Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:139

Thêm vào BST

Báo xấu

51
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong điều kiện thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam để tìm ra quy luật thay đổi của các thông số động lực học trong các trường hợp làm việc điển hình của máy. Dựa trên các kết quả nghiên cứu đã thu được, luận án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm động lực học.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- NGUYỄN NGỌC TRUNG NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC TRONG THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG Ở VIỆT NAM Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1- PGS.TS.NGND. NGUYỄN ĐĂNG ĐIỆM 2- PGS.TS. LÊ QUANG HANH Hà Nội - 2018
i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới PGS-TS- NGND. Nguyễn Đăng Điệm và PGS-TS Lê Quang Hanh – Trường Đại học Giao thông Vận tải, hai người Thầy đã hướng dẫn, động viên giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo tại bộ môn Máy xây dựng Xếp dỡ, các nhà khoa học của Trường Đại học Giao thông Vận tải, Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Trường Đại học Xây dựng, Học viện Nông Nghiệp Việt Nam, Viện Khoa học Công nghệ GTVT,... đã giúp đỡ và góp ý cho tôi trong quá trình nghiên cứu và viết luận án của mình. Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Giao thông Vận tải, phòng Đào tạo Sau Đại học, Khoa Cơ khí, Phòng Khoa học Công nghệ, Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải cùng các phòng ban chức năng trong Nhà trường đã tạo điều kiện vật chất giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để đạt được kết quả mong muốn. Xin trân trọng cảm ơn tới Lãnh đạo Công ty CP Kỹ thuật Nền móng và Công trình ngầm FECON, Công ty TNHH LG Display Việt Nam Hải Phòng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện đo đạc thực nghiệm thiết bị tại hiện trường để hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn vợ và gia đình tôi đã động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều về mặt thời gian, ủng hộ về vật chất lẫn tinh thần để giúp tôi hoàn thành luận án này. Nguyễn Ngọc Trung
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và tài liệu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả những nội dung tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Trung
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................................1 2. Mục tiêu của đề tài.......................................................................................................2 3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ............................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ..................................................................3 6. Điểm mới của luận án ..................................................................................................4 7. Bố cục của luận án .......................................................................................................4 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..........................................6 1.1. Tổng quan về công tác thi công nền móng công trình .......................................6 1.1.1. Tổng quan về tính chất cơ lý của nền đất yếu của Việt Nam ........................6 1.1.2. Tổng quan về công tác thi công nền móng công trình nói chung và thi công nền móng công trình trên nền đất yếu nói riêng. .....................................................9 1.1.3. Tổng quan về công nghệ thi công cọc và máy ép cọc thủy lực di chuyển bước .....................................................................................................................11 1.1.4. Nhu cầu sử dụng máy ép cọc thủy lực di chuyển bước hiện nay ở Việt Nam. .....................................................................................................................16 1.2. Tổng quan các công trình đã nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận án ........................................................................................................................17 1.2.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về kết cấu máy ép cọc thủy lực di chuyển bước. ..........................................................................................................17 1.2.