Luận văn thạc sĩ Khoa học Kỹ thuật: Nghiên cứu, thiết kế máy búa rung lực ly tâm 50 tấn phục vụ thi công các công trình xây dựng và giao thông

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm tính toán xác định được các thông số động lực học của máy búa rung có lực ly tâm 50 tấn phù hợp với điều kiện thi công ở nước ta. Tính toán, thiết kế được các chi tiết của máy búa rung đảm bảo làm việc ổn định theo công suất thiết kế. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ Khoa học Kỹ thuật: Nghiên cứu, thiết kế máy búa rung lực ly tâm 50 tấn phục vụ thi công các công trình xây dựng và giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP LƯƠNG VĂN ĐÀI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY BÚA RUNG LỰC LY TÂM 50 TẤN PHỤC VỤ THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG VÀ GIAO THÔNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT Hà Nội - 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP LƯƠNG VĂN ĐÀI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY BÚA RUNG LỰC LY TÂM 50 TẤN PHỤC VỤ THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG VÀ GIAO THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ CƠ GIỚI HÓA NÔNG - LÂM NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. PHẠM VĂN NGHỆ Hà Nội - 2011
i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được bản luận văn này, trong suốt thời gian qua tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân. Nhân dịp này cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thày giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS. Phạm Văn Nghệ đã dành nhiều thời gian chỉ bảo tận tình và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình. Tôi xin trân trọng cảm ơn Quý thầy cô khoa Đào tạo sau đại học, khoa Cơ điện và công trình, khoa Chế biến Trường Đại học Lâm nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Cơ điện và Nông nghiệp Nam Bộ cùng các anh, chị đồng nghiệp nơi tôi đang công tác đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 9 tháng 9 năm 2011 Người thực hiện Lương Văn Đài
ii MỤC LỤC - TRANG PHỤ BÌA - LỜI CẢM ƠN ........................................................................................i - MỤC LỤC ........................................................................................... ii - DANH MỤC CÁC KÍ HỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................. iv - DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................ vii - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THị ........................................... viii - MỞ ĐẦU ..............................................................................................1 Chương 1- TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu chung về công tác đóng, hạ cọc trong gia cố nền móng .3 1.2. Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy búa rung trên thế giới và ở trong nước .................................................................................................................9 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài ..............................................9 1.2.2. Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy búa rung ở trong nước ........13 Chương 2- MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục tiêu của đề tài .........................................................................15 2.2. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................15 2.3. Phạm vi nghiên cứu........................................................................15 2.4. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................16 Chương 3-CƠ SỞ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY BÚA RUNG 3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy búa rung .........................18 3.4. Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy búa rung ...........................20 3.3. Mô hình cơ học máy búa rung .......................................................24 3.4. Các phương pháp tính khả năng hạ cọc bằng búa rung .................29
