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

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.

LỜI CẢM ƠN

Nguyễn Ngọc Trung

Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc

LỜI CAM ĐOAN

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

thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam” là

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

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

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu

Đơn vị

Diễn giải

kg.m2 1 Mô men quán tính quy dẫn của động cơ thủy lực và các chi tiết quay trong cơ cấu về trục động cơ thủy lực

Khối lượng quy dẫn cần của cần trục về một điểm nằm trên cần

Khối lượng của đối trọng cần trục

Khối lượng của cọc m2 m3 m4

kg.m2 Mômen quán tính quy dẫn của động cơ thủy lực và các chi tiết quay trong cơ cấu về trục động cơ 5

Mômen quán tính quy dẫn của mâm quay kg.m2

Bội suất cáp 6 a

1M(q )

N.m Đặc tính cơ của động cơ thủy lực dẫn động tời thủy lực của cơ cấu nâng hàng thuộc cần trục cấp cọc

5M(q )

Đặc tính cơ của cơ cấu quay thuộc cần trục N.m

Hệ số dập tắt dao động quy dẫn của cáp thép nâng hạ cọc Ns/m K1

Độ cứng quy dẫn của cáp thép nâng hạ cọc N/m

Độ cứng quy dẫn của cơ cấu quay Nm/rad

Đường kính của tang cuốn cáp m S1 S2 Dt

rad/s

i1 Tỷ số truyền từ động cơ thủy lực, qua hộp giảm tốc đến tời nâng

Tốc độ quay của mâm quay n1

rad q30 Góc lệch ban đầu của cáp thép cùng với cọc tại đỉnh cần trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (mặt phẳng X1O1Z1 )

rad Góc lệch ban đầu xét trong mặt phẳng nằm ngang của đường tâm cần của cần trục so với trục OX 

Các véc tơ chuyển vị, véc tơ vận tốc và véc tơ gia tốc q; q ; q

Chiều dài cáp thép nâng hạ cọc m fQ

Lực căng cáp N Fc

vii

Biến dạng của cáp nâng hạ cọc m l

Hàm động năng T

Hàm hao tán 

Hàm thế năng U

Ma trận khối lượng M

Ma trận của các lực ly tâm K*

K2i; K3i; K6i Ma trận của các lực Côriôlit

Ma trận các phần tử dập tắt dao động K

Ma trận các phần tử độ cứng S

Véc tơ lực kích động f(t)

Trọng lượng của sàn máy (kể cả đối trọng của máy) Gm N

Trọng lượng cần của cần trục N G2

Trọng lượng đối trọng của cần trục N G3

Trọng lượng của cọc N GQ

Các lực tác dụng lên chân chống của máy N Ri

Lưu lượng lý thuyết của bơm m3/s Qb

Lưu lượng chất lỏng rò rỉ ở bơm thủy lực m3/s Qrrb

Lưu lượng tiêu thụ của xi lanh m3/s Qxl

Lưu lượng chất lỏng làm biến dạng hệ thống m3/s QE

Lưu lượng qua van an toàn tổng m3/s Qat

Lưu lượng riêng của bơm m3/vòng Vob

Tốc độ quay của trục bơm vòng/s nb

X(t) Hệ số điều chỉnh lưu lượng của bơm

Pa Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp pa

Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực (m3/s)/Pa rb

viii

Biến dạng đàn hồi trong ống dẫn cao áp m3/Pa Ea

Diện tích tiết diện khoang cao áp của xi lanh m2 A1

Diện tích tiết diện khoang thấp áp của xi lanh m2 A2

Lực quán tính N Fqt

Phản lực tác dụng vào xi lanh N FR

Lực cản tác dụng vào cọc N WC

Lực cản đầu cọc N WR

Tổng trở lực bó thân cọc N Wms

Hệ số tổn thất trong xi lanh c

Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực b

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN

Hiệu suất puly bộ tời nâng hạ cọc pl

Ký hiệu

Diễn giải

ĐLH Động lực học

TĐTL Truyền động thủy lực

PTCĐ Phương trình chuyển động

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

Bảng 1.2 18 Sự thay đổi chuyển vị và ứng suất của cơ cấu kẹp cọc khi thay đổi môđun đàn hồi của vật liệu, hệ số poisson và lực kẹp cọc trong quá trình kẹp cọc

Bảng 1.3 18 Sự thay đổi chuyển vị và ứng suất của cơ cấu kẹp cọc khi thay đổi môđun đàn hồi của vật liệu, hệ số poisson và lực ép cọc trong quá trình ép cọc

Bảng 1.4 20 Sự thay đổi ứng suất và chuyển vị với trường hợp 2 xi lanh ép 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

Bảng 1.7 36 Đánh giá hiệu năng của hai phương pháp thiết kế hệ thống ép cọc

Bảng 2.1 64 Giá trị lực tác dụng vào các xi lanh chân chống theo góc quay của mâm quay

Bảng 3.1 Hệ số động lực căng cáp và áp suất dầu trong các xi lanh thủy lực 94

Bảng 3.2 94 Sai số tương đối của lực căng trong cáp nâng hạ cọc giữa lý 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 97 Giá trị thay đổi của tốc độ mâm quay nq

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

Bảng 4.6 98 Sự thay đổi lực tác dụng vào các chân chống máy theo tải trọng và tầm với của máy

Bảng 4.7 99 Sự thay đổi hệ số động của lực căng cáp trường hợp nâng cọc và quay đồng thời với các vận tốc nâng cọc khác nhau

Bảng 4.8 100 Sự thay đổi hệ số động của lực căng cáp trường hợp phanh hãm mâm quay ứng với các vận tốc quay mâm quay khác nhau

Bảng 4.9 103 Giá trị thay đổi của đường kính xi lanh ép cọc De

Bảng 4.10 Khảo sát các yếu tố địa chất 103

109 Bảng 4.11 Giá trị thay đổi của đường kính xi lanh di chuyển máy Ddc

Bảng 4.12 112 Giá trị các thông số hợp lý của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ860B

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

Hình 1.15 20

Mô hình mô phỏng và tạo lưới hộp kẹp cọc với cá xi lanh kẹp đặt thẳng đứng ở cả trên và dưới (Các thông số mô phỏng E=200 Gpa; =0,25)

Hình 1.16 20 Sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên hộp kẹp cọc trong trường hợp ép cọc với 2 xi lanh ép chính

Hình 1.17 20

Hình 1.18 21 Sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên hộp kẹp cọc trong trường hợp dùng cả bốn xi lanh ép Sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên hộp kẹp cọc trong trường hợp nhổ cọc

Hình 1.19 Cấu tạo bàn ép 21

Hình 1.20 22

Hình 1.21 22 Mô hình, sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên khung ép trong trường hợp ép cọc Mô hình, sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên khung ép trong 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

Hình 1.24 23 Sự phân bố ứng suất trên phần công son của thân máy trong các trạng thái làm việc của máy

Hình 1.25 Tổng thể máy ép cọc thủy lực di chuyển bước lực ép 800T 24

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

27 Hình 1.29 Góc lắc trong mặt phẳng O

27 Hình 1.30 Góc lắc trong mặt phẳng O

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

27 Hình 1.34 Góc quay của cần trục j1

Hình 1.35 Mô hình hình học của cần trục tháp với tải nâng 28

28 Hình 1.36 Dao động của cần trục tháp với góc lắc ban đầu của hàng nâng (o = 10o)

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

Hình 1.42 31 Quá trình thay đổi góc nghiêng và chiều cao của chân máy bằng cách thay đổi chiều cao từng cặp xi lanh một

Hình 1.43 32 Quá trình thay đổi góc nghiêng và chiều cao của chân máy bằng 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

Hình 1.45 34 Mô hình mô phỏng của hệ thống thủy lực của sự ép cọc khi thêm lực 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 46 Chuyển vị góc động cơ thủy lực của tời hàng q1

1q

Vận tốc góc của đông cơ thủy lực Hình 2.4 46

Hình 2.5 46 Chuyển vị của cọc q2

2q

Vận tốc dài của cọc Hình 2.6 46

Hình 2.7 46 Chuyển vị góc của cọc q3

3q

Vận tốc góc của cọc Hình 2.8 46

Hình 2.9 Lực căng của cáp thép trong trường hợp nâng hàng có độ chùng cáp 46

xii

Hình 2.10 48 Mô hình động lực học trong trường hợp máy nâng cọc và quay đồng thời

Hình 2.11 Sơ đồ khối các thông số đầu vào và các biến trung gian 58

Hình 2.12 58 Sơ đồ khối thuật toán để giải PTCĐ trường hợp máy nâng cọc và quay đồng thời

59 Hình 2.13 Chuyển vị góc của đông cơ thủy lực q1

1q

Hình 2.14 Vận tốc góc của đông cơ thủy lực 59

59 Hình 2.15 Chuyển vị của cọc theo phương thẳng đứng q2

2q

Hình 2.16 Vận tốc của cọc theo phương thẳng đứng 59

3q trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần

Hình 2.17 59 Chuyển vị góc của cọc q3 trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (X1O1Z1)

Hình 2.18 59 Vận tốc góc của cọc (X1O1Z1)

4q trong mặt phẳng mặt phẳng vuông góc với

Hình 2.19 60 Chuyển vị góc của cọc q4 trong mặt phẳng mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1)

Hình 2.20 60 Vận tốc góc của cọc mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1)

60 Hình 2.21 Chuyển vị góc của đông cơ thủy lực mâm quay q5

5q

Hình 2.22 Vận tốc góc của đông cơ thủy lực mâm quay 60

60 Hình 2.23 Chuyển vị góc của mâm quay q6

6q

Hình 2.24 Vận tốc góc của mâm quay 60

Hình 2.25 Lực căng trong cáp thép trường hợp nâng hàng và quay đồng thời 60

Hình 2.26 62 Mô hình xác định ổn định máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong trường hợp máy nâng cọc và quay

Hình 2.27 63 Sơ đồ khối thuật toán xác định lực tác dụng lên các xi lanh chân chống trường hợp nâng cọc và quay

Hình 2.28 64 Sự thay đổi lực tác dụng lên các xi lanh chân chống Ri (i = 1÷4) 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

Hình 2.30 66 Mô hình nghiên cứu động lực học hệ truyền động thủy lực xi lanh kẹp cọc

Hình 2.31 70 Mô hình nghiên cứu động lực học hệ truyền động thủy lực xi lanh ép 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

Hình 2.40 77 Số bơm làm việc, số xi lanh thực hiện ép và lực cản tác dụng vào 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

Hình 2.43 78 Vận tốc ép cọc khi máy ép cọc từ 0-40s (tương ứng độ sâu 3,4 m 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

Hình 3.9 85 Sơ đồ bố trí thiết bị đo trường hợp máy thực hiện quá trình kẹp cọc và ép cọc

Hình 3.10 85 Sơ đồ bố trí thiết bị đo trường hợp máy thực hiện quá trình di chuyển dọc

Hình 3.11 86 Vị trí lắp đặt đầu đo lực và đầu đo áp xuất trong xi lanh chân đỡ máy

Hình 3.12 86 Vị trí lắp đặt đầu đo lưu lượng, đầu đo áp suất xi lanh kẹp, ép cọc và đầu đo dịch chuyển của cọc

Hình 3.13 86 Vị trí lắp đặt đầu đo áp suất xi lanh di chuyển máy và đầu đo dịch chuyển máy

Hình 3.14 Sơ đồ quá trình thực nghiệm 87

xiv

Hình 3.15 88 Sự thay đổi lực động trong cáp thép trường hợp nâng cọc kể đến đến độ chùng cáp

Hình 3.16 Sự thay đổi lực động trong cáp thép khi bắt đầu nâng cọc và quay 89

Hình 3.17 89 Sự thay đổi lực động trong cáp thép khi phanh hãm cơ cấu quay trong hợp quay cọc

Hình 3.18 89 Sự thay đổi lực tác dụng lên bốn xi lanh chân chống của máy khi 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

Hình 3.21 90 Sự thay đổi lưu lượng dầu, áp suất trong một xi lanh ép chính và 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

Hình 3.24 91 Sự thay đổi lực động trong cáp thép trường hợp nâng cọc có độ chùng cáp

Hình 3.25 Sự thay đổi lực động trong cáp thép khi bắt đầu vừa nâng cọc vừa quay 92

Hình 3.26 92 Sự thay đổi lực động trong cáp thép khi phanh hãm cơ cấu quay trường hợp quay cọc

Hình 3.27 92 Sự thay đổi lực tác dụng lên bốn xi lanh chân chống của máy trường 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

Hình 3.32 93 Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh di chuyển dọc của máy ở giai đoạn khởi động

Hình 3.33 93 Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh di chuyển dọc của máy ở giai đoạn phanh máy

Hình 3.34 Dịch chuyển dọc của máy 93

Biểu đồ sức câu tầm với của cần trục lắp trên máy Hình 4.1 98

Lực căng trong cáp thép trong trường hợp thay đổi vận tốc nâng cọc Hình 4.2 99

Hình 4.3 99 Lực căng trong cáp thép khi khởi động nâng và quay đồng thời ứng với vận tốc quay khác nhau

100 Hình 4.4 Sự thay đổi lực động trong cáp nâng cọc Fc khi nâng cọc có kể đến độ chùng cáp

100 Hình 4.5 Sự thay đổi lực động trong cáp nâng cọc Fc khi cần trục vừa nâng cọc vừa quay

1q

Vận tốc góc của đông cơ thủy lực Hình 4.6 101

2q

Vận tốc của cọc theo phương thẳng đứng Hình 4.7 101

Hình 4.8 101 Lực căng trong cáp thép trường hợp nâng cọc khi cáp căng và không quay cọc

Hình 4.9 102 Chuyển vị góc của cọc q3 trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (X1O1Z1)

Hình 4.10 102 Chuyển vị góc của cọc q4 trong mặt phẳng mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1)

5q

Hình 4.11 Vận tốc góc của đông cơ thủy lực mâm quay 102

6q

Hình 4.12 Vận tốc góc của mâm quay 102

Hình 4.13 Lực căng trong cáp thép trường hợp chỉ quay mâm quay 102

Hình 4.14 102 Lực tác dụng lên các xi lanh chân chống Ri (i = 1÷4) theo góc quay 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

104

Hình 4.19 105

Hình 4.20 105 Hình 4.18 Chương trình mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố địa chất Các kết quả mô phỏng thu được khi thực hiện ép cọc tại mặt cắt địa chất khu công nghiệp Tràng Duệ - Hải Phòng Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc khi cọc chuyển từ tầng địa chất này sang tầng khác ở độ sâu 12,83 m

Hình 4.21 106 Các kết quả mô phỏng thu được khi thực hiện ép cọc tại mặt cắt địa chất ở Tôn Đức Thắng – Hà Nội (Dự án xây dựng tuyến đường sắt Cát Linh – Hà Đông)

Hình 4.22 106 Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc khi cọc chuyển từ tầng địa chất này sang tầng khác ở độ sâu 5 m

Hình 4.23 107 Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc khi cọc chuyển từ tầng địa chất này sang tầng khác ở độ sâu 28 m

Hình 4.24 107 Các kết quả mô phỏng thu được khi thực hiện ép cọc tại mặt cắt địa chất Vùng Đông Anh – Hà Nội

Hình 4.25 108 Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc khi cọc chuyển từ tầng địa chất này sang tầng khác ở độ sâu 25,74 m

Hình 4.26 108 Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc 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

Hình 4.31 111 Quy trình xác định các thông số hợp lý của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

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

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:

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.

- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích

phục vụ cho công tác đào tạo thuộc lĩnh vực máy ép cọc thủy lực.

6. Điểm mới của luận án

- Luận án đã xây dựng được mô hình ĐLH máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ở

các trường hợp làm việc điển hình nâng cọc có kể đến độ chùng cáp và vừa nâng cọc

vừa quay bằng mô hình ĐLH trong không gian. Đồng thời, luận án cũng đã xây dựng

được mô hình ĐLH hệ thống TĐTL của cơ cấu kẹp cọc, ép cọc và di chuyển dọc máy.

Ứng dụng thành công phần mềm Matlab-Simulink đề giải phương trình chuyển động

phi tuyến nhiều bậc tự do.

- Luận án đã xác định được các đặc trưng dao động, lực căng cáp động, lực động

tác dụng vào các chân máy theo góc quay của mâm quay, áp suất động trong các xi

lanh thủy lực, hệ số động ứng với các trường hợp làm việc bất lợi của loại máy ép cọc

nghiên cứu.

- Tiến hành thực nghiệm máy ép cọc thủy lực di chuyển bước làm việc theo điều

kiện thực tế với các trường hợp làm việc điển hình của máy như nâng cọc có kể đến độ

chùng cáp, vừa nâng cọc vừa quay, kẹp cọc, ép cọc và di chuyển dọc của máy.

- Luận án đã xây dựng qui trình xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy

ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam

theo quan điểm động lực học và áp dụng để xác định được bộ thông số hợp lý (thông

số kết cấu và thông số làm việc) của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước cụ thể là máy

ZYJ86B (Bảng 4.12). Quy trình này cũng có thể áp dụng cho loại máy ép cọc thủy lực

di chuyển bước khác.

7. Bố cục của luận án

Luận án được sắp xếp theo các nội dung sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Tổng quan về công tác thi công nền móng công trình, các công nghệ thi công cọc,

giới thiệu chung về máy ép cọc thủy lực di chuyển bước phục vụ việc thi công cọc, đặc

điểm khai thác sử dụng của thiết bị này, tình hình thiết kế chế tạo loại máy ép cọc này

ở Việt nam. Tổng kết, đánh giá các công trình nghiên cứu đã đạt được trong lĩnh vực

nghiên cứu động lực học của máy và động lực học của hệ thống thủy lực. Thông qua

việc phân tích các ưu, khuyết điểm, xu hướng nghiên cứu để nêu lên tính cấp thiết của

đề tài, hình thành các nhiệm vụ nghiên cứu của luận án.

Chương 2: Nghiên cứu động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước.

Nghiên cứu ĐLH của máy trong quá trình cung cấp cọc với các trường hợp làm

việc điển hình, xây dựng mô hình ĐLH của máy, từ đó thiết lập phương trình chuyển

động của hệ và tiến hành giải hệ phương trình chuyển động bằng phần mềm Matlab-

Simulink. Xây dựng hệ thống mạch thủy lực của các xi lanh thủy lực kẹp cọc, ép cọc

và di chuyển của máy, đưa ra mô hình ĐLH của các xi lanh thủy lực, thiết lập hệ

phương trình vi phân lưu lượng và lực của hệ, tiến hành giải để xác định các thông số

ĐLH của hệ. Xác định lực tác dụng lên các xi lanh chân chống làm cơ sở cho việc tính

toán ổn định động, tính bền, tối ưu, tính toán mỏi,…

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số động lực học của

máy ép cọc thủy lực di chuyển bước.