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước. ......................................................................................................24 1.2.3. Các nghiên cứu về thực nghiệm máy ép cọc thủy lực di chuyển bước .......35 Kết luận chương 1 .........................................................................................................37 CHƯƠNG 2- NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC .....................................................................................................39 2.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................39
iv 2.2. Nghiên cứu động lực học máy khi nâng cọc....................................................39 2.2.1. Mô hình động lực học của máy ép cọc khi hệ thống cần trục nâng cọc có xét đến độ chùng của cáp .......................................................................................39 2.2.2. Thiết lập phương trình chuyển động của hệ ................................................42 2.2.3. Giải hệ phương trình chuyển động ..............................................................45 2.3. Nghiên cứu động lực học máy khi nâng cọc và quay ......................................47 2.3.1. Xây dựng mô hình động lực học của máy ép cọc khi hệ thống cần trục nâng cọc và quay .............................................................................................................47 2.3.2. Thiết lập phương trình chuyển động của hệ ................................................49 2.3.3. Giải hệ phương trình chuyển động ..............................................................57 2.3.4. Xác định lực tác dụng lên các chân chống của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ...........................................................................................................61 2.4. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy ép cọc di chuyển bước ...............................................................................................................65 2.4.1. Nghiên cứu động lực học hệ thống xi lanh thủy lực khi kẹp cọc. ...............66 2.4.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống xi lanh thủy lực khi ép cọc ..................70 2.4.3. Nghiên cứu động lực học hệ thống xi lanh thủy lực di chuyển máy ...........72 2.4.4. Xây dựng các chuơng trình mô phỏng bằng Matlab- Simulink và tiến hành mô phỏng các quá trình làm việc của hệ thống TĐTL...........................................74 CHƯƠNG 3- NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC .............82 3.1. Mục đích thực nghiệm .....................................................................................82 3.2. Các thông số thực nghiệm................................................................................82 3.3. Các thiết bị và đối tượng thực nghiệm .............................................................83 3.3.1. Các đầu đo trực tiếp .....................................................................................83 3.3.2. Lựa chọn đối tượng thực nghiệm ................................................................84 3.3.3. Bố trí đầu đo và các thiết bị đo ....................................................................84 3.4. Sơ đồ khối tiến hành thực nghiệm ...................................................................86 3.5. Kết quả thực nghiệm và xử lý số liệu ..............................................................87 3.5.1. Xử lý kết quả đo thực nghiệm .....................................................................87 3.5.2. Các trường hợp thực nghiệm .......................................................................88 3.6. Phân tích và so sánh kết quả thực nghiệm .......................................................91
