Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán, thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:155

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án là nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các yếu tố ảnh hưởng đến máy đào đất thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp để thiết kế và chế tạo thử nghiệm máy đào cỡ siêu nhỏ ở Việt Nam, đáp ứng nhu cầu thực tế, đạt năng suất và hiệu quả cao. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán, thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG TRẦN VĂN VIẾT NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỢP LÝ MÁY ĐÀO CỠ SIÊU NHỎ CÓ ƯU THẾ THI CÔNG TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA HÌNH CHẬT HẸP Ở VIỆT NAM Ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số : 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội - Năm 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG TRẦN VĂN VIẾT NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỢP LÝ MÁY ĐÀO CỠ SIÊU NHỎ CÓ ƯU THẾ THI CÔNG TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA HÌNH CHẬT HẸP Ở VIỆT NAM Ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số : 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. PHẠM QUANG DŨNG Hà Nội – Năm 2020
-i- LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Phạm Quang Dũng, Trường Đại học Xây dựng đã trực tiếp hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành được luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Máy xây dựng, Khoa Cơ khí Xây dựng và các nhà khoa học của Trường Đại học Xây dựng, Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Trường Đại học Công nghệ giao thông Vận tải, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và nhiều nhà khoa học khác đã trực tiếp đọc và góp ý vào các nội dung của luận án. Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Xây dựng, Khoa Đào tạo Sau đại học, Khoa Cơ khí Xây dựng, phòng nghiên cứu thực nghiệm cơ khí, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành nhiệm vụ và đạt được kết quả mong muốn. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong gia đình, bố mẹ, anh chị em trong gia đình, bạn bè thân thiết đã tạo điều kiện và động viên tôi để hoàn thành luận án này.
- ii - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sỹ “Nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán, thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp ở Việt Nam” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tất cả những nội dung tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn đầy đủ. Người cam đoan Trần Văn Viết
- iii - MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………......... i LỜI CAM ĐOAN ………………………………………………………………... ii MỤC LỤC ………………………………………………………………………... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU …………………………………………………… vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ………………….………………………………... x DANH MỤC CÁC BẢNG ………………………………………………………. xi MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………. 1 1. Lý do lựa chọn đề tài …………………………………………………………. 1 2. Mục đích, nội dung nghiên cứu ………………………………………………. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ……………………………………………. 2 4. Cơ sở khoa học………………………………………………………………... 2 5. Phương pháp nghiên cứu ……………………………………………………... 