Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định các thông số hợp lý cho máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:135

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm nghiên cứu xây dựng được cơ sở khoa học cho việc xác định các thông số hợp lý của máy MĐR đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam, đây chính là thiết bị do Việt Nam chế tạo; Kết quả nghiên cứu của luận án nhằm góp phần nâng cao chất lượng thiết kế chế tạo máy lắp đặt tà vẹt trong nước phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định các thông số hợp lý cho máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- NGÔ VIẾT DÂN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ HỢP LÝ CHO MÁY ĐẶT CỤM TÀ VẸT ĐƯỜNG SẮT VIỆT NAM Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ XÂY DỰNG, NÂNG CHUYỂN Mã số: 62.52.01.16.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1- PGS.TS NGUYỄN BÍNH 2- PGS.TS NGUYỄN VĂN VỊNH Hà Nội - 2017
i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin được gửi đến PGS.TS Nguyễn Bính và PGS.TS Nguyễn Văn Vịnh - Bộ môn Máy xây dựng và Xếp dỡ Trường Đại học Giao thông Vận tải lời cảm ơn sâu sắc, hai thày đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thày giáo, Cô giáo tại bộ môn Máy xây dựng Xếp dỡ, các nhà khoa học của Trường Đại học Giao thông Vận tải, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Đại học Xây dựng ... đã góp ý, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Giao thông Vận tải, phòng Đào tạo Sau Đại học, Phòng Khoa học Công nghệ, Trung tâm Nghiên cứu Thực nghiệm Máy xây dựng, Trung tâm Đào tạo thực hành và Chuyển giao Công nghệ giao thông Vận tải, 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, thiết bị đo đạc thực nghiệm, mặt bằng thực nghiệm máy, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để đạt được kết quả mong muốn. Xin trân trọng cảm ơn tới Lãnh đạo các đơn vị Cục Đường sắt Việt Nam, Công ty Cổ phần Xây dựng Bảo tàng Hồ Chí Minh, Công ty TNHH Thương Mại và Xây dựng Linh Hà, Công ty Cổ phần Sản xuất Thương mại Đại Dương đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi vượt khó khăn để hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn những người bạn chân tình, đồng nghiệp, những người thân trong gia đình và đặc biệt là vợ tôi đã hỗ trợ và dành tình cảm tốt đẹp nhất động viên tôi hoàn thành luận án. Ngô Viết Dân
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong công trình nào khác và không sao chép từ bất kỳ nguồn nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng qui định. Tác giả luận án Ngô Viết Dân
iii MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn............................................................................................................ i Lời cam đoan.......................................................................................................... ii Mục lục................................................................................................................. iii Danh mục các hình vẽ, đồ thị................................................................................ v Danh mục các bảng, biểu..................................................................................... xi Danh mục các các ký hiệu.................................................................................... xii Danh mục các chữ viết tắt.................................................................................... xiv Mở đầu.................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: Nghiên cứu tổng quan về máy đặt cụm tà vẹt đường sắt............ 5 1.1. Nhu cầu cơ giới hóa lắp đặt kết cấu tầng trên đường sắt Việt Nam.......... 5 1.2. Tổng quan về máy lắp đặt tà vẹt đường sắt.............................................. 11 1.3. Tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án....... 16 Kết luận chương 1 và định hướng nghiên cứu............................................... 28 CHƯƠNG 2: Nghiên cứu chọn dạng máy và nghiên cứu động lực học máy MĐR đặt cụm tà vẹt............................................................................. 29 2.1. Chọn dạng máy lắp đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam............................ 29 2.2. Đánh giá công năng và các thông số của máy MĐR lắp đặt cụm tà vẹt..... 35 2.3. Nghiên cứu động lực học hệ thống thủy lực nâng hàng của máy MĐR.... 39 2.4. Nghiên cứu động lực học hệ thống thủy lực di chuyển máy MĐR........... 46 2.5. Nghiên cứu động lực học máy MĐR khi nâng hàng................................. 51 2.6. Nghiên cứu động lực học máy MĐR khi di chuyển.................................. 