Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu động lực học máy xúc lội nước để khảo sát ổn định lật khi làm việc

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:180

Thêm vào BST

Báo xấu

77
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu động lực học máy xúc lội nước và đề xuất chế độ làm việc hợp lý của máy khi làm việc trong môi trường đất yếu, đất ngập nước.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu động lực học máy xúc lội nước để khảo sát ổn định lật khi làm việc

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực. Tác giả luận án Bùi Văn Hải i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc, Phòng sau đại học, khoa Động lực, bộ môn xe máy Công Binh - Học viện KTQS đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tập thể hướng dẫn PGS - TS Trần Quang Hùng, PGS - TS Lê Hồng Quân - Bộ môn xe máy Công binh - Học viện KTQS đã tận tình hướng dẫn tôi về phương pháp và nội dung nghiên cứu, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Công Ty Cảng Đình Vũ- Hải Phòng, Trung Tâm Vũ Khí HVKTQS, Viện Cơ Giới, đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để nghiên cứu sinh tiến hành làm thực nghiệm. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy thuộc bộ môn xe máy công binh - Khoa động lực - Học viện KTQS và các chuyên gia trong lĩnh vực cơ khí - Động lực trong và ngoài Học Viện đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu cho việc thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội. Khoa công nghệ ôtô đã động viên, dành cho tôi những điều kiện thuận lợi trong quá trình làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp, những người thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Bùi Văn Hải ii
MỤC LỤC Lời cam đoan ..................................................................................................... ..i Lời cảm ơn ......................................................................................................... .ii Mục lục ............................................................................................................... iii Danh mục chữ viết tắt....................................................................................... vi Danh mục bảng biểu ......................................................................................... vii Mở đầu.............................................................................................................. 1 Chương 1 .......................................................................................................... 4 TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ MÁY XÚC LỘI NƯỚC VÀ MÔI TRƯỜNG TƯƠNG TÁC ............................................................... 4 1.1. Tổng quan về máy xúc lội nước ............................................................... 4 1.1.1. Đặc điểm làm việc của máy xúc lội nước ........................................... 4 1.1.2. Nhu cầu cơ giới hóa quá trình nạo vét các công trình ở vùng hàng năm ngập nước ở nước ta .................................................................. 6 1.1.3. Đặc điểm một số loại máy xúc lội nước hiện nay trên thế giới .......... 7 1.2. Một số tính chất cơ lý của đất................................................................. 10 1.2.1. Tính biến dạng của đất...................................................................... 10 1.2.2. Cường độ chống cắt của đất ............................................................. 13 1.2.3. Lực dính kết của đất.......................................................................... 13 1.2.4. Độ chặt của đất ................................................................................. 16 1.2.5. Lực cản cắt của đất ........................................................................... 17 1.2.6. Một số kết quả nghiên cứu về đất ở ao hồ ........................................ 18 1.3. Các mô hình nghiên cứu về môi trường làm việc ................................. 22 1.3.1. Mô hình đàn hồi tuyến tính ............................................................... 