3 6. Đóng góp mới của luận án …………………………………………………… 3 7. Cấu trúc của luận án ………………………………………………………….. 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU …………………... 6 1.1. Tình hình cơ giới hóa thi công công tác đất trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ ở Việt Nam ………………… 6 1.2. Tổng quan về máy đào cỡ siêu nhỏ ………………………………………... 9 1.2.1. Máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ ……………………………………………… 9 1.2.2. Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục …………………………... 11 1.3. Tổng quan các công trình nghiên cứu về quá trình làm việc của bộ phận công tác máy đào đất ……………………………………………………………… 19 1.4. Công dụng và các yêu cầu đối với máy đào cỡ siêu nhỏ cần thiết lập ……. 30 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA BỘ PHẬN CÔNG TÁC MÁY ĐÀO CỠ SIÊU NHỎ …………… 34
- iv - 2.1. Nguyên tắc thiết lập máy đào cỡ siêu nhỏ và đề xuất phương án đối với bộ phận công tác của máy …………………………………………………………… 34 2.2. Phân tích cấu trúc quá trình làm việc của bộ phận công tác ………………… 37 2.3. Xây dựng mô hình toán học cho công đoạn cắt đất của bộ phận công tác …… 43 2.3.1. Nghiên cứu động học quá trình làm việc của bộ phận công tác …………… 43 2.3.2. Xác định các thành phần lực cản cắt đất trên mỗi lưỡi cắt …………………. 47 2.3.3. Xác định các thông số kỹ thuật cơ bản (các thông số đầu ra) cho công đoạn cắt đất của bộ phận công tác ………………………………………………………. 48 2.4. Xác định các thông số kết cấu hợp lý của lưỡi cắt …………………………… 51 2.4.1. Đặt bài toán ………………………………………………………………… 51 2.4.2. Phương pháp xác định ……………………………………………………… 54 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA BỘ PHẬN CÔNG TÁC …………………………. 58 3.1. Chương trình và phương pháp tiến hành nghiên cứu thực nghiệm …………... 58 3.1.1. Chương trình nghiên cứu thực nghiệm …………………………………….. 58 3.1.2. Phương pháp NCTN trên cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm ………… 59 3.2. Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm ……………………………... 66 3.2.1. Mô hình nghiên cứu thực nghiệm ………………………………………….. 66 3.2.2. Thiết bị đo ………………………………………………………………….. 69 3.2.3. Thiết lập mô hình đất và mô hình bộ phận công tác ……………………….. 74 3.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm …………………………………………….. 75 3.3.1. Kiểm chứng bằng thực nghiệm mô hình toán học cho công đoạn cắt đất …. 75 3.3.2 Nghiên cứu tối ưu các thông số kỹ thuật của bộ phận công tác bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố …………………………………………… 77 CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ……. 90 4.1. Phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ ………………… 90 4.2. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm máy đào cỡ siêu nhỏ MDM-1E dẫn động
-v- bằng động cơ điện ………………………………………………………………… 96 4.2.1. Tính toán thiết kế máy ……………………………………………………… 96 4.2.2. Chế tạo và thử nghiệm máy ………………………………………………... 100 KẾT LUẬN …………………..…………………………………………………... 104 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ ……….. 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO …..…………………………………………………... 107 PHỤ LỤC 1 (CHƯƠNG 2) .……………………………………………………... PLI PHỤ LỤC 2 (CHƯƠNG 3) …………………………………………………….... PLII PHỤ LỤC 3 (CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN) …………………………….… PLIII