61 Kết luận chương 2............................................................................................ 73 CHƯƠNG 3: Thực nghiệm máy MĐR khi đặt cụm tà vẹt................................. 74 3.1. Mục đích thực nghiệm............................................................................... 74 3.2. Phương án thực nghiệm máy MĐR đặt cụm tà vẹt.................................... 74 3.3. Các thiết bị phục vụ đo đạc thực nghiệm.................................................. 78 3.4. Sơ đồ khối các nội dung thực nghiệm....................................................... 79 3.5. Trình tự tiến hành thực nghiệm trên máy MĐR........................................ 80
iv 3.6. Kết quả thực nghiệm máy MĐR và xử lý số liệu...................................... 82 3.7. Phân tích và so sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm......... 86 Kết luận chương 3............................................................................................ 89 CHƯƠNG 4: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học và xác định các thông số hợp lý của máy MĐR...................................................... 90 4.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số động lực học của máy MĐR trong trường hợp nâng hạ hàng....................................................... 90 4.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số động lực học của máy MĐR trong trường hợp di chuyển có hàng............................................... 96 4.3. Xác định các thông số hợp lý của máy MĐR............................................ 100 4.4. Kiểm tra sự biến dạng của ray di chuyển máy MĐR khi tăng khối lượng cụm tà vẹt.................................................................................................. 105 4.5. Xác định khả năng di chuyển của máy MĐR trên đường cong khi dùng ray hiện có................................................................................................ 109 4.6. Đề xuất các thông số hợp lý của máy MĐR theo quan điểm động lực học 111 4.7. Phân tích, đánh giá kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng...................... 111 Kết luận chương 4.............................................................................................. 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................ 113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ.................... 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 116 PHỤ LỤC................................................................................................................ 120
v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ẢNH TRONG LUẬN ÁN TT Tên hình vẽ Trang 1 Hình 1-1. Mạng lưới đường sắt Việt Nam 5 2 Hình 1-2. Tà vẹt khổ 1435 mm đường đơn 7 3 Hình 1-3. Tà vẹt BTCTDƯL đường lồng 7 4 Hình 1-4. Các yếu tố ảnh hưởng đến công tác cơ giới hóa xây dựng 8 đường sắt 5 Hình 1-5. Các yếu tố thích nghi của công nghệ lắp đặt đường sắt 9 6 Hình 1-6. Sơ đồ các yếu tố kinh tế xã hội ảnh hưởng đến công tác cơ 10 giới hóa xây dựng đường sắt ở Việt Nam 7 Hình 1-7. Tổ máy và thiết bị đặt ray bằng cần trục. 11 8 Hình 1-8. Sơ đồ cấu tạo máy đặt ray DESEC TL 50. 12 9 Hình 1-9. Sơ đồ dây chuyền đặt tà vẹt và ray bằng máy SVM1000S 13 10 Hình 1-10. Máy đặt cầu ray dạng cổng trục thi công đường sắt Kép-Bãi 14 Cháy 11 Hình 1-11: Sơ đồ dây chuyền lắp đặt tà vẹt và ray bằng máy MĐR 14 12 Hình 1-12: Mối quan hệ giữa các thông số cơ bản của máy lắp đặt 15 đường sắt 13 Hình 1-13. Các phương án máy đặt cụm tà vẹt và ray ở Liên Xô (cũ). 16 14 Hình 1-14. Phương pháp đánh giá chi phí, chỉ tiêu kỹ thuật để lựa chọn 16 máy. 15 Hình 1-15. Sử dụng tổ máy TCM60 để đặt tà vẹt ở Trung Quốc. 17 16 Hình 1-16. Công nghệ lắp đặt tà vẹt và ray bằng máy MĐR 17 17 Hình 1-17. Sơ đồ tính toán kết cấu khung máy MĐR bằng phần mềm 17 SAP2000 18 Hình 1-18. Mô hình tính toán ảnh hưởng bởi xe con mang hàng di 18 chuyển trên dầm 19 Hình 1-19. Xác định hệ số động lực khi di chuyển xe con trên dầm chính 18 20 Hình 1-20. Mô hình cổng trục khi nâng hàng 19 21 Hình 1-21. Mô hình cổng trục khi di chuyển 19 22 Hình 1-22. Mô hình tính toán động lực học cơ cấu nâng có kể đến đàn 20 hồi của kết cấu thép 23 Hình 1-23. Mô hình phân tích động lực học cổng trục di chuyển xe con 21 24 Hình 1-24. Mô hình tính toán động lực học cơ cấu nâng và 21 cơ cấu di chuyển cổng trục