23 1.3.2. Mô hình đàn hồi bất đẳng hướng...................................................... 24 1.3.3. Mô hình vật liệu đàn hồi phi tuyến ................................................... 25 1.3.4. Mô hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng .................................................... 27 1.3.5. Mô hình đàn nhớt ( mô hình Kelvin - Voight)................................... 28 1.4. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới máy xúc lội nước. 29 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..................................................... 29 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước...................................................... 35 iii
Kết luận chương 1 ......................................................................................... 38 Chương 2 ........................................................................................................ 40 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY XÚC LỘI NƯỚC............................ 40 2.1. Giới thiệu ................................................................................................. 40 2.2. Các giả thiết............................................................................................. 40 2.3. Mô hình khảo sát động lực học trong mặt phẳng dọc .......................... 41 2.4. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ.................. 43 2.5. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động theo phương ngang . 54 2.5.1. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động ............................... 55 2.5.2. Tính toán các tham số động lực học của mô hình ............................ 57 2.6. Xác định các thông số đặc trưng của mô hình động lực học ............... 65 2.6.1. Mô hình 3D và các thông số động lực học của các khâu ................. 65 2.6.2. Xác định mô men dẫn động của các xy lanh thủy lực....................... 66 Chương 3 ........................................................................................................ 69 KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH CỦA MÁY XÚC LỘI NƯỚC............................. 69 LÀM VIỆC TRONG VÙNG NƯỚC CẠN ................................................. 69 3.1. Các vấn đề chung .................................................................................... 69 3.2. Khảo sát ổn định dọc cho cả hai trường hợp máy xúc lội nước nghiêng dọc và nghiêng ngang ................................................................... 70 3.2.1. Thông số đầu vào .............................................................................. 70 3.2.2. Các đặc trưng chuyển động của khâu 1............................................ 70 3.2.3. Các đặc trưng chuyển động của khâu 2............................................ 75 3.2.4. Các đặc trưng chuyển động của khâu 3............................................ 76 3.2.5. Các đặc trưng chuyển động của khâu 4............................................ 78 3.3. Kết quả khảo sát ổn định theo phương ngang....................................... 80 3.3.1. Thông số đầu vào .............................................................................. 80 3.3.2. Kết quả khảo sát................................................................................ 80 3.3.3. Ảnh hưởng của hệ số nền và tốc độ làm việc.................................... 84 3.4. Khả năng ổn định của máy xúc lội nước............................................... 86 3.4.1. Xác định góc nghiêng giới hạn ......................................................... 86 iv