- vi - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Diễn giải Đơn vị δ Góc cắt - góc giữa mặt trước lưỡi cắt và hướng cắt Độ  Góc sắc - góc giữa mặt trước và mặt sau của lưỡi cắt Độ β Góc sau - góc giữa mặt sau của lưỡi cắt và hướng cắt Độ α Góc nhọn ở đỉnh lưỡi cắt Độ b Chiều rộng lưỡi cắt và chiều rộng của phoi đất cm h Chiều dày phoi đất (chiều sâu cắt đất) cm vc Vận tốc cắt - Vận tốc di chuyển của lưỡi cắt theo hướng cắt m/s v Vận tốc di chuyển máy m/s P Lực cản tiếp tuyến N N Lực cản pháp tuyến N k1 Hệ số cản cắt riêng 1 Hệ số lấy theo trạng thái nền đất và lưỡi cắt (theo công thức 1.2) A Hằng số xác định theo tính chất cơ lý của nền đất cz Chiều dày của phoi đất cm z Hệ số kể đến ảnh hưởng của góc cắt và các thông số b, c h1 Chiều dày vùng đất bị nứt của phoi cắt cm hT Độ sâu tới hạn của vệt cắt cm PM Lực cản phía trước mũi lưỡi cắt N Pc Lực cản ở phần đất bị nứt vỡ của hai bên lưỡi cắt N Pcc Lực cản cắt thuần túy ở hai cạnh lưỡi cắt phía dưới phần đất bị nứt vỡ N FM Diện tích mặt cắt trước mũi lưỡi cắt cm2 Fc Diện tích tiết diện phần đất bị nứt vỡ ở hai bên lưỡi cắt cm2 Lcc Chiều dài cạnh cắt thuần túy ở hai cạnh lưỡi cắt cm pM Lực cản cắt riêng tại vùng trước mũi lưỡi cắt N/cm2 pc Lực cản riêng tại phần đất bị nứt vỡ ở hai bên N/cm2 pcc Lực cản cắt riêng tại cạnh cắt thuần túy ở hai bên N/cm mM Lực cản riêng vùng trước mũi lưỡi cắt N/cm2 mc Hệ số lực cản cắt riêng tại vùng trước mũi lưỡi cắt mcc Hệ số lực cản riêng tại phần đất bị nứt vỡ ở hai bên ĐV Nhóm thông số đầu vào KCcđ Nhóm thông số kết cấu cắt đất
- vii - KCvc Nhóm thông số kết cấu vận chuyển đất ĐH Nhóm thông số động học ĐR Mô hình toán học tổng quát quá trình làm việc của bộ phận công tác E Chi phí năng lượng riêng Wh/m3 Pdc Lực cản công tác theo phương di chuyển N Mq Mômen cản quay rôto Nm Q Năng suất kỹ thuật của máy m3/h Gm Trọng lượng máy N Pg Lực giữ trên tay lái của máy N l Chiều dài cánh chuyển đất cm B Chiều rộng rãnh đào m R Bán kính làm việc của rô to m H Chiều sâu của một lần đào đào m HT chiều sâu tối đa của rãnh đào m LVC Độ xa vận chuyển đất theo nguyên lý văng ly tâm m c Chiều rộng cánh chuyển đất cm bc Chiều rộng phoi đất tách ra từ nền cm hc Chiều dày phoi đất tách ra từ nền cm n Tốc độ quay rôto v/ph Ecđ Chi phí năng lượng riêng công đoạn cắt đất Wh/m3 Pdccđ Lực cản công tác theo phương di chuyển trong công đoạn cắt đất N M qcđ Mômen cản quay rôto trong công đoạn cắt đất Nm no Số lượng cánh chuyển đất cánh r Vận tốc góc của rôto rad/s vr Vận tốc dài trong mặt phẳng quay của rôto m/s Pi Lực cản cắt trên mỗi lưỡi cắt theo phương tiếp tuyến N Ni Lực cản cắt trên mỗi lưỡi cắt theo phương pháp tuyến N µ Góc ma sát ngoài giữa đất và thép Độ  Góc nghiêng đường xoắn ốc là tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động Độ của lưỡi cắt theo rãnh đào N qcđ Công suất quay rô to khi cắt đất kW cđ N dc Công suất di chuyển máy khi cắt đất kW Nccđ Công suất tiêu hao trực tiếp để dẫn động bộ phận công tác cắt đất kW