vi 25 Hình 1-25. Mô hình tính toán động lực học cơ cấu nâng và cơ cấu di 22 chuyển 26 Hình 1-26. Mô hình tính toán động lực học cơ cấu nâng và cơ cấu di 22 chuyển cổng trục bánh lốp 27 Hình 1-27. Mô hình tính toán động lực học cơ cấu nâng cổng trục 23 28 Hình 1-28. Mô hình động lực học cổng trục lắp đặt trên xà mũ trụ cầu 23 khi nâng hàng có độ chùng cáp 29 Hình 1-29. Sơ đồ tính và cách đánh số phần tử của kết cấu 24 30 Hình 1-30. Sơ đồ tính tối ưu hệ khung theo phương pháp chuyển vị 24 31 Hình 1-31. Sơ đồ xác định độ cứng của xi lanh thủy lực 25 32 Hình 1-32. Sơ đồ truyền động mô tơ thủy lực quay 25 33 Hình 1-33. Sơ đồ tính toán truyền động thủy lực cầu trục 26 34 Hình 1-34. Mô hình truyền động xi lanh nâng hàng của xe nâng 26 35 Hình 1-35. Sơ đồ các trường hợp thực nghiệm đánh giá kết quả tính 27 toán lý thuyết với thực nghiệm 36 Hình 2-1. Sơ đồ tiêu chí đánh giá cho công tác chọn dạng máy 29 37 Hình 2-2. Sơ đồ cấu trúc tiêu chí chọn dạng máy lắp đặt tà vẹt theo 30 AHP 38 Hình 2-3. Trị số đánh giá các phương án máy 33 39 Hình 2-4. Trị số ưu tiên tổng hợp của phương án máy 34 40 Hình 2-5. Đồ thị kết quả đánh giá chọn dạng máy 34 41 Hình 2-6. Sơ đồ cấu tạo tổng thể máy MĐR. 35 42 Hình 2-7. Sơ đồ cơ cấu nâng tà vẹt 35 43 Hình 2-8. Cơ cấu di chuyển 36 44 Hình 2-9. Sơ đồ hệ thống thủy lực 36 45 Hình 2-10. Sơ đồ thi công đặt tà vẹt bằng máy MĐR 38 46 Hình 2-11. Mặt cắt mô tả vị trí ray di chuyển của máy MĐR và khối tà 38 vẹt BTCT DƯL trên lớp ba lát 47 Hình 2-12. Lắp đặt ray di chuyển máy và kiểm tra khoảng cách hai ray 38 48 Hình 2-13. Sơ đồ máy MĐR nâng, chuyển cụm tà vẹt 39 49 Hình 2-14. Mô hình động lực học của hệ thống nâng hạ cụm tà 40 vẹt bằng xi lanh thủy lực 50 Hình 2-15. Chương trình tính lực tác động lên xi lanh (Fxl) bằng phần 43 mềm Matlab_Simulink 51 Hình 2-16. Chương trình tính các thông số động lực học bằng phần 44
vii mềm Matlab_Simulink 52 Hình 2-17. Áp suất dầu thủy lực khi nâng cụm tà vẹt P1 (Pa) 44 53 Hình 2-18. Vận tốc của móc nâng hàng khi nâng cụm tà vẹt (Vh) (m/s) 45 54 Hình 2-19. Lực căng cáp khi máy MĐR nâng hàng từ trạng thái cáp 45 chùng 55 Hình 2-20. Mô hình động lực học của mô tơ thủy lực cơ cấu di chuyển 46 máy 56 Hình 2-21. Chương trình tính toán thông số động lực học hệ thống thủy 49 lực di chuyển máy MĐR bằng phần mềm Matlab- Simulink. 57 Hình 2-22. Sự thay đổi áp suất dầu thủy lực di chuyển máy theo thời 50 gian, P1(Pa) 58 Hình 2-23. Tốc độ quay của trục mô tơ thủy lực di chuyển, Wd(vòng/s) 50 59 Hình 2-24. Vận tốc di chuyển máy MĐR khi mang cụm 5 tà vẹt, Vdc 50 (m/phút) 60 Hình 2-25. Mô hình động lực học máy MĐR khi nâng hàng không có độ 52 chùng cáp 61 Hình 2-26. Chương trình tính toán thông số động lực học máy MĐR khi 57 nâng hàng bằng Matlab-Simulink 62 Hình 2-27. Áp suất dầu thủy lực P1 58 63 Hình 2-28. Tốc độ nâng hàng Vh 58 64 Hình 2-29. Lực căng cáp Fcap 58 65 Hình 2-30. Chiều cao nâng hàng Hh 59 66 Hình 2-31. Tỷ lệ lưu lượng dầu thủy lực từ bơm cấp cho xi lanh nâng 59 hàng 67 Hình 2-32. Lực căng cáp Fcap(N) 60 68 Hình 2-33. Áp suất dầu thủy lực P1(Pa) 60 69 Hình 2-34. Vận tốc nâng hàng Vh (m/s) 60 70 Hình 2-35. Dao động q3 của khối lượng m3 61 71 Hình 2-36. Mô hình máy MĐR di chuyển mang cụm tà vẹt 62 72 Hình 2-37. Chương trình nhập thông số đầu vào và tính áp suất dầu 67 thủy lực 73 Hình 2-38. Chương trình tính toán các thông số động lực học máy MĐR 68 di chuyển mang cụm tà vẹt 74 Hình 2-39. Khoảng cách di chuyển máy khi có hàng, q4 (m) 69 75 Hình 2-40. Vận tốc di chuyểnmáy khi có hàng, Vdc (m/s) 69
viii 76 Hình 2-41. Áp lực dầu thủy lực khi di chuyển máy, P1(Pa) 69 77 Hình 2-42. Góc lắc hàng khi máy di chuyển q8(rad) 70 78 Hình 2-43. Vận tốc quay của mô tơ thủy lực q 5 (vòng/s) 70 79 Hình 2-44. Lực căng của nhánh cáp Fcap(N) khi máy di chuyển 70 80 Hình 2-45. Tỷ lệ lưu lượng dầu thủy lực từ bơm cấp cho mô tơ thủy lưc 71 di chuyển 81 Hình 2-46. Vận tốc quay của mô tơ thủy lực q 5 (vòng/s) 71 82 Hình 2-47. Vận tốc di chuyển Vdc (m/s) khi dừng hãm máy 71 83 Hình 2-48. Áp lực dầu thủy lực P1(Pa) khi dừng hãm máy 72 84 Hình 2-49. Góc lắc cáp nâng hàng khi dừng máy, q8(rad) 72 85 Hình 2-50. Lực căng cáp khi di chuyển và dừng hãm, Fcap(N) 72 86 Hình 2-51. Lực căng cáp Fcap(N) tại thời điểm dừng hãm 72 87 Hình 3-1. Mặt bằng ga Phú Diễn 74 88 Hình 3-2. Mặt bằng ga Bắc Hồng 74 89 Hình 3-3. Triển khai mặt bằng thực nghiệm máy MĐR lắp đặt cụm tà 75 vẹt 90 Hình 3-4. Thi công lớp ballast và lớp đất cho ray di chuyển máy MĐR 75 91 Hình 3-5. Đầm nền đất đạt độ chặt K=0,85÷0,95 76 92 Hình 3-6. Lắp