3.4.1.1. Xác định góc nghiêng theo điều kiện ổn định lật........................... 86 3.4.1.2. Xác định góc nghiêng theo điều kiện trượt .................................... 88 3.4.1.3. Khả năng nghiêng dọc của máy..................................................... 88 3.4.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc ổn định của máy xúc lội nước .................................................................................. 91 3.4.2.1. Ảnh hưởng của các yếu tố hình học và kết cấu của phao xích ...... 91 3.5. Phương pháp xác định chế độ làm việc ổn định của máy xúc lội nước ................................................................................................................ 95 3.5.1.Mô hình bài toán xác định chế độ ổn định làm việc của máy ........... 95 3.5.2. Kết quả tính toán đảm bảo điều kiện ổn định và điều kiện làm việc của máy ở khu vực nước cạn....................................................................... 97 Kết luận chương 3 ......................................................................................... 99 Chương 4 ...................................................................................................... 100 THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH LẬT CỦA MÁY XÚC LỘI NƯỚC LÀM VIỆC TRONG VÙNG NƯỚC CẠN .................................. 100 4.1. Mục đích nghiên cứu ............................................................................ 100 4.2. Đối tượng thực nghiệm......................................................................... 101 4.3. Các thông số đo thực nghiệm ............................................................... 102 4.4. Trang thiết bị thực nghiệm ................................................................... 102 4.4.1. Cảm biến đo dịch chuyển ................................................................ 102 4.4.2. Cảm biến đo gia tốc ........................................................................ 103 4.4.3. Cảm biến đo áp suất........................................................................ 105 4.4.4. Thiết bị khuếch đại tín hiệu............................................................. 106 4.4.5. Thiết bị ghi và xử lý tín hiệu ........................................................... 106 4.4.6. Phần mềm xử lý số liệu và máy tính................................................ 107 4.4.7. Thiết bị đo xác định vị trí của thân máy ......................................... 108 4.5. Các bước tổ chức thực nghiệm............................................................. 111 4.5.1. Vị trí, môi trường làm thực nghiệm ................................................ 111 4.5.2. Bố trí các đầu đo và thiết bị đo....................................................... 111 4.5.2.1. Lắp đặt đầu đo H7........................................................................ 112 4.5.2.2. Lắp đặt các đầu đo áp suất OCM-511......................................... 112 v
4.5.2.3. Lắp đặt đầu đo gia tốc ba trục..................................................... 113 4.5.2.4. Vị trí bố trí camera ghi hình tốc độ cao....................................... 114 4.5.3. Kết nối đầu đo với thiết bị ghi, xử lý tín hiệu và máy tính.............. 114 4.5.4. Thiết lập sơ đồ các kênh đo............................................................. 115 4.6. Tiến hành thực nghiệm......................................................................... 116 4.7. Phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm ............................................ 116 4.8. Phân tích kết quả thực nghiệm ............................................................ 117 4.8.1. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm theo đồ thị ........... 117 4.8.1.1. Dịch chuyển của phao xích .......................................................... 117 4.8.1.2. Góc quay cần máy, tay gầu, gầu.................................................. 118 4.8.1.3. Vận tốc dịch chuyển của phao xích.............................................. 120 4.8.1.4. Vận tốc dịch chuyển các khâu...................................................... 121 4.8.1.5. Gia tốc dịch chuyển phao xích..................................................... 122 4.8.1.6. Gia tốc dịch chuyển các khâu ...................................................... 123 4.8.1.7. Lực tác động của các xy lanh....................................................... 124 4.8.1.7. Gia tốc dịch chuyển máy cơ sở .................................................... 