iii Chương 4- TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC MÁY BÚA RUNG LỰC LY TÂM 50 TẤN 4.1. Xác định vận tốc góc, mômen quán tính .......................................31 4.2. Tính tổng độ cứng lò xo .................................................................32 4.3. Tính dao động của hệ .....................................................................32 4.4. Tính công suất cần thiết của động cơ và chọn động cơ điện .........32 Chương 5- TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ KIỂM NGHIỆM BỀN CÁC CHI TIẾT CHÍNH MÁY BÚA RUNG 5.1. Tính toán các bộ truyền ..................................................................33 5.2. Chọn ổ bi ........................................................................................35 5.3. Xác định kích thước quả văng .......................................................35 5.4. Tính lò xo bộ gây rung ...................................................................37 5.5. Thiết kế hệ thống thanh treo dẫn hướng của lò xo ........................44 5.6. Tính chọn xy lanh kẹp cọc .............................................................44 5.6. Sơ đồ hệ thống thủy lực .................................................................45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên gọi Đơn vị M0 Khối lượng quả văng kg r Bán kính lệch tâm của quả văng m  Tần số góc quả văng s-1 0 Tần số dao động riêng của bộ gây rung s-1 Fa Lực ly tâm N Ftđ Lực thẳng đứng N  Tần số va đập Hz I Tần số dao động của đầu búa Hz i Tỉ lệ tần số  Tỉ lệ tần số riêng m Khối lượng phần rung kg C Tổng độ cứng lò xo N/m R’ Hệ số phục hồi vận tốc v1 Vận tốc búa ngay trước va đập m/s v2 Vận tốc búa ngay sau va đập m/s M Tổng khối lượng của cọc và khung kg y1’ Vận tốc không thứ nguyên của bộ gây rung x1 Độ lún một lần va chạm m yn Độ lún không thứ nguyên của cọc xcọc Độ lún của cọc m D1 Giá trị dịch chuyển tới hạn của Perkov-Shaevich mm s Lực cản thân cọc trên một đơn vị diện tích kPa As Diện tích mặt cắt thân cọc trong đất m2 lc Chiều dài cọc m
v dc Chiều rộng của cọc ván m P Lực lệch tâm N G Trọng lượng các quả văng N g Gia tốc trọng trường m/s2 Nct Công suất cần thiết của động cơ kW Nđc Công suất động cơ kW K Mômen lệch tâm của các quả văng Kg.m bt Chiều rộng lớp trung hòa đai thang mm hđ Chiều cao đai mm y0 Chiều cao lớp trung hòa đai thang mm Ađ Tiết diện đai mm2 m1 Module bánh răng chủ động m2 Module bánh răng bị động d1 Đường kính vòng chia bánh răng chủ động mm d2 Đường kính vòng chia bánh răng bị động mm da Đường kính đỉnh răng mm df Đường kính chân răng mm Z1 Số răng bánh chủ động Z2 Số răng bánh bị động V Thể tích quả văng m3 1 Khối lượng riêng của thép làm quả văng kg/m3 Ctr Độ cứng lò xo trên N/m Cd Độ cứng lò xo dưới N/m dtr Đường kính dây lò xo trên mm Dtr Đường kính vòng lò xo trên mm dd Đường kính dây lò xo dưới mm Dd Đường kính vòng lò xo dưới mm trmax Biến dạng lớn nhất lò xo trên mm
vi dmax Biến dạng lớn nhất lò xo dưới mm Pd max Lực lớn nhất tác dụng vào lò xo dưới N Pd min Lực nhỏ nhất tác dụng vào lò xo dưới N Ptr max Lực lớn nhất tác dụng vào lò xo trên N Ptrmin Lực nhỏ nhất tác dụng vào lò xo trên N Ttr Phản lực lò xo trên N Td Phản lực lò xo dưới N dbl Đường kính bulong treo mm Tkc Lực kẹp cọc N ptl Áp suất thủy lực kG/cm2 Rxl Bán kính xy lanh cm
