lời nói đầu
-Ngày nay,việc thi công các công trình,công việc có quy mô,liên quan đến
việc làm đất thì việc áp dụng các phơng pháp thi công cơ giới càng ngày
càng phổ biến.Thi công cơ giới thay thế thi công thủ công vì những lý do vợt
trội nh: năng suất cao,tiết kiệm thời gian thi công,giảm kinh phí trong thi
công Lĩnh vực máy làm đất rất đa dạng và phong phú, với rất nhiều chủng
loại, đặc tính kỹ thuật, khả năng làm việc khác nhau. Công việc mà máy làm
đất thực hiện chủ yếu là việc đào đắp, san nền, làm móng...Nh vậy điều kiện
làm việc là thờng xuyên trực tiếp ở ngoài trời, tiếp xúc với bụi đất, ma
gió...Yêu cầu đối với ngời quản lý sử dụng cần phải nắm bắt đợc toàn bộ
những đặc tính và khả năng làm việc của máy. Còn đối với ngời thiết kế cần
phải nắm đợc các thông số kỹ thuật, yêu cầu kết cấu, khả năng chịu lực, các
sơ đồ dẫn động... Từ những yêu cầu đó cần tiến hành tính toán thiết kế để
đảm bảo máy sau khi thiết kế, chế tạo máy có đầy đủ tính năng, khả năng
làm việc nh yêu cầu kỹ thuật đề ra.Do đó đồ án máy làm đất của em vơí đề
tài Thiết kế máy xúc một gầu E153 đã mang lại nhng ý nghĩa thiêt thực
: Vận dụng kiến thực đã học để giải quyết bài toán có thực .
Hiểu sâu hơn về kiến thức đã học , và rèn luyện làm quen dần với công việc
thiết kế .
Em xin cảm ơn sự hớng dấn đồ án của thầy giáo : HOa văn ngũ
Em đã hoàn thành đợc đồ án và thu nhận đợc những kiến thức quý báu của
môn học để phục vụ cho các công việc sau nay.
Sinh viên
Lê Quang Minh

1


PHần I
GiớI THIệU MáY THIếT Kế
1.Kết cấu của máy xúc gầu nghịch dẫn động thuỷ lực gồm 2 phần chính :

phần máy cơ sở và phần máy công tác :
+ Phần máy cơ sở là loại máy E 153 do cộng hoà liên bang Nga sản xuất
nó có công suất là 27 kW .Thiết bị di chuyển của nó là bánh lốp
+ Phần thiết bị công tác gồm cần (6) một đầu đợc lắp bằng khối trụ với
bàn quay (7) đầu kia đợc lắp khớp với tay cần (3) . Cần đợc nâng lên hạ
xuống nhờ xi lanh cần(5). Tay cần (3) co duỗi nhờ xi lanh tay cần (4)
.Điều khiển gầu xúc (1) nhờ xi lanh quay gầu (2). Gỗu đợc lắp thêm các
răng gầu khi làm việc ở nền đất cứng .
2.Nguyên lý làm việc và đặc tính kĩ thuật của máy:
Máy xúc gầu thuận đợc làm việc ở nơI cao hơn mặt bằng đứng của máy
Máy làm việc theo chu kì , một chu kì của máy gồm xúc đất đầy gầu quay
đến vị trí đổ đất sau đó đổ đất và quay lại vị trí chuyẩn bị xúc .
Quỹ đạo chuyển động của răng gầu là một đờng cong, chiều dày đất thay
đổi từ vị trí min đến vị trí max . Tại vị trí gầu đầy đất thì phoi đất có chiều
dầy phoi đất lớn nhất . Quay tay cần để đất khỏi rơi , nâng cần lên và đ a
cần ra khỏi vị trí đào đất đến vị trí đổ đất . Để đổ đất phải điều khiển xi
lanh nâng gầu .
Máy có cơ cấu di chuyển là bánh lốp nên có thể di chuyển thuận tiện dễ
dàng trên đờng nhng khi làm việc chỉ thích hợp với địa hình không phức
tạp .
Dẫn động bằng thuỷ lực nên cơ cấu nhỏ , điều khiển đợc vô cấp , giảm đợc chi phí bảo hành bảo dỡng ,bảo quản , tạo điều kiện làm việc tốt cho
công nhân . Tăng năng suất giảm giá thành lao động .

