi được nạp đầy rác ở trạm trung ép trung chuyển sẽ được
đưa lên xe theo ba bước như hình 2.2.
+ Bước 1: Hệ thống nâng thùng được móc vào thùng và thùng trượt trên mặt đất đến
khi chạm vào bánh lăn.
+ Bước 2: Xy lanh tiếp tục kéo thùng hàng trượt trên bánh lăn cho đến khi hết hành
trình.
+ Bước 3: Thùng hàng đạt trạng thái ổn định trên phương tiện vận chuyển.

Hình 2.3: Quy trình đổ rác từ thùng hàng ra ngoài

6



-

Quá trình đổ rác theo những bước sau: Người lái phụ hoặc người phụ trách bãi rác
sẽ mở cửa sau 5 bằng bánh quay an tồn bố trí sau thùng bên phải; Xylanh nâng 2
đẩy làm thùng chứa 3 xoay quanh chốt 4, rác được đổ ra từ từ đến khi q trình hồn
tất.

-

Sau khi hồn tất q trình đổ rác xe trở lại trạm trung chuyển và tiến hành hạ thùng
rác (khơng tải) và kết thúc chu kì làm việc.

2.4. Phân tích động học cơ cấu nâng hạ trên xe Hook Lift.
Bài toán động học cơ cấu Hooklift dựa trên sự thay đổi chiều dài xylanh chính theo thời
gian, hình thành sự biến đổi về lực tác dụng của xylanh chính và thay đổi vị trí tọa độ trọng
tâm thùng chứa rác. Bài toán xác định trên hai quá trình: quá trình bốc dỡ thùng chứa xuống
mặt đất và quá trình đổ rác.
H

F2
F

M

M

P


G






 

A


C



O

S

E

D

B

Q



x



C

y


R

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý động học cơ cấu Hook Lift .
Tọa độ của mỗi điểm được biểu diễn như sau [5]:
x E = x D - lDEcos(α+θ-β1)

yE = yD + lDEsin(α+θ-β1)

xG = x E - lEGcos(α-φ)

yG = yE + lEGsin(α-φ)

x F = x G - lF Gcos(α+ρ)

yF = yG + lF Gsin(α+ρ)

x M = x F + lMF sin(α+ρ)

yM = yF + lMF cos(α+ρ)

x R = x M + lMR cos(γ2 +γ)

yR = yM - lMRsin(γ2 +γ)


x P = x M + lMPsinγ2

yP = yM + lMPcosγ2

2

2

2

2

2

2

2

2

7


xO =

x P +x R
2

l2ED +l2AD -l2AE
α = arcos

-θ
2lEDlAD

yO =

y P +y R
2

γ 2 = arcsin

yM -yC
lMC

- γ1

Trong đó (xD, yD), (xE, yE), (xG, yG), (xF2, yF2), (xM, yM), (xR, yR), (xP, yP) và (xO, yO) là tọa
độ của các điểm D, E, G, F2, M, R, P và O tương ứng; α là góc mà cánh tay nâng lật trong
giai đoạn đầu tiên; θ và φ lần lượt là góc giữa đoạn DE và EG hợp với trục X, khi tay
nâng ở vi trí ban đầu; γ là góc giữa MR và SR; γ1 là góc bao gồm giữa MC và SC; γ2 là
góc giữa đáy thùng chứa rác và trục X; lDE và lEG lần lượt là độ dài của các đoạn DE và
EG trên tay nâng; lMR và lMP lần lượt là độ dài của MR và MP.
2.5. Phân tích động lực học cơ cấu nâng hạ trên xe Hook Lift.
Để thuận tiện cho việc phân tích lực, ta thực hiện việc giả định và đơn giản hoá như sau:
-

Do trọng lượng lớn của thùng chứa rác khi nạp đầy, trọng lượng của cơ cấu nâng ít
ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Do đó, trọng lượng của từng chi tiết cơ cấu nâng
được bỏ qua.

-


Tốc độ tải và dỡ thùng chứa rác là chậm, và do đó ảnh hưởng của lực qn tính của
thùng chứa rác được bỏ qua.

-

Xylanh thủy lực được cho là tạo ra chuyển động đều và tiêu hao năng lượng hệ
thống được bỏ qua

-

Các biến dạng của khung, mặt đất và bánh xe được bỏ qua.