Trình bày mục đích thực nghiệm, giới thiệu các thiết bị đo, đối tượng thực

nghiệm và cách lắp đặt thiết bị đo.

Trình tự đo và ghi số liệu đo đạc thực nghiệm, xử lý kết quả đo.

Chương 4: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học của

máy ép cọc thủy lực di chuyển bước.

Trình bày các nghiên cứu về ảnh hưởng của tải trọng động, tốc độ nâng và quay

cọc tới độ ổn định của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước. Đồng thời trình bày ảnh

hưởng của các yếu tố địa chất, nền móng,… đến các thông số động lực học (áp suất,

lưu lượng, lực động,v.v.) thuộc hệ thống truyền động thủy lực của máy.

Kết luận và kiến nghị

Trình bày các kết luận chính, các đóng góp mới của luận án và hướng nghiên cứu

tiếp theo.

Tài liệu tham khảo và các công trình đã công bố

Danh mục các tài liệu tham khảo và các công trình khoa học đã công bố liên

quan, các phụ lục về số liệu và kết quả thực nghiệm.

Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Máy xây dựng – Xếp dỡ, Trường Đại học Giao

thông Vận tải.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng quan về công tác thi công nền móng công trình

1.1.1. Tổng quan về tính chất cơ lý của nền đất yếu của Việt Nam

Nền móng của các công trình xây dựng nhà ở, đường sá, cầu cống, đê điều, đập

chắn nước và một số công trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn

đề phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện

tích lớn. Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, nhiều thành phố và thị trấn

quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức

phức tạp của đất nền, dọc theo các dòng sông và bờ biển như Hà Nội, Hải Phòng, TP.

Hồ Chí Minh đều nằm trên lưu vực đồng bằng sông Hồng và sông Mê Kông. Đây là

các khu vực có tầng đất phù sa khá dày và tập trung đất sét yếu. Thực tế này đã đòi hỏi

phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu

thích hợp cho điều kiện của Việt Nam.

Đặc tính của đất yếu cần phải được cải thiện để phục vụ các yêu cầu thực tế trong

quá trình xây dựng và sử dụng công trình. Đất yếu thường có độ ẩm cao và sức kháng

cắt không thoát nước thấp. Đất thuộc dạng cố kết bình thường và có khả năng thấm

nước thấp. Mực nước ngầm trong nền đất thường nằm gần bề mặt, cách từ 0,5m đến

2,5m. Một số trường hợp đất yếu có hàm lượng hữu cơ cao và có cả lớp than bùn. Đối

với một vài loại đất, độ lún thứ cấp chiếm từ 10-25% độ lún tổng cộng. Trong một số

khu vực của các thành phố, mặt cắt địa kỹ thuật cho thấy nền đất bao gồm các lớp đất

với độ chặt, độ cứng, độ thấm và chiều dày khác nhau.

Nói chung đất sét yếu là loại đất có sức chịu tải thấp và tính nén lún cao. Một vài

chỉ số tiêu biểu của đất yếu được trình bày dưới đây, [29]:

- Độ ẩm: 30% hoặc lớn hơn cho đất cát pha

50% hoặc lớn hơn cho đất sét.

100% hoặc lớn hơn cho đất hữu cơ.

- Chỉ số N của xuyên động tiêu chuẩn 0 - 5

- Sức kháng cắt không thoát nước Su: 20 - 40 kPa

- Nén một trục có nở hông: 50 kPa hoặc nhỏ hơn. Việc xác định công trình trên đất yếu ngoài các đặc tính của đất nền còn phụ

thuộc vào các loại công trình (nhà, đường, cầu, đập, đê, đường sắtv.v.) và quy mô công

trình.

Một số đặc điểm của nền đất yếu, [29]:

Thuộc loại nền đất yếu thường là đất sét có lẫn nhiều hữu cơ; Sức chịu tải bé (0,5

– 1 kG/cm2); Đất có tính nén lún lớn (a0 > 0,1 cm2/kG); Hệ số rỗng e lớn (e > 1,0); Độ

sệt lớn (B > 1); Mô đun biến dạng bé (E0 < 50 kG/cm2); Lực dính thấp (C = 0,05 – 0,1

kG/cm2); Góc nội ma sát (j = 5 – 10 độ); Hàm lượng nước trong đất cao, độ bão hòa

nước G > 0,8, dung trọng bé.

Ở Việt Nam đất yếu phân bố chủ yếu ở vùng đồng bằng và vùng ven biển, các

loại nền đất yếu thường gặp bao gồm:

- Đất sét mềm: Gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão

hòa nước, có cường độ thấp.

- Đất bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn,

ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực.

- Đất than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả

phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20 -80%).

- Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha

loãng đáng kể. Loại đất này khi chịu tải

trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy

gọi là cát chảy.

- Đất bazan: là loại đất yếu có độ

rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng

thấm nước cao, dễ bị lún sụt.

Đất yếu đồng bằng Bắc Bộ

Đồng bằng Bắc Bộ chiếm diện tích

khoảng 18.000 km2, bề mặt phẳng có cao

độ 1  12 m (trung bình 6  8 m) so với

mực nước biển, hơi nghiêng về phía đông,

địa hình bị phân cắt bởi hệ thống sông suối

kênh mương chằng chịt.

Nhìn chung, địa chất đồng bằng Bắc

Bộ cấu tạo từ hai tầng lớn: Tầng dưới - hạt

thô (cuội, sỏi, sạn lẫn cát thô, cát vừa hay

nhỏ, cát pha sét); Tầng trên – hạt mịn (sét,

Hình 1.1. Cột địa tầng tổng quát ở đồng bằng Bắc Bộ.

sét pha cát, bùn và than bùn).

Các chỉ tiêu cơ lý của từng lớp đất ở đồng bằng Bắc Bộ được thống kê trong

Bảng 1.1 dưới đây:

Ký hiệu lớp đất

W (%)

j (độ)

C (kG/cm2)

 (%)

gr (g/cm3)

a12 (cm2/kG)

E0 (kG/cm2)

0,93

Bảng 1.1. Các chỉ tiêu cơ lý của từng lớp đất ở đồng bằng Bắc Bộ, [29]

1,26

30 1,82 0,03 1a 44 27 0,08

0,88

17 44 2,69 0,04 1b 35 14 0,01

0,86

6 28 2,67 0,02 1c 52 19 0,07

18 29 2,71 0,03 2 54 15 0,24

0,95

2,07

dẻo 40 33 2,71 0,02 3 63 12 0,38

1,60

36 76 2,69 0,16 4a1 14 6 0,14

1,20

45 59 2,70 0,12 4a2 16 8 1,11

1,05

23 42 2,69 0,07 4b 23 16 0,05

0,83

7 36 2,69 0,03 4c 53 19 0,03

0,87

26 2,67 0,02 5a 73 28 0,04

0,93

6 29 2,68 0,02 5b 65 20 0,08

1,00

6a+b 25 32 2,72 0,02 44 13 0,19

0,83 1,71

xám xám 44 42 2,72 0,05 6 32 10 0,22

1,21

21 42 28 62 2,70 2,63 0,02 0,06 7 8a 58 29 15 11 0,16 0,16

1,04

22 43 2,69 0,05 8b 33 17 0,09

0,86

8 39 2,70 0,04 8c 40 25 0,05

0,80

9 29 2,67 0,02 9 66 27 0,10

Tên đất và trạng thái Cát bụi bão hoà nước Bùn sét pha cát Cát pha sét chảy Sét pha cát dẻo cứng Sét cứng Bùn sét lẫn than bùn Bùn sét Bùn sét pha cát Bùn cát pha sét Cát nhỏ Cát pha sét chảy Sét pha cát sặc sỡ Sét sẫm, xanh Sét pha cát Bùn sét Bùn sét pha cát Bùn cát pha sét Cát pha sét Cát từ vừa đến thô

26 2,67 0,02 10 88 33 0,02

- Hàm lượng hạt  0,005mm (%). W - Độ ẩm tự nhiên (%).

j - Góc ma sát trong (độ).

Trong đó:

gr - Khối lượng riêng (g/cm3). E0 - Mô đun tổng biến dạng (kG/cm2). e - Hệ số rỗng tự nhiên. C - Lực dính (kG/cm2). a1-2 - Hệ số nén lún ở khoảng áp lực từ 1 đến 2 kG/cm2. Thực tế xây dựng các công trình ở đồng bằng Bắc Bộ cho thấy móng của nhiều

công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp, giao thông, thủy lợi,… đều đặt trên nền

đất yếu. Vì vậy, việc nghiên cứu và nắm vững các đặc trưng địa kỹ thuật của các lớp

đất yếu để từ đó đề ra các biện pháp xử lý nền phù hợp là yêu cầu qua trọng giúp cho công trình xây dựng an toàn và kinh tế.

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.

Ngày nay, các phương pháp gia cố nền móng khá phong phú và đa dạng. Ngoài

các biện pháp kết cấu tầng dưới của công trình để chống lún, sụt đều và không đều như: Móng bè, móng chân vịt,… khe lún, giằng tường, giằng móng,… cũng như các biện pháp đặc hữu như gia nhiệt nền, trộn vôi, xi măng, điện - hoá, silicát hoá,… trên mặt hoặc sâu trong nền để cải thiện cơ tính của nền. Có nhiều cách phân loại khác nhau, dựa vào phương pháp cải tạo nền đất người ta có thể chia ra thành các loại như

Phương pháp gia cố nền móng công trình

Phương pháp gia cố nền bằng cọc cứng

Phương pháp tiêu nước thẳng đứng

Phương pháp cải tạo phân bố ứng suất trên nền

Đóng cọc

Đệm cát

Cọc cát sỏi

Rung hạ cọc

Đệm đá sỏi

Bấc thấm

Đệm đất

Ép cọc

Đúc cọc tại chỗ

Hình 1.2. Các phương pháp gia cố nền móng công trình

1.1.2.1 Phương pháp cải tạo sự phân bố ứng suất trên nền

a) Đệm cát: Khi lớp nền yếu có chiều sâu  3m bão hoà nước, ta có thể gạt bỏ

lớp đất yếu dưới chân móng và thay thế bằng lớp cát. Phương pháp này tương đối đơn

giản và không đòi hỏi thiết bị thi công phức tạp nếu khối lượng công việc không lớn.

b) Đệm đá sỏi: Cũng như đệm cát, khi lớp đất yếu có nước ngầm với áp lực

không cao, không đặt được đệm cát và dưới nó cũng là lớp đất yếu bão hòa nước ta có

thể vét bỏ lớp đất đó và thay bằng đá sỏi. Sức chịu lực của đệm đá sỏi lớn hơn nhiều

so với cát nên ta có thể coi nó như một bộ phận của móng.

c) Đệm đất: Với các công trình xây dựng trên nền đắp và mức nước ngầm ở dưới

sâu thì dùng đệm đất (vật liệu rẻ tiền hơn).

Đương nhiên các vật liệu dùng làm đệm (cát, đá sỏi, đất) đều phải được lựa chọn

phù hợp yêu cầu kỹ thuật và đặc biệt phải được lèn chặt.

1.1.2.2 Phương pháp tăng độ chặt của nền bằng biện pháp tiêu nước thẳng đứng

a) Cọc cát, sỏi: Khi móng công trình lớn, lớp nền yếu có chiều dày  3m, ta có

thể cải tạo bằng cọc cát, sỏi. Cọc cát, sỏi làm cho độ ẩm, độ rỗng của nền giảm đi, cọc

cát có tác dụng như là một giếng tiêu nước thẳng đứng, làm cho mô đuyn biến dạng,

tính kháng nén, kháng cắt của nền tăng lên và cọc làm việc đồng thời với nền, do đó

tính chất chịu lực của nền gia cố cọc cát, sỏi khác xa các loại cọc cứng như gỗ, bê

tông, thép,…(cọc cứng chịu lực độc lập với nền).

b) Bấc thấm: Khác với cọc cát, sỏi; bấc thấm không tham gia vào quá trình chịu

lực truyền tải của công trình xuống nền, nó chỉ có chức năng tiêu nước thẳng đứng cho

nền, làm cho cơ tính của đất nền được nâng cao do tăng cường tốc độ cố kết của nó,

kết quả là sự chịu tải của nền được cải thiện. Bấc thấm có những ưu điểm nổi bật như:

Diện tích nền cải tạo lớn, độ sâu tầng đất cải tạo lớn, có thể đạt tới 2530 m, vật liệu

(bấc thấm) chế tạo sẵn, gọn nhẹ; công nghệ thi công giản đơn, năng suất cao; hiệu quả

kinh tế cao.

1.1.2.3 Phương pháp gia cố nền bằng cọc cứng

Móng cọc là một kết cấu quen thuộc trong xây dựng, làm nhiệm vụ truyền tải của

công trình xuống sâu trong nền đất có lớp (tầng) chịu lực tốt, khắc phục được biến

dạng lún không đều, chịu được tải trọng ngang, giảm khối lượng đào đắp, rút ngắn thời

gian thi công do công nghiệp hoá chế tạo cọc và thiết bị thi công. Cọc và thiết bị đóng

cọc (hạ, đúc tại chỗ) rất đa dạng: Cọc tre, gỗ, bê tông đặc, ống rỗng, thép, ván thép…

cọc nhồi các kiểu, trụ thẳng, nở hông (Franki), nở đáy…cọc xoắn. Nói chung, các loại

cọc đều chịu tải của công trình xuống dưới nền theo hai dạng: Cọc chống - chịu tải cơ

bản ở mũi cọc, cọc treo - chịu tải cơ bản theo ma sát hông ở thân cọc. Trường hợp cọc

chịu tải hỗn hợp cả chống và treo đều phát huy được khả năng chịu tải rất tốt.

a) Phương pháp đóng cọc

Đặc điểm của phương pháp đóng cọc là làm chìm cọc vào nền nhờ lực xung kích

tác dụng lên đầu cọc. Phương tiện đóng cọc phổ biến là búa hơi (hơi nước, hơi ép) và

búa diezel.

b) Phương pháp rung hạ cọc

Trên thế giới, việc áp dụng phương pháp rung hạ cọc đã được áp dụng từ giữa thế

kỷ XX tại các công trường xây dựng cầu, hố móng lớn. Phương pháp này có thể hạ

được cọc ván thép, cọc thép ống hoặc ống rỗng trong thi công cọc cát xử lý nền yếu.

Các thiết bị phục vụ cho phương pháp này là các loại búa rung (búa rung thuần túy và

búa va rung).

c) Phương pháp ép cọc thuỷ lực

Đặc điểm của phương pháp này là làm chìm cọc nhờ hệ thống xi lanh thủy lực.

Máy ép cọc dùng để ép cọc bê tông cốt thép, trong việc gia cố nền móng với các nền

móng không quá yếu, lực ép lớn, quá trình ép cọc êm dịu, ít bị vỡ đầu cọc so với khi

sử dụng búa diesel để đóng. Không gây tiếng ồn lớn, không làm ảnh hưởng tới khu

dân cư, ít làm ảnh hưởng tới các công trình lân cận.

d) Đúc cọc tại chỗ (cọc khoan nhồi)

Cọc khoan nhồi là loại cọc thay thế, nó được đúc trực tiếp trong lòng đất tại vị trí

thi công công trình bằng cách sử dụng thiết bị khoan tạo lỗ trong lòng đất, đặt lồng cốt

thép được tạo sẵn trên mặt đất vào lỗ rồi nhồi đổ bê tông vào theo một quy trình và

quy chuẩn quy định nghiêm ngặt. Ưu, nhược điểm của phương pháp này bao gồm:

Ưu điểm: Tạo ra được cọc có đường kính và chiều sâu lớn, khả năng chịu lực

cao, ít làm xáo động các tầng đất xung quanh, tiếng ồn nhỏ, thi công nhiều sẽ làm

giảm giá thành so với các phương pháp khác.

Nhược điểm: Nếu sử dụng dung dịch ben tô nít để phục vụ quá trình thi công cọc

và cần phải vận chuyển đất đá ra khỏi công trường thi công thì gây bụi bẩn và ô nhiễm

môi trường xung quanh.

1.1.3. Tổng quan về công nghệ thi công cọc và máy ép cọc thủy lực di chuyển

bước

1.1.3.1. Tổng quan về công nghệ thi công cọc bằng máy ép thủy lực

Các máy ép thủy lực là một phát minh mới trong công nghiệp xây dựng, được

đưa vào nước ta từ năm 1986 đến nay và ngày càng được sử dụng rộng rãi. Đặc điểm

của chúng là làm việc an toàn, thi công êm, không gây chấn động cho các công trình

xung quanh, chất lượng cọc sau thi công cao hơn so với phương pháp dùng búa đóng

cọc do có thể kiểm tra được chất lượng cọc và sức chịu tải thông qua lực ép cuối cùng,

giá thành thi công rẻ. Với ưu điểm trên, cọc ép đang ngày càng được phát triển rộng

rãi ở Hà Nội và nhiều tỉnh, thành phố khác với quy mô công trình từ nhỏ đến lớn.

Nguyên lý chung của các loại máy ép là dùng lực ép tĩnh tạo ra bởi dòng chất

lỏng áp suất cao và thông qua các xi lanh thủy lực để ép cọc lún sâu vào trong lòng

đất. Nhiều loại máy ép trước đây được dùng phổ biến với phương pháp hạ cọc bằng

cách tạo ra lực ép từ đỉnh cọc xuống đất. Trong số này có hai loại máy ép cọc đang

được sử dụng là loại nhỏ dùng hai xi lanh ép và loại lớn là dùng hai, bốn hoặc sáu xi

lanh ép, tùy theo yêu cầu của công trình mà sử dụng các loại máy ép cọc khác nhau.

Với công trình nhà dân dụng, thường sử dụng máy ép cọc loại nhỏ với hai xi lanh

ép có lực ép khoảng 60 – 80T, công suất nhỏ, cấu tạo đơn giản. Nguyên lý cấu tạo của

máy gồm hai xi lanh gắn với hai dầm nằm ngang, đầu còn lại gắn với một dầm khác để

tì lên đầu cọc. Bộ phận gia tải cho máy trong quá trình ép là 8 cọc xoắn neo trong đất,

mỗi cọc có chiều dài 5m, kích thước cọc khi ép 20x20 cm, cọc dài 3 m, chiều sâu hạ

cọc từ 10-15m.

Với những công trình lớn, thường sử dụng máy ép loại lớn có hai, bốn hoặc sáu

xi lanh ép, với lực ép từ 120-1200 T, công suất lớn. Loại máy ép này có thể ép được

các cọc có kích thước 400x400 mm, dài 15 m, áp suất làm việc của hệ thống thủy lực

25 MPa, lưu lượng của dầu thủy lực 310 l/ph, hành trình của xi lanh 1,65-1,8 m. Chiều

sâu ép cọc từ 40 – 60 m.