2


Sơ đồ cấu tạo của máy xúc
gầu NGHịCH dẫn động thuỷ lực e153

4

570

2

5

840

500

8

1
650

6

900

36

7

2380

12345678-

gầu
xi lanh quay gầu
tay cần

xi lanh tay cần
xi lanh cần
cần
bàn quay
máy cơ sở

3


PHầN II
Tính toán chung máy xúc một gầu
I.Xác định sơ bộ các kích thớc hình học và thông số
động học :
Để xác định đợc chúng ta dựa vào một loại máy xúc một gầu tơng tự
theo quy luật máy xúc đồng dạng :
G1
N1
A13
t13 V13 q1
=
=
= 3= 3
G2
N2
A23
t 2 V2 q 2

trong đó :

1_2: kí hiệu máy cũ và mới

A: thông số kích thớc
G : thông số trọng lợng
N: thông số công suất
T : thông số thời gian chu kì làm việc của máy
V : thong số tốc độ
G :thông số dung tích gầu
Từ luật đồng dạng này ngời ta thiết lập một công thức tính gần đúng :
3
3
A = kA. G hoặc
v = kV G
1.Xác định kích thớc hình học của máy
- Chiều cao buồng máy h1 =2 (m)
- Bán kính thành sau vỏ máy RSAU =1.6 (m)
- Chiều cao khớp chân cần h2 =0.9 (m)
- Chiều dài cần LCần= 2.5 (m)
- Chiều dài tay cần LTaycàu = 1.8 (m)
- Chiều cao đổ đất max Hđ =2.6 (m)
- Chiều sâu xúc đất max Hn =2.2 (m)
- Bán kính đổ đất Rđ =2.9 (m)
- Bán kính xúc lớn nhất : Rx =4.1 (m)
2.Thời gian làm việc một chu kì :
áp dụng công thức tCK= b G +A
G : trọng lợng máy G= 4.93 ( tấn)
a , b, A,B : các hệ số cho trớc
a =1 ; b = 1,58 ; A = 10 ; B = 6,8
Thay vào ta có :
tCK =1,58. 4.93 +10
tCK = 14 (s)


4


3. Thông số về lực và tốc độ :
- Tốc độ nâng gầu : Vng = 0,4. 4.93 = 0,68 m/s
- Lực nâng đơn vị : F = 190. 4.93 =296 KN/m3
- Tốc độ di chuyển Vdc = 0,08. 4.93 =25,5 Km/h
4. Các thông số về gầu
- Chiều rộng gầu : bg = 3 q = 3 0.15 =0,58 m
- Chiều rộng răng gầu : brg =0,1. bg =0,058 m
- Chiều dài gầu lg = 0,65 m
- Chiều dày thành gầu ; t = 28. 3 0.15 =14,84 mm
- Chiều cao gầu : hg = 0,9. bg=0,5 m
- Số răng gầu : u=4
II.
Tính lực cắt đất :
1, Vị trí gầu xúc đợc nhiều đất nhất :

- Xác định chiều dày phoi đất lớn nhất C max:
Ta có biểu thức : q = Cmax . b.Hn. Kt
Cmax =

q
b.Hn. Kt

Trong đó :
5





q : dung tích gầu q =0,15 m3
Hn: chiều sâu tầng xúc Hn = 2,2 m
b: bề rộng phoi đất b = 0,5 m
Kt : hệ số tơi đất Kt = 1,28