- viii - Ecđ Chi phí năng lượng riêng cho bộ phận công tác trong quá trình cắt đất Wh/m3 Sh Diện tích tiết diện rãnh đào m2 X1 Thông số điều khiển chiều rộng cách chuyển đất c cm X2 Thông số điều khiển tốc độ di chuyển máy v m/s X3 Thông số điều khiển tốc độ quay rôto n v/ph Xi Giá trị mã hóa của thông số điều khiển thứ i i Khoảng biến thiên giá trị thực của thông số điều khiển thứ i Y Mô hình biểu thị bằng phương trình hồi quy bậc 2 G Hàm phương sai theo chuẩn Kohren Gb Giá trị Kohren Si2 Phương sai của thí nghiệm thứ i Si2max Phương sai của thí nghiệm lớn nhất Sa2 Phương sai tuyển chọn Sb2 Phương sai do nhiễu tạo nên yi Giá trị trung bình thực nghiệm của hàm tại thí nghiệm thứ i yˆ i Giá trị tính toán theo mô hình tại điểm i k* Số các hệ số trong mô hình hồi quy m Số lần lặp của mỗi thí nghiệm i Ftt Giá trị tính toán của chuẩn Fisher ys Hàm mục tiêu X Các thông số vào trong hệ tọa độ mới Bii Hệ số phương trình chính tắc Y(X) Hàm mục tiêu dạng hồi quy bậc hai hoặc tuyến tính G(X) Hàm điều kiện dạng hồi quy bậc hai hoặc tuyến tính p01 Giá trị trung bình của áp lực dầu trong xilanh thủy lực ở công đoạn cắt N/cm2 đất p02 Giá trị trung bình của áp lực dầu trong mô tơ thủy lực ở công đoạn cắt N/cm2 đất pdc Áp lực dầu trung bình trong xilanh thủy lực cho cả chu kỳ N/cm2 pq Áp lực dầu trung bình trong mô tơ thủy lực cho cả chu kỳ N/cm2 pm1 Giá trị trung bình cực trị của áp lực dầu trong xilanh thủy lực ở thời N/cm2 điểm sập lõi đất, lấy trung bình cho 3 chu kỳ
- ix - pm2 Giá trị trung bình cực trị của áp lực dầu trong mô tơ thủy lực ở thời N/cm2 điểm sập lõi đất, lấy trung bình cho 3 chu kỳ pdccđ Áp lực dầu trung bình trong xilanh cho công đoạn cắt đất N/cm2 pqcđ Áp lực dầu trung bình trong mô tơ thủy lực cho công đoạn cắt đất N/cm2 q Hiệu suất dẫn động mô tơ thủy lực  dc Hiệu suất dẫn động piston b Hệ số bám của bánh lốp với nền đất kb Hệ số an toàn bám θo Độ dốc khi máy di chuyển Độ θmax Độ dốc khi máy di chuyển lớn nhất Độ θmin Độ dốc khi máy di chuyển nhỏ nhất Độ  Pdc dk Giá trị giới hạn đối với lực cản công tác theo phương di chuyển theo N điều kiện bám Gmin Trọng lượng nhỏ nhất của máy N Gm ax  Trọng lượng lớn nhất của máy N Pg max Lực giữ tối đa của người điều khiển trên càng lái N  M q  Giá trị giới hạn đối với mô men cản quay theo điều kiện đảm bảo ổn Nm dk định của máy Ecđtn Chi phí năng lượng riêng thực nghiệm cho bộ phận công tác trong quá Wh/m3 trình cắt đất Ecđ tn Chi phí năng lượng riêng trung bình thực nghiệm cho bộ phận công Wh/m3 tác trong quá trình cắt đất M qcđtn Mômen cản quay rôto thực nghiệm trong công đoạn cắt đất Nm M qcđtn Mômen cản quay rôto trung bình thực nghiệm trong công đoạn cắt đất Nm Pdccđtn Lực cản công tác thực nghiệm theo phương di chuyển trong công đoạn N cắt đất Pdccđtn Lực cản công tác trung bình thực nghiệm theo phương di chuyển trong N công đoạn cắt đất  ssP Sai số lực cản di chuyển giữa lý thuyết và thực nghiệm %  ssM Sai số mô men cản quay rô to giữa lý thuyết và thực nghiệm %  ssE Sai số chi phí năng lượng riêng giữa lý thuyết và thực nghiệm % Dbx Đường kính bánh xe di chuyển m
-x- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên gọi Trang Hình 1.1 Máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ (micro-excavator) 10 Hình 1.2 Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục 12 Sáng chế số 459563 – Bộ phận công tác máy đào đất và nạo vét Hình 1.3 13 kênh mương (CHLB Nga) Sáng chế số 308158 –Bộ phận công tác đào –vận chuyển đất Hình 1.4 14 (CHLB Nga) Hình 1.5 Sáng chế số 291006 – Máy đào cỡ siêu nhỏ (CHLB Nga) 14 Hình 1.6 Sáng chế số 2798314 – Cơ cấu đào đất (Mỹ) 15 Hình 1.7 Máy đào cỡ siêu nhỏ ZMTI-1 16 Hình 1.8 Bộ phận công tác máy đào cỡ siêu nhỏ theo GPHI số 4364476 18 Hình 1.9 Sơ đồ cắt đất bằng lưỡi cắt hình nêm 21 Hình 1.10 Tính không gian của vệt cắt 23 Hình 1.11 Vị trí tương đối của lưỡi cắt so với nền đất 23 Hình 1.12 Lực cản cắt đất phụ thuộc vào kích thước phoi đất 24 Hình 1.13 Sơ đồ xác định các thành phần lực cản tiếp tuyến 25 Bộ phận công tác máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên Hình 2.1 35 tục Hình 2.2 Cấu trúc quá trình làm việc của bộ phận công tác 43 Hình 2.3 Sơ đồ biểu diễn chuyển động của bộ phận công tác 44 Hình 2.4 Sơ đồ tác động tương hỗ giữa lưỡi cắt và nền đất 47 Hình 2.5 Sơ đồ đặt lực cản cắt đất lên bộ phận công tác 49 Hình 2.6 Đồ thị hàm Ecđ = f(,) 56 Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo mô hình nghiên cứu thực nghiệm 68
- xi - Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn thủy lực 69 Kết quả đo áp lực dầu dẫn động mô tơ thủy lực và xy lanh thủy Hình 3.3 lực ở trạng thái có tải cho trường hợp c = 7 cm, v = 1,5 m/ph và 71 n = 550 v/ph Hình 3.4 Búa xác định cấp đất 74 Hàm năng lượng riêng YE phụ thuộc vào cặp yếu tố(X1 , X2) Hình 3.5 84 tại X3= 0.286 Đường đồng mức hàm năng lượng riêng YE phụ thuộc vào cặp Hình 3.6 85 yếu tố (X1 , X2) tại X3= 0.286 Hình 4.1 Trình tự các bước tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ 91 Hình 4.2 Phương án truyền - dẫn động của máy đào cỡ siêu nhỏ 93 Hình 4.3 Định dạng dữ liệu trên file nguồn OPT.xls 97 Hình 4.4 Sơ đồ trình tự gia công chế tạo máy 101 Hình 4.5 Máy đào cỡ siêu nhỏ MDM-1E 102 Hình 4.6 Thử nghiệm có tải đối với máy đào MDM-1E 103
- xii - DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên gọi Trang Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật của một số máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ 11 Đặc tính kỹ thuật của máy chế tạo thử nghiệm ZMTI-1 và ZMTI- Bảng 1.2 17 2e Bảng 3.1 Số lần va đập theo cấp đất 75 Bảng 3.2 So sánh các giá trị đầu ra giữa lý thuyết và thực nghiệm 77 Bảng 3.3 Giá trị các hệ số dạng thực hàm E 82 Bảng 3.4 Bảng giá trị các thông số tại điểm tối ưu bộ dữ liệu số 11876 89 Bảng giá trị các thông số tại điểm tối ưu giữa bộ dữ liệu số 12336 Bảng 4.1 98 và 12337 BẢNG KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Diễn giải NCKH Nghiên cứu khoa học CHLB Cộng hòa liên bang GPHI Giải pháp hữu ích BPCT Bộ phận công tác ĐHXD Đại học xây dựng QHTN Quy hoạch thực nghiệm PTHQDT Phương trình hồi quy dạng thực
-1- MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Máy đào là loại thiết bị chủ lực trong thi công xây dựng các công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông, thủy lợi và khai thác mỏ, góp phần nâng cao năng suất, giảm nhẹ sức lao động nặng nhọc của con người, hạ giá thành, rút ngắn thời gian thi công, nâng cao chất lượng công trình và đảm bảo an toàn. Tuy nhiên, trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ, khối lượng thi công nhỏ lẻ thì việc sử dụng các loại máy đào cỡ nhỏ, cỡ vừa và lớn là không thể thực hiện được hoặc cho hiệu quả kinh tế không cao. Do còn thiếu các thiết bị làm đất cỡ siêu nhỏ gọn nhẹ, cơ động mà khối lượng công tác đất trong điều kiện nêu trên buộc phải thi công bằng sức lao động thủ công nặng nhọc với năng suất và hiệu quả kinh tế rất thấp. Tình trạng tương tự cũng có