Hiện nay, sự phát triển của khoa học công nghệ, loại máy ép cọc tĩnh di chuyển bước với lực ép hông được chế tạo và nhập vào Việt Nam. Các loại máy này có lực ép

lớn, có khả năng ép được cọc có kích thước lớn, chiều sâu ép cọc lớn, đặc biệt là thân thiện với môi trường. Chính vì vậy, loại máy này hiện nay đang được ưa chuộng ở

Việt Nam, số lượng máy ngày càng tăng, các công ty xây dựng có xu hướng mua thiết

bị ép cọc thủy lực di chuyển bước để sử dụng (máy ép cọc rôbốt) như ZYJ860,

ZYJ800, ZYJ600, ZYJ420, ZYJ320 của hãng SUNWARD; DTZ718, DTZ428B,

DTZ360 của hãng TITAN; YZY180, ZYZ240, YZY320, YZY400, YZY500,

YZY600, YZY700, YZY800, YZY1000 của hãng DEBOOM; YZC700, YZC900B

của hãng T-WORK và YVY600A của hãng JOVE v.v. Hầu hết các chủng loại máy ép cọc thủy lực di chuyển bước được nhập khẩu từ Trung Quốc. Dưới đây là một số hình

ảnh về máy ép cọc thủy lực di chuyển bước:

Hình 1.3. Hình ảnh máy ép cọc thủy lực di chuyển kiểu bước

ZYC 700- TWork; ZYJ 600- Sunward; DTZ 718-Titan

Hình 1.4. Các dạng hộp kẹp cọc của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

Bằng các phương án đầu tư khác nhau, các công ty xây dựng nước ta đã trang bị

cho mình các máy móc, thiết bị ép cọc thủy lực di chuyển bước.

1.1.3.2. Tổng quan về máy ép cọc thuỷ lực di chuyển bước

Máy ép cọc thuỷ lực di chuyển kiểu bước thích hợp thi công với các công trình xây dựng dân dụng, xây dựng các công trình cầu vượt. Máy thường sử dụng để ép các loại cọc có đường kính vừa và lớn, quá trình ép - hạ cọc xuống nền đất yếu bằng lực ép tĩnh do các xi lanh thủy lực tạo ra (thường sử dụng ép cọc Bêtông cốt thép). Ngoài ra, máy còn có khả năng tự cung cấp cọc nhờ một cần trục được trang bị trên máy, cần trục này cũng được sử dụng để tự tháo lắp và vận chuyển các thiết bị của máy ép (trừ một số bộ phận). Cọc được ép xuống nền tạo thành các đài cọc, áp lực từ công trình truyền xuống các đài cọc, thông qua đó truyền tới nền đất cứng.

Máy ép bao gồm các bộ phận: Bộ máy kẹp cọc, bộ máy ép cọc, bộ máy nâng (hạ)

toàn bộ máy, bộ máy di chuyển, bộ máy cấp cọc, bộ máy quay. Các bộ máy được dẫn

động bởi 32 xilanh thuỷ lực và 3 động cơ thuỷ lực. Toàn bộ các bộ máy được cấp dầu

bởi 3 bơm thuỷ lực và được điều khiển bằng các van thuỷ lực. Các bộ máy có chuyển

động hoàn toàn độc lập với nhau, cọc được cấp bởi cần trục được lắp trên máy. Trên

hộp kẹp cọc có gắn các xi lanh điều khiển má kẹp. Trên máy có 2 cabin điều khiển

(Cabin điều khiển bộ máy ép, cabin điều khiển bộ máy cấp cọc).

Quá trình làm việc của máy bao gồm: Quá trình cấp cọc; Quá trình ép cọc; Quá

trình di chuyển máy.

Hình 1.5. Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

1- Chân thuyền dài; 2- Sàn công tác; 3- Cabin điều khiển bộ máy ép, bộ máy di chuyển; 4- Xilanh nâng hạ sàn công tác; 5- Dầm gia tải (để đỡ tải); 6- Khung ép; 7- Xilanh ép; 8- Cụm puly – móc câu; 9- Cụm puly đỉnh cần; 10- Cần của cần trục; 11- Cáp nâng (hạ) cọc; 12- Xilanh nâng (hạ) cần của cần trục; 13- Cabin điều khiển cần trục (bộ máy cấp cọc); 14- Bộ tời; 15- Đối trọng cần trục; 16- Dầm hộp (liên kết sàn máy với chân đế di chuyển ngang); 17- Buồng động cơ; 18- Chân thuyền ngắn; 19- Chân đỡ xilanh thuỷ lực; 20- Bộ di chuyển bánh sắt; 21- Bộ máy quay mâm quay; 22- Xilanh di chuyển dọc; 23- Hộp kẹp cọc; 24- Xilanh đóng (mở) má kẹp; 25- Thanh giằng ngang.

*) Quá trình cấp cọc: Cọc từ bãi cọc được cần trục dạng ống lồng cẩu lên. Sau

đó, cọc được đưa vào trong hộp kẹp cọc và người thợ lái máy điều khiển xilanh đóng

(mở) má kẹp để kẹp chặt cọc. Người thợ điều khiển máy để tháo móc câu treo trên

cọc, và tiếp tục cẩu - cấp cọc tiếp theo. Cọc luôn được cung cấp cho máy để đảm bảo

quá trình thi công được liên tục (Hình 1.6).

a) Cố định cơ cấu cẩu cọc với cọc b) Nâng cọc c) Quay cọc vào vị trí hộp kẹp cọc Hình 1.6. Giai đoạn cung cấp cọc

*) Quá trình ép cọc: Cọc sau khi được kẹp chặt bằng các xilanh thuỷ lực, các

xilanh ép cọc sẽ đẩy hộp kẹp cọc cùng cọc đi xuống, nhờ đó cọc được đi sâu vào trong

lòng đất. Sau khi hết hành trình của xi lanh ép, xilanh kẹp cọc sẽ co lại để nhả má kẹp,

đồng thời điều khiển cho các xi lanh ép co lại, kéo cả hộp kẹp cọc đi lên. Tiếp tục, điều

khiển xi lanh kẹp kẹp chặt cọc và ép cọc đi xuống. Quá trình thực hiện cứ tiếp tục như

vậy cho đến khi nối cọc tiếp theo. Sau khi ép xong một cọc, cọc tiếp theo được đưa

vào. Cọc tiếp theo phải được điều chỉnh thẳng với cọc vừa được ép, sau đó các cọc

được nối với nhau bằng các mối hàn. Quá trình ép được tiếp tục sao cho đạt được

chiều sâu thiết kế (hoặc lực ép yêu cầu) của nhà thiết kế (Hình 1.7).

a) b) c) d) e)

Hình 1.7. Giai đoạn ép cọc

a) Đưa cọc vào hộp kẹp cọc; b) Kẹp cọc; c) Ép cọc; d) Nhả cọc và hộp kẹp cọc đi lên;

e) Bắt đầu một chu trình ép cọc mới

*) Quá trình di chuyển máy: Sau khi kết thúc quá trình ép cọc tại một vị trí, máy

ép cọc sẽ di chuyển đến vị trí ép cọc mới, quá trình di chuyển này được thực hiện nhờ

các xi lanh thủy lực với 2 xi lanh bố trí dọc máy, 2 xi lanh bố trí ngang máy và 4 xi

lanh bố trí theo phương thẳng đứng. Bằng việc kết hợp các xi lanh thủy lực này mà

máy có thể di chuyển tiến, lùi, sang trái, sang phải hoặc quay.

1.1.4. Nhu cầu sử dụng máy ép cọc thủy lực di chuyển bước hiện nay ở Việt Nam.

Việt Nam đang trong tiến trình phát triển thành một nước công nghiệp hiện đại

vào năm 2020. Tuy chịu ảnh hưởng tác động chung của suy thoái kinh tế thế giới

nhưng tổng sản phẩm trong nước (GDP) vẫn đang tăng, trong đó nguồn thu từ các hoạt

động kinh tế đô thị, đặc biệt các thành phố lớn, các đô thị gắn với phát triển công

nghiệp, thương mại, dịch vụ, du lịch chiếm tỷ lệ khá cao trong cơ cấu GDP cả nước.

Nhiều đô thị mới, khu công nghiệp mới được hình thành phát triển; nhiều đô thị cũ

được cải tạo, nâng cấp hạ tầng cơ sở: đường xá, điện nước, cơ sở giáo dục, y tế, vệ

sinh môi trường,…

Tăng trưởng cao của nền kinh tế Việt Nam trong những năm gần đây dẫn đến

việc phải tăng cường xây dựng cơ sở hạ tầng nhằm đáp ứng được sự phát triển này.

Nhu cầu gia cố nền móng các công trình nhất là việc gia cố nền bằng cọc cứng là một

nhu cầu cấp thiết nhằm đảo bảo chất lượng và tốc độ thi công cho các công trình. Hiện

nay đã có rất nhiều các công trình đã và đang thực hiện việc thi công gia cố nền móng

bằng cọc cứng với hàng trăm nghìn mét cọc khác nhau được đưa vào nền, và trong

tương lai số lượng này còn tiếp tục tăng (Phụ lục 1 - Bảng P1.6).

Để đáp ứng nhu cầu thi công cọc cứng, các đơn vị thi công trong nước cũng thiết

kế, chế tạo và nhập khẩu rất nhiều máy móc thiết bị phục vụ việc thi công. Một trong

những loại máy đã và đang được nhập khẩu vào nước ta với số lượng và chủng loại

ngày càng tăng là máy ép cọc thủy lực di chuyển kiểu bước do chúng có nhiều tính

năng nổi trội: Có khả năng ép cọc với lực ép lớn, kích thước cọc lớn, chiều sâu ép lớn,

không gây rung động ảnh hưởng tới các công trình xung quanh và đặc biệt là thân

thiện với môi trường. Các công ty xây dựng có xu hướng mua thiết bị ép cọc thủy lực

di chuyển bước như các sêri máy ZYJ của hãng SUNWARD; sêri máy DTZ hãng

TITAN; sêri máy YZY hãng DEBOOM; sêri máy YZC7 hãng T-WORK và sêri máy

YVY của hãng JOVE,… Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng và đặc thù thi công của mỗi

công trình khác nhau, các công ty xây dựng nước ta đã và đang sử dụng thiết bị ép cọc

thủy lực di chuyển bước phục vụ cho các công trình thi công được thống kê sơ bộ

trong bảng P1.7 – Phụ lục 1.

Hình 1.8. Một số hình ảnh về các công trình đang thi công tại Việt Nam

1.2. Tổng quan các công trình đã nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến

luận án

1.2.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về kết cấu máy ép cọc thủy lực di

chuyển bước.

Trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều tác giả, nhiều công trình nhà khoa học

đã nghiên cứu về kết cấu máy ép cọc thủy lực di chuyển bước như dưới đây:

1.2.1.1. Nghiên cứu kết cấu thép hộp kẹp cọc của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

Trong [62], Tác giả Xu Zhou và các cộng sự đã phân tích mô phỏng và thiết kế

cơ cấu kẹp cọc của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước. Nội dung chính của công

trình nghiên cứu là: Nghiên cứu việc thay đổi cấu tạo của cơ cấu kẹp để làm giảm

thiểu ứng suất phát sinh và chuyển vị của các chi tiết trong cơ cấu kẹp; sử dụng phần

mềm ANSYS để tính toán thiết kế hộp kẹp cọc, má kẹp, nêm kẹp cọc và kiểm tra,

đánh giá tình hình chịu lực của má kẹp và nêm trong quá trình làm việc của máy (quá

trình kẹp cọc và ép cọc), từ đó tối ưu cơ cấu kẹp cọc nhằm nâng cao hiệu quả ép cọc.

Dưới đây là một số kết quả nghiên cứu của công trình.

Hình 1.9. Chuyển vị của cơ cấu kẹp khi Hình 1.10. Phân bố ứng suất của cơ cấu

kẹp cọc kẹp khi kẹp cọc

Hình 1.11. Chuyển vị của cơ cấu kẹp khi Hình 1.12. Phân bố ứng suất của cơ cấu

ép cọc kẹp khi ép cọc

Sau khi xây dựng được mô hình mô phỏng, tác giả đã khảo sát sự thay đổi

chuyển vị và sự phân bố ứng suất trên cơ cấu kẹp cọc khi thay đổi môđun đàn hồi của

vật liệu, hệ số poisson, lực kẹp cọc và lực ép cọc. Cụ thể các kết quả nghiên cứu được

thể hiện trong các bảng dưới đây.

Bảng 1.2. Sự thay đổi chuyển vị và ứng suất của cơ cấu kẹp cọc khi thay đổi môđun

E (GPa) M(MPa)

 0,20 0,25 0,28 0,30

M(MPa) 296 289 288 287

s(mm) 2,118 2,115 2,112 2,110

F(kN) M(MPa) 375 400 450 490

222 237 266 289

s(mm) 1,625 1,732 1,945 2,115

190 200 205 210

s(mm) 2,183 2,115 2,084 2,054

290 289 289 289

đàn hồi của vật liệu, hệ số poisson và lực kẹp cọc trong quá trình kẹp cọc

Bảng 1.3. Sự thay đổi chuyển vị và ứng suất của cơ cấu kẹp cọc khi thay đổi môđun

E (GPa) M(MPa)

190 200 205 210

s(mm) 2,195 2,130 2,100 2,071

280 279 279 278

 0,20 0,25 0,28 0,30

M(MPa) 285 279 275 271

s(mm) 2,136 2,130 2,125 2,122

P(kN) M(MPa) 500 600 700 780

285 283 280 279

s(mm) 2,091 2,104 2,118 2,130

đàn hồi của vật liệu, hệ số poisson và lực ép cọc trong quá trình ép cọc

Theo [61], tác giả đã nghiên cứu sự tương tác giữa cọc đúc và những má kẹp của

cơ cấu kẹp cọc máy ép cọc thủy lực, thiết lập được phương trình lực lớn nhất truyền

vào cọc của cơ cấu kẹp cọc. Việc nghiên cứu và phân tích phương trình này giúp tác

giả thấy rằng lực truyền vào cọc của cơ cấu kẹp cọc sẽ tăng lên khi thêm vào số lượng

tầng kẹp cọc, số lượng bề mặt tiếp xúc giữa cọc đúc và má kẹp, kéo dài áp lực dầu của

cơ cấu kẹp cọc, tăng hệ số ma sát tĩnh giữa má kẹp ở tầng trên và tầng dưới với cọc

đúc.

Hình 1.13. Cấu tạo cơ cấu kẹp cọc 1- Cọc; 2- Xi lanh kẹp cọc; 3- Piston; 4- Lò xo hồi vị; 5- Má kẹp cọc; 6- Nêm; 7- Hộp kẹp cọc.

Hình 1.14. Lực tác dụng của cơ cấu kẹp ở tầng trên và tầng dưới















u F n.(F 4

d u  F ) m. .(2.r w ).f .w m. .(2.r w ).f .w G  4

Phương trình lực lớn nhất truyền vào cọc của cơ cấu kẹp cọc:

Trong đó:

4, Fd

4- Lực ma sát giữa má kẹp cọc ở tầng trên và phía dưới với cọc;

2  (1 f )

(1 2 f .tan



 



d .F

u F 4

u d .F ; F 4

(2 f



tan

 

f . tan )(





(2 f



tan

 

f . tan )(





2 f ) 1 f

1 f

n - Số lượng má kẹp cọc; m- Số lượng bề mặt trụ của các má kẹp cọc; Fu

4, Nd

4- Phản lực giữa má kẹp cọc ở tầng trên và phía dưới với cọc;

 



u .F ; N



u 4

d 4

(2 f



tan

 

 (1 2 f . tan   tan

(2 f



2  (1 f ) 2   f .tan )(1 f .f ) j

2 f ) 2   f .tan )(1 f .f ) j

f- Hệ số ma sát giữa các bề mặt cơ cấu kẹp cọc; fj- Hệ số ma sát giữa má kẹp và cọc; Fu, Fd- Lực của các xi lanh kẹp cọc ở tầng trên và tầng dưới. re- Bán kính cọc; wu, wd- Biến dạng nén yeilds của bề mặt trụ cọc tương tác với má trên và má

dưới;

fc- Cường độ nén đơn trục của bê tông; G- Trọng lượng của cơ cấu kẹp cọc. Theo [58], tác giả đã thiết kế và mô phỏng hộp kẹp cọc của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước đảm bảo khả năng chịu lực trong các quá trình làm việc của máy. Tác

giả đã sử dụng phần mềm ANSYS để phân tích sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên hộp kẹp cọc với các trạng thái làm việc cùng các tải trọng tác dụng khác nhau của máy. Sau đó tác giả đã khảo sát sự thay đổi chuyển vị và sự phân bố ứng suất trên hộp kẹp cọc khi thay đổi lực kẹp cọc và lực ép cọc. Cụ thể các kết quả nghiên cứu được thể hiện dưới đây.

Hình 1.15. Mô hình mô phỏng và tạo lưới hộp kẹp cọc với cá xi lanh kẹp đặt thẳng

đứng ở cả trên và dưới (Các thông số mô phỏng E=200 Gpa; =0,25)

*) Trường hợp ép cọc chỉ dùng hai xi lanh ép chính

Hình 1.16. Sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên hộp kẹp cọc trong trường hợp ép cọc với 2 xi lanh ép chính Bảng 1.4. Sự thay đổi ứng suất và chuyển vị với trường hợp2 xi lanh ép chính

1 2 3 4 5

F (kN) 1000 1200 1400 1600 1745

M (MPa) 84 101 119 136 149

S2 (mm) 0,206 0,243 0,280 0,317 0,344

*) Trường hợp ép cọc dùng cả bốn xi lanh ép

Hình 1.17. Sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên hộp kẹp cọc trong trường hợp dùng cả bốn xi lanh ép

Bảng 1.5. Sự thay đổi ứng suất và chuyển vị với trường hợp 4 xi lanh ép

1 2 3 4 5

F (kN) 2000 2400 2800 3200 3490

M (MPa) 96 116 137 157 172

S2 (mm) 0,260 0,308 0,355 0,403 0,438

*) Trường hợp nhổ cọc dùng hai xi lanh thủy lực

Hình 1.18. Sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên hộp kẹp cọc trong trường hợp nhổ cọc Bảng 1.6. Sự thay đổi ứng suất và chuyển vị với trường nhổ cọc

1 2 3 4 5

1200 1500 1800 2000 2300 F (kN)

139 172 206 228 261 M (MPa)

0,269 0,333 0,397 0,440 0,505 S2 (mm)

Theo [33], tác giả Nguyễn Thiệu Xuân, Lưu Đức Thạch đã thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ năm 2005: “Nghiên cứu thiết kế các loại máy ép cọc thủy lực với lực ép cao 250 ÷ 800 tấn có khả năng tự di chuyển”. Trong công trình nghiên cứu của mình, các tác giả đã tính toán, thiết kế kết cấu thép các cụm như: Bàn kẹp cọc, khung ép cọc, cụm dầm chính, xây dựng các bản vẽ kỹ thuật cho các cụm này.