đặt đường ray di chuyển dài 28m trên nền đất và ballast 76 93 Hình 3-7. Tập kết hai máy lên ray di chuyển đặt trên nền đá và nền đất 76 94 Hình 3-8. Sơ đồ vị trí gắn thiết bị đo 77 95 Hình 3-9. Lắp cảm biến và đồng hồ áp suất 77 96 Hình 3-10. Lắp tenxo đo biến dạng kết cấu khung 77 97 Hình 3-11. Cảm biến gia tốc tại khung dưới 77 98 Hình 3-12. Lắp kẹp khung nâng với tà vẹt thành cụm 05 thanh, 07 thanh 78 99 Hình 3-13. Gắn lắp các đầu đo lên máy MĐR 79 100 Hình 3-14. Thiết bị ghi lưu tín hiệu đo 79 101 Hình 3-15. Đo chuyển vị kết cấu khung máy khi nâng cụm tà vẹt 79 102 Hình 3-16. Sơ đồ các bài thực nghiệm theo các trường hợp làm việc của 79 máy 103 Hình 3-17. Đo đạc và kiểm soát số liệu thu nhận được trong quá trình 80 thử nghiệm 104 Hình 3-18. Đo đạc máy MĐR trong quá trình nâng cụm tà vẹt và di 81 chuyển trên nền ballast và nền đất đã đầm lèn
ix 105 Hình 3-19. Thu thập tín hiệu đo bằng các thiết bị của Trung tâm KHCN 81 Đại học Giao thông Vận tải và được lưu giữ trên máy tính 106 Hình 3-20. Hoàn thành công tác kiểm tra. đo thu thập số liệu thực 81 nghiệm 107 Hình 3-21. Tín hiệu của đầu đo trong quá trình máy MĐR nâng - di 83 chuyển - hạ cụm 5 tà vẹt khi máy làm việc với ray đặt trên nền đất 108 Hình 3-22. Thu thập tín hiệu đo khi máy MĐR nâng cụm tà vẹt trên nền 84 đất 109 Hình 3-23. Di chuyển máy có hàng với ray đặt trên nền đá 84 110 Hình 3-24. Di chuyển máy có hàng với ray đặt trên nền đất và nền 84 ballast 111 Hình 3-25. Đồ thị lực căng cáp Fcap đo được từ thực nghiệm khi MĐR 85 nâng hàng 112 Hình 3-26: Đồ thị áp suất dầu thủy lực P1 đo được từ thực nghiệm khi 85 MĐR di chuyển với cụm tà vẹt và dừng hãm 113 Hình 3-27. Đồ thị so sánh lực căng cáp Fcap (N) lý thuyết với thực 86 nghiệm 114 Hình 3-28. Đồ thị so sánh giá trị áp suất dầu thủy lực tính toán lý 87 thuyết với kết quả thực nghiệm máy MĐR. 115 Hình 3-29. Đồ thị so sánh giá trị lực căng cáp tính toán lý thuyết với 87 thực nghiệm 116 Hình 3-30. Đồ thị so sánh giá trị áp suất dầu tính toán lý thuyết với 88 thực nghiệm 117 Hình 4-1. Chương trình khảo sát thông số động lực học khi thay đổi khối 91 lượng hàng nâng bằng phần mềm Matlab-Simulink 118 Hình 4-2. Lực căng cáp Fcap(N) 91 119 Hình 4-3. Áp suất dầu thủy lực P1(Pa) 91 120 Hình 4-4. Vận tốc nâng hàng Vh (m/s) 91 121 Hình 4-5. Dao động q3 của khối lượng m3 91 122 Hình 4-6. Chương trình khảo sát thông số động lực học khi thay đổi 92 khối lượng kết cấu khung máy bằng Matlab-Simulink 123 Hình 4-7. Lực căng cáp Fcap(N) 92 124 Hình 4-8. Áp suất dầu thủy lực P1(Pa) 92 125 Hình 4-9. Vận tốc nâng hàng Vh (m/s) 92 126 Hình 4-10. Dao động q3 (m) 92 127 Hình 4-11. Chương trình khảo sát thông số động lực học khi thay đổi độ 93
x cứng của nền đường đặt ray chuyên dùng bằng Matlab-Simulink 128 Hình 4-12. Lực căng cáp Fcap(N) 93 129 Hình 4-13. Áp suất dầu thủy lực P1(Pa) 93 130 Hình 4-14. Vận tốc nâng hàng Vh (m/s) 93 131 Hình 4-15. Dao động q3 (m) 93 132 Hình 4-16. Chương trình khảo sát thông số động lực học khi thay đổi 94 đường kính cáp nâng hàng bằng Matlab-Simulink 133 Hình 4-17. Lực căng cáp Fcap(N) 94 134 Hình 4-18. Áp suất dầu thủy lực P1(Pa) 94 135 Hình 4-19. Vận tốc nâng hàng Vh (m/s) 94 136 Hình 4-20. Dao động q3 (m) 94 137 Hình 4-21. Chương trình khảo sát thông số động lực học khi thay đổi 95 các thông số của bơm thủy lực và xi lanh nâng hàng bằng Matlab- Simulink 138 Hình 4-22. Lực căng cáp Fcap(N) 95 139 Hình 4-23. Áp suất dầu thủy lực P1(Pa) 95 140 Hình 4-24. Vận tốc nâng hàng Vh (m/s) 95 141 Hình 4-25. Dao động q3 (m) 95 142 Hình 4-26. Chương trình khảo sát trường hợp di chuyển với khối lượng 96 hàng nâng khác nhau bằng Matlab-Simulink 143 Hình 4-27. Vận tốc di chuyển Vdc (m/s) 97 144 Hình 4-28. Khoảng cách di chuyển q4(m) 97 145 Hình 4-29. Áp suất dầu thủy lực P1 (Pa) 97 146 Hình 4-30. Lực căng cáp Fcap (N) 97 147 Hình 4-31. Góc lắc cáp nâng hàng q8(rad) 97 148 Hình 4-32. Vận tốc mô tơ thủy lực ωd(vòng/s) 97 149 Hình 4-33. Chương trình khảo sát trường hợp di chuyển với khối lượng 98 kết cấu khung máy khác nhau bằng Matlab-Simulink 150 Hình 4-34. Vận tốc di chuyển Vdc (m/s) 98 151 Hình 4-35. Khoảng cách di chuyển q4(m) 98 152 Hình 4-36. Áp suất dầu thủy lực P1 (Pa) 98 153 Hình 4-37. Góc lắc cáp nâng hàng q8(rad) 98 154 Hình 4-38. Chương trình khảo sát trường hợp di chuyển với lưu lượng 99 bơm thủy lực khác nhau bằng Matlab-Simulink 156 Hình 4-39. Vận tốc di chuyển Vdc (m/s) 99