124 4.8.2. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm theo sai số ..... 125 Nhận xét..................................................................................................... 127 Kết luận chương 4 ....................................................................................... 128 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................. 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 132 PHỤ LỤC 1 .................................................................................................. 136 PHỤC LỤC 2 ............................................................................................... 142 CHƯƠNG TRÌNH KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH NGANG.............................. 142 vi
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký Diễn giải Đơn vị đo Hiệu a Hệ số tính chất cơ lý của đất Kg/cm2 b1 Kích thước kết cấu dọc của phao xích m b2 Kích thước kết cấu dọc của phao xích m bn Kích thước két cấu ngang của phao xích m C0 Hệ số bám dính của đất daN/cm2 E Mô đun biến dạng đàn hồi N/cm2 E0 Mô đun đàn hồi của đất Kg/cm2 F Diện tích tiếp xúc giữa đầu đo tiếp xúc với đất Cm2 h Kích thước kết cấu phao xích m lab Khoảng cách A và B m lah Khoảng cách A và H m lci Khoảng cách C và I m ljl Khoảng cách J và L m lkl Khoảng cách K và L m lkm Khoảng cách K và M m lhe Khoảng cách H và E m lgl Khoảng cách G và L m lgm Khoảng cách G và M m lkm Khoảng cách K và M m M2 Mô men dẫn động cần máy xúc Nm M3 Mô men dẫn động tay gầu Nm M4 Mô men dẫn động gầu xúc Nm q1 Góc lắc phần phao xích khâu 1 rad q2 Góc lắc phần phao xích khâu 2 rad vii
q3 Góc lắc phần phao xích khâu 3 rad q4 Góc lắc phần phao xích khâu 4 rad 1 Góc kết cấu khâu 1 Độ 2 Góc kết cấu khâu 2 Độ 3 Góc kết cấu khâu 3 Độ 4 Góc kết cấu khâu 4 Độ Cx1 Hệ số giảm chấn theo OX của nền đất Ns/m Cy1 Hệ số giảm chấn theo OY của nền đất Ns/m Kx1 Độ cứng ngang theo OX của nền đất N/m Ky1 Độ cứng ngang theo OY của nền đất N/m P1 Lực đẩy của nước tác dụng lên phao xích N/m P4 Lực đẩy nổi của nước tác dụng lên gầu xúc N/m Kb Hệ số nền đất Ns/m viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các kích thước kết cấu của máy xúc. ................................................. 55 Bảng 2.2. Bảng các thông số đầu vào . ............................................................... 56 Bảng 2.3. Các thông số cơ bản của các khâu mô hình 3D ................................. 67 Bảng 3.1. Kết quả chế độ làm việc của máy khi nước ngập ¼ phao xích. ......... 99 Bảng 3.2. Kết quả chế độ làm việc của máy khi nước ngập ½ phao xích. ........ 100 Bảng 3.3. Kết quả chế độ làm việc của máy khi nước ngập ¾ phao xích. ........ 100 Bảng 4.1. Các thông số kỹ thuật của đầu đo dịch chuyển ................................. 106 Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật cảm biến gia tốc ................................................... 107 Bảng 4.3. Các thông số kỹ thuật cảm biến OCM-511 ........................................ 108 Bảng 4.4. Các thông số kỹ thuật của thiết bị ghi NI6210 ................................... 110 Bảng 4.5. Thông số kỹ thuật camera ghi hình tốc độ cao................................... 112 Bảng 4.6. So sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm....................... 127 ix
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu tạo chung máy xúc lội nước. 4 Hình 1.2. Các trạng thái làm việc của máy xúc lội nước. 5 Hình 1.3. Máy xúc lội nước BIGFLOAT Hyundai Robex R210LC-7. 7 Hình 1.4. Máy xúc lội nước của hãng CAT 320D. 8 Hình 1.5. Máy xúc lội nước Hitachi AE200. 8 Hình 1.6. Máy xúc lội nước Sinoway SWEA220. 9 Hình 1.7. MXLN PC200 tác nghiệp tại cảng Đình Vũ - Hải Phòng. 9 Hình 1.8. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tương đối của nền. 11 Hình 1.9. Sơ đồ nén lún của đất. 11 Hình 1.10. Đường nén lún của mẫu đất nguyên dạng. 12 Hình 1.11. Điều kiện cân bằng giới hạn. 13 Hình 1.12. Sự phụ thuộc ứng suất tiếp tuyến k vào biến dạng của đất h. 14 Hình 1.13. Ứng suất dính phụ thuộc độ sâu các lớp đất. 15 Hình 1.14. Lực dính bám phụ thuộc vào độ ẩm của đất  7  . 