Thay số vào ta có :
Cmax=

0,15
=0,09231 m =9,231 cm
0,5.1,6.1,28

-Lực cản cắt tiếp tuyến P01 đợc xác định bằng công thức :
P01 = K1.b.Cmax
K1 : Hệ số cản cắt riêng của đất , với đất cấp III , ta chọn K1 =25 N/cm2
Thay số vào ta có :
P01 =11538.462 N= 11,538KN
- Xác định lực cản cắt theo phơng pháp tuyến P02 :
P01 và P02 có quan hệ với nhau theo công thức : P02 = . P01
. : hệ số tỷ lệ , tra bảng . = 0,45
P02 = 4,615 KN
2.Tính P01 , p02 Gần vị trí có chiều sâu xúc :
H1 =0,5 Hn=1.1 (m)_
Ta có thể lấy C1 :
C1 = 0,5 Cmax = 0,046 m
-Lực cắt cản tiếp tuyến là :
P01II = 0,5 P01I =5,769 KN
-Lực cắt cản pháp tuyến là :
P02 = . P01 = 2,308 KN

3. Gầu ở vị trí chuẩn bị cắt đất :
Ta thấy gầu chuẩn bị cắt đất C2 = 0 nên P01= P02 = 0
Kết luận , ta có bảng sau
vị trí
Lực
I
II
III
P01 (KN)
P02 (KN)

11,538
4.615

5.769
2.308

0
0

6


III. Xác định lực tác dụng lên các cơ cấu :
Dán hình
1.Các số liệu để tính toán :
Dựa theo máy cơ sở và chọn theo bảng 2.III.1 Sách Máy làm đất ta có khối
lợng của các thiết bị trong cơ cấu máy quy đổi ra trọng lợng :
Trọng lợng của cần : Gc=3700 N
Trọng lợng của tay cần : Gtc=1730 N

Trọng lợng của gầu :Gg=1820 N
Trọng lợng của đất : Gđ= 17000.0,15=2550 N
Trọng lợng của gầu và đất : Gg+đ =4370 N
Trọng lợng của cơ cấu điều khiển và vỏ : Gđk =13804 N
Trọng lợng của động cơ : Gđc=2958 N
Trọng lợng của đối trọng : Gđt=493 N
1. Lực đẩy tay cần Ptc:
Ta thấy máy xúc bắt đầu làm việc từ vị trí III đến vị trí I có nghĩa là nó bắt
đầu tích đất đến khi tích đầy vào gầu thì Ptc biến thiên từ 0 -> giá trị max
Ta xác định giá trị lớn nhất Ptc , lúc này lực P02 đi qua khớp O
Ta viết phơng trình mômen đối với khớp O đối với tất cả các lực tác dụng
vào gầu và tay cần :
m0(Fi) = P01r01 + Gtcrtc + Gg+đ rg+đ- Ptcrtc = 0
Ptc =

P01 r01 + G tc rtc' + G g + d rg + d
rtc

r01 : khoảng cách từ lực cắt tiếp tuyến tới điểm 0, lấy r01= 1431 mm
rtc : khoảng cách từ O đến trọng lợng tay cần , ta lấy rtc=620 mm
rtc : khoảng cách từ O đến lực xi nâng tay cần , ta lấy rtc =397 mm
rg+đ : khoảng cách từ O đến trọng lợng của gầu và đất , lấy rg+đ =480 mm
Thay số vào ta có :
Ptc = 57160 N =57,16 KN
2. Xác định lực xi lanh nâng cần : Pc
Theo hình trên ta viết phơng trình mômen đối với tất cả cá lực tác dụng nên
cần , tay cần , gầu đối với khớp chân cần O1 , ta có :
7



m

01

(Fi) = Gg+đ rg+đ + Gtcrtc +Gcrc Pcrc = 0
Pc =( Gg+đ r g+đ + Gtcrtc +Gcrc + P01r01 P02r02) : rc
r r+d , rtc , rc , rc , lần lợt là khoảng cách từ điểm khớp
chân cầu O1 đến các lực Gg+d, Gtc,Gc , Po1.