xi 157 Hình 4-40. Khoảng cách di chuyển q4(m) 99 158 Hình 4-41. Áp suất dầu thủy lực P1 (Pa) 99 159 Hình 4-42. Góc lắc cáp nâng hàng q8(rad) 99 160 Hình 4-43. Vận tốc mô tơ thủy lực ωd(vòng/s) 99 161 Hình 4-44. Lực căng cáp Fcap (N) 99 162 Hình 4-45. Qui trình xác định các thông số hợp lý của máy đặt cụm tà 100 vẹt MĐR 163 Hình 4-46. Mặt cắt ngang đại diện kiến trúc tầng trên đường sắt Việt 101 Nam 164 Hình 4-47. Mặt cắt ngang hầm điển hình trên tuyến đường sắt Việt Nam 102 165 Hình 4-48. Cầu đường sắt Đò Lèn 102 166 Hình 4-49. Sơ đồ xác định chiều cao lấy tà vẹt của máy MĐR trên toa 103 xe 167 Hình 4-50 Sơ đồ xác định chiều cao lấy tà vẹt của máy MĐR trên ô tô 103 168 Hình 4-51. Cấu tạo ray cho máy MĐR di chuyển 105 169 Hình 4-52. Kết cấu dạng ray di chuyển 106 170 Hình 4-53. Mô hình ray làm việc trên nền đất 106 171 Hình 4-54. Đồ thị quan hệ độ lún của ray với trọng lượng nâng 108 172 Hình 4-55. Xác định bán kính cong của đường ray cho máy di chuyển 109 173 Hình 4-56. Sơ đồ áp lực thực tế 110 174 Hình 4-57. Sơ đồ áp lực tính toán 110 175 Hình 4-58. Đồ thị quan hệ R,Q và Vdc(m/ph) 110 176 Hình 4-59. Máy MĐR đặt cụm tà vẹt đường sắt tại ga Cái Lân 112 DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU DÙNG TRONG LUẬN ÁN TT Tên bảng biểu Trang 1 Bảng 1-1. Chiều dài các tuyến đường sắt chính hiện có của ĐSVN 5 2 Bảng 1-2. Danh mục các dự án đường sắt đã được phê duyệt 6 3 Bảng 1-3. Danh mục các dự án xây dựng giai đoạn 2020- 2030 6 5 Bảng 1-4. Đánh giá mức độ cơ giới xây dựng ĐS Việt Nam hiện nay 8 6 Bảng 1-5. Đặc tính kỹ thuật máy YK25 11 7 Bảng 1-6. Đặc tính kỹ thuật máy DPG-25A 12 8 Bảng 1-7. Đặc tính kỹ thuật máy đặt đường sắt KGT/V 12 9 Bảng 1-8. Đặc tính kỹ thuật máy PTH350 12
xii 10 Bảng 1-9. Đặc tính kỹ thuật của máy SVM1000S 13 11 Bảng 1-10. Đặc tính kỹ thuật máy DPG500 13 12 Bảng 1-11. Đặc tính kỹ thuật máy MĐR 14 13 Bảng 1-12: Đặc tính kỹ thuật của các loại máy lắp đặt tà vẹt đường sắt 15 14 Bảng 2-1. Đánh giá các tiêu chí của máy lắp đặt đường sắt 31 15 Bảng 2-2: So sánh công suất và năng suất đặt tà vẹt của các phương án 31 máy 16 Bảng 2-3. So sánh chi phí lắp đặt tà vẹt theo các phương án máy 32 17 Bảng 2-4. Bảng tính chi phí ca máy lắp đặt tà vẹt đường sắt 32 18 Bảng 2-5. Thông số kỹ thuật của máy MĐR lắp đặt tà vẹt đường sắt 37 19 Bảng 2-6: Các thông số đầu vào cho chương trình tính thông số động 43 lực học 20 Bảng 2-7. Các thông số đầu vào cho chương trình tính hệ thống thủy 48 lực di chuyển 21 Bảng 2-8. Các thông số nhập vào chương trình tính toán thông số động 57 lực học máy MĐR khi nâng cụm tà vẹt 22 Bảng 2-9. Các thông số đầu vào của mô hình tính toán động lực học 66 23 Bảng 3-1. Danh mục thiết bị đo đạc thực nghiệm máy. 78 24 Bảng 3-2. Thứ tự tiến hành thực nghiệm máy MĐR đặt tà vẹt. 80 25 Bảng 3-3. Kết quả đo thông số khi vận hành máy MĐR không tải 82 26 Bảng 3-4. Kết quả đo thông số khi vận hành máy MĐR nâng cụm tà vẹt 82 27 Bảng 3-5. Thời gian thao tác trong một chu kì làm việc của máy 83 28 Bảng 3-6. Đánh giá sai số giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm 86 29 Bảng 3-7. So sánh kết quả tính toán lý thuyết với thực nghiệm 87 30 Bảng 4-1. Giá trị thay đổi của các yếu tố ảnh hưởng 90 31 Bảng 4-2. Giá trị thay đổi của các yếu tố ảnh hưởng 96 32 Bảng 4-3. Giá trị độ lún của ray ứng với các trường hợp làm việc 108 33 Bảng 4-4. Giá trị các thông số hợp lý của máy lắp đặt đường sắt Việt 111 Nam 34 Bảng 4-5. So sánh hiệu quả kinh tế- xã hội khi áp dụng máy MĐR thi 112 công đường sắt DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Diễn giải Đơn vị tính L Chiều dài cơ sở của máy m
xiii W Chiều rộng cơ sở của máy m H Chiều cao của máy m m1 Khối lượng cụm puly động kg m2 Khối lượng hàng nâng kg m3 Khối lượng kết cấu khung máy kg S1 Độ cứng của cáp nâng hàng N/m S2 Độ cứng của nền đường đặt ray di chuyển N/m i1 Bội suất cáp ở cụm puly động - i2 Bội suất cáp ở puly móc câu - i3 Tỷ số truyền của cụm xích di chuyển - Ecap Mô đun đàn hồi của cáp thép Pa Est Mô đun đàn hồi của thép Pa Eoil Mô đun đàn hồi của dầu thủy lực Pa Ep Mô đun đàn hồi của ống cao su Pa E1 Mô đun qui dẫn của dầu và xi lanh nâng hàng Pa E2 Mô đun qui dẫn của dầu và ống cao su Pa D Đường kính của bánh xe di chuyển m qi Tọa độ suy rộng thứ i - Qi Lực suy rộng thứ i N P1 Áp suất dầu cao áp Pa P2 Áp suất dầu hồi về thùng Pa Pat Áp suất dầu an toàn Pa [Pb] Áp lực định mức của bơm Pa [Pd] Áp lực định mức của động cơ Pa [b] Tốc độ quay định mức của bơm vòng/s [d] Tốc độ quay định mức của động cơ thủy lực vòng/s Vb Lưu lượng riêng của bơm m3/s Vd Lưu lượng riêng của mô tơ thủy lực m3/s rb Hệ số tổn thất lưu lượng của bơm thủy lực - rd Hệ số tổn thất lưu lượng của mô tơ thủy lực - c Hiệu suất truyền động của xi lanh thủy lực % b Hiệu suất truyền động của bơm thủy lực % d Hiệu suất truyền động của mô tơ thủy lực % L_tuyo Chiều dài của tuy ô thủy lực m D_tuyo Đường kính tuy ô thủy lực m g Gia tốc trọng trường m/s2 Vdc Vận tốc di chuyển m/s Fcap Lực căng một nhánh cáp N Vh Vận tốc nâng hàng m/s