15 Hình 1.15. Sự phụ thuộc lực cản cắt vào độ ẩm  7  . 18 Hình 1.16. Sự phụ thuộc lực cản cắt vào độ ẩm của đất  20 . 18 Hình 1.17. Độ cứng đất phụ thuộc độ sâu ở Hồ Kiến An - Hải Phòng[20]. 19 Hình 1.18. Độ cứng của đất phụ thuộc độ sâu (kênh mương nội thành)[20]. 19 Hình 1.19. Độ cứng của đất phụ thuộc độ sâu (kênh mương thủy lợi)[20]. 20 Hình 1.20. Sơ đồ biểu diễn sự phân bố các lớp bùn đất[20]. 20 Hình 1.21. Kết quả do cắt lớp địa điền xác định trầm tích đáy hồ[20]. 21 Hình 1.22. Biều đồ mật độ trầm tích đáy hồ điều hòa[20]. 21 Hình 1.23. Sơ đồ mặt cắt địa chất ở các vùng đất yếu thuộc đồng bằng Bắc bộ. 22 Hình 1.24. Sơ đồ mặt cắt địa chất ở các vùng đất yếu ở đồng bằng Bắc bộ. 22 Hình 1.25. Trạng thái ứng suất của phân tố trong bài toán không gian (a) 23 và bài toán phẳng (b). x
Hình 1. 26. Tính chất của vật liệu bất đẳng hướng. 25 Hình 1.27. Quan hệ ứng suất - biến dạng của mô hình đàn hồi phi tuyến. 26 Hình 1. 28. Quan hệ ứng suất - biến dạng của mô hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng. 27 Hình 1.29. Hàm của ứng suất đất khi chịu các lực tác dụng. 29 Hình 1.30. Mô hình tính toán động học. 31 Hình 1.31. Mô hình tay máy xúc. 32 Hình 1.32. Sơ đồ tính toán máy xúc nạo vét. 33 Hình 1.33. Mô hình tay máy. 34 Hình 1.34. Mô hình động học quá trình đào đất của máy xúc. 35 Hình 1.35. Máy xúc thủy lực một gầu đang nạo vét sông nhuệ - Hà Nội. 37 Hình 1.36. Thiết bị nạo véi gầu ngoạm do Công ty 276 chế tạo. 37 Hình 1.37. Mô hình LHM nạo vét kênh mương kiểu một gầu nghịch  20 . 37 Hình 2.1. Mô hình động lực học của máy xúc lội nước theo chiều dọc. 42 Hình 2.2. Sơ đồ xác định biến dạng của các lò xo nền đất. 47 Hình 2.3. Mô hình động lực học máy xúc lội nước theo phương ngang. 58 Hình 2.4. Sơ đồ hệ lực tác dụng khi máy xúc xả đất. 61 Hình 2.5. Sơ đồ hình dạng mặt cắt dọc đi qua trọng tâm phao xích. 64 Hình 2.6. Sơ đồ mặt cắt ngang đi qua trọng tâm các phao xích. 64 Hình 2.7. Mô hình 3D máy xúc lội nước PC200-8 thiết kế trên Inventor. 67 Hình 2.8. Sơ đồ các kích thước kết cấu của máy xúc lội nước. 68 Hình 3.1. Kết quả góc quay φ1 của thần phao xích. 73 Hình 3.2. Kết quả dịch chuyển x1 theo phương ngang của phao xích. 73 Hình 3.3. Kết quả dịch chuyển theo phương đứng y1 của phao xích. 74 Hình 3.4. Kết quả vận tốc góc quay  1 phao xích. 74 Hình 3.5. Kết quả vận tốc dịch chuyển ngang x 1 của phao xích. 75 Hình 3.6. Kết quả vận tốc dịch chuyển đứng y 1 của phao xích. 75 xi
Hình 3.7. Kết quả gia tốc góc quay  1 của phao xích. 76 Hình 3.8. Kết quả gia tốc dịch chuyển ngang x1 của phaoxích. 76 Hình 3.9. Kết quả gia tốc dịch chuyển đứng y1 của phao xích. 77 Hình 3.10. Kết quả góc quay φ2 của thần phao xích. 77 Hình 3.11. Kết quả vận tốc góc quay  2 phao xích. 78 Hình 3.12. Kết quả gia tốc góc quay   2 phao xích. 78 Hình 3.13. Kết quả góc quay φ3 của thần phao xích. 79 Hình 3.14. Kết quả vận tốc góc quay  3 của phao xích. 79 Hình 3.15. Kết quả gia tốc góc quay   3 của phao xích. 80 Hình 3.16. Các kết quả góc quay φ4 của thần phao xích. 80 Hình 3.17. Các kết quả vận tốc góc quay  4 phao xích. 81 Hình 3.18. Các kết quả gia tốc góc quay   4 phao xích. 81 Hình 3.19. Quỹ đạo chuyển động của trọng tâm gầu xúc. 83 Hình 3.20. Đồ thị góc quay  của phao xích theo thời gian. 83 Hình 3.21. Đồ thị chuyển vị thẳng đứng h1 phao xích theo thời gian. 84 Hình 3.22. Đồ thị vận tốc góc  1 phao xích theo thời gian. 84 Hình 3.23. Đồ thị vận tốc chuyển vị thẳng đứng h 1 phao xích theo thời gian. 85 Hình 3.24. Đồ thị gia tốc góc nghiêng phao xích   theo thời gian. 85 Hình 3.25. Đồ thị gia tốc chuyển vị thẳng đứng phao xích  h1 theo thời gian. 86 Hình 3.26. Đồ thị phản lực nền Pb tác dụng lên phao xích theo thời gian. 86 Hình 3.27. So sánh tương quan giữa hệ số nền và góc nghiêng phao xích. 87 Hình 3.28. So sánh tương quan giữa vận tốc nâng cần và góc nghiêng phao xích. 87 Hình 3.29. Sơ đồ xác định góc nghiêng dọc cho phép. 88 Hình 3.30. Sơ đồ xác định góc nghiêng ngang cho phép. 89 Hình 3.31. Sơ đồ xác định khả năng nghiêng dọc cho phép của máy. 90 xii