Hình 1.19. Cấu tạo bàn ép

1.2.1.2. Nghiên cứu kết cấu thép khung ép cọc của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước Theo [52], tác giả đã đi sâu phân tích kết cấu của các loại khung ép của máy ép

cọc, từ đó lựa chọn dạng sơ đồ tính kết cấu thép của khung ép phù hợp, phân tích sự

phân bố ứng suất ứng và chuyển vị ứng với các trường hợp làm việc của máy bằng

việc sử dụng phần mềm PRO ENGINEER và FEM PRO, từ đó xác định được dạng kết

cấu khung ép. Với việc tính toán cụ thể cho loại máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

lực ép 800 tấn, tác giả đã xác định được ứng suất lớn nhất phát sinh trong trường hợp ép cọc với cả bốn xi lanh ép với giá trị 340,88 [N/mm2] tại vị trí mặt bích bắt xi lanh

ép và khung ép, đây cũng là vị trí có chuyển vị lớn nhất y = 1,38 [mm].

Hình 1.20. Mô hình, sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên khung ép trong trường hợp ép cọc

Ngoài ra, tác giả còn xác định được ứng suất lớn nhất phát sinh trong trường hợp nhổ cọc bằng hai xi lanh hoạt động với giá trị 222,52 [N/mm2] tại vị trí liên kết chân

đỡ với thân chính của máy, chuyển vị lớn nhất y = 1,04 [mm].

Hình 1.21. Mô hình, sự phân bố ứng suất và chuyển vị trên khung ép trong trường

hợp nhổ cọc

Theo [33], các tác giả đã thực hiện tính toán, thiết kế hệ khung ép cọc, xây dựng

các bản vẽ kỹ thuật cho các cụm này. Hệ thống khung ép cọc gồm 4 xi lanh ép, các hệ

khung đứng và dầm ngang liên kết đảm bảo chịu được lực ép cọc 800T.

Hình 1.22. Cấu tạo khung ép

1.2.1.3. Nghiên cứu kết cấu thép thân máy của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

Trong công trình nghiên cứu [49], tác giả Li Shou đã thiết kế, mô phỏng và phân

tích khả năng chịu lực phần công son của thân máy của máy ép cọc thủy lực ZYB600F

trong quá trình làm việc của máy. Ở đây tác giả đã sử dụng phần mềm Solidworks để

phân tích sự phân bố ứng suất và chuyển vị của phần công son thân máy bằng việc

phân tích phần tử hữu hạn, đồng thời các kết quả này là cơ sở cho việc tối ưu kết cấu

máy. Cụ thể các kết quả nghiên cứu được thể hiện dưới đây.

Hình 1.23. Sơ đồ tính và mô hình 3D thân máy trên phần mềm Solidwork

Hình 1.24. Sự phân bố ứng suất trên phần công son của thân máy trong các trạng

thái làm việc của máy.

Theo [33], Các tác giả đã tính toán, thiết kế kết cấu cụm dầm chính của thân máy,

xây dựng các bản vẽ kỹ thuật cho các cụm này, các kết quả cụ thể trình bày dưới đây:

Hình 1.25. Tổng thể máy ép cọc thủy lực di chuyển bước lực ép 800T.

1- Dầm chính; 2- Cụm khung ép; 3- Bàn ép; 4- Gia tải; 5- Cần trục; 6- Cơ cấu di

chuyển ngang; 7- Cơ cấu di chuyển dọc; 8- Cabin

Hình 1.26. Cấu tạo thân máy

Nhận xét: Trong các công trình nghiên cứu về kết cấu thép, các tác giả đã tập

trung nghiên cứu kết cấu máy bằng việc phân tích phân bố ứng suất, chuyển vị trên các

cơ cấu trong các quá trình và trạng thái làm việc của máy. Việc tính toán, thiết kế kết

cấu máy mà các tác giả đưa ra mới chỉ theo quan điểm tĩnh. Việc tính toán kết cấu thép

theo quan điểm động lực học còn nhiều hạn chế.

1.2.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học máy ép cọc thủy lực

di chuyển bước.

1.2.2.1. Nghiên cứu động lực học cần trục

Trên thế giới và trong nước đã có nhất nhiều công trình nghiên cứu về động lực

học cần trục. Tuy nhiên, việc nghiên cứu cần trục được lắp trên máy ép cọc thủy lực di

chuyển bước như một tổ hợp máy hoàn chỉnh thì chưa có nhiều công trình nghiên cứu,

dưới đây nghiên cứu sinh trình bày một số dạng mô hình động lực học của các loại cần

trục với mô hình không gian để mô tả quá trình làm việc thực tế của máy đã được các

tác giả công bố tương tự như máy ép cọc mà NCS nghiên cứu như sau:

Theo [40], tác giả Boris Jerman và các cộng sự đã xây dựng mô hình động lực

học của cần trục cột quay trong quá trình quay cần trục, mô hình toán học thể hiện

được vấn đề thực tế quá trình làm việc của máy. Mô hình động lực học không hạn chế

góc lắc của hàng nâng và kết quả cho thấy giá trị góc lắc của hàng lên tới 26o. Tác giả

đã xây dựng phương trình chuyển động bằng hệ ma trận, sau đó giải trên phần mềm

Matlab-Simulink với thuật toán Runge-Kutta bậc 4, từ đó xác định được góc quay của

mâm quay cần trục, góc lắc của hàng nâng trong không gian, các mô men uốn, mô

men xoắn tác dụng vào kết cấu thép cột quay cần trục. Đồng thời tác giả cũng đã tiến

hành thực nghiệm xác định các thông số góc lắc của hàng nâng trong không gian, mô

men uốn, mô men xoắn tác dụng vào kết cấu thép của cột của cần trục, các kết quả

được thể hiện như dưới đây:

Hình 1.27. Mô hình ĐLH nhiều khối Hình 1.28. Mô hình cần trục cột quay

lượng của cần trục cột quay làm thực nghiệm

Phương trình Lagrange loại 2:

Hàm động năng của hệ:

Phương trình vi phân chuyển động phi tuyến của hệ:

Một số kết quả thu được sau khi chạy chương trình lý thuyết và tiến hành thực nghiệm

Hình 1.29. Góc lắc trong mặt phẳng O Hình 1.30. Góc lắc trong mặt phẳng O

Hình 1.32. Mô men uốn tác dụng vào kết Hình 1.31. Mô men uốn tác dụng vào kết

cấu máy quanh trục OY cấu máy quanh trục OZ

Hình 1.33. Mô men xoắn trong cột tháp Hình 1.34. Góc quay của cần trục j1

Trong chương trình mô phỏng tác giả thực hiện quay cọc một vòng (360o) trong

thời gian 10s (Hình 1.34), từ đó thu được các giá trị góc lắc của hàng (giá trị lớn nhất

26o), các mô men động tác dụng vào kết cấu thép cột quay.

Theo [44], tác giả đã xây dựng các phương trình điều chỉnh cho đáp ứng động

của cần trục tháp kết hợp với chuyển động lắc của tải trọng dựa trên phương trình

Lagrange. Cần trục tháp được mô hình hóa dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn,

trong khi chuyển động lắc của cột tháp được biểu diễn như một hệ thống đa thân. Các

phương trình được đơn giản hóa bằng các giả thiết, từ đó xác định được các phương

trình vi phân có kể đến tải kích thích phi tuyến. Những phương trình này biểu hiện

động lực học kết cấu máy

Hình 1.35. Mô hình hình học của cần trục tháp với tải nâng

- Phương trình hàm động năng:

- Phương trình hàm thế năng: và phương trình hàm tiêu tán:

Trong đó:

mp: khối lượng hàng

g: gia tốc trọng trường

- Hàm hao tán Rayleigh:

Trong đó: [C]- Ma trận giảm chấn

Phương trình Lagrange:

Hình 1.36. Dao động của cần trục tháp với góc lắc ban đầu của hàng nâng (o = 10o)

Hình 1.37. Độ chuyển vị của điểm đỉnh cần treo cáp và tần số dao động của nó

Sau khi giải các phương trình chuyển động, tác giả thu được mô phỏng quá trình

chuyển động của hàng, sự biến dạng của kết cấu thép cần trục tháp, tần số dao động

của hệ.

Theo [38], tác giả đã phân tích động lực học của cần trục trong quá trình làm

việc, mô hình toán học được xây dựng là một mô hình ảo thể hiện đúng cần trục thực

tế, điều này giúp ích cho việc nâng cao hiệu quả của quá trình thiết kế và ứng dụng cho

thuật toán điều khiển. Mô hình phản ánh đúng hành vi của máy thực trong các điều

kiện động lực học, những điều này sẽ làm cho các kết quả tính toán đạt được độ chính

xác. Tuy nhiên, việc kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình còn cần phải tiến hành

thực nghiệm.

Hình 1.38. Mô hình động lực học cần trục ô tô

Phương trình chuyển động của cần trục:

Ở đây, ta có các hệ số được xác định như sau:

Các kết quả nhận được sau khi giải chương trình

Hình 1.39. Quỹ đạo của tải trọng

Hình 1.40. Các giá trị lực và mô men dẫn động ứng với các khâu

Nhận xét: Trên thế giới và trong nước đã có nhất nhiều công trình nghiên cứu về

động lực học cần trục, các kết quả nghiên cứu tập trung phân tích quỹ đạo chuyển

động của hàng, lực phát sinh trong các khâu, khớp và phân tích tần số dao động. Tuy

nhiên, việc nghiên cứu cần trục được lắp trên máy ép cọc thủy lực di chuyển bước như

một tổ hợp máy hoàn chỉnh thì chưa có nhiều công trình nghiên cứu, việc xác định các

lực động phát sinh trong quá trình làm việc của máy như lực động trong cáp, lực động

tác dụng lên các chân máy còn chưa được quan tâm nghiên cứu.

1.2.2.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống cân bằng thân máy

Theo [50], tác giả Li Shuo đã nghiên cứu, phân tích kết cấu của thân máy, thiết

lập phương trình chuyển động của các chân máy có tính đến độ ổn định thân máy và

xác minh tính hợp lý của chương trình bằng việc mô phỏng trên Matlab nhằm đạt được

hiệu quả cao độ ổn định của thân máy. Tác giả mô phỏng hai trường hợp cân bằng

thân máy bằng cách thay đổi chiều cao từng cặp xi lanh một và thay đổi chiều cao

bằng cả bốn xi lanh đồng thời. Chương trình mô phỏng đã cho thấy các góc nghiêng

của máy đã điều chỉnh về 0°. Hai phương pháp điều chỉnh cân bằng thân máy mà tác

giả đưa ra đều đáp ứng được yêu cầu trong khoảng thời gian gần tương đương nhau.

Hình 1.41. Mô hình khung máy ép cọc di chuyển kiểu bước

Hình 1.42. Quá trình thay đổi góc nghiêng và chiều cao của chân máy bằng cách

thay đổi chiều cao từng cặp xi lanh một

Hình 1.43. Quá trình thay đổi góc nghiêng và chiều cao của chân máy bằng cách cho

các xi lanh hoạt động đồng thời

Trong [51], tác giả đã nghiên cứu mô phỏng độ ổn định của phần thân máy theo

phương pháp mô hình hóa cơ cấu, thiết lập được vòng lặp điều khiển tỷ lệ của mô hình

tuyến tính, ước tính được sơ bộ độ ổn định hệ thống, sự không tuyến tính của vùng

chết van lưu lượng trong hệ thống thủy lực, giới thiệu hàm mô tả phương pháp phân

tích không tuyến tính và thu được những điều kiện ổn định hệ thống.

Hình 1.44. Sơ đồ mạch thủy lực hệ thống tự động cân bằng thân máy

Sau đó thiết lập phương trình toán học hệ thủy lực và thực hiện phân tích với sự

trợ giúp của phần mềm Matlab/simulink/simHydraulics để đưa ra những điều kiện

kiểm soát tính ổn định, tốc độ và tính chính xác của hệ thống. Các kết luận này cung

cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu tham khảo cho việc lựa chọn van kép của hệ thống thủy

lực.





Q C (p 1

 p ) C .p 1

dV V dp 1 1   dt dt





C (p ic 1

p ) C .p Q ec

e dV V dp 2   dt dt

      

Phương trình cân bằng lưu lượng của xi lanh:







 B .z K .z

 p

 





F f  p ) A p ; z

 e

 F M.z p p F p A p A 1





 e



s A (p 1 2 1   F p A p A A ( p 1 2

2 p ) 1

 L L  A p ; z L L

Phương trình cân bằng lực của xi lanh:

1.2.2.3. Một số nghiên cứu về động lực học hệ thống truyền động thủy lực

Theo [60], các tác giả đã nghiên cứu khả năng ép cọc dưới tác dụng của lực ép

thêm vào để có thể cải thiện và tăng nhanh quá trình ép cọc. Nội dung nghiên cứu này

là việc xác định tác động của đường kính piston ép cọc, sự dịch chuyển ban đầu của

piston đến chiều sâu và lực ép cọc trong quá trình ép. Hệ thống thủy lực ép cọc được

mô phỏng trên phần mềm AMESim. Từ các kết quả mô phỏng đạt được, tác giả đã chỉ

ra rằng bằng các biện pháp hợp lý có thể tăng khả năng ép cọc khi ta thêm lực ép. Việc

tăng lực ép cọc bằng cách tăng đường kính xi lanh ép tới một giá trị hợp lý.





Q C (p 1

 p ) C .p 1

dV V dp 1 1   dt dt





C (p ic 1

p ) C .p Q ec

e dV V dp 2   dt dt









p .A p .A mg m. 1 r

F 3

2 d y 2 dt

        

Phương trình cân băng lưu lượng và lực:

Trong đó:

Q1- Lưu lượng dầu vào trong xi lanh, L/min; Q2- Lưu lượng dầu ra khỏi xi lanh, L/min; Cec, Cic- Hệ số tổn thất lưu lượng trong và ngoài xi lanh, L/min/Pa; p1, p2- Áp suất dầu đầu vào và ra của xi lanh thủy lực, Pa; βe- Môdun biến đổi thể tích (chất lỏng, không khí trong dầu và tính đàn hồi cơ học của khoang làm việc), Pa; V1- Thể tích chất lỏng vào trong xi lanh, cm3; V2- Thể tích chất lỏng ra khỏi xi lanh, cm3; Ah- Diện tích tiết diện xi lanh, cm2; Ar- Diện tích tiết diện cán piston, cm2; m- Khối lượng piston và tải, kg;

y- Chuyển vị của piston, m;

F3- Lực tác dụng trên cán piston, N.

Hình 1.45. Mô hình mô phỏng của hệ thống thủy lực của việc ép cọc khi thêm lực ép

trong AMESim.

Theo [65], tác giả đã tiến hành nghiên cứu, cải hoán mạch thủy lực của máy ép cọc thủy lực có lực ép từ 6000 đến 12000 kN để nâng cao khả năng hoạt động và năng

suất của máy. Trong mạch thủy lực của máy khi chưa được cải hoán thì việc cung cấp dầu thủy lực cho các cơ cấu hoạt động thông qua các van được điều khiển trực tiếp bằng tay, còn đối với mạch thủy lực sau khi được cải hoán, việc điều khiển đóng mở các van cung cấp dầu cho các cơ cấu công tác của máy thông qua dòng dầu cao áp. Với việc thay đổi kết cấu mạch thủy lực như vậy sẽ giúp máy hoạt động êm ái hơn, quá trình điểu khiển mềm mại hơn, không xảy ra hiện tượng giật, việc thao tác đối với thợ lái máy cũng nhẹ nhàng hơn, nhờ vậy mà nâng cao được hiệu quả của máy.

Theo [52], tác giả đã đi sâu phân tích, mô phỏng hoạt động của các phần tử thủy lực trong mạch thủy lực của cơ cấu ép cọc từ đó xác định được các áp suất động lớn nhất phát sinh trong quá trình làm việc, phân tích động lực học của xi lanh ép cọc bằng việc xây dựng các phương trình vi phân cân bằng lực và lưu lượng.

Hình 1.46. Mô hình xi lanh ép cọc

Hệ phương trình vi phân:

m . red

- Phương trình cân bằng lực: p.Spt - Fp =

dp dt

dv dt 1 R

V E R

. p + . - Phương trình cân bằng lưu lượng: Q = Spt.v +



 T





 

cos( t)

 sin( t)

  T

  

  



 T







 

  x(t) x

cos( t)

 sin( t)

  T

  

  

 1    1  

     

 p(t) p       

Nghiệm hệ phương trình vi phân:

Nhận xét:

- Một số công trình nghiên cứu về ổn định mới chỉ tập trung nghiên cứu độ ổn

định của thân máy bằng cách tự điều chỉnh các xi lanh nâng hạ thân máy. Việc nghiên

cứu ổn định của máy trong quá trình cung cấp cọc thì còn nhiều hạn chế.

- Nghiên cứu động lực học hệ thống thủy lực của các tác giả nêu trên mới chỉ đề

cập đến việc nghiên cứu động lực học của một xi lanh riêng rẽ hoặc mới xác định các

ảnh hưởng của kết cấu xi lanh, các loại van phân phối đến lực ép mà chưa xét đến ảnh

hưởng của các yếu tố địa chất, nền móng,… đến các thông số động lực học (áp suất,

lưu lượng, lực động,v.v.) thuộc hệ thống truyền động thủy lực của máy.

1.2.3. Các nghiên cứu về thực nghiệm máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

Tác giả Nguyễn Văn Sáu đã chế tạo Máy ép cọc thông minh - "Robot ép cọc" có

thiết kế gồm các chân đế, giá ép, hệ thống nâng hạ cần cẩu, hệ thống thủy lực, hệ

thống điện..., có các tính năng cẩu cọc, ép cọc, di chuyển, đổi hướng cơ động. Chiếc

máy nặng khoảng 400 tấn (có thể thiết kế tăng thêm trọng lượng tới 1.000 tấn, tùy theo

yêu cầu thi công của các nhà thầu) và ép được 400 tấn lực động.