xiv Kđ Hệ số động - Gm Trọng lượng máy N Q Trọng lượng vật nâng N U Chỉ tiêu tổng hợp - wi Trọng số so sánh chỉ tiêu - fms Hệ số ma sát - Fms Lực ma sát N Ea Hệ số tích lũy đàn hồi của đường ống dẫn dầu - Qrd Lưu lượng rò rỉ của bơm m3/s Qrd Lưu lượng rò rỉ của mô tơ thủy lực m3/s Kat Hệ số lưu lượng qua van an toàn - Ar Diện tích nền ảnh hưởng ở dưới bánh xe di chuyển máy m2 Kf Hệ số nền T/m3 Ecap Mô đun đàn hồi cáp thép Pa Acap Diện tích tiết diện cáp thép m2 Lcap Chiều dài cáp m Mcl Mô men cản lăn Nm Jd Mô men quán tính trên trục mô tơ thủy lực kgm2 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Diễn giải AHP Phương pháp phân tích thứ bậc (Analytic Hierarchy Process) BTCT DƯL Bê tông cốt thép dự ứng lực CGH Cơ giới hóa CSHT Cơ sở hạ tầng CBCNV Cán bộ công nhân viên ĐSVN Đường sắt Việt Nam ĐS Đường sắt ĐLH Động lực học MĐR Máy đặt tà vẹt đường sắt, mã hiệu MĐR MĐR-01 Máy MĐR số 01 MĐR-02 Máy MĐR số 02 NCKH Nghiên cứu khoa học GTVT Giao thông vận tải KTTT Kiến trúc tầng trên (đường sắt) KCTT Kết cấu tầng trên (đường sắt) PA1, PA2, PA3, Phương án 1, phương án 2, phương án 3, phương án 4, phương án 5 PA4, PA5 TĐTL Truyền động thủy lực
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Giao thông đường sắt là hệ thống hạ tầng giao thông quan trọng của mỗi Quốc gia. Để đáp ứng nhu cầu vận tải hàng hóa và hành khách trong quá trình phát triển kinh tế Việt Nam, từ năm 2009, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt và triển khai kế hoạch phát triển mạng lưới đường sắt đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 [46]. Theo kế hoạch này, sẽ cải tạo nâng cấp các tuyến đường hiện có, xây dựng mới một số tuyến với tổng chiều dài lên đến 2096 km kết nối giữa các thành phố lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Hải Phòng với các khu công nghiệp và các tỉnh lân cận. Như vậy, khối lượng công tác lắp đặt đường sắt sẽ rất lớn, đòi hỏi phải có công nghệ thi công cùng với các thiết bị cơ giới phù hợp với điều kiện đầu tư và tổ chức thi công lắp đặt kết cấu tầng trên đường sắt Việt Nam, từ đó mới có thể hoàn thành kế hoạch phát triển hệ thống đường sắt đã đề ra. Trên thế giới, hiện có nhiều tập đoàn xây dựng đường sắt nổi tiếng với những thương hiệu như Robel, Plasser&Theurer, Shinkansen... Ở mỗi tập đoàn này, họ có những công nghệ xây dựng cùng với thiết bị và máy thi công đường sắt theo những cách riêng biệt. Ở Việt Nam trong những năm qua ngành đường sắt đã nhập một số thiết bị nâng giật chỉnh ray, chèn đá, thay tà vẹt của nước ngoài, nhưng qua sử dụng cho thấy những công nghệ đó vẫn chưa thể áp dụng đồng bộ cho xây dựng đường sắt ở Việt Nam. Riêng các máy lắp đặt tà vẹt đường sắt dùng cho xây dựng mới hoặc đại tu đường sắt thì hầu như chưa nhập máy nào của nước ngoài, nhất là các máy hiện đại. Nguyên nhân chính là do điều kiện kinh tế Việt Nam còn nhiều hạn chế, vốn đầu tư cho xây dựng đường sắt còn ít và chủ yếu là vốn vay. Trong khi đó, vốn đầu tư các máy móc thiết bị của nước ngoài cũng rất lớn, chi phí vận hành và vật tư phụ tùng cho sửa chữa đắt tiền. Ngoài ra, việc đầu tư các máy thi công đường sắt còn phụ thuộc vào trình độ quản lý, trình độ tay nghề của người thợ Việt Nam và khối lượng thi công. Đứng trước những yêu cầu cấp bách và khó khăn đó, Bộ giao thông vận tải đã tổ chức các buổi hội thảo với sự tham gia của nhiều chuyên gia trong ngành đường sắt để nghiên cứu tìm giải pháp cơ giới hóa thi công đường sắt sao cho phù hợp với đặc thù của Việt Nam. Nhìn chung, các chuyên gia và cơ quan quản lý đều thống nhất quan điểm cho rằng, cần phải lựa chọn được công nghệ thi công và chủng loại máy phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam, ưu tiên sử dụng các máy được thiết kế chế tạo trong nước như vậy mới bảo đảm tính ổn định và phát triển bền vững. Vấn đề là phải xác định được chủng loại và thông số hợp lý của máy đó để đảm bảo được tính hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật. Vì vậy việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu xác định các thông số hợp lý cho máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam” là cần thiết và có tính thực tiễn cao.