- Pc , Gg+d , Gtc , Gc , lần lợt là lực của xi lanh nâng cần ,trọng lợng của
gầu +đất , tay cần , cần .
Tại vi trí đó ta đo đợc các bán kính tơng ứng va kết hợp với số liệu ở
trên ta có :
r g+d = 3399,5 mm
rtc = 2486 mm
rc = 1206 mm
rc = 647 mm
r01 = 3900,5 mm
r02= 700 mm
Thay số vào ta có :
Pc= 108155 N = 108 KN3.Xác định lực của xi lanh quay gầu :

8


o

Pqg

Pqg


P01
h'max

I

II

H1

G1

Khi răng gầu kết thúc quá trình cắt thì đạt ở độ cao ngang với khớp O và
chiều dầy phoi đất lớn nhất :
q

Cmax = b.H . Kt
1
Ta lấy mômen với diểm O sẽ có :
Pqg =

P0'1 r0 '1 + G g + d .rg + d
rqg

Ta đo đợc : r0'1 = 800 mm

;

rg +d = 180, 5 mm


rqg =175 mm

Lực P0'1 tính cho đất cấp II với hệ số cản riêng của nền đất : K1= 7 N/cm2 nên

9


P0 '1 = 3230,769N thay vào trên ta tính đợc : Pqg= 125610 N =12.5 KN

IV.Tính công suất động cơ
1)Công suất của cơ cấu nâng cần:
áp dụng công thức :
Nnc=

Pnc .Vnc
100. nc

trong đó
Pnc :
Lực xi lanh nâng cần Pnc =108 KN
Vnc: Vận tốc nâng cần Vnc =0.2 m/s
nc :
Hiệu suất nâng cần nc = 0.9
Thay số vào ta có : Nnc= 24 KW
2.Công suất của cơ cấu nâng tay cần
áp dụng công thức
Ntc=

Ptc .Vtc
100. tc


Với Ptc = 57,16 KN và Vtc = 0, 2 m/s .

Nnc= 12,703 KW
3. Tính công suất di chuyển
-Lực cản di chuyển
Wdc=Wms +Wđ+Wvòng+Wdốc+Wgió
Trong đó:
Wms:Lực cản do ma sát
Wms = G.cos . o
Wđ:Lực cản do biến dạng đất
Wđ= f.G
Wvòng:Lực cản khi vòng(bỏ qua)
Wdốc:Lực cản khi leo dốc
Wdốc = G.sin
Wgió:Lc cản của gió(bỏ qua)
Vậy có thể lấy : Wdc= Wms + Wđ+ Wdốc
-Lực cản di chuyển chung :
-Công suất di chuyển : Wdc= G.cos . o + f.G +G.sin
o : hệ số cơ bản
Ta lấy Góc nghiêng dốc : = 15o
Hệ số ma sát f =0,2 .
Tính đợc : Wdc= 7,006 KN
Lực cản di chuyển chung : Wo=7,12 KN
10


Wdc.Vdc
1000. dc. tb
25 KW


Ndc =
Ndc

Theo sổ tay máy xây dựng động cơ E153 có công suất N=27 KW

V.Năng suất máy thiết kế
1.Năng suất lý thuyết:
Qlt =

3600.q
Tck

trong đó
q:Dung tích hình học của gầu q=0.15
T:Thời gian làm việc một chu kỳ máy T=14(s)
Thay số vào ta có : Qlt =
2.Năng suất thực tế :
Qtt =

3600.q.K d K tg
Tck . K t

3600.0,15
=38,55 m3/h
14

Trong đó :
Ktg:hệ số sử dụng thời gian Ktg =0.8
Kt:Hệ số tơi của đất Kt =1.25

Kđ:Hệ số đẩy gầu Kđ=0.8
Thay số vào ta có : Qtt = 19,75 m3/ h

VI . Tính ổn định máy .
Ta phải kiểm tra ổn định ở hai trờng hợp di chuyển và làm việc của máy .
1 . Trờng hợp máy xúc đang làm việc .
Trờng hợp này bất lợi nhất là khi :
- Khi máy làm việc ở nền đất dính, khó xả đất mặt bằng đứng của máy
nghiêng góc =10o - 12o
- Gỗu vơn xa để đổ đất
- Cần vuông góc với trục dọc của máy