vii DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN TT Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy búa rung 7 1.2 Máy búa rung làm việc tại công trường 7 1.3 Búa rung BT5 (Liên Xô) 9 1.4 Búa rung VM2-2500EH (Nhật Bản) 12 3.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy búa rung điện 18 3.2 Sơ đồ phân tích lực các quả văng 19 3.3 Mô hình cơ học máy búa rung 24 5.1 Sơ đồ xác định kích thước quả văng 36 5.2 Sơ đồ hệ thống thủy lực 46 5.3 Bản vẽ chi tiết kẹp cọc 5.4 Bản vẽ chi tiết móc treo (hình chiếu đứng ) 5.5 Bản vẽ chi tiết móc treo (hình chiếu cạnh và hình cắt đứng) 5.6 Bản vẽ chi tiết vỏ hộp rung 5.7 Bản vẽ chi tiết nắp hộp rung 5.8 Bản vẽ chi tiết đệm dẫn hướng 5.9 Bản vẽ chi tiết quả văng 5.10 Bản vẽ chi tiết trục quả văng 5.11 Bản vẽ chi tiết nắp vòng bi 5.12 Mô hình tổng thể của búa rung 5.13 Mô hình 3D cụm móc treo 5.14 Mô hình 3D hộp rung
viii TT Tên hình Trang 5.15 Đặt lực, điều kiện biên, chia lưới bộ phận rung 5.16 Đặt lực, điều kiện biên, chia lưới mỏ kẹp 5.17 Đặt lực, điều kiện biên, chia lưới móc treo 5.18 Điểm tập trung ứng suất bộ phận móc treo 5.19 Gán vật liệu cho hộp rung 5.20 Biến dạng móc treo khi mô phỏng 5.21 Hướng di chuyển kim loại của móc treo khi biến dạng DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN TT Tên bảng biểu Trang 3.1 Dịch chuyển tới hạn của Perkov-Shaevich 23 Giá trị s (Lực cản thân cọc trên một đơn vị diện tích) theo 3.2 30 phương pháp Turker 5.1 Hệ số điều chỉnh (dùng trong tính toán lò xo) 40
1 MỞ ĐẦU Nước ta hiện nay đang ở trong thời kỳ hội nhập và phát triển, việc thi công các công trình xây dựng công nghiệp và giao thông như đường xá, cầu cống, nhà máy, nhà ga, bến cảng… là rất lớn. Trong thi công các công trình xây dựng và giao thông, xử lý nền móng là một công đoạn quan trọng, nó quyết định đến chất lượng cũng như tuổi thọ của công trình. Nhu cầu về máy móc phục vụ thi công nền móng ở nước ta hiện nay rất lớn. Hàng năm chúng ta phải tốn khá nhiều ngoại tệ để nhập khẩu máy móc thiết bị dùng để thi công nền móng. Theo Hiệp hội Doanh nghiệp cơ khí Việt Nam, với nhu cầu xây dựng lớn như hiện nay, mỗi năm nước ta phải bỏ ra từ 3 - 4 tỷ USD để nhập các loại máy xây dựng, trong đó tỷ lệ máy đóng cọc nhập khẩu chiếm khoảng 35%. Trong các thiết bị hạ chìm cọc vào lòng đất thì máy búa rung có nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại búa va đập khác như: Kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, tính cơ động và năng xuất cao, làm việc chắc chắn, cọc không bị vỡ, giá thành đóng cọc rẻ hơn 2 đến 3 lần so với các loại búa khác, có thể đóng cọc và nhổ cọc. Đặc biệt chúng làm việc rất hiệu quả trên nền đất cát tơi, xốp, ở những địa hình chật hẹp, chen cấy, khu nơi dân cư… Hiện nay, rất nhiều công ty xây dựng và thi công cầu có nhu cầu trang bị các loại máy búa đóng cọc, và xu hướng là mua các loại máy búa rung do những ưu điểm như đã nêu trên. Tuy nhiên, phần lớn loại thiết bị này được nhập khẩu từ Trung Quốc, Nhật Bản, Nga, Mỹ… Chúng ta chủ yếu mới dừng lại ở việc khai thác sử dụng, sửa chữa máy búa rung. Tuy phức tạp về thiết kế nhưng máy búa rung không đòi hỏi công nghệ chế tạo đặc biệt. Dựa trên các chủng loại, mẫu mã sẵn có trong nước, có thể khẳng định rằng nước ta hoàn
2 toàn có thể thiết kế, chế tạo được máy búa rung bằng công nghệ hiện nay của Việt Nam. Xuất phát từ thực tế đó, tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế máy búa rung lực ly tâm 50 tấn phục vụ thi công các công trình xây dựng và giao thông”. Mặc dù việc sử dụng máy búa rung trong thi công nền móng các công trình xây dựng và giao thông được dùng khá rộng rãi trên thế giới và ngày càng phổ biến ở nước ta, tuy nhiên những tài liệu về nghiên cứu, tính toán, thiết kế máy búa rung lại rất hạn chế, đặc biệt đây là lĩnh vực còn khá mới mẻ ở nước ta hiện nay. Vì vậy, đề tài nhằm góp phần làm phong phú thêm tư liệu về phương pháp nghiên cứu, tính toán máy búa rung. Đồng thời từ các kết quả nghiên cứu, tiến tới ta tự chế tạo trong nước, không phải nhập khẩu loại thiết bị này mà trước nay Việt Nam vẫn phải nhập, góp phần cơ khí hóa và hiện đại hóa trong ngành xây dựng, cải thiện và bảo vệ môi trường, thúc đẩy sự phát triển công nghiệp bền vững, thực hiện chủ trương chính sách của Đảng, nhà nước về công nghiệp hóa và hiện đại hóa trong giai đoạn hiện nay.