v 3.6.1. Phân tích kết quả thực nghiệm, ta có nhận xét như sau: .............................91 3.6.2. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết .....................................91 CHƯƠNG 4- KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC ..........................97 4.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số động lực học của máy trong quá trình cung cấp cọc. ..............................................................................................97 4.1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình động lực học máy ...............................97 4.1.2. Khảo sát độ ổn định của máy khi thay đổi tải trọng nâng và tầm với .........98 4.1.3. Khảo sát động lực học máy khi thay đổi vận tốc nâng cọc (vn) ..................98 4.1.4. Khảo sát động lực học máy khi thay đổi vận tốc quay mâm quay (nq) .......99 4.1.5. Khảo sát động lực học máy khi thay đổi đường kính cáp (dc) ..................100 4.1.6. Khảo sát các trường hợp làm việc ảnh hưởng đến các thông số động lực học của máy..........................................................................................................101 4.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số động lực học của máy trong trường hợp ép cọc. ...................................................................................................103 4.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình động lực học máy .............................103 4.2.2. Khảo sát động lực học máy khi thay đổi đường kính xi lanh ép cọc (De) 103 4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố địa chất, nền móng v.v. đến các thông số động lực học (áp suất, lưu lượng, lực động,v.v.) thuộc hệ thống TĐTL.........104 4.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số động lực học của máy trong trường hợp di chuyển máy. ......................................................................................109 4.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình động lực học máy .............................109 4.3.2. Khảo sát động lực học máy khi thay đổi đường kính xi lanh di chuyển máy (Ddc) ...................................................................................................................109 4.4. Xác định một số thông số hợp lý của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước (theo quan điểm ĐLH) .............................................................................................110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ ........................116 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................117
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Diễn giải Đơn vị Mô men quán tính quy dẫn của động cơ thủy lực và các chi 1 kg.m2 tiết quay trong cơ cấu về trục động cơ thủy lực m2 Khối lượng quy dẫn cần của cần trục về một điểm nằm trên cần kg m3 Khối lượng của đối trọng cần trục kg m4 Khối lượng của cọc kg Mômen quán tính quy dẫn của động cơ thủy lực và các chi 5 kg.m2 tiết quay trong cơ cấu về trục động cơ 6 Mômen quán tính quy dẫn của mâm quay kg.m2 a Bội suất cáp Đặc tính cơ của động cơ thủy lực dẫn động tời thủy lực của M(q1 ) N.m cơ cấu nâng hàng thuộc cần trục cấp cọc M(q 5 ) Đặc tính cơ của cơ cấu quay thuộc cần trục N.m K1 Hệ số dập tắt dao động quy dẫn của cáp thép nâng hạ cọc Ns/m S1 Độ cứng quy dẫn của cáp thép nâng hạ cọc N/m S2 Độ cứng quy dẫn của cơ cấu quay Nm/rad Dt Đường kính của tang cuốn cáp m Tỷ số truyền từ động cơ thủy lực, qua hộp giảm tốc đến tời i1 nâng n1 Tốc độ quay của mâm quay rad/s Góc lệch ban đầu của cáp thép cùng với cọc tại đỉnh cần q30 rad trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (mặt phẳng X1O1Z1 ) Góc lệch ban đầu xét trong mặt phẳng nằm ngang của đường  rad tâm cần của cần trục so với trục OX q; q ; q Các véc tơ chuyển vị, véc tơ vận tốc và véc tơ gia tốc fQ Chiều dài cáp thép nâng hạ cọc m Fc Lực căng cáp N
vii l Biến dạng của cáp nâng hạ cọc m T Hàm động năng  Hàm hao tán U Hàm thế năng M Ma trận khối lượng K* Ma trận của các lực ly tâm K2i; K3i; K6i Ma trận của các lực Côriôlit K Ma trận các phần tử dập tắt dao động S Ma trận các phần tử độ cứng f(t) Véc tơ lực kích động Gm Trọng lượng của sàn máy (kể cả đối trọng của máy) N G2 Trọng lượng cần của cần trục N G3 Trọng lượng đối trọng của cần trục N GQ Trọng lượng của cọc N Ri Các lực tác dụng lên chân chống của máy N Qb Lưu lượng lý thuyết của bơm m3/s Qrrb Lưu lượng chất lỏng rò rỉ ở bơm thủy lực m3/s Qxl Lưu lượng tiêu thụ của xi lanh m3/s QE Lưu lượng chất lỏng làm biến dạng hệ thống m3/s Q at Lưu lượng qua van an toàn tổng m3/s Vob Lưu lượng riêng của bơm m3/vòng nb Tốc độ quay của trục bơm vòng/s X(t) Hệ số điều chỉnh lưu lượng của bơm pa Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp Pa rb Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực (m3/s)/Pa