2 2. Mục đích của đề tài Nghiên cứu xây dựng được cơ sở khoa học cho việc xác định các thông số hợp lý của máy MĐR đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam, đây chính là thiết bị do Việt Nam chế tạo; Kết quả nghiên cứu của luận án nhằm góp phần nâng cao chất lượng thiết kế chế tạo máy lắp đặt tà vẹt trong nước phù hợp với điều kiện Việt Nam. 3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu: Máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam có mã hiệu MĐR do Việt Nam chế tạo. 3.2 Phạm vi nghiên cứu: - Luận án tập trung nghiên cứu máy MĐR đặt cụm tà vẹt có các thông số kỹ thuật thể hiện ở Bảng 2-5; - Tà vẹt sử dụng cho khổ đường 1435mm trên tuyến thẳng của đường sắt Việt Nam là tà vẹt bê tông cốt thép dự ứng lực; - Nền đặt ray di chuyển của máy khi lắp tà vẹt có hai trường hợp là: nền đất đã đầm chặt hoặc nền đá ballast đầm sơ bộ. 4. Phương pháp nghiên cứu - Áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích các điều kiện đặc thù thi công xây dựng đường sắt Việt Nam; - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết để xác định các thông số động lực học của máy và của hệ thống truyền động thủy lực mà trực tiếp là hệ số động lực. Kết quả thực nghiệm đo đạc các thông số động lực học và các thông số làm việc của máy là cơ sở để đánh giá tính đúng đắn của các mô hình đã thiết lập. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số động lực để xác định thông số hợp lý của máy đặt tà vẹt. 5. Mục tiêu nghiên cứu - Chọn được dạng máy đặt cụm tà vẹt phù hợp với xây dựng đường sắt Việt Nam; - Xác định được các thông số hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) cho máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam theo quan điểm động lực học. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Kết quả nghiên cứu thu được của luận án là xác định được các thông số hợp lý cho máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam phù hợp với chiến lược phát triển mạng lưới đường sắt Việt Nam đến năm 2030; - Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu tham khảo có ích cho việc giải quyết các yêu cầu về tính hợp lý khi thiết kế chế tạo và khai thác hiệu quả máy MĐR trong điều kiện Việt Nam;
3 - Có thể tiếp tục phát triển kết quả nghiên cứu của luận án cho các loại máy và thiết bị đặt ray và cụm tà vẹt theo công nghệ đặt ray tương tự. 7. Điểm mới của luận án - Luận án đã tổng hợp, phân tích các công nghệ và máy lắp đặt tà vẹt đường sắt ở trong và ngoài nước đồng thời phân tích các đặc điểm kinh tế, địa hình tự nhiên ảnh hưởng đến việc lựa chọn máy đặt tà vẹt đường sắt Việt Nam. Từ việc áp dụng phương pháp phân tích thứ bậc AHP để đánh giá lựa chọn dạng máy đặt tà vẹt, luận án đã khẳng định máy MĐR do Việt Nam chế tạo là phù hợp với đường sắt Việt Nam; - Luận án nghiên cứu động lực học hệ thống thủy lực và động lực học máy MĐR khi đặt cụm tà vẹt, kết quả là xây dựng được mô hình động lực học hệ thống thủy lực cơ cấu nâng hạ và cơ cấu di chuyển của máy MĐR, đồng thời xây dựng mô hình động lực học máy MĐR trong các trường hợp làm việc điển hình. Tiến hành giải hệ phương trình chuyển động và xác định được các đặc trưng động lực học của hệ; - Tiến hành thực nghiệm máy MĐR làm việc theo các điều kiện thực tế thi công gồm có thay đổi nền, số lượng tà vẹt trong cụm, chế độ dừng hãm khi làm việc; - Luận án đã xây dựng qui trình các bước xác định thông số hợp lý của máy MĐR đặt cụm tà vẹt theo quan điểm động lực học đồng thời phù hợp với điều kiện đặc thù về địa hình, điều kiện thi công, kết cấu tầng trên đường sắt Việt Nam và xác định được bộ thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của máy (Bảng 4-4). 8. Bố cục của luận án Luận án được bố cục theo các nội dung sau: Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Nghiên cứu nhu cầu công tác cơ giới hóa xây dựng đường sắt, phân tích các công nghệ thi công của đường sắt trên thế giới và trong nước, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng công tác cơ giới hóa của ngành đường sắt trong nước hiện nay; Nghiên cứu tổng quan các công trình khoa học liên quan đến đề tài luận án đã được các tác giả trong và ngoài nước thực hiện, xem xét kế thừa và bổ sung những vấn đề chưa được nghiên cứu để giải quyết mục tiêu của luận án. Chương 2: Nghiên cứu chọn dạng máy và nghiên cứu động lực học máy MĐR đặt cụm tà vẹt Luận án xây dựng hệ tiêu chí chọn dạng máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam. Phân tích các công nghệ điển hình và máy lắp đặt tà vẹt đường sắt theo hệ tiêu chí đánh giá. Nghiên cứu áp dụng phương pháp thứ bậc AHP chọn dạng máy đồng thời ứng dụng phần mềm Expert-Choice hỗ trợ tính toán xác định chỉ tiêu tổng hợp đánh giá phương án máy. Kết quả xác định được phương án máy MĐR có chỉ tiêu tổng hợp cao nhất được ưu tiên lựa chọn phục vụ lắp đặt tà vẹt đường sắt Việt Nam;