Hình 1.47. Máy ép cọc thủy lực do ông Sáu chế tạo

Theo [69], nhóm tác giả đã chỉ ra rằng phương pháp thiết kế lưu lượng không đổi

cho hệ thống thủy lực có hiệu suất thấp và việc chế tạo các máy ép cọc thủy lực cỡ lớn

sẽ rất khó khăn. Bằng việc nghiên cứu quá trình ép cọc thực tế, các tác giả đã đưa ra

phương pháp thiết kế Quasi-Constant-Power. Phân tích lý thuyết và kết quả thực

nghiệm trên sêri máy ZYJ với phương pháp thiết kế mới này đã cho thấy hiệu quả về

mặt kinh tế, giảm đáng kể chi phí, cải thiện hiệu quả năng lượng và đã thành công

trong việc đạt được sự cân bằng của vận tốc ép cọc cao và lực ép cọc lớn. Phương

pháp này là cơ sở cho việc thiết kế các loại máy ép có lực ép lớn hơn nhưng với giá

thành giảm và hiệu quả năng lượng cao.

Bảng 1.7. Đánh giá hiệu năng của hai phương pháp thiết kế hệ thống ép cọc

Loại máy Phương pháp thiết kế Lực ép cọc F(kN) Vận tốc ép cọc v(m/ph) Công suất N(kW)

1700 3200 5000 1,8 0,94 1,4 70 55 120 Tỷ số lực ép và công suất fn(kN/kW) 24,3 58,2 41,7 Công suất cần thiết cho một đơn vị vận tốc nv(kW/(m/ph)) 38,89 58,51 85,71 Phương pháp lưu lượng không đổi 2250 0,5 55 40,9 110,00

Phương pháp Quasi- Constant- Power YZY160 DYZ320 YZY500 Nhập ngoại ZYJ180 ZYJ320 ZYJ500 ZYJ680 1800 3200 5000 6800 3,6 2,8 2,2 1,8 37 44 60 74 48,7 72,7 83,3 91,9 10,28 15,71 27,27 41,11

Bảng 1.7 cho thấy kết quả so sánh hiệu năng của một số chủng loại máy ép cọc

thủy lực di chuyển bước khi sử dụng hai phương pháp ép cọc khác nhau. Với việc xác

định hai thông số fn và nv có thể thấy rằng nếu giá trị fn càng lớn, giá trị nv càng nhỏ thì

hiệu suất ép cọc sẽ tốt hơn, do đó việc sử dụng phương pháp thiết kế quasi-constant-

power trên sê ri máy ZYJ đem lại hiệu quả hơn về việc khai thác và sử dụng năng

lượng so với phương pháp dòng chảy liên tục trên máy có cùng áp suất ép.

Tác giả Zhou Xu [58]: Đã tiến hành thực nghiệm trên máy ép cọc thủy lực

ZYB600F để đo ứng suất phát sinh trên hộp kẹp cọc trong các trường hợp làm việc của

máy. Tác giả đã sử dụng đầu thu tín hiệu YE2533 để thu thập dữ liệu được truyền về

từ đầu đo biến dạng gắn trên hộp kẹp cọc, bằng việc đo đạc biến dạng, tác giả có thể

xác định được ứng suất tại vị trí đo biến dạng. Đồng thời bằng việc thay đổi lực ép cọc

của các xi lanh ép và lực kẹp cọc của các xi lanh kẹp thì tác giả cũng xác định được

ứng suất thay đổi trên hộp kẹp cọc.



(

2 )

 e 2 (

2 )

  1

e  e o 0

o 90

 e  e o 0

o 90

o 45

E 2

e  e o 0 1

o 90  

1  



(

2 )

 e 2 (

2 )

  2

e  e o 0

o 90

 e  e o 0

o 90

o 45

E 2

e  e o 0 1

o 90  

1  

     

     

- Ứng suất xác định theo biến dạng:



2 2 P. 1

 D. 4

- Lực tác dụng của xi lanh kẹp cọc:



F 1

P. 2

2  D. 1 2

- Lực tác dụng của xi lanh ép cọc khi dùng 2 xi lanh ép chính:



F 1

2 P.D. 2 1

- Lực tác dụng của xi lanh ép cọc khi dùng 4 xi lanh ép:

Trong đó:

P1, P2 – Áp suất dầu của xi lanh kẹp và ép cọc

D1, D2 – Đường kính của xi lanh ép và xi lanh kẹp.

Kết luận chương 1

Từ kết quả nghiên cứu của chương 1, nghiên cứu sinh đã rút ra một số kết luận sau:

1. Việc nghiên cứu tổng quan về máy ép cọc thủy lực di chuyển bước và tình trạng

thiết bị cũng như nhu cầu sử dụng thiết bị tại Việt Nam cho thấy máy ép cọc thủy

lực là một thiết bị được sử dụng nhiều và nhu cầu ngày càng tăng.

2. Luận án nghiên cứu tổng quan các công trình của các tác giả trong và ngoài nước

về động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ở chương này đã cho thấy:

- Các tác giả đã tập trung nghiên cứu kết cấu máy bằng việc phân tích phân bố

ứng suất, chuyển vị trên các cơ cấu trong các quá trình và trạng thái làm việc của máy.

Việc tính toán, thiết kế kết cấu máy mà các tác giả đưa ra mới chỉ theo quan điểm tĩnh.

Việc tính toán kết cấu thép theo quan điểm động lực học còn nhiều hạn chế.

- Một số công trình nghiên cứu về ổn định mới chỉ tập trung nghiên cứu độ ổn

định của thân máy bằng cách tự điều chỉnh các xi lanh nâng hạ thân máy. Việc nghiên

cứu ổn định của máy trong quá trình cung cấp cọc thì còn nhiều hạn chế.

- Nghiên cứu động lực học hệ thống thủy lực của các tác giả nêu trên mới chỉ đề

cập đến việc nghiên cứu động lực học của một xi lanh riêng rẽ hoặc mới xác định các

ảnh hưởng của kết cấu xi lanh, các loại van phân phối đến lực ép mà chưa xét đến ảnh

hưởng của các yếu tố địa chất, nền móng,… đến các thông số động lực học (áp suất,

lưu lượng, lực động,v.v.) thuộc hệ thống truyền động thủy lực của máy. Trong quá

trình thi công ép cọc ngoài thực tế tại Việt Nam, hầu hết các đơn vị thi công đều thực

hiện việc ép cọc dựa trên kinh nghiệm hoặc theo hướng dẫn trong các catalog kèm

theo máy trong điều kiện thi công với nhiều loại địa chất khác nhau. Việc ép cọc như

trên sẽ làm tiêu hao nhiều năng lượng của máy, hiệu quả kinh tế sẽ giảm. Việc nghiên

cứu động lực học của hệ thống các xi lanh thủy lực kẹp cọc và ép cọc sẽ giúp cho việc

khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố địa chất, nền móng,… đến các thông số động lực

học như áp suất, lưu lượng, lực động,v.v, làm cở sở cho việc tính toán kết cấu thép,

tính mỏi theo quan điểm động lực học.

3. Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan chung về máy ép cọc thủy lực di chuyển bước,

luận án xác định được mục tiêu, nội dung nghiên cứu đó là: nghiên cứu được động

lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước (động lực học máy và động lực

học hệ thống truyền động thủy lực) trong điều kiện thi công các công trình xây

dựng ở Việt Nam nhằm xác định các tải trong động tác dụng vào máy như lực động

trong cáp, lực động tác dụng váo chân máy, áp suất động dầu thủy lực,... làm cơ sở

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. Đồng thời trên cơ sở của việc nghiên cứu này,

luận án khuyến nghị các thông số kỹ thuật hợp lý của máy (thông số kết cấu và

thông số làm việc) theo quan điểm động lực học như: tốc độ nâng cọc, tốc độ mâm

quay, tốc độ mâm quay khi phanh hãm, đường kính cáp, tầm với của cần trục, lực

ép cọc lớn nhất,... Nội dung chi tiết sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo.

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI

CHUYỂN BƯỚC

2.1. Đặt vấn đề

Như ở mục 1.1.3.2 ở trên, luận án đã giới thiệu cấu tạo và nguyên lý làm việc của

máy ép cọc. Quá trình làm việc của máy bao gồm các thao tác theo trình tự sau:

1. Cấp cọc từ vị trí cọc đặt trên bãi được đưa vào hộp kẹp cọc.

2. Ép cọc vào nền đất.

3. Di chuyển máy sang vị trí ép cọc mới.

Thao tác 1 (cấp cọc): Các bộ máy ép cọc và di chuyển không làm việc, chỉ có bộ

máy cấp cọc mà thực chất là cần trục cấp cọc đặt trên máy ép cọc làm việc. Quá trình

cấp cọc từ vị trí cọc đặt trên bãi được đưa vào hộp kẹp cọc là quá trình gồm nâng cọc

có độ chùng cáp, sau đó là vừa nâng cọc vừa quay. Ở giai đoạn quá độ, khi khởi động

bộ máy nâng hạ hàng của cần trục, quay cọc, hoặc phanh hãm cơ cấu quay để đưa cọc

vào hộp kẹp cọc, hoặc điều chỉnh cọc vào đúng vị trí, v.v. sẽ làm xuất hiện lực động

lớn và dao động của máy.

Thao tác 2 (ép cọc): Các bộ máy cung cấp cọc và di chuyển máy không làm việc,

máy thực hiện ép cọc thông qua các cặp xi lanh ép (2, 4 hoặc 6 xi lanh) tạo ra lực đẩy

tác dụng vào hộp kẹp cọc nhờ đó mà cọc được ép vào trong lòng đất. Ở giai đoạn quá

độ khởi động ép cọc sẽ làm xuất hiện lực động lớn.

Thao tác 3 (di chuyển dọc máy): Tương tự, các bộ máy cấp cọc và ép cọc đều

không làm việc khi thực hiện di chuyển máy. Khi máy di chuyển ở giai đoạn quá độ

(bắt đầu khởi động hoặc phanh hãm máy) sẽ xuất hiện lực động lớn và dao động của

máy.

Chính vì vậy cần phải tiến hành nghiên cứu ĐLH của máy trong quá trình cấp

cọc, quá trình ép cọc và quá trình di chuyển máy.

2.2. Nghiên cứu động lực học máy khi nâng cọc

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

Sau khi buộc cáp vào cọc, người lái điều khiển cơ cấu nâng làm việc để cuốn cáp

lại, nâng cọc lên khỏi mặt đất. Khi cơ cấu nâng làm việc, cơ cấu quay của cần trục

không hoạt động, các cơ cấu khác của thiết bị (kẹp cọc, ép cọc, di chuyển thiết bị)

cũng không hoạt động.

a) Các giả thiết

- Khi nâng cọc, cọc đang nằm trên nền đất, dây cáp bị chùng (δ ≠ 0).

- Chưa xét đến biến dạng của nền máy đứng, vì khi máy đặt trên nền với một độ

lún nhất định, hệ thống chân máy có diện tích lớn, đối trọng lớn và trọng lượng của

cọc nhỏ nên biến dạng của nền khi máy làm việc là không lớn.

- Chưa xét đến biến dạng của kết cấu thép máy và cần của cần trục trên máy.

- Khung gầm của thiết bị và đối trọng có trọng lượng rất lớn nên có thể coi hệ

thống tựa quay của cần trục gắn với khung máy là cố định (không dao động).

- Khi cọc chưa thoát hoàn toàn khỏi nền thì coi cọc không có dao động lắc.

- Chưa xét đến dao động của các chân máy và dầu thủy lực.

- Dây cáp nâng cọc có độ cứng quy dẫn là S1, hệ số dập tắt dao động là K1.

- Cần của cần trục cấp cọc có khối lượng quy dẫn là m2, được quy dẫn về một

điểm trên cần.

- Đối trọng của cần trục có khối lượng quy dẫn là m3, được quy dẫn về một điểm

tại trọng tâm khối đối trọng.

- Cọc nâng có khối lượng quy dẫn là m4, được quy dẫn về một điểm tại trọng tâm

của cọc.

- Coi trọng tâm của cọc dịch chuyển theo đường trục của cáp hàng, do góc lệch

giữa cáp thép với phương thẳng đứng là nhỏ.

- Bỏ qua tải trọng gió tác dụng vào máy và cọc

1M(q )

- Mô tơ thủy lực có đường đặc tính cơ là

Từ kết cấu máy thể hiện trên Hình 1.5, bằng các giả thiết để đơn giản hóa như

trên và nghiên cứu quá trình làm việc thực tế của thiết bị, tác giả đã xây dựng mô hình

ĐLH, thể hiện trên Hình 2.1 sau đây:

b) Mô hình động lực học

: Đặc tính cơ của mô tơ thủy lực dẫn động cụm puly móc câu của cơ cấu nâng

Các ký hiệu trên mô hình: 1M(q ) thuộc cần trục cấp cọc;

1: Mô men quán tính quy dẫn của mô tơ thủy lực và các chi tiết quay trong cơ cấu về

trục động cơ thủy lực, kg.m2;

m2: Khối lượng quy dẫn 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;

a: Bội suất cáp;

S1: Độ cứng quy dẫn của cáp, N/m; K1: Hệ số dập tắt dao động quy dẫn của cáp, Ns/m; Dt: Đường kính của tang cuốn cáp, m; i1: Tỷ số truyền từ động cơ thủy lực, qua hộp giảm tốc đến tời nâng; q30: Góc lệch ban đầu của cáp thép cùng với cọc tại đỉnh cần trong mặt phẳng thẳng

đứng chứa cần (mặt phẳng X1O1Z1 ), rad;

: Góc lệch ban đầu xét trong mặt phẳng nằm ngang của đường tâm cần của cần trục

so với trục OX, rad.

: Góc nghiêng của cần so với mặt phẳng nằm ngang,

q30



M(q1)

1

q 3

i n



OXYZ: Hệ trục tọa độ tuyệt đối.

Hình 2.1. Mô hình động lực học khi máy nâng cọc có xét đến độ chùng cáp

Các tọa độ suy rộng như sau:

+ q1: Chuyển vị góc của trục động cơ thủy lực, rad;

+ q2: Chuyển vị của cọc theo đường trục của cáp thép, m; + q3: Góc lắc của cáp thép cùng với cọc xung quanh đỉnh cần trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (mặt phẳng X1O1Z1 ), rad. - Như vậy, đây là mô hình động lực học của cần trục khi nâng hàng có độ chùng

cáp 3 bậc tự do. Quá trình nâng hàng diễn ra theo 3 giai đoạn (3 pha) cụ thể như sau:

+ Giai đoạn 1: Tời thủy lực hoạt động, cáp thép cuốn vào tang, độ chùng cáp 

 0 thì giai đoạn 1 kết thúc, lực căng cáp Fc = 0.

giá trị tăng từ 0 đến giá trị căng tĩnh Fc = + Giai đoạn 2: Tời tiếp tục hoạt động, cáp tiếp tục cuốn vào tang nâng cọc nhưng cọc chưa thoát khỏi nền (một đâu nâng, một đầu chạm đất), lúc này lực căng cáp Fc có 4m g a

+ Giai đoạn 3: Tời tiếp tục hoạt động, cáp tiếp tục cuốn vào tang, lúc này cọc được nhấc lên khỏi mặt đất, cọc dịch chuyển theo đường tâm của cáp với độ dịch chuyển là q2 (m) và lắc xung quanh đỉnh cần trong mặt phẳng X1O1Z1 với góc lắc là q3 (rad).

- fQ: Chiều dài cáp, m; - f0: Chiều dài cáp tại vị trí đang xét, m. Vì vậy, f0 = (fQ – q2)



2.2.2. Thiết lập phương trình chuyển động của hệ 2.2.2.1. Với pha 1 (giai đoạn 1): triệt tiêu độ chùng cáp, Fc = 0; q1 ≠ 0 Phương trình chuyển động:

  q M(q ) 1 1 1



(2.1)

 R

D t 2ai 1

( ); Với: R – Bán kính quy dẫn; a – Bội suất cáp.

2.2.2.2. Với pha 2 (giai đoạn 2): cọc được nâng lên nhưng một đầu vẫn chống xuống

mặt nền: m4(t) = 0 m4; q1 ≠ 0; q2 ≠ 0; q3 = 0.

Để thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ, ta sử dụng phương







trình Lagrange loại 2 có dạng như sau:

 T  q

  U   q  q 

d dt

 T    q

, với i = 1 ÷ 3. (2.2)

   1. Hàm động năng của hệ như sau:



2 n 1 1

m v 4

2 4

2  q 1 1

 m q 4

2 2

1   2

1 2

(2.3)

1 2 2. Hàm hao tán của hệ như sau:

 

 q

2

 a K Rq 1

 1

1 2

(2.4)

3. Hàm thế năng của hệ như sau:



2 S a (Rq



 q ) m g.Z









q ) cos q

a S (Rq 1

q ) m g H (f 4

 

 

1 2

(2.5)



4. Các lực suy rộng:

 Q M(q ); Q 0 1

(2.6)

Sau khi tiến hành đạo hàm hàm động năng (2.3), hàm hao tán (2.4), hàm thế năng













q ) M(q ) 1

(2.5), sử dụng phương trình Lagrange loại 2 ta có hệ PTCĐ như sau:





2  

m g.cos q

 q 1 1  m q 4 2

 a .R.K (R q 1 1  a .K (R q  1 1

 q ) 2  q ) 2

a .R.S (R q 1 1 q ) a .S (R q 2 1 1

   

(2.7)





Mq Kq Sq





f (t)

Sắp xếp lại phương trình chuyển động dưới dạng ma trận chúng ta có:

(2.8)

Trong đó:



 M(q ) 1

 Mq



 ; Kq



;S.q



; f



 0 1 0 m

 q 1  q

 q 1  q

q 1 q



m g.cos q



2 a .R .K 1 2 a .R.K 1

a .R.K 1 2 a .K 1

a .R .S 1 2 a .R.S 1

a .R.S 1 2 a .S 1

  

  .    

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

M- Ma trận khối lượng 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.









.cos





2.2.2.3. Với pha 3 (giai đoạn 3): cọc tách hoàn toàn khỏi nền: q1 ≠ 0; q2 ≠ 0; q3 ≠ 0 1. Xác định tọa độ của cọc



  q sin q

 







.sin



Y 4

 

 







 

       H f

(2.9)

  q sin q   q cos q

     

 X

 

 cos .sin(q





 q )cos .cos(q



 q ).q 3

 

 sin .sin(q





 q )sin .cos(q



- Tiến hành đạo hàm theo thời gian X4, Y4, Z4 ta có:

 Y 4

 q ).q 3

 Z



 cos (q





q )sin(q



 q ).q 3

    

(2.10)

 X cos 



2 sin (q





2 q ) cos



2 .cos (q





2 4

 q ).q 3

2 2

 q ).q 3

2 3





q ).sin(q



q ).cos(q



  q ).q .q

2 sin (q





2 q ) sin



2 .cos (q





-2 cos   Y sin



 q ).q 3

2 2

 q ).q 3

2 3

2 4

- Tiến hành bình phương đạo hàm các tọa độ X4, Y4, Z4 ta có:





in(q



q ).cos(q



  q ).q .q

q ).s 2

-2sin  Z

2 cos (q







q ) sin (q



2 4

2 3

+2(f

2  q ).q 3 2 q ).sin(q

30 

Q 2  q ).cos(q



 q ).q 3 30   q ).q .q

          



 v X Y Z 





 q





2  q ) .q

(2.11)

2   4

2 4

2 2

2 3

(2.12)





2. Hàm động năng của hệ:

2 n 1 1

m v 4

2 4

2  q 1 1

2 2

2  q ) q 2

2 3

  m q  4

 

1 2

1   2

(2.13)

1 2 3. Hàm hao tán của hệ:

 

 a K (Rq 1 1

 q ) 2

1 2

(2.14)



2 S a (Rq



 q ) m g.Z

4. Hàm thế năng của hệ:









q ) cos(q



a S (Rq 1

q ) m g H (f 4

q ) 3

 

 

1 2 1 2

(2.15)



 M(q ) M M

5. Các lực suy rộng:     (2.16)

  1.