viii Ea Biến dạng đàn hồi trong ống dẫn cao áp m3/Pa A1 Diện tích tiết diện khoang cao áp của xi lanh m2 A2 Diện tích tiết diện khoang thấp áp của xi lanh m2 Fqt Lực quán tính N FR Phản lực tác dụng vào xi lanh N WC Lực cản tác dụng vào cọc N WR Lực cản đầu cọc N Wms Tổng trở lực bó thân cọc N c Hệ số tổn thất trong xi lanh b Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực pl Hiệu suất puly bộ tời nâng hạ cọc DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Diễn giải ĐLH Động lực học TĐTL Truyền động thủy lực PTCĐ Phương trình chuyển động
ix DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN TT Bảng Diễn giải Trang Bảng 1.1 Các chỉ tiêu cơ lý của từng lớp đất ở đồng bằng Bắc Bộ 8 Sự thay đổi chuyển vị và ứng suất của cơ cấu kẹp cọc khi thay Bảng 1.2 đổi môđun đàn hồi của vật liệu, hệ số poisson và lực kẹp cọc 18 trong quá trình kẹp cọc Sự thay đổi chuyển vị và ứng suất của cơ cấu kẹp cọc khi thay Bảng 1.3 đổi môđun đàn hồi của vật liệu, hệ số poisson và lực ép cọc 18 trong quá trình ép cọc Sự thay đổi ứng suất và chuyển vị với trường hợp 2 xi lanh ép Bảng 1.4 20 chính Bảng 1.5 Sự thay đổi ứng suất và chuyển vị với trường hợp 4 xi lanh ép 21 Bảng 1.6 Sự thay đổi ứng suất và chuyển vị với trường nhổ cọc 21 Đánh giá hiệu năng của hai phương pháp thiết kế hệ thống ép Bảng 1.7 36 cọc Giá trị lực tác dụng vào các xi lanh chân chống theo góc quay Bảng 2.1 64 của mâm quay Bảng 3.1 Hệ số động lực căng cáp và áp suất dầu trong các xi lanh thủy lực 94 Sai số tương đối của lực căng trong cáp nâng hạ cọc giữa lý Bảng 3.2 94 thuyết và thực nghiệm ứng với các trường hợp làm việc của máy Bảng 4.1 Giá trị thay đổi tầm với của cần trục R 97 Bảng 4.2 Giá trị thay đổi của tốc độ nâng cọc vn 97 Bảng 4.3 Giá trị thay đổi của tốc độ mâm quay nq 97 Bảng 4.4 Giá trị thay đổi của đường kính cáp nâng hạ cọc dc 97 Bảng 4.5 Các trường hợp làm việc điển hình của máy 97 Sự thay đổi lực tác dụng vào các chân chống máy theo tải trọng Bảng 4.6 98 và tầm với của máy Sự thay đổi hệ số động của lực căng cáp trường hợp nâng cọc Bảng 4.7 99 và quay đồng thời với các vận tốc nâng cọc khác nhau Sự thay đổi hệ số động của lực căng cáp trường hợp phanh hãm Bảng 4.8 100 mâm quay ứng với các vận tốc quay mâm quay khác nhau Bảng 4.9 Giá trị thay đổi của đường kính xi lanh ép cọc De 103 Bảng 4.10 Khảo sát các yếu tố địa chất 103 Bảng 4.11 Giá trị thay đổi của đường kính xi lanh di chuyển máy Ddc 109 Giá trị các thông số hợp lý của máy ép cọc thủy lực di chuyển Bảng 4.12 112 bước ZYJ860B
x DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH TRONG LUẬN ÁN TT Hình Diễn giải Trang Hình 1.1 Cột địa tầng tổng quát ở đồng bằng Bắc Bộ 7 Hình 1.2 Các phương pháp gia cố nền móng công trình 9 Hình 1.3 Hình ảnh máy ép cọc thủy lực di chuyển kiểu bước 13 Hình 1.4 Các dạng hộp kẹp cọc của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước 13 Hình 1.5 Máy ép cọc thủy lực di chuyển kiểu bước 14 Hình 1.6 Giai đoạn cung cấp cọc 15 Hình 1.7 Giai đoạn ép cọc 15 Hình 1.8 Một số hình ảnh về các công trình đang thi công tại Việt Nam 17 Hình 1.9 Chuyển vị của cơ cấu kẹp khi kẹp cọc 17 Hình 1.10 Phân bố ứng suất của cơ cấu kẹp khi kẹp cọc 17 Hình 1.11 Chuyển vị của cơ cấu kẹp khi ép cọc 18 Hình 1.12 Phân bố ứng suất của cơ cấu kẹp khi ép cọc 18 Hình 1.13 Cấu tạo cơ cấu kẹp cọc 19 Hình 1.14 Lực tác dụng của cơ cấu kẹp ở tầng trên và tầng dưới 19 Mô hình mô phỏng và tạo lưới hộp kẹp cọc với cá xi lanh kẹp đặt Hình 1.15 thẳng đứng ở cả trên và dưới (Các thông số mô phỏng E=200 Gpa; 20 =0,25) Sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên hộp kẹp cọc trong trường hợp Hình 1.16 20 ép cọc với 2 xi lanh ép chính Sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên hộp kẹp cọc trong trường hợp Hình 1.17 20 dùng cả bốn xi lanh ép Sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên hộp kẹp cọc trong trường hợp Hình 1.18 21 nhổ cọc Hình 1.19 Cấu tạo bàn ép 21 Mô hình, sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên khung ép trong Hình 1.20 22 trường hợp ép cọc Mô hình, sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên khung ép trong Hình 1.21 22 trường hợp nhổ cọc Hình 1.22 Cấu tạo khung ép 23 Hình 1.23 Sơ đồ tính và mô hình 3D thân máy trên phần mềm Solidwork 23 Sự phân bố ứng suất trên phần công son của thân máy trong các Hình 1.24 23 trạng thái làm việc của máy Hình 1.25 Tổng thể máy ép cọc thủy lực di chuyển bước lực ép 800T 24