thể xảy ra ngay cả đối với các nước công nghiệp phát triển. Ở Việt Nam, do điều kiện tự nhiên và lịch sử phát triển kinh tế xã hội mà số lượng lớn các công trình xây dựng ở đô thị là của tư nhân với diện tích từ 20÷100m2 nằm trong địa bàn chật hẹp, lối vào nhỏ từ 1÷3m, cùng với đó là các công trình hạ tầng có quy mô nhỏ tại các khu phố cũ, khu dân cư trong thành phố như hạ ngầm đường cáp điện, cáp viễn thông, đường ống cấp thoát nước…Khối lượng công tác đất khi thi công hoặc cải tạo các công trình này là khá lớn, bao gồm: đào rãnh đặt đường ống cấp thoát nước, đặt đường cáp ngầm; đào các hố móng nhỏ xây nhà hoặc xây tường bao.... Tại các khu vực ngoại thành và nông thôn, khối lượng công tác đất phục vụ sản xuất nông nghiệp, kinh tế vườn và trang trại như đào rãnh cấp thoát nước, đánh luống, đào rãnh đặt đường ống tưới tiêu trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao cũng khá lớn song nằm rải rác, phân tán và hệ thống đường nông thôn chưa đồng bộ, việc đưa các loại máy đào đất hiện có đến thi công trong các điều kiện nêu trên ở cả đô thị và nông thôn, là không thực hiện được hoặc cho hiệu quả không cao. Vì vậy mà khối lượng công tác đất nêu trên thường phải thi công bằng sức lao động thủ công nặng nhọc, năng suất thấp, chi phí cao do chưa có máy
-2- đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong địa bàn chật hẹp, trong khi nhu cầu thực tế của loại máy này là không nhỏ. Vì những lý do trên mà đề tài: “Nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán, thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp ở Việt Nam” được đặt ra là một yêu cầu cấp thiết. 2. Mục đích, nội dung nghiên cứu Mục đích của luận án là nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các yếu tố ảnh hưởng đến máy đào đất thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp để thiết kế và chế tạo thử nghiệm máy đào cỡ siêu nhỏ ở Việt Nam, đáp ứng nhu cầu thực tế, đạt năng suất và hiệu quả cao. Để đạt được mục đích nêu trên, nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm: - Nghiên cứu xây dựng nguyên tắc thiết lập máy và đề xuất mới phương án đối với bộ phận công tác của máy đào cỡ siêu nhỏ, đáp ứng yêu cầu đặt ra đối với máy. - Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định các thông số và chế độ làm việc hợp lý của bộ phận công tác đã đề xuất, làm cơ sở cho việc thiết kế máy đào cỡ siêu nhỏ. - Xây dựng phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ; thiết kế và chế tạo thử nghiệm mẫu máy đào cỡ siêu nhỏ MDM – 1E theo các yêu cầu đặt ra đối với máy. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục, chuyên dùng để thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ, thay thế sức lao động thủ công nặng nhọc. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Máy đào cỡ siêu nhỏ dùng để thi công rãnh đào có chiều rộng đến 0,4m; chiều sâu đến 1m, trên nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát có độ cứng đến cấp III, trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ 1 ÷ 3m. 4. Cơ sơ khoa học