 .q 1

(2.17)

)



Q M(q ); Q 0; Q 0 2 Phương trình mô men trên trục ra của động cơ thủy lực được xác định như sau:  Mf - Mô men do ma sát nhớt trong hệ thống thủy lực, Mf = f.m (N.m) f - Hệ số ma sát nhớt, được xác định như sau, [70]:

    V [p ](1 m c     ] [ 2 Vom - Lưu lượng riêng của động cơ, m3/vòng; [ωm] - Tốc độ quay danh nghĩa của động cơ, vòng/s; [pm] - Áp suất danh nghĩa của động cơ, Pa; om - Hiệu suất thể tích của động cơ thủy lực; h - Hiệu suất truyền động cơ khí của động cơ thủy lực; c - Hiệu suất truyền động cơ khí;

)

 .q M 



 M(q ) 1

  1.

 .q 1

(Nm/(vòng/s)) (2.18)

m 2

(2.19) Mc - Mô men cản chuyển động quay trên trục của động cơ thủy lực, N.m     V [p ](1 c     ] [









 

6. Xác định lực căng trong nhánh cáp thép:

  l

F c

F d

S . 1

l K . 1

m g 4 a

  

 l



 q

- Lực căng trong một nhánh cáp:

  l













  a Rq 1

 a Rq



D 2i 1

D t 2i a 1

  

  

Với:









 q

Thay vào công thức trên chúng ta có:



F C

 aS . Rq 1 1

  aK . Rq 1 1

m g 4 a

(2.20)

Sau khi tiến hành đạo hàm hàm động năng (2.13), hàm hào tán (2.14), hàm thế









 a .R.K (Rq







1 





q ) M(q ) 1 m g.cos(q

2  



năng (2.15), sử dụng phương trình Lagrange loại 2 ta có hệ PTCĐ như sau: 2



q )sin(q

30 

 q 1 1  m q 4 2 m (f 4 Q

a .R.S (R q 1 1 q ) 2 m g(f 4

a .S (R q 1 1    q )q 2

2 3

q ) 3 q ) 3

    





(2.21)

 q ) 1 2   a .K (R q q ) 1 1 2   q ) q m (f 3 4 Q Q Sắp xếp lại PTCĐ dưới dạng ma trận chúng ta có: 

 Mq K q 

 Kq Sq



f (t)

(2.22)

* 2  K q



0 0

 Kq

 Mq



2 a .R .K 1 2 a .R.K 1 0

a .R.K 0  2  a .K 1 0

 0 1 0 m 0

0 0 

0 0 0 0 0 0 m (f 4 Q

q ) 2

4 0 m (f 4 Q

q ) 2

  q   1     . q ;    2     q    3

     

Trong đó:

2     q 1    2  . q ;    2    2  q    3

      

  q   1     0 . q ;        q 0   



q 1



S.q



 M(q ) 1 m g.cos(q 

 30 q )sin(q



q ) 3 

a .R .S 1 2 a .R.S 1 0

a .R.S 1 2 a .S 1 0

 m g(f 4

q ) 3

    

    

      

      0 . q ;       q 0   

K*: Ma trận của các lực ly tâm     

2.2.3. Giải hệ phương trình chuyển động 2.2.3.1. Điều kiện biên

Tại thời điểm ban đầu t0 = 0 s: giá trị độ chùng cáp  = 0,1 m; chuyển vị góc của động cơ q10 = 0 (rad); chuyển vị thẳng của cọc q20 = 0 (m); chuyển vị góc của cọc q30 = - 3o = -0,052 (rad) ; lực căng trong cáp Fc0 = 0 (N). 2.2.3.2. Các số liệu đầu vào

om = 0,92;

c =0,95;

pl =0,95.

Với phương trình chuyển động tổng quát ở trên, luận án có thể ứng dụng để xác định các thông số động lực học của các máy ép cọc thủy lực di chuyển bước khác nhau. Dưới đây, luận án lấy thông số kỹ thuật của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ860B làm thông số đầu vào để giải hệ phương trình chuyển động trên: 1 = 0,051 kg.m2; i1 = 6,54; g = 9,81 m/s2; Dt = 0,25 m; a = 6; m4 = 4800 kg; S1 = 1059705 N/m; K1 = 2400 Ns/m; fQ = 20 m; Vom = 0,00069 m3/vòng; [ωm] = 8,33 vòng/s; [pm] = 2,5.107 Pa; h =0,98;

2.2.3.3. Sơ đồ khối thuật toán

Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, chúng ta xây dựng được sơ đồ khối thuật

toán trong trường hợp nâng cọc có độ chùng cáp thể hiện trên Hình 2.2 như sau:

Hình 2.2. Sơ đồ khối thuật toán trường hợp nâng cọc có độ chùng cáp

2.2.3.4. Các kết quả sau khi chạy chương trình:

Các kết quả thu được sau khi chạy chương trình trên Matlab – Simulink trong

2500

2000

1500

1000

] s / d a r [ , 1 ` q

500

20 Thoi gian [s]

trường hợp nâng cọc từ vị trí chùng cáp (độ chùng cáp  = 0,1 m) được thể hiện trên các đồ thị sau:

Hình 2.4. Vận tốc góc của đông cơ thủy

1q

0.3

0.2

0.1

20 Thoi gian, s

20 Thoi gian [s]

Hình 2.3. Chuyển vị góc của động cơ thủy lực của tời hàng q1 lực

2q

0.04

0.02

-0.02

-0.04

-0.06

Thoi gian, s

Cọc thoát khỏi nền

Một đâu cọc nâng lên, một đầu chạm đất

Triệt tiêu độ chùng cáp

Hình 2.6. Vận tốc dài của cọc Hình 2.5. Chuyển vị của cọc q2

3q

Một đầu cọc nâng lên, một đầu cọc chạm đất

Cọc thoát khỏi nền

Triệt tiêu độ chùng cáp

Hình 2.7. Chuyển vị góc của cọc q3 Hình 2.8. Vận tốc góc của cọc

Hình 2.9. Lực căng của cáp thép trong trường hợp nâng hàng có độ chùng cáp

Nhận xét:

Trong quá trình nâng cọc có độ chùng cáp, với các kết quả ở trên có thể thấy các

thông số động lực học thay đổi nhiều trong giai đoạn hết độ chùng cáp, một đầu cọc bắt đầu được nâng lên và khi toàn bộ cọc thoát khỏi nền đất, cụ thể như sau:

Từ Hình 2.3 và Hình 2.4 có thể thấy, vận tốc góc của động cơ thay đổi từ 0 rad/s

lên giá trị bình ổn 56,6 rad/s trong khoảng 1s.

Dịch chuyển theo phương thẳng đứng của cọc từ 0-7m trong 40s (Hình 2.5). Vận

tốc của cọc (Hình 2.6) dao động trong 5s khi một đầu cọc bắt đầu được nâng lên đầu

còn lại vẫn chạm đất với giá trị lớn nhất 0,28 m/s sau đó dao động quanh giá trị bình

ổn 0,18 m/s, đến giây thứ 33s toàn bộ cọc thoát khỏi nền lúc này vận tốc cọc lại dao

động.

Trong Hình 2.7 và Hình 2.8 cho thấy, vận tốc góc của cọc bằng 0 trong khoảng 0-

33s lúc này cọc chưa thoát hoàn toàn khỏi nền, khi cọc được nâng khỏi nền hoàn toàn,

chuyển vị góc của cọc dao động trong một chu kỳ từ -0,052 rad đến 0,052 rad trong khoảng 9s, vận tốc góc của cọc cũng dao động quanh giá trị 0.

Lực căng trong cáp thép từ 0-3s bằng 0, đây là thời gian triệt độ chùng cáp. Từ 3-

33s thời điểm một đầu cọc được nâng lên một đầu chạm đất, lực căng động trong cáp

dao động lớn trong 5s đầu, từ 13-33s khối lượng cọc tăng dầu do trọng tâm cọc thay

đổi. Từ 33s cọc nâng lên thoát khỏi mặt nền, lực căng lớn nhất phát sinh khi toàn bộ

cọc tách khỏi mặt nền là 8090 (N) (Hình 2.9). Hệ số lực động trong cáp khi một đầu



1, 28



2752 2158

F cmax F ctb

cọc được nâng lên kđ ; khi cọc thoát hoàn toàn khỏi nền



1,03

8090 7848

F cmax F ctb

. kđ

2.3. Nghiên cứu động lực học máy khi nâng cọc và quay

2.3.1. Xây dựng mô hình động lực học của máy ép cọc khi hệ thống cần trục nâng

cọc và quay

Khi người lái khởi động động cơ để quay cần trục thì cơ cấu nâng cọc đang tiếp

tục làm việc, cọc đang được treo trong không gian tiếp tục được nâng lên với chuyển

vị q2. Điều đó có nghĩa là hai cơ cấu của cần trục là cơ cấu nâng hạ cọc và cơ cấu quay

làm việc đồng thời (vừa nâng cọc vừa quay).

a) Mô hình động lực học

fosinq3cosq4

fosinq4



L 2

L 3

M(q1)

M(q5)

1

5

6

i2 S2

Hình 2.10. Mô hình động lực học trong trường hợp máy nâng cọc và quay đồng thời

a) Mô hình động lực học; b) Sơ đồ cơ cấu quay; c) Sơ đồ cơ cấu nâng hạ cọc

b) Các giả thiết Ngoài các giả thiết như phần nâng cọc có xét đến độ chùng cáp, còn có thêm các

giả thiết sau:

- Khi cần trục quay, cáp treo cọc coi như treo ở đỉnh cần của cần trục (điểm B), cọc cùng với dây cáp lắc trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (X1O1Z1) một góc q3, lắc trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng đó (Y1O1Z1) một góc q4.

- Mô tơ thủy lực của cơ cấu quay có chuyển vị góc q5 và mâm quay có chuyển vị

góc là q6.

Trên Hình 2.10 có thêm các ký hiệu như sau:

5M(q )

: Đặc tính cơ của cơ cấu quay thuộc cần trục;

5: Mômen quán tính quy dẫn của động cơ thủy lực và các chi tiết quay trong cơ

cấu về trục động cơ, kg.m2;

6: Mômen quán tính quy dẫn của mâm quay, kg.m2;

S2: Độ cứng quy dẫn của cơ cấu quay, Nm/rad;

Mô hình động lực học trong trường hợp làm việc này của cần trục có 6 bậc tự do

qi (i = 1÷6), mô hình không gian trong đó bổ sung:

q5: chuyển vị góc của động cơ cơ cấu quay, rad;

q6: chuyển vị góc của mâm quay cần trục, rad.

2.3.2. Thiết lập phương trình chuyển động của hệ

Để thiết lập phương trình chuyển động chúng ta sử dụng phương trình Lagrange







loại II có dạng sau:

d dt

 T  q

  U   q  q 

  

 T   q 

, với i = 1 ÷ 6.



2  .q 1

2 m V 2 2

2 m V 3 3

2 m V 4 4

2  q 5 5

2  q 6

1. Động năng của hệ

1   1 2

1 2

1   2

1 2

(2.23)

Để xác định được động năng của hệ, chúng ta xác định tọa độ của khối lượng m2, m3

và khối lương hàng m4.



 





  X X L cos q   

- Tọa độ khối lượng m2

 Y L sin q 2  Z H

    

(2.24)

 

 .q



  .q

 

  

Đạo hàm phương trình trên ta có:

  X L sin q   Y L cos q 2  Z



    

(2.25)







 2 v X Y Z  2

2 2

2 L .q 2

2  6

Do đó, chúng ta có vận tốc của khối lượng m2:

(2.26)

- Tọa độ khối lượng m3:





  X X L cos q  

 

 L sin q

  

Y 3

 Z H

    

(2.27)



 .q



 

     .q

Đạo hàm các tọa độ của khối lượng m3:

  X L sin q   Y L cos q 3  Z



    

(2.28)









 2 2 v X Y Z  3 3

2 3

2 L .q 3

2  6

Vậy vận tốc của khối lượng m3

(2.29)











 



 q



 

 q

X (L f sin q cosq ).cos 





  

f sin q .sin 0 

  

Y 4

L f sin q cosq .sin 3

f sin q cos 0

- Tọa độ khối lượng của cọc nâng (cọc) m4:





0 Z H f cosq .cosq 0

    

q 

  

 f Đặt: A = L + f0sinq3cosq4 (f0 = fq - q2  0

 ); 2

 

 sin q cos q .q







 A

 f cos q cos q .q 0 3

 f sin q sin q .q 0 3

(2.30)

dA   dt       B q

(2.31)



  X =(-sinq cosq .q +f cosq cosq .q -f sinq sinq .q ).cosB-A.sinB.q + 3

Tiến hành đạo hàm chúng ta có:



4  +sinq .sinB.q -f cosq sinBq -f sinq cosB.q



 =>X =(sinq sinB-sinq cosq cosB).q +f cosq cosq cosB.q 4



 -(f sinq sinq cosB+f cosq sinB)q -(A.sinB+f sinq cosB)q 4

(2.32)

 C sin q sin B sin q cos q cos B



D f sin q sin q cos B f cos q sinB





3 0  E A sin B f sin q cos B



Đặt:

Tiến hành bình phương đạo hàm tọa độ X4 ta có:

 2  X (sin q sin B sin q cos q cos B 2sin q sin q cos q sin B cos B).q







2 2

2 4



2 2  f cos q cos q cos B.q 0

2 3



2  (f sin q sin q cos B f cos q sin B 2f sin q sin q cos q sin Bcos B).q



2 0

2 4



2 (A sin B f



4 4  sin q cos B 2f A sin q sin Bcos B).q



2 0







  2CE.q q 2

2 6   2D.f cos q cos q cos B.q q 3





  2CD.q q 2 4   2D.E.q q 4

  2C.f cos q cos q cos B.q q 2 3   2E.f cos q cos q cos B.q q 3 3 6 Tiến hành đạo hàm tọa độ Y4 theo thời gian:



 







 f sin q sin q .q )sin B A cos B.q 0 4

  Y ( sin q cos q .q 3 4  sin q cos B.q



2 

3 

 f cos q cos q .q 4 3 0  f cos q cos B.q 0 4

4 3  f sin q sin B.q 0 4

 (sin q cos q sin B sin q cos B).q



 

 f cos q cos q sin B.q 0  (f sin q sin q sin B f cos q cos B).q

4 



 Y 4



 (A cos B f sin q sin B).q 0

(2.33)

F sin q cos q sin B sin q cos B





G f sin q sin q sin B f cos q cos B





3  J A cos B f sin q sin B 0

Đặt:

 2  Y (sin q cos q sin B sin q cos B 2sin q sin q cos q sin Bcos B).q





2 2

2 4



2 3

4 2 2  f cos q cos q sin B.q 0 2  (f sin q sin q sin B f cos q cos B 2f sin q sin q cos q sin Bcos B).q





2 0

2 4



2 (A cos B f s



4 4  in q sin B 2f A sin q sin Bcos B).q



4 

2 0

2 6







4 



  2FJ.q q 2

  2G.f cos q cos q sin Bq q 3





  2FG.q q 2   2GJ.q q 4

  2F.f cos q cos q sin B.q q 3 2   2J.f cos q cos q sin B.q q 3 3 Tiến hành đạo hàm Z4 ta có:

 Z





 cos q cos q q 4 2

 f sin q cosq .q 0 3

f cos q sin q .q 0 3

 4

Tiến hành bình phương đạo hàm tọa độ Y4 ta có:

(2.34)

 Z



 cos q cos q q



2 4

2 2

2  f sin q cos q .q 0 3

2 3

2  f cos q sin q .q 0 3



2 4 

  2f sin q cos q cos q .q q 2 3 3

4   2f cos q sin q cos q .q q 2



0   2f sin q cos q sin q cos q .q q 3 4

2 0

Tiến hành bình phương tọa độ Z4 ta có:









2  v X Y Z 4

2 4

Cuối cùng chúng ta có:

(2.35)

v =(sin q sin B+sin q cos q cos B-2sinq sinq sinBcosB+sin q cos B+

2 4



+sin q cos q sin B+2sinq sinq cosq sinB.cosB+cos q cos q ).q + 4

2 2

 q ).q +

3 2 +(f cos q cos q cos B+f cos q cos q sin B+f sin q cos o

2 o

2 3

3 +(f sin q .sin q cos B+f cos q sin B+2f sinq sinq cosq sinBcosB+ 4

2 o

+f sin q sin q sin B+f cos q cos B-2f sinq sinq cosq sinBcosB+

2 o

2 o cos B+2Af sinq sinBcosB+

 +f cos q sin q ).q +(A sin B+f sin q

2 o

2 4



2 +A cos B+f sin q sin B-2Af sinq sinBcosB).q +

2 6

2 o

+[2(f cosq sinq cosq sinBcosB-f sinq cosq cos q cos B)-

-2(f cosq sinq cosq sinBcosB+f sinq cosq cos q sin B)+

+2f sinq cosq cos q ].q q +

  2 3 +[-2(f sinq sin q sinBcosB-f sin q sinq cosq cos B+

+f sinq cosq sin B-f sinq cos q sinBcosB)+2(f sinq sin q sinBcosB+ 4 cosq cos B-f sinq cos q sinBcosB)+ 3

4 +f sin q sinq cosq sin B-f sinq 4 +2f cos q sinq cosq ].q q +

  2 4

+[-2(Asinq sin B-Asinq cosq sinBcosB+f sin q sinBcosB-

4 -f sinq sinq cosq cos B)-2(Asinq cos B+Asinq cosq sinBcosB-

-f sin q sinBcosB-f sinq sinq cosq sin B)].q q + 3

  2 6

2 o

+[-2(f sinq cosq sinq cosq cos B+f cosq cos q sinBcosB- 4 -2(f sinq cosq sinq cosq sin B-f cosq cos q sinBcosB)+