Hình 3.32. Sơ đồ xác định các cao độ của các điểm chuẩn Ocb và Odc. 91 Hình 3.33. Sơ đồ xác định khả năng nghiêng ngang cho phép của máy. 92 Hình 3.34. Kích thước kết cấu của phao xích. 93 Hình 3.35. Phân chia vùng làm việc của máy xúc lội nước. 95 Hình 3.36. Sơ đồ thuật toán xác định chế độ làm việc ổn định của máy xúc. 97 Hình 4.1. NCS cùng nhóm chuyên gia tại vị trí làm thực nghiệm. 104 Hình 4.2. Máy xúc lội nước KOMAT’SU PC200-8. 104 Hình 4.3. Đầu đo dịch chuyển H7. 105 Hình 4.4. Cảm biến gia tốc ba trục PCB 356B08. 106 Hình 4.5. Cảm biến áp suất OCM-511. 108 Hình 4.6. Thiết bị khuếch đại tín hiệu PCB 482A20. 109 Hình 4.7. Thiết bị ghi NI6210. 109 Hình 4.8. Các khối mô đun của phần mềm DasyLab 10. 111 Hình 4.9. Camera ghi hình tốc độ cao khi triển khai tác nghiệp. 112 Hình 4.10. Môi trường vùng sình lầy Đình Vũ - Hải Phòng. 114 Hình 4.11. Lắp các đầu đo H7 trên máy xúc. 115 Hình 4.12. Vị trí lắp đặt các đầu đo OCM-511. 115 Hình 4.13. Vị trí lắp đặt cảm biến gia tốc ba trục. 116 Hình 4.14. Vị trí đặt camera ghi hình tốc độ cao. 117 Hình 4.15. Sơ đồ kết nối các cảm biến gắn trên máy xúc lội nước với. 117 thiết bị ghi, xử lý tín hiệu và máy tính. Hình 4.16. Sơ đồ bố trí camera ghi hình tốc độ cao và vị trí đánh dấu trên 118 phao xích của máy xúc lội nước. Hình 4.17. Sơ đồ khối xử lý số liệu thực nghiệm. 118 Hình 4.18. Góc quay thân phao; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 120 Hình 4.19. Dịch chuyển theo phương x; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 120 Hình 4.20. Dịch chuyển theo phương y; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 120 xiii
Hình 4.21. Góc quay cần máy φ2; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 121 Hình 4.22. Góc quay tay gầu φ3; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 121 Hình 4.23. Góc quay gầu φ4; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 121 Hình 4.24. Vận tốc góc quay phao xích; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 122 Hình 4.25. Vận tốc dịch chuyển theo phương x; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 122 Hình 4.26. Vận tốc dịch chuyển theo phương y; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 122 Hình 4.27. Vận tốc góc quay cần φ2; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 123 Hình 4.28. Vận tốc góc quay tay gầu φ3; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 123 Hình 4.29. Vận tốc góc quay gầu φ4; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 123 Hình 4.30. Gia tốc góc quay thân phao; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 124 Hình 4.3. Gia tốc dịch chuyển phương x; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 124 Hình 4.32. Gia tốc dịch chuyển phương y; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 124 Hình 4.33. Gia tốc góc cần φ2; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 125 Hình 4.34. Gia tốc góc tay gầu φ3; a)- lý thuyết; b) - thực nghiệm. 125 Hình 4.35. Gia tốc góc gầu xúc φ4; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm. 125 Hình 4.36. Lực tác động của các xy lanh. 126 Hình 4.37. Gia tốc dịch chuyển khi đào dọc. 126 Hình 4.38. Gia tốc dịch chuyển khi đào ngang. 127 xiv
MỞ ĐẦU Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, hằng năm đón nhận lượng mưa rất lớn kéo theo sự cuốn trôi đất cát, các chất thải…xuống các hệ thống kênh, sông, ao hồ, rồi đổ ra cửa sông, cửa biển làm cho hệ thống thoát nước không thể đáp ứng được yêu cầu, gây tắc nghẽn, ngập úng về mùa mưa mà thiếu nước, khô hạn về mùa khô, làm giảm khả năng lưu thông luồng lạch để đưa các loại tàu cỡ lớn vào sâu trong đất liền... Đặc biệt, vấn đề tắc nghẽn hệ thống thoát nước ở các thành phố lớn, khu đông dân cư sẽ để lại hậu quả hết sức nghiêm trọng cả về kinh tế, giao thông cũng như sức khỏe và môi trường. Để khắc phục giải quyết được vấn đề trên, một mặt phải đầu tư xây dựng hệ thống thoát nước tốt, đồng thời phải thường xuyên tu bổ, bảo dưỡng các hệ thống đang sử dụng, trong đó công việc nạo vét, khơi thông luồng lạch là khó khăn và