xi Hình 1.26 Cấu tạo thân máy 24 Hình 1.27 Mô hình ĐLH nhiều khối lượng của cần trục cột quay 25 Hình 1.28 Mô hình cần trục cột quay làm thực nghiệm 25 Hình 1.29 Góc lắc trong mặt phẳng O 27 Hình 1.30 Góc lắc trong mặt phẳng O 27 Hình 1.31 Mô men uốn tác dụng vào kết cấu máy quanh trục OZ 27 Hình 1.32 Mô men uốn tác dụng vào kết cấu máy quanh trục OY 27 Hình 1.33 Mô men xoắn trong cột tháp 27 Hình 1.34 Góc quay của cần trục j1 27 Hình 1.35 Mô hình hình học của cần trục tháp với tải nâng 28 Hình 1.36 Dao động của cần trục tháp với góc lắc ban đầu của hàng nâng (o = 10o) 28 Hình 1.37 Độ chuyển vị của điểm đỉnh cần treo cáp và tần số dao động của nó 29 Hình 1.38 Mô hình động lực học cần trục ô tô 29 Hình 1.39 Quỹ đạo của tải trọng 30 Hình 1.40 Các giá trị lực và mô men dẫn động ứng với các khâu 30 Hình 1.41 Mô hình khung máy ép cọc di chuyển kiểu bước 31 Quá trình thay đổi góc nghiêng và chiều cao của chân máy bằng Hình 1.42 31 cách thay đổi chiều cao từng cặp xi lanh một Quá trình thay đổi góc nghiêng và chiều cao của chân máy bằng Hình 1.43 32 cách cho các xi lanh hoạt động đồng thời Hình 1.44 Sơ đồ mạch thủy lực hệ thống tự động cân bằng thân máy 32 Mô hình mô phỏng của hệ thống thủy lực của sự ép cọc khi thêm lực Hình 1.45 34 ép trong AMESim Hình 1.46 Mô hình xi lanh ép cọc 34 Hình 2.1 Mô hình động lực học khi nâng cọc có xét đến độ chùng cáp 41 Hình 2.2 Sơ đồ khối thuật toán trường hợp nâng cọc có độ chùng cáp 45 Hình 2.3 Chuyển vị góc động cơ thủy lực của tời hàng q1 46 Hình 2.4 Vận tốc góc của đông cơ thủy lực q 1 46 Hình 2.5 Chuyển vị của cọc q2 46 Hình 2.6 Vận tốc dài của cọc q 2 46 Hình 2.7 Chuyển vị góc của cọc q3 46 Hình 2.8 Vận tốc góc của cọc q 3 46 Hình 2.9 Lực căng của cáp thép trong trường hợp nâng hàng có độ chùng cáp 46
xii Mô hình động lực học trong trường hợp máy nâng cọc và quay đồng Hình 2.10 48 thời Hình 2.11 Sơ đồ khối các thông số đầu vào và các biến trung gian 58 Sơ đồ khối thuật toán để giải PTCĐ trường hợp máy nâng cọc và Hình 2.12 58 quay đồng thời Hình 2.13 Chuyển vị góc của đông cơ thủy lực q1 59 Hình 2.14 Vận tốc góc của đông cơ thủy lực q 1 59 Hình 2.15 Chuyển vị của cọc theo phương thẳng đứng q2 59 Hình 2.16 Vận tốc của cọc theo phương thẳng đứng q 2 59 Chuyển vị góc của cọc q3 trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần Hình 2.17 59 (X1O1Z1) Vận tốc góc của cọc q 3 trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần Hình 2.18 59 (X1O1Z1) Chuyển vị góc của cọc q4 trong mặt phẳng mặt phẳng vuông góc với Hình 2.19 60 mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1) Vận tốc góc của cọc q 4 trong mặt phẳng mặt phẳng vuông góc với Hình 2.20 60 mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1) Hình 2.21 Chuyển vị góc của đông cơ thủy lực mâm quay q5 60 Hình 2.22 Vận tốc góc của đông cơ thủy lực mâm quay q 5 60 Hình 2.23 Chuyển vị góc của mâm quay q6 60 Hình 2.24 Vận tốc góc của mâm quay q 6 60 Hình 2.25 Lực căng trong cáp thép trường hợp nâng hàng và quay đồng thời 60 Mô hình xác định ổn định máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong Hình 2.26 62 trường hợp máy nâng cọc và quay Sơ đồ khối thuật toán xác định lực tác dụng lên các xi lanh chân Hình 2.27 63 chống trường hợp nâng cọc và quay Sự thay đổi lực tác dụng lên các xi lanh chân chống Ri (i = 1÷4) Hình 2.28 64 theo góc quay của mâm quay q6 Hình 2.29 Sơ đồ mạch thủy lực của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước 65 Mô hình nghiên cứu động lực học hệ truyền động thủy lực xi lanh Hình 2.30 66 kẹp cọc Mô hình nghiên cứu động lực học hệ truyền động thủy lực xi lanh ép Hình 2.31 70 cọc Hình 2.32 Mô hình nghiên cứu động lực học hệ TĐTL xi lanh di chuyển máy 72 Hình 2.33 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng quá trình kẹp và nhả cọc 74