11


Các lực ký hiệu nh hình vẽ
Các giá tri của các lực đã tính ở phần trớc đợc sử dụng để tính ngay trong các
công thức này và các khoảng cách của cánh tay đòn của các lực thì đo từ trên
hình .
Mô men lật: MAl =Gc.Rc+Gtc.Rtc +Gg+đ.Rg+đ +Po1.Ro1
Với các khoảng cách tính đợc tơng ứng ta xác định đợc :
Mô men lật :
MAl =3700.1018 +1730.2155 + 4370.2850 +11538.3550 =60183188,5
N.mm
MAl =60,183 KN.m
Mô men giữ :
MAg =Gđt.Rđt +Gđc.Rđc +Gđk .Rđk +Gbq. Rbq +Po2.Ro2
MAg =493.3590,4 + 2958.3267,5 + 1380.2850 +7395.383 + 4615.2500
MAg =65147478,738 N.mm =65,447 KN.m
Hệ số ổn định : Kôđ = MAg / MAl = 1,21 thoả mãn : Kôđ 1.15

2.Khi maý làm việc
+ Gầu đang xúc đất
+Gặp chớng ngại vật
+Cần vuông góc với trục dọc của máy
+Lực nâng cần lớn nhất để thắng lực cản vật cản.

12


trớc hết ta tính

P

01

=
=

1
(108*380-3.7*828-1.73*1576-4.3*828)
1408

= 22.5(kN)
P od =
=
=

51 * 2210
3.7 * 828 + 1.73 * 1400 + 4.3 * 358 + 22.5 * 210


1.74 > 1.5

Kết luận máy xúc ổn định trong trờng hợp này

Phần III
13


Tính toán riêng Tay cần
I.Tính lực tác dụng lên tay cần :
Tay cần đợc tính khi trong thời gian đào đất tay cần có vị trí gần nh nằm
ngang .còn răng gầu bên cạnh gặp chớng ngại vật.Khi đó ngời láI máy về số
hi vọng vợt đợc qua chớng ngại vật.Nh vậy lúc đó xuất hiện lực nâng gầu lớn
nhất , đồng thời lực đẩy tay cần là lớn nhất

Ptc

G

Po1

Po2
Vì có chớng ngại vật ở răng gầu bên cạnh , dẫn đến làm cho thiết bị làm
việc và bàn quay của máy quay
Do đó làm xuất hiện một phản lực K sinh ra mô men quay cho bàn quay
Lực K đợc xác định theo công thức sau :
K=

M
R


ph

k

Trong đó

M

ph

r

: Mô men quay của cơ cấu quay
14


R


k

r

: Khoảng cách t đỉnh răng tới trục quay của máy xúc
: Hiệu suất của cơ cấu quay

Coi tay cần là một dầm
Sơ đồ lực :


Po1

m

Ptc

po2

m
K

m

m

Coi tay là một dầm chịu lực nh sau

15


Ta có biểu đồ nội lực

Tiết diện m-m chịu
Mô men uốn trong mặt phẳng đứng
M u = p x . l1
=180*0.6
= 45.6(KN.m)
Mô men xoắn do tác dụng của lực Po1 lệch khi tác dụng lên răng gầu

16



x
o

H

K= Mph/Rk r
=27781/0.6*0.9
= 30 (KN)
Chọn tiết diện nh hình vẽ

y

B
Ta có :

J

x

=

H

3

/6(3B/H+1)
2


Suy ra : = 3 Wu / H (3B/H +1) (cm)
Ta có

=

Mu

[ ] = ch
Wu
n

Trong đó:
ch Giới hạn chảy của vật liệu dùng chế tạo má khung
n = 1,4 ữ 1,5 hệ số an toàn
Chon thép CT3 có : ch =22000( N/ cm 2 )
Từ tiết diện đã chọn ta có
Wu =

HB 3 ( B 2 )( H 2 )

3

6H

= 20*30*30*30-180*280/6/300
= 838 ( cm 4 )
W x = 2(B- )(H- )
= 2(15-1)(35-1)1
17



= 952 ( cm 4 )
F= BH-(B- 2 )( H 2 )
F=952(
Xác định ứng suất cắt :
x =

M
Wx

x

=

2700
= 2.8
952

td = 2 u + 4 2 x [ ]