tốn kém. Hiện nay, việc cơ giới hóa công tác nạo vét cũng như thi công ở khu vực ngập nước còn rất nhiều hạn chế, chủ yếu sử dụng các loại máy thi công trên cạn nên chưa đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật như mong muốn. Vì vậy, sử dụng máy xúc lội nước (MXLN) là một giải pháp kỹ thuật vô cùng hiệu quả để khắc phục hạn chế của các máy thi công thông thường nhờ có kết cấu đặc biệt ở phần di chuyển dạng phao xích. Tuy nhiên, do phải làm việc trong vùng đất yếu, đất ngập nước nên việc đảm bảo ổn định cho máy trong quá trình đào đất, nâng chuyển và đổ đất vào thiết bị vận chuyển gặp rất nhiều khó khăn, dễ xảy ra hiện tượng mất an toàn cho máy và người điều khiển. Do vậy, nghiên cứu và lựa chọn các thông số làm việc cho MXLN để nâng cao hiệu quả sử dụng máy và đảm bảo an toàn cho cả người và máy móc khi làm việc trong vùng sình lầy và vùng nước cạn (vùng ven sông, ven biển, vùng hồ nước, ao, ruộng nước đồng bằng) là một vấn đề mang tính cấp thiết, đồng thời mang cả ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Xuất phát từ lý do trên, 1
NCS lựa chọn đề tài “Nghiên cứu động lực học máy xúc lội nước để khảo sát ổn định lật khi làm việc” làm đề tài cho luận văn tiến sĩ của mình. Đối tượng nghiên cứu. Là máy xúc thủy lực một gầu lội nước dung tích gầu 0,5 m3, công suất động cơ 114kW, trọng lượng 15 - 26t, dự trữ nổi của phao xích, cụ thể là máy xúc PC200-8 do hãng Komatsu chế tạo đang thi công tại khu công nghiệp Cảng Đình Vũ - Hải Phòng. Mục đính nghiên cứu của luận án. Nghiên cứu động lực học máy xúc lội nước và đề xuất chế độ làm việc hợp lý của máy khi làm việc trong môi trường đất yếu, đất ngập nước. Phạm vi nghiên cứu. Là MXLN thủy lực PC 200 - 8 làm việc trong môi trường nền đất yếu ở Việt Nam. Nội dung nghiên cứu của luận án. Để đạt được mục tiêu nghiên cứu trên, luận án tiến hành giải quyết các nội dung nghiên cứu sau đây: - Khảo sát đặc điểm, tính chất cơ lý môi trường làm việc (đất yếu, đất ngập nước) của MXLN; - Xây dựng mô hình khảo sát động lực học, xây dựng hệ phương trình vi phân trong quá trình làm việc của MXLN trên nền đất yếu; - Tính toán động lực học MXLN trong quá trình, nâng - chuyển và xả đất; - Tính toán, khảo sát ảnh hưởng thông số kết cấu của máy, tính chất cơ lý môi trường làm việc đến sự ổn định của MXLN; - Xác định các thông số, chế độ làm việc hợp lý cho MXLN làm việc trong vùng đất yếu, đất ngập nước; - Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, thu nhận và xử lí số liệu, đồng thời đánh giá, so sánh với kết quả tính toán lý thuyết. Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng để thực hiện nội dung nghiên cứu của luận án 2
- Trên cơ sở lý thuyết cơ học hệ nhiều vật, lý thuyết bơi, xây dựng mô hình động lực học máy xúc lội nước làm việc trong vùng nước cạn; - Sử dụng các phầm mềm Inventor-Solidworks để xây dựng mô hình 3D, mô phỏng quá trình làm việc của MXLN; - Khảo sát động lực học quá trình làm việc của MXLN trên cơ sở sử dụng các phần mềm Matlab-Simulink, Matlab-Simhydraulic; - Thực nghiệm xác định thông số đầu vào, thông số động lực học của máy xúc làm việc trong vùng nước cạn. - Thiết bị thí nghiệm đo các thông số động lực học máy của phòng thí nghiệm bộ môn Xe máy Công binh, bộ môn Ô tô, bộ môn Tăng thiết giáp HVKTQS. Phòng thí nghiệm thủy lực của trường ĐHBK Hà Nội, phòng thí nghiệm thủy lực Viện Khoa học Công nghệ giao thông vận tải. Cấu trúc của luận án: Cấu trúc của luận án gồm: phần mở đầu, 4 chương nội dung và phần kết luận chung Chương 1.Tổng quan những nghiên cứu về máy xúc lội nước và môi trường tương tác. Chương 2. Nghiên cứu Động lực học máy xúc lội nước làm việc trong vùng nước cạn. Chương 3. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến ổn định của máy xúc lội nước làm việc trong vùng nước cạn. Chương 4. Thực nghiệm khảo sát ổn định lật của máy xúc lội nước làm việc trong vùng nước cạn. 3