xiii Hình 2.34 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng ĐLH xi lanh ép cọc 75 Hình 2.35 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng ĐLH xi lanh di chuyển máy 75 Hình 2.36 Biểu đồ làm việc của xi lanh khi kẹp cọc thay đổi theo thời gian 76 Hình 2.37 Áp suất dầu trong khoang xi lanh kẹp cọc 76 Hình 2.38 Lực kẹp của xi lanh kẹp cọc tạo ra 76 Hình 2.39 Vận tốc xi lanh kẹp cọc trong cả quá trình kẹp và nhả cọc (0 - 1,6s) 76 Số bơm làm việc, số xi lanh thực hiện ép và lực cản tác dụng vào Hình 2.40 77 một xi lanh Hình 2.41 Lưu lượng dầu cung cấp cho một xi lanh chính ép cọc 78 Hình 2.42 Áp suất dầu trong khoang cao áp của một xi lanh chính ép cọc 78 Vận tốc ép cọc khi máy ép cọc từ 0-40s (tương ứng độ sâu 3,4 m Hình 2.43 78 đến 5,1 m) Hình 2.44 Chuyển vị của cọc từ độ sâu 3,4 m đến 5,4 m 78 Hình 2.45 Áp suất dầu trong khoang cao áp của xi lanh di chuyển dọc máy 79 Hình 2.46 Lực đẩy do xi lanh di chuyển dọc máy tạo ra 79 Hình 2.47 Vận tốc di chuyển dọc của máy 79 Hình 3.1 Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước dùng để đo đạc thực nghiệm 82 Hình 3.2 Đầu đo áp suất 520.954S 83 Hình 3.3 Đầu đo lưu lượng R5S7HK75 83 Hình 3.4 Đầu đo dịch chuyển kiểu quay của hãng HengStler 83 Hình 3.5 Đầu đo lực kéo loại DSCK của hãng BONGSHIN 83 Hình 3.6 Thiết bị thu thập tín hiệu NI-6009 84 Hình 3.7 Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ860B tại hiện trường 84 Hình 3.8 Sơ đồ bố trí thiết bị đo trường hợp máy thực hiện quá trình nâng cọc 85 Sơ đồ bố trí thiết bị đo trường hợp máy thực hiện quá trình kẹp cọc Hình 3.9 85 và ép cọc Sơ đồ bố trí thiết bị đo trường hợp máy thực hiện quá trình di Hình 3.10 85 chuyển dọc Vị trí lắp đặt đầu đo lực và đầu đo áp xuất trong xi lanh chân đỡ Hình 3.11 86 máy Vị trí lắp đặt đầu đo lưu lượng, đầu đo áp suất xi lanh kẹp, ép cọc và Hình 3.12 86 đầu đo dịch chuyển của cọc Vị trí lắp đặt đầu đo áp suất xi lanh di chuyển máy và đầu đo dịch Hình 3.13 86 chuyển máy Hình 3.14 Sơ đồ quá trình thực nghiệm 87
xiv Sự thay đổi lực động trong cáp thép trường hợp nâng cọc kể đến đến Hình 3.15 88 độ chùng cáp Hình 3.16 Sự thay đổi lực động trong cáp thép khi bắt đầu nâng cọc và quay 89 Sự thay đổi lực động trong cáp thép khi phanh hãm cơ cấu quay Hình 3.17 89 trong hợp quay cọc Sự thay đổi lực tác dụng lên bốn xi lanh chân chống của máy khi Hình 3.18 89 nâng cọc và quay Hình 3.19 Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh kẹp cọc khi kẹp cọc 89 Hình 3.20 Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh kẹp cọc khi nhả cọc 89 Sự thay đổi lưu lượng dầu, áp suất trong một xi lanh ép chính và Hình 3.21 90 dịch chuyển cọc trong quá trình ép cọc Hình 3.22 Dịch chuyển dọc của máy 90 Hình 3.23 Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh di chuyển dọc máy 90 Sự thay đổi lực động trong cáp thép trường hợp nâng cọc có độ Hình 3.24 91 chùng cáp Hình 3.25 Sự thay đổi lực động trong cáp thép khi bắt đầu vừa nâng cọc vừa quay 92 Sự thay đổi lực động trong cáp thép khi phanh hãm cơ cấu quay Hình 3.26 92 trường hợp quay cọc Sự thay đổi lực tác dụng lên bốn xi lanh chân chống của máy trường Hình 3.27 92 hợp nâng có độ chùng cáp Hình 3.28 Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh kẹp 92 Hình 3.29 Lưu lượng dầu vào một xi lanh ép 93 Hình 3.30 Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh ép cọc 93 Hình 3.31 Độ dịch chuyển cọc theo thời gian 93 Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh di chuyển dọc của Hình 3.32 93 máy ở giai đoạn khởi động Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh di chuyển dọc của Hình 3.33 93 máy ở giai đoạn phanh máy Hình 3.34 Dịch chuyển dọc của máy 93 Hình 4.1 Biểu đồ sức câu tầm với của cần trục lắp trên máy 98 Hình 4.2 Lực căng trong cáp thép trong trường hợp thay đổi vận tốc nâng cọc 99 Lực căng trong cáp thép khi khởi động nâng và quay đồng thời ứng Hình 4.3 99 với vận tốc quay khác nhau Sự thay đổi lực động trong cáp nâng cọc Fc khi nâng cọc có kể đến độ Hình 4.4 100 chùng cáp Sự thay đổi lực động trong cáp nâng cọc Fc khi cần trục vừa nâng Hình 4.5 100 cọc vừa quay