-3- Luận án xây dựng cơ sở lý thuyết quá trình làm việc bộ phận công tác mới của máy đào cỡ siêu nhỏ chuyên dùng để thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp dựa trên các cơ sở khoa học sau: - Lý thuyết cắt đất của viện sỹ Vétrôv; - Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm cực trị đa yếu tố. 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm 5.1. Về lý thuyết - Phân tích tổng quan về máy đào cỡ siêu nhỏ và các công trình nghiên cứu quá trình làm việc của máy để xây dựng các nguyên tắc thiết lập máy và đề xuất mới phương án bộ phận công tác. - Sử dụng lý thuyết cắt đất để xây dựng mô hình toán học cho công đoạn cắt đất của bộ phận công tác; khảo sát đa yếu tố để xác định giá trị hợp lý các thông số kết cấu của lưỡi cắt bằng chương trình máy tính viết trên nền Matlab. 5.2. Về thực nghiệm - Tiến hành các thí nghiệm trên mô hình thực nghiệm để kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình toán học đã xây dựng bằng nghiên cứu lý thuyết. - Nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm cực trị để xác định các thông số kết cấu và động học hợp lý của bộ phận công tác. 6. Đóng góp mới của luận án 6.1. Về phương diện khoa học - Đã đề xuất được bộ phận công tác đào đất mới có cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo, cho chi phí năng lượng riêng và chi phí kim loại riêng nhỏ do kết hợp được công đoạn cắt đất và vận chuyển đất trong cùng một cụm chi tiết và làm việc theo nguyên lý cắt đất từ nền thành phoi, không cắt đất trên toàn bộ tiết diện rãnh đào phối hợp với vận chuyển bằng văng ly tâm. - Bằng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, đã làm rõ được quy luật thay đổi của các thông số đầu ra, bao gồm: chi phí năng lượng riêng, lực cản
-4- công tác theo phương di chuyển và mô men cản quay rô to, phụ thuộc vào các thông số kết cấu và động học của bộ phận công tác, theo đó xác định được các thông số và chế độ làm việc hợp lý của bộ phận công tác đã đề xuất, làm cơ sở cho việc thiết kế máy đào cỡ siêu nhỏ. 6.2. Về phương diện thực tiễn Xây dựng được phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ dùng cho kỹ sư Máy xây dựng; thiết kế, chế tạo thử nghiệm mẫu máy đào cỡ siêu nhỏ MDM – 1E là cơ sở cho việc tiếp tục đầu tư nghiên cứu hoàn thiện để tạo ra được loại máy đào cỡ siêu nhỏ mới ở Việt Nam, đáp ứng nhu cầu thực tế, đem lại hiệu quả cao. 7. Cấu trúc của luận án Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương, kết luận, tài liệu tham khảo và các công trình đã công bố. Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương này trình bày tình hình cơ giới hóa thi công công tác đất trong điều kiện địa hình chật hẹp ở Việt Nam, tổng quan về máy đào cỡ siêu nhỏ và các công trình nghiên cứu về quá trình làm việc của máy đào đất. Thông qua việc phân tích, đánh giá để đặt ra các yêu cầu đối với máy đào cỡ siêu nhỏ, rút ra các kết luận có tính định hướng cho quá trình nghiên cứu và đề ra nhiệm vụ nghiên cứu của luận án. Chương 2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình làm việc của bộ phận công tác máy đào cỡ siêu nhỏ Chương này xây dựng các nguyên tắc thiết lập máy đào cỡ siêu nhỏ; đề xuất phương án cấu tạo, nguyên lý làm việc của bộ phận công tác; phân tích cấu trúc quá trình làm việc của bộ phận công tác làm cơ sở lý thuyết cho phương pháp và trình tự giải quyết bài toán xác định các thông số và chế độ làm việc hợp lý của bộ phận công tác; xây dựng mô hình toán học cho công đoạn cắt đất của bộ phận công tác để khảo sát, xác định các thông số kết cấu hợp lý của lưỡi cắt.