2 o

3 +2f sinq cosq si

2 o

4 nq cosq ].q q + 4

  3 4

+[-2(f Acosq cosq sinBcosB+f cosq sinq cosq cos B)+

2 o

  3 6

2 +2(f Acosq cosq sinBcosB-f cosq sinq cosq sin B)].q q + o +[2(A.f .sinq sinq sinBcosB+Af cosq sin B+f sinq sin q co

2 s B+

2 o

o +f sinq cosq sinBcosB)-2(A.f .sinq sinq sinBcosB-Af cosq cos B-

2 o

2 -f sinq sin q sin B+f sinq cosq sinBcosB)].q q  o 4 6

2 o







2(Asin q



2 4

2 2

2 o

2  v =q +f cos q .q +f .q +(A +f sin q ).q o

2 o

f sin q sin q cos q ).q q + o 4

  2 6

2 6 

2 4   3 6

2 o

2   f sin q sin q ).q q 4 6 o

2 3 4 +2f cos q sin q cos q .q q +2f (A cos q







2 q ) cos q .q +(f



2  q ) .q +

2  v =q +(f 2

2 4

2 3

2 4

+[L +(f



2 q ) (sin q cos q +sin q )+2L(f 4

 q )sin q cosq ].q 3

2 6

(2.36)



2(f



  3 6

  -2Lsin q .q q 2 6 4 q )(Lcos

+2(f



Q 

q ) cos q sin q cos q .q q + 3 4   q )sin q ).q q 4 6

(2.37)

Thay các giá trị v2, v3 và v4 vào phương trình hàm động năng (2.23), chúng ta có:



T= θ q + m L q + m L q + m {q +(f -q ) cos q .q +(f -q ) .q + 4

2 4

2 2  2 6

2 2  3 6

2  1 1

2 2

2 3

1 2



  +[L +(f -q ) (sin q cos q +sin q )+2L(f -q )sinq cosq ].q -2Lsinq .q q 2 6 4

2 6

-2(f -q ) cosq sinq cosq .q q +2(f 3

  3 6

-q )(Lcosq +(f -q )sinq ).q q } Q

  4 6

2 2   + θ q + θ q 1 6 5 5

1 2 Z

1 5

(2.38)

 

 q

2. Hàm hao tán của hệ thống như sau:

2

  a K Rq 1 1

1 2

(2.39)



 l



3. Hàm thế năng của hệ thống như sau:







2  j 

S 1

m g.Z 4

1 2









  U







 a Rq 1

 S q 2

i q 2

m g H f cosq cosq 0

S 1

1 2

m g 4 aS 1

  

  









j 



  l





 a Rq 1

 q ; f 2

i q 2 6

(2.40)



 q ; 2

m g 4 aS 1



Q M q ; Q 0; Q 0; Q 0; Q M q ; Q M



4. Các lực suy rộng:









(2.41)

5. Xác định lực căng trong một nhánh cáp Fc:

Fc = Fct + Fcd



F ct

m g 4 a

Fct: lực căng tĩnh trong một nhánh cáp:



 l    

F cd

S . 1

víi



a.q











.q 1

 a Rq 1

  l ®

q D 1 . 2 i 1

D 2i a 1

  

  



 q



  a Rq 1

 l   ®





 q



 K .a Rq



  F c

 S .a Rq 1 1

 1







 q

Fcd: lực căng động trong một nhánh cáp:



  F c

 aS . Rq 1 1

 aK . Rq 1

 1

m g 4 a

(2.42)

6. Mô men động trong động cơ của cơ cấu quay:

(2.43) Mđc = S2.j = S2 (q5 - i2q6)

Trong đó: i2: tỷ số truyền của cơ cấu quay

Tiến hành đạo hàm hàm động năng (2.38), hàm hao tán (2.39), hàm thế năng



1 

2 4

2 6

2 3



(Rq -q )]-g(1-cosq cosq )=0



  3 6

 [K .(Rq -q )+S . 1 1

  -2f cosq sinq cosq .q q +2f sinq .q q 4 6

a m





2 6

 4 3

  f cos q q -f cosq sinq cosq .q -cosq cosq (L+f sinq cosq ).q -2cos q .q q 2 3 o 3 +2cosq sinq cosq .q q -2f sinq cosq .q q -2f cosq cos q .q q +g.sinq cosq



  3 4

  2 6

  4 6

4 

   q +(Lcosq +f sinq ).q +f sinq cosq .q -[f cos q sinq cosq -L.sinq sinq ].q 4

2 6

o o 4 -2q q -2sinq .q q +2f cosq cos q .q q +g.cosq sinq

4 0



2 3   3 6

  2 4

(2.40) theo phương trình Lagrange loại II, ta có hệ PTCĐ như sau:

3   2 6 

 5 5

2 6



  +f sin q ]q -Lsinq .q -f cosq sinq cosq .q 3 2





2 3

2 4

  +f (Lcosq +f sinq ).q +f sinq sinq cosq .q -f Lsinq .q +2f cosq sinq cosq .q q 2 3

4 o   -2(Lcosq +f sinq ).q q -2[sinq cosq (L+f sinq c 2 4 3

3   osq )+f sin q ].q q 2 6

3   3 4

o   +2f cosq sin q .q q +2f cosq cosq (L+f sinq cosq ).q q 3 6 M

S (q -i q )=



  -2f sinq (Lsinq -f cos q cosq ).q q 4 6 3

2 6

i 2 m

  θ q -a RK .(Rq -q )+a RS .(Rq -q )=M(q )-m gR 1 1    q -Lsinq .q +f cos q .q +f q +[sinq cosq (L+f sinq cosq )+f sin q ].q             θ q +S .(q -i q )=M(q )  5  [θ /m +(L+f sinq cosq ) o 4         

(2.44)





 Mq Kq Sq f (t) K q K q q K q q K q q











Sau đó sắp xếp lại PTCĐ dưới dạng ma trận chúng ta có:

  2

  3 i

  6 i

(2.45)

Trong đó:

M: Ma trận khối lượng; K*: Ma trận của các lực ly tâm;

K2i: Ma trận của các lực Côriôlit ứng với

K3i: Ma trận của các lực Côriôlit ứng với

2 iq q  (i=1÷6); 3 iq q  (i=1÷6); 6 iq q 

K6i: Ma trận của các lực Côriôlit ứng với (i=1÷6);

K: Ma trận các phần tử dập tắt dao động;

S: Ma trận các phần từ đàn hồi;

f(t): Véc tơ lực kích động.

Đây là mô hình động lực học không gian, hệ phương trình chuyển động là hệ

phương trình vi phân cấp hai phi tuyến cho phép nghiên cứu các trường hợp làm việc

riêng biệt hoặc đồng thời của máy, ví dụ như chỉ nâng cọc, chỉ quay cọc hoặc vừa nâng

vừa quay cọc đồng thời. Các phần tử nằm trong các ma trận trên được thể hiện cụ thể

trong các bảng ma trận dưới đây:

4 2



m (f 4

m 4 0 0

0 2 q ) cos q 2 0

0 0 

 m L.sin q 4 q ) cosq sin q cosq 3 q ) sin q

4 

4 L cos q



m (f 4 

 1 0 0 0

m (f 4

q ) 2

0  0 0 m (f 4 Q

 Q 2  q ). (f



 Mq





   1 

 q 1  q  q  q  q 5  q

2 2  m L m L 3 2 

2 3 m .(L (f





m L sin q



q ) .cosq sin q cosq m (f



q ) sin q



Lcosq

q ) sin q cosq ) 3 4

m (f 4

         

 q ) (f







q ) sin q

m (f 4

                       

             

0 0



q )cos q



m Lsinq cosq





q )(sin q cosq



0 0

m (f 4 Q

q ) 2

2 sin q ) 4





2 q )sin q cosq cosq )

* 2  K q



0 2



q ) sin q cosq

q )(L cosq cosq 2  q )sin q .((f

 

(f q ).cosq cos q -Lsinq

)

0 0 0 0

0 0

m (f 4 Q

   0 m (f 4 Q  m (f 0 4 Q

 q  q  q  q  q  q



0 0

0 q )L.sin q

2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6

         

0 0 0 0 m (f 4 Q

q ) sin q sin q cosq 3

-m (f 4 Q

          .          

         

0 0 0 0 0 0

0 0  q ).cos q



0 0 0

0 0 0 0 0 0

2m (f 4 Q

  K .q q



q ) 2

0 0

2m (f 4 Q 0  (f

0 0 0 0 0 0



q )cosq sin q cosq



q ) sin q

0 0 0 0 0 0 2m (f 4 Q

 -2m Lcosq



  q q 2 1   q q 2   q q 2   q q 2   q q 2   q q 2

         

          

        .            

0 0 0

0 0

0 2



q ) sin q cos q

2m (f 4 Q

  K q q 3i

0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0



q ) cosq sinq

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

2m (f 4 Q

2 4

  q q 3 1   q q 3   q q 3   q q 3   q q 3   q q 3

         

          

        .            



q )cosq sin q cosq

0 0

2m (f 4



q )cosq sin q cosq

0  q ) sin q 2m (f Q 4 2  q ) cosq cos q



0 0 0 0 0 0

0 0 0

2m (f 4

0 2

4 q ) sin q



q ) cosq cos q

Q 2 -2m (f 4

2m (f 4

  K q q



 0

2 0 0

0 0 0 0

0 0





L sinq



q )cosq cosq . 3 4

0 0



  q q 6   q q 6   q q 6   q q 6   q q 6   q q 6

-2m (f 4

q ) sin q . 4

         

L sin q cos q 3 q )(sin q cosq







3  q ) cos q cosq



q ) sin q cosq

2 sin q ) 4

2m (f 4   . L (f



   

   

         .             



q 1

Rm g 4

0 0

0 0 0 0

0 0

a RK 0 0 0 0 2 0 0 0 0 a K

2 a RS 1 2 a S 1

 q )sin q cosq

0 0

;

 Kq

0 0

   M q 1   m g 1 cosq cosq  -m g(f 4 -m g(f 4

q q

0 0



0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0

 q )cosq sin q 2    M q M

 q 1  q  q  q  q  q

0 0



0 0 0 0

2 i S 2 2

i S 2 2 2 i S 2 2

         

        .            

            2  a R K 1  2  a RK        

     a R S 1  2  a RS 1        

        .            

          

         



2.3.3. Giải hệ phương trình chuyển động

2.3.3.1. Điều kiện biên ban đầu

Tại thời điểm ban đầu t0 = 0 s: giá trị chuyển vị góc của động cơ q10 = 0 (rad);

chuyển vị của hàng theo phương thẳng đứng q20 = 7,5 (m); chuyển vị góc của cọc

trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (X1O1Z1) q30 = 0 (rad); chuyển vị góc của cọc

trong mặt phẳng mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1) q40 = 0 (rad);

chuyển vị góc của đông cơ thủy lực mâm quay q50 = 0 (rad); chuyển vị góc của mâm

quay q60 = 0 (rad); lực căng trong cáp thép Fc0 = Fct = 7848 (N).

2.3.3.2. Các số liệu đầu vào

Nghiên cứu sinh đã tiến hành giải phương trình chuyển động ở trên với các số

liệu đầu vào cụ thể đó là các thông số kỹ thuật của máy ép cọc thủy lực di chuyển

bước ký hiệu ZYJ860B, đây là loại máy đang sử dụng phổ biến ở Việt Nam và NCS

có điều kiện đo đạc thực nghiệm với loại máy này, các thông số cụ thể như sau (phục

1 = 0,051 kg.m2;

5 = 0,11 kg.m2;

Z1 = 8 kg.m2; i1 = 6,54; i2 = 500; g = 9,81 m/s2;

lục 1):

Dt = 0,25m; a = 6; R= 0,00176; m2 = 5000 kg; m3 = 5510 kg; m4 = 4800 kg;

 

 (G G ).



S1 = 1059705 N/m; S2 = 50 Nm/rad; K1 = 2400 Ns/m; fQ = 12 m; L = 6 m; L2 = 2,8 m;

 o 0 ;

 .sign(q ) N.m 6

L3 = 2 m; ; Vom = 0,00069 m3/vòng;

om = 0,92;

h =0,98;

c =0,95;

pl =0,98.

[ωm] = 8,33 vòng/s; [pm] = 2,5.107 Pa;

2.3.3.3. Sơ đồ khối thuật toán

Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, NCS xây dựng được sơ đồ khối thuật toán

trong trường hợp nâng cọc có kể đến độ chùng cáp theo các sơ đồ thuật toán sau:

Hình 2.11. Sơ đồ khối các thông số đầu vào và các biến trung gian

Hình 2.12. Sơ đồ khối thuật toán để giải PTCĐ trường hợp máy nâng cọc và quay

đồng thời

2.3.3.4. Các kết quả sau khi chạy chương trình

Căn cứ vào các khảo sát thực tế máy thi công ngoài công trường, luận án chạy

chương trình mô phỏng với các quá trình nâng cọc và phanh hãm mâm quay ứng với

các thời gian cụ thể như sau:

- Từ 0s - 20s: bắt đầu cọc được nâng lên ở trạng thái cáp căng, đồng thời kết hợp

với quá trình quay cọc.

- Ở giây thứ 20, lúc này cọc đã được nâng lên đủ chiều cao yêu cầu, dừng quá

trình nâng cọc nhưng vẫn quay cọc vào hộp kẹp cọc.

- Đến giây thứ 30, khi đó cọc đã được quay vào vị trí tâm hộp kẹp cọc, dừng quá

trình quay cọc, chương trình mô phỏng chạy trong 45s.

Thời gian thực hiện các thao tác trên của máy mô phỏng đúng thời gian làm việc

1200

1000

800

600

] d a r [ 1 q

] s / d a r [ , 1 ` q

400

200

0 0

25 20 Thoi gian [s]

của máy trên công trường. Sau khi chạy chương trình ta thu được các kết quả sau:

25 20 Thoi gian [s] Hình 2.14. Vận tốc góc của đông cơ thủy lực 1q

0.3

0.2

] s / m

[

0.1

2 ` q

-0.1 0

25 20 Thoi gian, s Hình 2.16. Vận tốc của cọc theo phương

Hình 2.13. Chuyển vị góc của đông cơ thủy lực q1

2q

0.04

0.06

0.04

0.02

] d a r [ 3 q

] s / d a r [ 3 ` q

-0.02

-0.04 0

20 Thoi gian, s

25 20 Thoi gian, s

Hình 2.15. Chuyển vị của cọc theo phương thẳng đứng q2 thẳng đứng

3q trong mặt

Hình 2.18. Vận tốc góc của cọc Hình 2.17. Chuyển vị góc của cọc q3 trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (X1O1Z1) phẳng thẳng đứng chứa cần (X1O1Z1)

0.06

0.05

0.04

0.02

] d a r [ 4 q

] s / d a r [ 4 ` q

-0.02

-0.04

-0.06 0

-0.05 0

20 25 Thoi gian, s

Hình 2.20. Vận tốc góc của cọc

4q trong mặt phẳng mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1)

1500

1000

] d a r [ 5 q

] s / d a r [ 5 ` q

500

0 0

25 20 Thoi gian, s

25 20 Thoi gian, s Hình 2.22. Vận tốc góc của đông cơ thủy lực

Hình 2.19. Chuyển vị góc của cọc q4 trong mặt phẳng mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1)

5q

3.5

1.5

2.5

]

0.5

d a r [

] s / d a r [

1.5

6 q

6 ` q

-0.5

0.5

-1 0

0 0

25 20 Thoi gian, s

Hình 2.21. Chuyển vị góc của đông cơ thủy lực mâm quay q5 mâm quay

6q

X: 0.2 Y: 9353

9500

9000

8500

X: 30.9 Y: 8105

X: 14.92 Y: 7842

8000

7500

, g n a h p a c h n a h n g n a c c u L

7000

6500

Thoi gian, s

Vừa nâng cọc vừa quay

Chỉ quay cọc

Phanh hãm quay cọc

Hình 2.23. Chuyển vị góc của mâm quay q6 Hình 2.24. Vận tốc góc của mâm quay

Hình 2.25. Lực căng trong cáp trường hợp nâng cọc và quay đồng thời

Nhận xét:

Trong quá trình vừa nâng cọc vừa quay, các kết quả ở trên có thể thấy các thông

số động lực học thay đổi nhiều trong giai đoạn bắt đầu cẩu và quay, sau đó bình ổn về

giá trị trị trung bình của nó, cụ thể như sau:

- Từ Hình 2.14 có thể thấy rằng, vận tốc góc của động cơ thủy lực nâng hạ cọc

thay đổi từ 0 rad/s lên giá trị bình ổn 52,6 rad/s trong khoảng 4s. Đến giây thứ 20, ta

phanh hãm động cơ nâng cọc, khi đó vận tốc góc của động cơ thủy lực về giá trị 0.

- Dịch chuyển theo phương thẳng đứng của cọc từ 0-3,5m trong 20s (Hình 2.15).

Vận tốc của cọc dao động trong 5s khi cọc bắt đầu được nâng lên với giá trị lớn nhất

0,279 m/s sau đó dao động quanh giá trị bình ổn 0,165 m/s (Hình 2.16). Từ 20s trở đi,

vận tốc cọc theo phương thẳng đứng về 0.

- Theo Hình 2.17 cho thấy, dịch chuyển góc của cọc trong mặt phẳng YOZ dao

động quanh giá trị 0 rad và giá trị biên độ góc lớn nhất là 0,052 rad tại 15s.

- Dịch chuyển góc của cọc trong mặt phẳng XOZ dao động quanh giá trị 0 rad và

giá trị biên độ góc lớn nhất là 0,042 rad tại 27s (Hình 2.19).

- Trong Hình 2.22 ta có thể thấy rằng, vận tốc góc của động cơ thủy lực quay toa

dao động quanh giá trị trung bình 51 rad/s, vận tốc góc lơn nhất là 57,3 rad/s tại 0,4s.

- Vận tốc góc của mâm quay dao động quanh giá trị trung bình 0,104 rad/s, vận

tốc góc lớn nhất là 0,173 rad/s tại 0,4s (Hình 2.24).

- Từ Hình 2.25, lực căng trong cáp thép cũng thay đổi dao động lớn trong 5s từ

khi cọc được nâng lên đồng thời quay. Lực căng lớn nhất phát sinh khi bắt đầu khởi

động là 9353 N, sau đó giá trị lực dao động bình ổn ở 7848 N. Ở giây thứ 30s, lực căng

cáp lại dao động ứng với thời điểm phanh hãm mâm quay. Hệ số lực động trong cáp



1,19

9353 7848

F cmax F ctb

. kđ

Tuy nhiên, khi xem xét các quá trình quá độ chúng ta thấy lực động và các thông

số động lực học (chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực căng cáp) khi khởi động có giá trị lớn

hơn khi tiến hành phanh hãm các cơ cấu.