xv Hình 4.6 Vận tốc góc của đông cơ thủy lực q 1 101 Hình 4.7 Vận tốc của cọc theo phương thẳng đứng q 2 101 Lực căng trong cáp thép trường hợp nâng cọc khi cáp căng và không Hình 4.8 101 quay cọc Chuyển vị góc của cọc q3 trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần Hình 4.9 102 (X1O1Z1) Chuyển vị góc của cọc q4 trong mặt phẳng mặt phẳng vuông góc với Hình 4.10 102 mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1) Hình 4.11 Vận tốc góc của đông cơ thủy lực mâm quay q 5 102 Hình 4.12 Vận tốc góc của mâm quay q 6 102 Hình 4.13 Lực căng trong cáp thép trường hợp chỉ quay mâm quay 102 Lực tác dụng lên các xi lanh chân chống Ri (i = 1÷4) theo góc quay Hình 4.14 102 của mâm quay q6 Hình 4.15 Áp suất động trong xi lanh ép cọc 103 Hình 4.16 Lực động do xi lanh ép cọc tạo ra 103 Hình 4.17 Vận tốc ép cọc 104 Hình 4.18 Chương trình mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố địa chất 104 Các kết quả mô phỏng thu được khi thực hiện ép cọc tại mặt cắt địa Hình 4.19 105 chất khu công nghiệp Tràng Duệ - Hải Phòng Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép Hình 4.20 cọc khi cọc chuyển từ tầng địa chất này sang tầng khác ở độ sâu 105 12,83 m Các kết quả mô phỏng thu được khi thực hiện ép cọc tại mặt cắt địa Hình 4.21 chất ở Tôn Đức Thắng – Hà Nội (Dự án xây dựng tuyến đường sắt 106 Cát Linh – Hà Đông) Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép Hình 4.22 106 cọc khi cọc chuyển từ tầng địa chất này sang tầng khác ở độ sâu 5 m Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc Hình 4.23 107 khi cọc chuyển từ tầng địa chất này sang tầng khác ở độ sâu 28 m Các kết quả mô phỏng thu được khi thực hiện ép cọc tại mặt cắt địa Hình 4.24 107 chất Vùng Đông Anh – Hà Nội Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc Hình 4.25 108 khi cọc chuyển từ tầng địa chất này sang tầng khác ở độ sâu 25,74 m Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc Hình 4.26 108 khi cọc chuyển từ tầng địa chất này sang tầng khác ở độ sâu 27,24 m Hình 4.27 Lực đẩy của xi lanh di chuyển dọc máy 109 Hình 4.28 Áp suất trong xi lanh di chuyển dọc máy 109
xvi Hình 4.29 Vận tốc di chuyển dọc của máy 110 Hình 4.30 Dịch chuyển dọc của máy 110 Quy trình xác định các thông số hợp lý của máy ép cọc thủy lực di Hình 4.31 111 chuyển bước
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ở Việt Nam hiện nay, cùng với sự tăng trưởng mạnh của nền kinh tế, nhu cầu về cơ sở hạ tầng cũng được tăng lên nhanh chóng: những con đường, khu đô thị, khu công nghiệp hay trung tâm thương mại mới đang được xây dựng ngày càng nhiều hơn. Theo thống kê của Bộ Xây dựng, số lượng nhà cao tầng, chung cư trên cả nước ngày càng tăng và chiếm một tỉ lệ đáng kể trong cơ cấu về diện tích nhà ở. Tại Hà Nội, nhà chung cư chiếm tỉ lệ tới 16,64%, TP.HCM chiếm 6,13%, Hải Phòng và Đà Nẵng xếp kế tiếp với tỉ lệ lần lượt là 5,8% và 2,1%. Nhiều dự án lớn đã và đang được tiếp tục triển khai, điển hình là hệ thống các dự án dọc đại lộ Thăng Long, như dự án khu đô thị mới Tây Mỗ - Đại Mỗ, Spendora, Geleximco, Him Lam Riverside, Sunrise City, Tân Phước Tower, Lexington, Tropic Garden,v.v. Bên cạnh đó, hàng trăm dự án nhà cao tầng, chung cư tiếp tục được triển khai tại các quận, huyện khác của các đô thị lớn trong phạm vi cả nước. Do đó, công việc xử lý nền móng đang được đặc biệt quan tâm nhằm đảm bảo chất lượng cho công trình đồng thời tăng tiến độ thi công, đem lại hiệu quả kinh tế. Rất nhiều loại thiết bị máy móc đang được sử dụng cho công việc thi công nền móng bằng cách ép các loại cọc bêtông cốt thép đúc sẵn hay các loại cọc thép vào trong nền móng. Một trong những loại máy đang được sử dụng với số lượng lớn và hiệu quả là máy ép cọc thủy lực di chuyển bước, do ưu điểm của nó là ép cọc vào nền nhanh, lực ép cọc lớn mà không gây rung, quá trình ép diễn ra êm và không ồn, không ảnh hưởng đến các công trình xung quanh. Tuy nhiên, hầu hết các chủng loại máy ép cọc thủy lực di chuyển bước đang được sử dụng hiện nay tại Việt Nam đều được nhập khẩu từ nước ngoài với chi phí khá cao. Bên cạnh đó, các đơn vị sản xuất trong nước chưa có nhiều cơ sở khoa học để tính toán, thiết kế và chế tạo loại thiết bị này. Một trong những vấn đề cần quan tâm là việc nghiên cứu động lực học của máy ứng với các trạng thái làm việc điển hình như quá trình cẩu cung cấp cọc, quá trình kẹp cọc hay quá trình ép, nhổ cọc,... Việc nghiên cứu động lực học của quá trình cung cấp cọc cho phép xác định lực động phát sinh trong cáp, lực động tác dụng vào các chân chống, còn nghiên cứu động lực học quá trình ép cọc và quá trình di chuyển máy cho phép xác định áp suất động trong các xi lanh thủy lực sẽ làm cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế tối ưu thiết bị dựa trên cơ sở tính