= 208 2 + 2.8 2
= 18 < 22 ( KN/ cm 2 )
Tính má khung để lắp pistông của xi lanh thuỷ lực:
Sơ đồ tính toán má khung đợc thể hiện trên hình
Kiểm tra bền cho tiết diện II-II của má khung:
Dới tác dụng của lực đẩy của pittông Px, má khung chịu
uốn Mômen uốn tại tiết diện II-II sẽ có trị số lớn nhất.Má
khung đợc hàn với dầm chính tại tiết diện II-II. Đây chính
là tiết diện nguy hiểm của má khung chịu lực đẩy Px của
pistông. Mômen uốn do Px gây ra tại tiết diên II-II đợc

xác định theo công thức:
M u = Px l
Trong đó:
l khoảng cách từ tâm chốt lắp cần pistông đến tiết diện
II-II
M
Rút ra : u = 57,16*1.2*150
=10288(N.m)
Dới tác dụng của Mu , trong khung tại tiết diện II-II xuất hiện ứng suất:
M
= u
Wu
Má khung đợc kiểm tra bền, theo công thức:
=

Mu

[ ] = ch
Wu
n

Trong đó:
ch Giới hạn chảy của vật liệu dùng chế tạo má khung
n = 1,4 ữ 1,5 hệ số an toàn

18


Từ phơng trình trên, nếu chon trớc vật liệu chế tạo má khung, sẽ có giá
trị của ch ,từ đó sẽ xác định đợc mômen chống uốn của tiết diện II-II:

M
n.Mu
Wu = u =
[] ch

ƯW

1.4 * 12088
22 *1000
= 650 ( cm 3 )

=

u

Sau khi xác định đợc mômen chống uốn Wu theo phơng x-x của tiết
diện II-II, sẽ xác định đợc mômen quán tính tơng ứng của tiết diện II-II
của má khung. Tiếp theo đó,dựa vào mômen quán tính sẽ xác định đợc
chiều dày của má khung.Chiều dày của má khung phải đảm bảo
cho khung không bị biến dạng khi chịu lực đẩy của pistông Px .
Mô men quán tính tại tiết diện II-II đợc xác định theo công thức:
Jx =

Wu .H
, cm 4
2

Tiết diện II-II là tiết diện hình hộp chữ nhật, có các kích thớc nh trên
hình vẽ (7.15a).Mômen quán tính của tiết diện sẽ là:
H 3 3B

Jx =
( + 1), cm 4
6 H

Kết hợp hai công thức trên, sẽ xác định đợc chiều dày của má khung:
Wu .H H 3 3 B
Jx =
=
( + 1), cm 4
2
6 H
Rút ra:
=

6J x
3Wu
=
, cm
3 3B
2 3B
H (
+ 1) H (
+ 1)
H
H

Chọn =10 (mm)
B=300(mm)

Ta tính đợc : H = 150 (mm)

Kiểm tra bền cho tiết diện I-I của má khung:
Tiết diện I-I của má khung để lắp cần pistông.Chốt để lắp
cần pistông đợc tựa trên hai má khung.Do đó mỗi má
khung sẽ chịu 0,5 Px . Chốt này vừa chịu cắt vừa chịu đập.
ứng suất cắt do Px gây ra cho chốt dùng để kiểm
tra bền khi chôt chịu cắt:

19


c =

0,5Px
[ ]
F

0.5 * 12.5 * 1000
50
=

= 570 ( N/ cm 2 )
Trong đó: F diện tích của tiết diện I-I, không kể diện
tích mắtj cắt ngang của vòng đệm ở hai bên
Kiểm tra bền khi chốt chịu đập
d =

0,5 Px
[ ]
2d


[] = ch

n
ch Giới hạn chảy của vật liệu đợc dùng chế tạo chốt.
Chốt thờng đợc dùng chế tạo từ thép 40x, có:
ch = 800 N

mm 2 = 8.10 4 N cm 2

n = 1,15 ữ 1,20 hệ số an toàn.
d =0.5*57.16*1.2/2/5

=3420 < 8.10 4 ( N cm 2 )

20


21