3 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu chung về công tác đóng, hạ cọc trong gia cố nền móng Việc xử lý nền móng cho các công trình xây dựng và giao thông đã có từ rất lâu. Theo dòng phát triển của lịch sử, quy mô các công trình và công nghệ xử lý nền móng đã có những bước tiến dài. Hiện nay, trong gia cố nền móng cho các công trình lớn, thời hạn phục vụ lâu dài người ta áp dụng các loại móng cọc. Đây là loại móng đảm bảo khả năng xây dựng công trình trên các nền đất yếu có sức chịu tải nhỏ. Những ưu điểm cơ bản của việc áp dụng móng cọc là rút ngắn thời gian thi công, giảm bớt công tác nặng nhọc cho công nhân, giảm bớt khối lượng thép, bê tông, giảm khối lượng công tác làm đất và tăng chất lượng công trình…. Có rất nhiều phương pháp đóng, hạ cọc trong gia cố nền móng. Mỗi phương pháp có tính ưu việt riêng và phù hợp với từng yêu cầu của mỗi công trình. Các phương pháp thường sử dụng hiện nay là: khoan cọc nhồi, ép cọc tĩnh, dùng lực va đập, dùng thiết bị rung động. 1.1.1. Phương pháp khoan cọc nhồi. Cọc nhồi được chế tạo bằng cách rót trực tiếp vậy liệu (bê tông, bê tông cốt thép, cát) vào những lỗ cọc làm sẵn trong lòng đất ngay tại mặt bằng thi công công trình. Theo phương pháp tạo lỗ cọc khoan nhồi, thi công cọc nhồi được chia thành hai loại cơ bản sau: + Tạo lỗ cọc bằng cách đóng ống kim loại, đầu dưới bịt đế cọc vào lòng đất, sau đó rót vật liệu tạo cọc vào lòng ống. ống kim loại có thể để nguyên với vai trò là thành ống hoặc rút khỏi lòng đất trong quá trình rót vật liệu bằng thiết bị chuyên dùng, còn đế cọc nằm lại trong lòng đất.
4 + Tạo lỗ cọc bằng phương pháp khoan chuyên dùng. Các thiết bị khoan rất đa dạng, như tạo lỗ bằng phương pháp cơ học, phương pháp vật lý, hay là theo cách đưa đất từ lỗ khoan lên theo dạng liên tục hay chu kỳ,… Phương pháp khoan cọc nhồi có đặc điểm sau: - Ưu điểm: + Cọc được chế tạo tại chỗ, có kích thước và chiều dài tuỳ ý, không mất công vận chuyển hay phải làm các công tác phụ khác như cưa, cắt, nối cọc… sau khi đóng cọc. + Thi công cọc nhồi trên các máy khoan tạo lỗ tránh được các lực xung kích gây ảnh hưởng xấu đến các công trình xung quanh, không gây tiếng ồn lớn. Vì vậy trong những năm gần đây thi công cọc nhồi đã nhanh chóng xâm nhập vào các công trình trong thành phố. + Có thể thi công trên các công trường có điều kiện mà không thể thi công bằng phương pháp đóng cọc khác. - Nhược điểm: + Chi phí đầu tư máy móc thiết bị ban đầu lớn nên giá thành của nó cũng khá cao. + Khó kiểm tra chính xác chất lượng cọc sau khi thi công. + Gây ô nhiễm môi trường do có chất thải là dung dịch bentonít. + Phải xây dựng trạm trộn bê tông tại công trường hoặc phụ thuộc địa điểm của trạm trộn bê tông khác và công suất của trạm đó (do phụ thuộc thời gian bê tông đông cứng từ lúc trộn bê tông đến lúc đổ xong cọc),… 1.1.2. Phương pháp ép cọc tĩnh: Đây là phương pháp cơ học dùng lực ép cọc xuống lòng đất, phương pháp này chỉ đóng được các loại cọc có chiều dài ngắn hoặc đối với cọc dài, lớn thì phải dùng máy có công suất lớn. Ép cọc tĩnh có các đặc điểm sau:
5 - Ưu điểm: + Không gây chấn động đến các công trình xung quanh, không tạo ra tiếng ồn; + Giá thành rẻ. - Nhược điểm: Chỉ đóng được các loại cọc nhỏ có khẩu độ không dài lắm, hoặc nếu ép cọc lớn thì chi phí mua máy ban đầu rất lớn mà khối lượng thi công ít do ở nước ta chưa có nhiều công trình lớn, nên hiệu quả kinh tế khi sử dụng loại máy này thấp... 1.1.3. Phương pháp dùng lực va đập 1.1.3.1. Búa Hơi Búa hơi được chia làm hai loại: Loại quả búa tác động đơn và loại quả búa tác động kép. - Búa hơi tác động đơn: áp suất của hơi nước hoặc không khí nén chỉ dùng để nâng đầu quả búa lên cao, cọc được đóng vào nền do năng lượng rơi tự do của đầu búa tác dụng trực tiếp lên cọc. - Búa hơi tác động kép: áp suất của hơi nước hoặc không khí nén vừa dùng để nâng đầu quả búa lên cao, vừa dùng để đẩy đầu quả búa rơi nhanh xuống đầu cọc. Cả hai loại búa hơi nói trên đều tốn nhiều năng lượng và đòi hỏi phải có trang thiết bị đi kèm như nồi hơi hoặc máy nén khí, ống dẫn hơi ép… 1.1.3.2. Búa Diezel Búa Diezel làm việc theo nguyên lý động cơ đốt trong hai kỳ: Lúc đầu bộ phận xung kích được kéo lên bằng tời, nhiên liệu được phun vào buồng nén ngay khi bộ phận xung kích được thả rơi, không khí và nhiên liệu bị nén và nóng lên biến thành một hỗn hợp ở trạng thái sương mù. Khi đủ nhiệt độ, “bụi hơi’’ nhiên liệu bị bốc cháy cùng với không khí nén sẽ gây nổ. Áp suất
6 khí cháy tác động đóng cọc xuống và phần xung kích bị nẩy lên tiếp tục một chu kỳ khác. - Ưu điểm: + Rất cơ động, dễ thi công và có thể làm việc ở những điều kiện khắc nghiệt như: ở trên sông, ở đầm lầy, ở các vùng cao mà các phương pháp khác không làm được; + Không cần trang bị các trạm cung cấp năng lượng (nồi hơi, máy ép khí, ống dẫn); + Búa dễ thao tác, cho năng suất cao; + Hệ số hiệu dụng tốt hơn búa hơi, năng lượng nổ truyền trực tiếp vào phần xung động của búa. - Nhược điểm: + Chỉ hạn chế đóng những cọc thẳng hoặc có độ xiên tối đa 3:1 đến 4:1. + Không hiệu quả khi đóng cọc trong đất yếu: Khi nổ, cọc lún xuống nhiều, thủ búa không đủ năng lượng bật lên cao, do đó buồng nén không đủ áp lực và nhiệt độ đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu cho chu kỳ sau. Do đó phải thao tác lại từ đầu, năng xuất giảm. + Khi đóng cọc gây ra lực chấn động làm ảnh hưởng tới các công trình xung quanh, đồng thời nó còn tạo ra tiếng ồn. Do nhược điểm này mà phương pháp chỉ được áp dụng với các công trình xa khu dân cư. 1.1.4. Phương pháp dùng lực rung động - Búa rung Nguyên tắc làm việc của búa rung là dùng năng lượng do rung động gây ra kết hợp với lực va đập của búa. Trong quá trình đóng cọc, cọc lún do rung động với một tần suất nào đó, vì thế mà giảm được ma sát sinh ra giữa cọc và đất. Mặt khác trọng lượng bản thân giữa cọc và búa làm cọc lún sâu vào nền đất. Để truyền dao động từ quả búa xuống cọc, mũ cọc cần được liên kết với