2 toán động, tính toán mỏi, tuổi thọ và ổn định của thiết bị, đồng thời cũng cho phép xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm động lực học. Do đó, việc nghiên cứu động lực học của máy trong điều kiện thi công tại Việt Nam giúp cho quá trình tính toán thiết kế chính xác hơn, khuyến nghị được các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thống số làm việc), tăng hiệu quả trong thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị trong nước. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam” được đặt ra là một yêu cầu cấp thiết. 2. Mục tiêu của đề tài Đề tài nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong điều kiện thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam để tìm ra quy luật thay đổi của các thông số động lực học trong các trường hợp làm việc điển hình của máy. Dựa trên các kết quả nghiên cứu đã thu được, luận án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm động lực học. Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo cũng như khai thác sử dụng máy ép cọc di chuyển bước ở Việt Nam. 3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước sử dụng trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam. b) Phạm vi nghiên cứu: Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước có lực ép 400 ÷ 1000 Tấn sử dụng trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm và khảo sát, cụ thể như sau: a) Về lý thuyết: - Khảo sát, đánh giá tổng quan về nền móng công trình và thiết bị liên quan. - Nghiên cứu động lực học quá trình cung cấp cọc cụ thể là: Xây dựng mô hình ĐLH của máy, thiết lập các hệ phương trình vi phân, giải các phương trình vi phân để xác định các thông số động lực học của máy. - Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực cụ thể là: Xây dựng các mạch thủy lực của máy ép cọc, các hệ phương trình vi phân, giải các phương trình vi phân để xác định các thông số động lực học hệ thống thủy lực của máy. b) Về thực nghiệm:
3 Tiến hành đo đạc thực nghiệm để khẳng định độ tin cậy, độ chính xác của mô hình lý thuyết và xác định một số thông số đầu vào cho việc giải mô hình ĐLH. c) Về khảo sát: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng ĐLH, làm cơ sở khuyến nghị các thông số hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước theo quan điểm động lực học. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a. Ý nghĩa khoa học: - Tác giả đã nghiên cứu xây dựng bài toán động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước khi hệ thống cần trục cung cấp cọc làm việc và nghiên cứu xây dựng bài toán động lực học của các phần tử thủy lực thuộc máy ép trong quá trình ép cọc và di chuyển máy. Nghiên cứu này giúp cho việc xác định các thông số động lực học của mô hình trong quá trình cung cấp cọc như chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực căng cáp động, lực động tác dụng vào các chân chống máy và trong quá trình ép cọc, di chuyển máy như áp suất động, vận tốc, lưu lượng, độ dịch chuyển của cọc và máy. Từ đó, đã đưa ra các giá trị hệ số động tương ứng với các quá trình làm việc của máy. Các kết quả nghiên cứu thu được đóng góp một phần có ích cho việc tính toán, thiết kế tối ưu thiết bị dựa trên cơ sở tính toán động, tính toán mỏi, tuổi thọ và ổn định của thiết bị. - Quá trình thực nghiệm trên một máy ép cọc thủy lực di chuyển bước đang làm việc tại công trường với các thiết bị đo đạc hiện đại và qui trình thực nghiệm hợp lý đã khẳng định được độ tin cậy của mô hình lý thuyết và là cơ sở để xây dựng phương pháp thực nghiệm trên các loại máy ép cọc thủy lực khác. - Tác giả đã xây dựng được chương trình mô phỏng của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong trường hợp làm việc tổng quát và các trường hợp điển hình. Bằng các chương trình mô phỏng đó, luận án đã khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học của máy và từ đó khuyến nghị các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước theo quan điểm động lực học. b. Ý nghĩa thực tiễn: - Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể giúp cho các đơn vị chế tạo hay khai thác máy ép cọc thủy lực di chuyển bước tham khảo trong việc cải tiến thiết kế, chế tạo ra các máy ép cọc thủy lực có chỉ tiêu kính tế - kỹ thuật cao.