Quá trình tải và dỡ thùng chứa rác coi là một quá trình và được chia thành hai giai đoạn.
Giai đoạn đầu thứ nhất hành việc đặt thùng chứa rác lên ròng rọc dẫn hướng của khung
phụ. Giai đoạn thứ hai là tách đáy thùng khỏi ròng rọc dẫn hướng và tiếp xúc con lăn của
thùng rác lên mặt đất.

8


2.5.1. Mơ hình động lực học của giai đoạn thứ nhất.
Fy
H

F2
F

M


M

Fx

Fx

P


Fy
G

A




E

 

F1





C
D


O N

S
x

B

Q



y

C
G


Fms

R

Hình 2.5: Mơ hình động lực học giai đoạn thứ nhất
Trong giai đoạn này, khung lật và khung phụ liên kết với nhau bằng cơ cấu khóa. Cánh
tay địn đã gập một góc ρ0 và tĩnh so với tay nâng. Xylanh nâng đẩy cánh tay nâng quay
quanh điểm D, do đó đẩy thùng rác về phía sau. Tại điểm này, đáy của thùng rác nằm trên
ròng rọc dẫn hướng của khung phụ. Thùng rác trượt về phía sau dọc theo rịng rọc dẫn
hướng.

Phương trình cân bằng lực trên thùng chứa rác:
 ΣFx = -Fx +N1 +Fms = -Fx + N1sin(γ2)+ μ1N1cos(γ2).

 ΣFy = Fy – G +N1 +Fms = Fy – G + N1sin(γ2) - μ1N1cos(γ2).

 ΣMC= -Fx(yM - yC) + Fy(xC - xM) + G(xO - xC).

(2.1)
(2.2)
(2.3)

Từ phương trình (2.1) (2.2) (2.3) Ta được:
Fx = N1(sinγ2 +μ1cosγ2 )

(2.4)

Fy = G - N1(cosγ 2 -μ1sinγ 2 )

(2.5)

N1 =

G(x O -x M )
(sinγ 2 +μ1cosγ 2 )(yM -yC )+(cosγ 2 -μ1sinγ 2 )(x C -x M )

(2.6)

Phương trình cân bằng lực trên cơ cấu nâng:
ΣFx =Fx+F1= N1(sinγ2 +μ1cosγ2 ) + F1cosβ

(2.7)

ΣFy =Fy+F1= G- N1(cosγ2 -μ1sinγ2 ) + F1sinβ


(2.8)

ΣMD = Fx (yM -y D ) + Fy (x M -x D ) -F1(yE - yD )cosβ+F1(x E - x D )sinβ .

(2.9)

9


Từ phương trình (2.7) (2.8) (2.9) ta được lực xy-lanh nâng:
G


(
+μ1sinγ 2 -cosγ 2 )(x M -x D ) 
 (sinγ +μ cosγ )(y -y )
M D + N1
2
1
2
N
F1 = 
(y E -y D )cosβ-(x E -x D )sinβ  1 (2.10)
 (y E -y D )cosβ-(x E -x D )sinβ




Trong đó:β là góc giữa xylanh nâng AE và trục X

μ1 là hệ số ma sát trượt giữa đáy thùng chứa rác và ròng rọc dẫn hướng
G: Trọng lượng thùng chứa rác khi nạp đầy.

2.5.2. Mơ hình động lực học của giai đoạn thứ hai.
Trong giai đoạn thứ hai: đáy thùng chứa rác khơng tiếp xúc với rịng rọc dẫn hướng, con
lăn tại R tiếp xúc với mặt đất, thùng rác di chuyển về phía sau.
F
F2

G
F1

F2

E
A



D

Fy

H

C

x

Fx


M
Fy
y

B

Fx

M

P

O

S

G

Q



N



Fms
R


Hình 2.6: Mơ hình động lực học giai đoạn thứ hai

Phương trình cân bằng lực trên thùng chứa rác:
ΣFx=Fx+Fms=-Fx + μ2N2

(2.11)

ΣFy= Fy – G + N2

(2.12)

ΣMC=-Fx(yM – yR)+ Fy(xR - xM) -G(xR – xR)

(2.13)

Từ phương trình cân bằng lực trên thùng ta được:
Fx = μ 2 N2 ;

(2.14)

10