7 cọc và quả búa vì vậy còn gọi là kẹp cọc. Để thực hiện chức năng kẹp cọc, mũ cọc thường được sử dụng hai loại truyền động cơ bản là cơ khí và thuỷ lực. Có 2 loại búa rung: loại dùng điện (thi công với xe cẩu) và loại thuỷ lực gắn trên máy đào (excavator). Tần số rung thường trong khoảng từ 20 đến 40 Hz. Lực ly tâm do búa tạo ra có thể lên đến 4000 kN (tương đương 400 tấn). Hình 1.1 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý máy búa rung Búa rung làm việc tại công trường Đóng cọc bằng rung động thuần tuý thì ít hiệu quả khi trở lực tại mũi cọc lớn. Các búa va – rung thì hiệu quả hơn trong những tình huống này bởi vì chúng sinh ra xung lực lớn cũng như tạo ra biên độ cao và tốc độ lớn để cọc thắng được trở lực lớn tại mũi cọc. Khi không được cung cấp năng lượng, bộ gây rung của búa sẽ ở một vị trí trung gian. Khe hở tác động của búa là khoảng cách giữa điểm đập của bộ gây rung và cái đe khi bộ gây rung ở vị trí trung gian, hay lúc không làm việc. Có ba lựa chọn cho khe hở này:
8 - Khe hở âm: Không có khe hở khi ở vị trí trung gian, một lực được đặt trên bộ gây rung khi máy không hoạt động. Trong trường hợp này chế độ làm việc của búa rung phụ thuộc đáng kể vào việc kiểm soát hệ số tốc độ phục hồi R’. Do đó, khi độ sâu cọc, đặc điểm đất hoặc thay đổi trọng lượng cọc, các điều chỉnh hệ thống sẽ xấu đi và máy sẽ không hoạt động đúng. - Khe hở dương: Một khe hở dương là có một khoảng cách giữa điểm đập và cái đe khi ở vị trí trung gian. Nếu khoảng cách vượt quá biên độ dao động của hệ thống mà không có giới hạn một, có thể rung động không có tác động, và vì lý do này khe hở phải được giới hạn. - Khe hở bằng 0: Với khe hở bằng 0, bộ gây rung dừng ở vị trí lại trên đầu cái đe này. Tại khe hở này, thay đổi các điều kiện của hệ thống điều khiển sẽ ít ảnh hưởng đến búa nhất. Ngoài ra, tốc lực tối đa được tạo ra bởi quả văng của bộ gây rung là lúc khe hở bằng 0. Vì sự lựa chọn lò xo cho búa rung có khe và không có khe hở là khác nhau, các phương thức cho búa rung với khe hở dương hoặc âm bị bỏ qua cho ngắn gọn. Búa va - rung được sử dụng phổ biến để đóng loại cọc bê tông. Chúng có khả năng tạo ra các lực đóng cần thiết để khắc phục trở kháng cao. Khi búa làm việc, cọc tiếp nhận lực rung cùng với lực va đập do vậy cọc thường hạ xuống nhanh hơn. Nhờ có lực va đập nên khối lượng búa có thể giảm đi. Búa va - rung làm việc rất tốt trên nền đất pha sét. Số lần va đập từ 400 đến 500 nhát/phút. Do hiệu quả cao, mang lại lợi ích kinh tế lớn nên ngày nay máy búa rung được sử dụng rộng rãi ở nước ta và trên thế giới. Nhược điểm của máy búa rung là lực gây rung có thể làm ảnh hưởng lớn đến các công trình ở bên cạnh trong quá trình làm việc.