4 Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy MĐR đặt cụm tà vẹt, đánh giá các trường hợp làm việc điển hình; Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực cơ cấu nâng hạ hàng, hệ thống truyền động thủy lực mô tơ di chuyển máy. Nghiên cứu động lực học máy MĐR trong các trường hợp làm việc điển hình. Sử dụng phương trình Lagrange loại 2 để lập hệ phương trình vi phân chuyển động của máy, ứng dụng phần mềm Matlab_Simulink để tính toán và mô phỏng giá trị các thông số động lực học bằng đồ thị. Chương 3: Thực nghiệm máy MĐR khi đặt cụm tà vẹt Trình bày phương án và kết quả việc triển khai thực nghiệm máy MĐR lắp đặt cụm tà vẹt. Các kết quả bằng số thu được từ thực nghiệm được sử dụng để so sánh với giá trị của thông số được tính toán từ lý thuyết, qua đó kiểm chứng độ tin cậy của mô hình động lực học máy, của thuật toán và công cụ phần mềm tính toán. Chương 4: Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học và xác định các thông số hợp lý của máy MĐR. Nội dung chương này trình bày kết quả khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến thông số động lực học của mô hình. Từ các kết quả thu được, tác giả tiến hành phân tích đành giá miền giá trị của các thông số của máy theo quan điểm động lực học. Phân tích các điều kiện thi công thực tế trên tuyến đường sắt Việt Nam để lựa chọn các thông số hợp lý của máy MĐR đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam. Kết luận và kiến nghị: Trình bày các kết luận chính của luận án, các đóng góp mới của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo. Tài liệu tham khảo và các phụ lục: Liệt kê các tài liệu tham khảo, nêu danh mục các công trình đã công bố liên quan đến đề tài luận án, kết quả tính toán, các thuật toán và công cụ tính toán đã sử dụng trong nghiên cứu.
5 CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐẶT CỤM TÀ VẸT ĐƯỜNG SẮT Nhu cầu cơ giới hóa lắp đặt tà vẹt đường sắt là vấn đề cấp thiết hiện nay của ngành đường sắt Việt Nam. Từ những đặc điểm của các công nghệ lắp đặt kết cấu tầng trên đường sắt hiện có trên thế giới và đặc thù xây dựng đường sắt ở trong nước, luận án nghiên cứu xác định dạng máy lắp đặt tà vẹt phù hợp với thực tế Việt Nam. Với mục đích đưa máy lắp đặt tà vẹt áp dụng hiệu quả phục vụ xây dựng đường sắt Việt Nam, việc đánh giá công năng của máy là rất quan trọng. Từ đó cho thấy những ưu nhược điểm của máy thể hiện thông qua các thông số kỹ thuật kinh tế. Để có phương pháp khoa học giải quyết vấn đề, tác giả luận án nghiên cứu những thành tựu và tồn tại của các công trình khoa học liên quan đến đề tài luận án, theo đó xác định những nội dung cần đi sâu nghiên cứu của luận án. 1.1. Nhu cầu cơ giới hóa lắp đặt kết cấu tầng trên đường sắt Việt Nam và các yếu tố ảnh hưởng. 1.1.1. Phương hướng phát triển mạng lưới ĐSVN Đường sắt là phương tiện vận tải có năng lực chuyên chở rất lớn, mỗi chuyến tàu có sức vận tải đến vài ngàn tấn. Đường sắt Việt Nam hiện có một số đặc điểm sau: Theo số liệu thống kê [51], mạng lưới đường sắt quốc gia có tổng chiều dài 3.146,6 km, đường chính tuyến 2.632 km gồm 3 loại khổ đường: 1000mm chiếm 85%, khổ đường 1435mm chiếm 6%, đường lồng (1435mm&1000mm) chiếm 9%, được phân bổ theo 7 trục chính gồm: Bảng 1-1. Chiều dài các tuyến đường sắt chính hiện có của Đường Sắt Việt Nam. Chiều TT Các tuyến chính dài (Km) 1 Hà Nội –TP Hồ Chí Minh 1.726 2 Gia Lâm – Hải Phòng 96,6 3 Yên Viên – Lào Cai 285 4 Hà Nội - Đồng Đăng 163,7 5 Đông Anh – Quán Triều 55 6 Kép – Lưu Xá 55,6 7 Kép – Hạ Long 105,6 Hình 1-1. Mạng lưới đường sắt Việt Nam -Ở phía Bắc, mạng đường sắt hiện có đã phân bổ đều trên ba hành lang chính: phía Đông, phía Bắc và phía Đông bắc và đã có thêm các tuyến Kép – Hạ Long, Đông Anh – Quán Triều, Kép – Lưu Xá.