Chương 1 TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ MÁY XÚC LỘI NƯỚC VÀ MÔI TRƯỜNG TƯƠNG TÁC 1.1. Tổng quan về máy xúc lội nước 1.1.1. Đặc điểm làm việc của máy xúc lội nước Máy xúc lội nước (MXLN) là thiết bị thi công hiệu quả trong khu vực đất yếu, đất ngập nước. Máy xúc lội nước có kết cấu khá đặc biệt và khác với máy xúc bình thường ở hệ di chuyển của máy. Các hệ di chuyển xích bình thường sử dụng hệ thống bánh tì, bánh đỡ còn đối với MXLN, hệ di chuyển của máy có kết cấu dạng phao – xích, bao gồm các dải xích chạy xung quanh tiết diện của phao nổi giúp máy có thể di chuyển và nổi ở khu vực đất yếu, đất ngập nước. Hình 1.1. Cấu tạo chung máy xúc lội nước. 1- Phao - xích; 2 - Máy cơ sở; 3 - Cần; 4 - tay gầu; 5 - Gầu. Các MXLN có nhiều chủng loại với hình dạng và kích thước phao xích khác nhau để phù hợp với các điều kiện làm việc và đặc điểm môi trường làm việc. Kết cấu của phao xích thường có dạng hình hộp chữ nhật, có thể thay đổi được khoảng cách giữa hai phao để tăng khả năng ổn định của máy khi làm 4
việc. Ngoài ra, khi máy làm việc trong môi trường nước sâu, thường gắn thêm phao phụ để tăng khả năng nổi, sử dụng các cọc định vị để tăng tính ổn định khi đào đất. MXLN chủ yếu được sử dụng để làm việc ở môi trường có nền đất yếu, nền đất biến dạng hoặc đất ngập nước. Để đảm bảo khả năng làm việc của máy trong khu vực đất ngập nước có độ sâu dưới 1,5m, phao-xích của máy thường được thiết kế có độ mớn nước đến 1,3m, khi làm việc thì hai dải phao- xích của máy vẫn phải chạm đất. Đối với vùng có độ sâu trên 1,5m (và dưới 4m), để đảm bảo khả năng làm việc của máy, người ta phải sử dụng thêm phao phụ để tăng khả năng nổi. Bên cạnh đó phải sử dụng thêm các cọc phụ để cố định vị trí của máy khi tác nghiệp (hình 1. 2). Hình1.2. Các trạng thái làm việc của máy xúc lội nước. a,b - Vùng nước sâu dưới 1,5m; c - Vùng nước sâu trên 1,5m và dưới 4m. Môi trường làm việc của MXLN rất đa dạng, nhưng ở Việt Nam hiện nay, các MXLN chủ yếu làm việc trong vùng nước cạn và vùng sình lầy. Với ưu điểm là có thể làm việc trong môi trường đất yếu, đất ngập nước nên máy xúc lội nước thường được sử dụng vào những công việc cụ thể như sau: + Dọn sạch đất vùng mỏ, vùng trồng trọt và đất rừng, + Nạo vét kênh, sông và cửa biển, + Đắp đập, đê phòng lũ và cải tạo đất, + Đào ao tôm, ao cá và ao làm muối, + Cải tạo, làm sạch ao và hồ nước, + Đào hào đặt ống dẫn dầu và khí đốt, 5
+ Dọn đất làm đường bộ và xây dựng đường sắt, + Di chuyển và dọn sạch vật cản do sụt lở đất và lũ, + Đào kênh dẫn nước tưới ruộng lúa và cây trồng, + Tăng thêm chiều sâu của đường thuỷ và vùng đồng bằng sông Hồng, + Bảo trì và làm sạch cửa sông, hồ, bờ biển. ... 1.1.2. Nhu cầu cơ giới hóa quá trình nạo vét các công trình ở vùng hàng năm ngập nước ở nước ta Nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, lượng mưa rất lớn hàng năm dẫn đến sự cuốn trôi đất cát, cỏ rác, các chất thải khu dân cư ... xuống hệ thống thoát nước (sông, suối, ao hồ…) làm cho hệ thống cấp thoát nước vốn còn nhiều hạn chế nay càng nhanh bị tắc nghẽn, gây úng ngập trong mùa mưa. Sự tắc nghẽn hệ thống thoát nước ở khu dân cư, đặc biệt là ở các thành phố lớn cũng thường xuyên xảy ra, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng lớn đến giao thông đô thị, thậm chí còn gây tổn thất lớn về người và của. Các cầu cảng, cửa sông, cửa biển ở nước ta hàng năm bị bồi lắng do lượng phù sa của các con sông đổ về gây ảnh hưởng lớn đến sự ra vào của các loại tàu thuyền. Cùng với đó, nhu cầu xây dựng các công trình vùng ngập nước ở vùng ven biển, đặc biệt là khu vực đồng bằng sông Cửu long, là rất lớn, chủ yếu là xây dựng hệ thống đầm nuôi tôm, cá, hệ thống kênh mương, bờ đê ngăn ngừa xâm nhập mặn, ... Theo thống kê, hàng năm cả nước ta có từ 12 đến 15 trong tổng số 36 tuyến luồng hàng hải được nạo vét duy tu, có tuyến luồng phải nạo vét duy tu nhiều lần như luồng tàu vào cảng Hải Phòng 3 lần/năm, luồng tàu Định An 2 lần/năm ... Công việc nạo vét các luồng tàu, sông ngòi kênh rạch đã tiêu tốn hàng trăm tỉ đồng ngân sách nhà nước. Cho đến nay, vấn đề cơ giới hóa công tác nạo vét vẫn còn nhiều hạn chế, một số nơi vẫn phải thực hiện thủ công cho năng suất thấp và tiêu tốn sức lao động của công nhân. Nguyên nhân chính là 6