9 1.2. Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy búa rung trên thế giới và ở trong nước 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Sự phát triển thiết bị rung - tác động để đóng các đối tượng khác nhau vào trong đất bắt đầu tại Liên Xô năm 1940. Năm 1949 những máy búa rung đầu tiên đã được chế tạo và sử dụng tại nước Nga theo nguyên tắc của tiến sĩ Barcan, đó là những máy búa rung loại BT5 sử dụng khối lệch tâm. Loại búa này có lực kích là 214kN và tần số dao động 41,67Hz, máy được trang bị một mô tơ điện 28kw. Những máy búa đầu tiên đã được sử dụng để xây dựng công trình thuỷ điện Gorki, búa đã được dùng đóng 3700 cọc dài từ 9 đến 12 mét với thời Hình 1.3 Búa rung BT5 do Liên Xô sản xuất gian đóng là 2-3 phút cho một cọc. Từ đó nước Nga đã tiếp tục phát triển một số lượng lớn các máy đóng cọc hoạt động bằng rung và cả những máy khoan đất. Vào năm 1950, lần đầu tiên nước Nga cũng cấp giấy phép của họ cho người Nhật, trong một khoảng thời gian dài người Nhật đã có một vài công ty phát triển các loại búa rung. Từ đó đến nay loại kỹ thuật này đã phát triển khắp nơi trên thế giới, với các công ty như PTC ở Pháp; Mueller, Tunkersvaf MGF ở Đức; Tomen ở Nhật và ICE Europe ở Thụy Sỹ. Người Mỹ đã chế tạo máy rung dùng thuỷ lực MKT V-10 đầu tiên vào năm 1969, mặc dù cả hai hãng Vulcan và Foster đều đã giới thiệu loại máy đóng cọc bằng rung động của Nhật và Pháp vào đầu thập niên 1960. Loại máy này có một đặc điểm khác với các máy búa rung hiện tại. Điểm đầu tiên đó là
10 hệ thống treo, thông thường V-10 sử dụng lò xo thép để giảm độ rung cho cần cẩu và móc. Hiện giờ hầu hết các loại máy đều sử dụng lò xo cao su. Điểm thứ hai liên quan tới bánh lệch tâm. Bánh lệch tâm của V-10 thường kéo dài suốt trên trục. Một động cơ được nối với một trong những bánh lệch tâm, các cặp bánh răng truyền lực làm quay những bánh lệch tâm còn lại của máy. Hầu hết các máy ngày hôm nay đều gắn các cặp bánh lệch tâm từ trước ra sau trên một trục cho phép điều chỉnh mômen tĩnh, và chúng gắn trực tiếp với động cơ hoặc thông qua bộ bánh răng thay đổi tốc độ. Ngày nay máy búa rung đã phát triển rất đa dạng về chủng loại, nó thích hợp cho nhiều điều kiện thi công khác nhau. Từ những máy sinh lực ly tâm dưới 50 tấn (không có dải điều chỉnh lực) đến những loại sinh lực lớn hơn 50 tấn (có dải điều chỉnh lực). Cụ thể thì hầu hết các hãng chế tạo máy búa rung hiện nay đều phát triển sản phẩm của mình theo 3 dạng sau: - Máy có tần số thấp : Là những loại máy đóng cọc bằng rung động có tần số từ 5 đến 10 Hz, dùng để đóng những loại cọc nặng, lực cản mũi cọc lớn, như các cọc ống thép dài lớn và các cọc bê tông. Các loại máy này có khuynh hướng sử dụng momen tĩnh bánh lệch tâm lớn. Một ví dụ về loại máy này là lại VPM -170 của Nga do Bộ giao thông vận tải của Nga chế tạo rộng rãi nhất trên đất nước. Loại máy này tạo được động lực lớn nhất là 1700kN ứng với tần số lớn nhất là 9,17 Hz và moment tĩnh bánh lệch tâm là 510 kg.m. Loại máy này được thiết kế chủ yếu để đóng các ống có đường kính đến 2m. Tổ chức Tomen ở Nhật cũng đã sản xuất nhiều máy loại này. - Máy có tần số trung bình : Là những máy có tần số rung từ 10 đến 30 Hz được sử dụng cho các loại cọc ván, cọc ống nhỏ. Đó là loại búa B-402 được dùng để đóng cọc ván Larssen cho công trình xây dựng đường hầm ở St. peterburg. Loại máy này có lực động tối đa là 270 kN ứng với tần số dao động là 23,8 Hz và moment tĩnh bánh lệch tâm cực đại của nó là 12kg.m .