-5- Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm để xác định các thông số hợp lý của bộ phận công tác Chương này xây dựng chương trình và phương pháp tiến hành nghiên cứu, thực nghiệm; chuẩn bị cơ sở vật chất cho nghiên cứu thực nghiệm; kiểm chứng bằng thực nghiệm mô hình toán học đã xây dựng ở chương 2; sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm cực trị đa yếu tố để xác định các phương trình hồi qui của các hàm mục tiêu, theo đó xử lý dữ liệu để tạo ra được nguồn dữ liệu xác định miền giá trị hợp lý của các thông số kết cấu và động học, làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ. Chương 4. Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án Chương này xây dựng phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ; áp dụng để thiết kế, chế tạo, thử nghiệm máy đào cỡ siêu nhỏ MDM – 1E dẫn động bằng động cơ điện. Kết luận Trình bày các kết luận chính, các kết quả thu được của luận án. Luận án đã kế thừa và phát triển kết quả của đề tài NCKH cấp thành phố Hà Nội, mã số 01C-01/06-2013-2 “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục” do Thầy hướng dẫn chủ trì và NCS là thành viên chính. Nội dung luận án đã được công bố trong các công trình sau: - Mô hình nghiên cứu thực nghiệm là kết quả của đề tài NCKH cấp Trường trọng điểm và được công bố trên tạp chí Công nghiệp nông thôn; - Nội dung và kết quả nghiên cứu ở Chương 2 và Chương 3 được công bố trên tạp chí Cơ khí Việt Nam và tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng; - Máy đào cỡ siêu nhỏ dẫn động bằng động cơ điện MDM-1E và bộ phận công tác của máy đã được cấp bằng độc quyền sáng chế số 24312: “Máy đào đất cỡ siêu nhỏ dẫn động bằng động cơ điện”, được cấp theo Quyết định số 6168w/QĐ- SHTT, ngày 27/05/2020 của Cục sở hữu trí tuệ, Bộ Khoa học và Công nghệ. Luận án được thực hiện tại Bộ môn Máy xây dựng và Phòng nghiên cứu thực nghiệm cơ khí, trường Đại học Xây dựng.
-6- CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tình hình cơ giới hóa thi công công tác đất trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ ở Việt Nam Công tác đất là một công việc hết sức nặng nhọc và chiếm khối lượng cũng như chi phí rất lớn trong thi công xây dựng, trong đó công tác đào đất là công đoạn nặng nhọc và chiếm khối lượng lớn nhất. Do quá trình đô thị hoá ở nước ta hiện nay diễn ra hết sức nhanh và rộng khắp mà khối lượng công tác đất trong xây dựng là rất lớn và ngày càng tăng. Tại hầu hết các đô thị ở nước ta hiện nay, ngoài các công trình công cộng, trụ sở cơ quan và các khu đô thị mới được qui hoạch bài bản thì luôn tồn tại các khu dân cư, khu đô thị cũ chật hẹp với diện tích mỗi công trình từ 20 ÷ 100 m2, lối vào là các con ngõ, ngách có chiều rộng từ 1 ÷ 3 m. Tại các địa bàn này, việc đào các hố móng nhỏ để xây nhà hoặc xây tường bao, đào rãnh đặt đường ống cấp nước sạch, cống thoát nước hoặc hạ ngầm cáp điện, cáp viễn thông… thường phải sử dụng sức lao động thủ công nặng nhọc, năng suất rất thấp và chi phí cao do chưa có loại máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ. Trong một số trường hợp có thể sử dụng máy đào một gầu cỡ nhỏ, cỡ siêu nhỏ song cho hiệu quả kinh tế không cao do chi phí cho việc vận chuyển máy đến nơi thi công lớn mà khối lượng thi công nhỏ, mật độ người tham gia giao thông trong các khu dân cư là rất lớn. Về nền đất tại các khu vực này thường là đất san nền, tương đương với nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát… có độ cứng đến cấp III, có thể lẫn gạch đá nhỏ, khối lượng riêng ở trạng thái chặt 1700 ÷ 1850 kg/m3, hệ số tơi của đất kt = 1,1 ÷ 1,3 [24], [25]. Về kích thước, để hạ ngầm các đường ống cấp thoát nước, cáp điện, cáp viễn thông thì rãnh đào phải có chiều rộng khoảng 0,4 m và chiều sâu tối đa 0,8 ÷ 1,0 m [3], [9]. Tại các thành phố lớn như Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh, do mất cân bằng giữa sự phát triển đô thị và gia tăng dân số trong thành phố mà dẫn tới tình trạng quá tải về nhiều mặt, trong đó có các hệ thống điện, nước và hệ thống thông tin.