2.3.4. Xác định lực tác dụng lên các chân chống của máy ép cọc thủy lực di

chuyển bước

Do phần khung trên của máy liên kết với phần dưới bằng 4 chân chống là các xi

lanh thủy lực (Hình 1.5) nên khi cần trục làm việc vừa nâng cọc vừa quay,… tải trọng

của cọc được treo qua hệ thống cáp là các tải trọng động sẽ tác động đến các chân

chống làm cho tải trọng ngoài tác động đến các xi lanh thủy lực thay đổi theo thời

gian. Việc xác định lực tác dụng vào các xi lanh trong quá trình vừa nâng cọc vừa

quay sẽ giúp cho việc xác định độ ổn định của máy, trong trường hợp bất kỳ chân

chống máy nào có lực tác dụng bằng hoặc nhỏ hơn 0 sẽ làm cho máy có khả năng mất

ổn định.

Để xác định các tải trọng tác dụng lên chân chống (xi lanh thủy lực) được coi là

Fc(t)

Llt

(1)

(4)



L 2

X=X2

L 3

(3)

(2)

hàm của góc quay q6, luận án sử dụng mô hình tính toán thể hiện trên Hình 2.26.

Hình 2.26. Mô hình xác định lực tác dụng lên các chân chống của máy ép cọc thủy

lực di chuyển bước trong trường hợp máy nâng cọc và quay

Trong đó:

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;

Fc(t): Lực căng cáp (thay đổi theo thời gian), N;

: Góc lệch ban đầu của đường tâm cần trục xét trong mặt phẳng nằm ngang ( = q60).

Ri: Các lực tác dụng lên chân chống của máy, N;

Llt: Khoảng cách giữa tâm của máy và tâm quay của cần trục, N;

G: Tổng trọng lượng tác dụng lên 4 chân của máy (coi như G chia đều cho 4 chân

chống của máy), N;

 G G



G G G



Từ Hình 2.26 ở trên chúng ta có:

(2.46)



 



 



 

M G .L .sin( 2

q ) G .L .sin( 3

q ) F .L.sin( c

q ) 6

- Mô men đối với trục OX2 được xác định như sau:

(2.47)

 M G [L



L .cos(

 

q )]+G [L



L .cos(

 

 q )] F [L



L.cos(

 

q )] 6

- Mô men đối với trục OY2 được xác định như sau:

(2.48)











- Do đó, lực tác dụng lên từng chân chống được xác định như sau:











MMG y x 4 2.c 2.b MMG y x 2.c 2.b 4 MMG y x 2.c 2.b 4 MMG y x 2.c 2.b 4

          

(2.49)

Từ công thức trên chúng ta thấy: Fc là hàm của thời gian (Fc = Fc(t)), do đó Mx và

My cũng là hàm của thời gian và ta có các Ri (i = 1÷4) cũng là các lực động. Giải các

giá trị trên thông qua hàm Fc(t) với chương trình giải như dưới đây:

Hình 2.27. Sơ đồ khối thuật toán xác định lực tác dụng lên các xi lanh chân chống

trường hợp nâng cọc và quay

x 10

1.9

R1 R2 R3 R4

1.8

1.7

, y a m n a h c c a c n e

1.6

1.5

g n u d c a

1.4

t c u L

1.3

100

120

140

160

180

Chuyen vi goc cua toa quay q6, do

Sau khi chạy chương trình chúng ta thu được các kết quả sau:

Hình 2.28. Sự thay đổi lực tác dụng lên các xi lanh chân chống Ri (i = 1÷4) theo góc

quay của mâm quay q6

Nhận xét:

Từ các đồ thị trên Hình 2.28, trong trường hợp vừa nâng cọc vừa quay ta thấy được sự thay đổi lực tác dụng vào các xi lanh chân chống thân máy là hàm của góc quay toa q6 cụ thể như sau:

- Khi bắt đầu khởi động nâng cọc và quay, giá trị R1, R2, R3 và R4 dao động

quanh giá trị trung bình của nó.

- Khi bắt đầu quay cọc từ 0o đến 60o, giá trị phản lực R1 và R4 tăng lên, trong khi

đó R2 và R3 giảm xuống.

- Khi quay cọc từ 60o đến 120o, giá trị phản lực R1 và R2 giảm xuống, và trị số

của R3 và R4 tăng lên.

- Khi quay cọc từ 120o đến 180o, giá trị phản lực R1 và R4 giảm xuống, trị số của

R2 và R3 tăng lên. Bảng 2.1. Giá trị lực tác dụng vào các xi lanh chân chống theo góc quay của mâm

quay

0o đến 60o 60o đến 120o 120o đến 180o Lực tác dụng vào các xi lanh chân chống

R1 (N)

R2 (N) Lý thuyết R3 (N)

1,89.106 - 1,92.106 1,89.106 - 1,73.106 1,35.106 - 1,33.106 1,35.106 - 1,49.106 1,92.106 - 1,82.106 1,73.106 - 1,66.106 1,33.106 - 1,40.106 1,49.106 - 1,55.106 1,82.106 - 1,74.106 1,64.106 - 1,74.106 1,40.106 - 1,51.106 1,55.106 - 1,51.106 R4 (N)

Từ các đồ thị trên Hình 2.28 chúng ta có thể thấy, tùy theo vị trí của cần cần trục (thể hiện qua q6) mà các lực trong các chân chống thay đổi theo thời gian. Các giá trị Ri đều lớn hơn 0, do đó trong trường hợp làm việc điển hình của máy ZYJ860B mà

luân án dùng để chạy chương trình mô phỏng với khối lượng cọc nâng m4 = 4800 kg thì máy hoạt động hoàn toàn ổn định.

Các lực Ri chính là các tải trọng ngoài tác dụng lên các xi lanh thủy lực, chúng sẽ làm cho áp suất dầu trong xi lanh thủy lực là áp suất động. Kết quả trên có thể sử dụng làm cơ sở để tính toán ổn định động, tính bền, thiết kế tối ưu và tính toán mỏi cho kết cấu thép của thiết bị theo quan điểm động lực học. 2.4. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy ép cọc di chuyển bước

Như đã trình bày ở trên (mục 2.1), khi máy làm việc, ngoài các trường hợp làm việc khi cần trục của thiết bị tiến hành quá trình cấp cọc (nâng cọc, nâng cọc và quay để đưa cọc và hộp kẹp cọc) gây ra các tải trọng động và dao động của máy, còn có các trường hợp làm việc khác khi hệ thống TĐTL hoạt động để tiến hành kẹp cọc, ép cọc và di chuyển máy cũng gây ra tải trọng động lớn phát sinh trong máy. Chính vì vậy, luận án sẽ tiến hành nghiên cứu ĐLH hệ thống TĐTL thành một nội dung riêng biệt. Chi tiết xin được giới thiệu như sau:

III

VII

VIII

Để đảm bảo chế độ làm việc cho các cơ cấu công tác của máy ép cọc thủy lực, ép được các loại cọc theo thiết kế thì sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống thủy lực của một loại máy ép cọc được trình bày như sau, [56]:

Khối I- Các xi lanh đẩy máy di chuyển dọc; Khối V- Các cụm xi lanh kẹp cọc; Khối II- Các xi lanh đẩy máy di chuyển ngang; Khối VI- Mô tơ nâng cọc; Khối VII- Mô tơ quay toa; Khối III- Các xi lanh chân chống của máy; Khối VIII- Các cụm xi lanh nâng cần. Khối IV- Các xi lanh ép cọc;

Hình 2.29. Sơ đồ mạch thủy lực của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước.

2.4.1. Nghiên cứu động lực học hệ thống xi lanh thủy lực khi kẹp cọc.

a) Xây dựng mô hình động lực học hệ thống xi lanh thủy lực khi kẹp cọc

Khi khởi động cho xi lanh thủy lực duỗi ra để kẹp cọc, thân xi lanh đầu tiên sẽ

triệt tiêu khe hở giữa má kẹp cọc và cọc (khoảng 0,3 s), sau đó là quá trình kẹp cọc

thực sự (má kẹp ép sát vào thân cọc trong khoảng thời gian 0,9s) và cuối cùng là xi

lanh thủy lực kẹp cọc dừng lại (khoảng 0,4s). Từ sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động xi

lanh kẹp cọc (Hình 2.29) và quá trình kẹp cọc đã mô tả ở trên luận án xây dựng mô

P2 ,A2

P1,A1

mqd

Qxl

Fqt

Qat

Vob rob

Pat

hình động lực học xi lanh kẹp cọc như sau:

a) Trường hợp xi lanh kẹp cọc b) Trường hợp xi lanh kẹp nhả cọc

Hình 2.30. Mô hình nghiên cứu động lực học hệ truyền động thủy lực xi lanh kẹp cọc

Các giả thiết nghiên cứu: Để xây dựng mô hình toán nghiên cứu động lực học

hệ thống truyền động thủy lực, luận án đưa các giả thiết như sau:

- Không xét quá trình tạo sóng trong ống thủy lực;

- Không xét đến quán tính của chất lỏng trong quá trình làm việc;

- Các thông số của chất lỏng làm việc (tỷ trọng riêng, độ nhớt, mô đuyn đàn hồi thể

tích) là hằng số;

- Mô đuyn dầu đàn hồi các ống dẫn không phụ thuộc vào áp suất trong hệ thống;

- Tổn thất năng lượng trong hệ thống được tính thông qua ma sát nhớt, ma sát khô và

mất mát thể tích của bơm thủy lực;

- Lực cản nội ma sát của xi lanh được kể đến qua hiệu suất cơ khí C

- Van an toàn được coi như khâu không tuyến tính và không quán tính;

- Lực ma sát ở van an toàn là nhỏ nên bỏ qua;

- Chưa xét đến ảnh hưởng của van tiết lưu;

- Coi cọc là vật rắn tuyệt đối đồng nhất;

- Do biến dạng của xi lanh kẹp là nhỏ, nên coi xi lanh kẹp cứng tuyệt đối.

- Coi lưu lượng đến các xi lanh kẹp cọc là như nhau (8 xi lanh kẹp).

b) Thiết lập các phương trình cân bằng lưu lượng và cân bằng lực

Từ những giả thiết trên, mô hình bài toán hệ thống TĐTL dẫn động xi lanh kẹp

cọc được viết dưới dạng hệ phương trình vi phân trên cơ sở phương trình dòng chảy

liên tục của chất lỏng công tác trong đường ống dẫn và phương trình cân bằng lực trên

xi lanh kẹp cọc, [70]. (dựa trên Hình 2.30)

*) Phương trình dòng chảy liên tục trong đường ống cao áp (nhánh A):

.Q =i .(Q - Q ) - Q - Q rrb at

xlk

(2.50)

Với:

ib: Số bơm làm việc, ib = 3;

ixlk: Số xi lanh kẹp, ixl = 8;

Q =V n X(t), m3/s

ob b

Qb: Lưu lượng lý thuyết của bơm:

(2.51)

obV - Lưu lượng riêng của bơm, m3/vòng;

bn - Tốc độ quay của trục bơm, vòng/s;

Trong đó:

 .



X(t) - Hệ số điều chỉnh lưu lượng của bơm, 0 X(t) 1

Q =r p , m3/s

b a

rrb

Qrrb: Lưu lượng chất lỏng rò rỉ ở bơm thủy lực:

(2.52)

br - Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực, (m3/s)/Pa.

Trong đó: pa - Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp, Pa;

r = b

Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực được xác định theo, [70]:

V [n ](1-η ) b b [p ] b

(2.53)

obV - Lưu lượng riêng của bơm thủy lực, m3/vòng;

bη - Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực;

b[p ]- Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực, Pa;

b[n ]- Tốc độ quay danh nghĩa của bơm thủy lực, vòng/s.

Trong đó:

Qxl: Lưu lượng tiêu thụ của xi lanh:

Qxl = A1.vk, (m3/s) (2.54)

Trong đó: A1- Diện tích tiết diện khoang cao áp của xi lanh kẹp, m2;

vk- Vận tốc dịch chuyển của xi lanh kẹp cọc, m/s.

QE: Lưu lượng chất lỏng làm biến dạng hệ thống:

Q =E E

dp a dt

, (m3/s) (2.55)

Trong đó: Ea - Biến dạng đàn hồi trong ống dẫn cao áp (m3/Pa), biến dạng này

E = a

được xác định như sau:

V V k + E E

(2.56)

Trong đó: Vc - Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng cao su, m3;

Vk - Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng kim loại, m3;

Ec - Mô đuyn biến dạng đàn hồi của đường ống dẫn bằng cao su, Pa;

Ek - Mô đuyn biến dạng đàn hồi của đường ống dẫn bằng kim loại, Pa.

2 c

Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng cao su được xác định như sau:

V = c

πd 4

(2.57)

Trong đó: dc - Đường kính trong của ống dẫn dầu bằng cao su, m;

lc - Chiều dài đường ống dẫn dầu bằng cao su, m.

2 k

Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng kim loại được xác định như sau:

V = k

πd 4

(2.58)

Trong đó: dk - Đường kính trong của ống dẫn dầu bằng kim loại, m;

lk - Chiều dài đường ống dẫn dầu bằng kim loại, m.

Q =(p -p )k , ngược lại Qat = 0;

Qat: Lưu lượng qua van an toàn tổng. Nếu pa  pat thì

Trong đó: pat - Áp suất cài đặt của van an toàn tổng, Pa;

kat - Hệ số lưu lượng qua van an toàn tổng, (m3/s)/Pa.



)



- A .v - (p - p )k

Thay các giá trị trên vào phương trình (2.50) chúng ta được:

dp a dt

i i

xlk

V [n ](1- b [p ] b

 . V n X(t) -  b 

  

(2.59)

*) Phương trình cân bằng lực trên xi lanh kẹp cọc (Hình 2.30):



 0

F - F qt

xlk

F R



(2.60)

F qt

F - F xlk R

Hay (2.61)

Trong đó:

 F m qt

dv k dt

, N Fqt: Lực quán tính, (2.62)





xlk

Trong đó: mqd - Khối lượng quy dẫn của xi lanh và má kẹp cọc về đỉnh xi lanh kẹp, kg.

(2.63)

mxlk - Khối lượng của xi lanh kẹp, kg;

mmk - Khối lượng của má kẹp cọc, kg;



 (p .A p .A ).

 , N

F xlk

Fxlk: Lực kẹp do xi lanh thủy lực tạo ra:

(2.64)

Trong đó: pa – Áp lực dầu công tác trong nhánh cao áp, Pa;

pt – Áp lực dầu công tác trong nhánh thất áp, Pa;

A1 – Diện tích tiết diện khoang cao áp của xi lanh kẹp, m2;

A2 – Diện tích tiết diện khoang thấp áp của xi lanh kẹp, m2;

c – Hệ số tổn thất trong xi lanh kẹp.

FR: Phản lực của cọc tác dụng vào xi lanh kẹp, N.



 (p .A p .A ).

  c

F R

Thay (2.62) và (2.64) vào phương trình (2.61) chúng ta được:

dv k dt

(2.65)

Vậy hệ phương trình vi phân mô tả hoạt động của xi lanh kẹp cọc khi thực hiện khởi

)

  b





A .v 1

p )k at

dp a dt

i i

xlk

V [n ](1 b [p ] b

 . V n X(t)  b 

  

động kẹp cọc (Hình 2.30.a) như sau:



 (p .A p .A ).

  c

F R

dv k dt

     

(2.66)

Bằng cách xây dựng tương tự, luận án thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả hoạt

động của xi lanh kẹp cọc khi thực hiện nhả cọc (Hình 2.30.b) như sau:

)

  b





A .v 2

p )k at

dp a dt

i i

xlk

V [n ](1 b [p ] b

 . V n X(t)  b 

  



 (p .A p .A ).

  c

F R

dv k dt

     

(2.67)

Nhận xét: Hệ phương trình vi phân (2.66) và (2.67) là mô hình toán mà trong đó

thể hiện đầy đủ các thông số động lực học của hệ thống truyền động thủy lực dẫn động

xi lanh kẹp cọc và nhả cọc. Việc giải hệ phương trình vi phân giúp luận án xác định

được áp suất dầu trong mạch cao áp và tốc độ kẹp cọc của xi lanh kẹp thay đổi theo

thời gian. Ngoài ra, luận án còn sử dụng mô hình toán này để nghiên cứu, khảo sát và

đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số động lực học hệ truyền động thủy lực

dẫn động xi lanh kẹp cọc.

2.4.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống xi lanh thủy lực khi ép cọc

a) Xây dựng mô hình động lực học hệ thống xi lanh thủy lực khi ép cọc

Khi khởi động quá trình ép cọc, dầu áp suất cao sẽ được cung cấp cho xi lanh ép

nhờ vậy xi lanh thủy lực duỗi ra để ép cọc, khi kết thúc quá trình ép xuống, xi lanh ép

sẽ co lại để tiến hành một chu kỳ ép cọc mới. Từ sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động xi

lanh thủy lực ép cọc (Hình 2.29) và quá trình ép cọc đã mô tả ở trên, luận án xây dựng

Qxl

Ea Pa

Qat

Vob rob

Fqt

M nb

Pat

mqd

mô hình động lực học xi lanh ép cọc như sau:

Hình 2.31. Mô hình nghiên cứu động lực học hệ truyền động thủy lực xi lanh ép cọc

*) Các giả thiết nghiên cứu: Các giả thiết để xây dựng mô hình toán nghiên cứu ĐLH

hệ thống truyền động thủy lực xi lanh ép cọc tương tự như các giả thiết của mô hình

ĐLH xi lanh kẹp cọc và thêm một số giả thiết sau:

- Coi lưu lượng đến các xi lanh ép cọc là như nhau (ở đây khảo sát 2 xi lanh ép

chính).

- Do biến dạng của khung ép và xi lanh ép là nhỏ, nên coi khung ép và xi lanh ép

là cứng tuyệt đối.

- Khối lượng quy dẫn bao gồm khối lượng hộp kẹp cọc và cọc coi như được chia

đều cho các xi lanh ép.

b) Thiết lập các phương trình cân bằng lưu lượng và cân bằng lực, [70]:



*) Phương trình dòng chảy liên tục trong đường ống cao áp:

.Q i .(Q - Q ) - Q - Q at

rrb

xle



(2.68)

Q E

(Q - Q ) - Q - Q at

rrb

i i

xle

Hay (2.69)

Trong đó:

ixle – Số xi lanh thực hiện ép cọc;

ib – Số bơm hoạt động;

 

)





Sử dụng các công thức (2.51-2.58) ta có phương trình vi phân lưu lượng sau:

V n X(t) b

A .v 1

p )k at

dp a dt

i i

xle

V [n ](1 b [p ] b

  

  

(2.70)







*) Phương trình cân bằng lực trên xi lanh ép cọc được xác định như sau:

F qt

F xle

m .g qd

W C i

xle

(2.71)

Trong đó:

 F m qt

dv e dt

, N Fqt: Lực quán tính, (2.72)





Với: mqd - Khối lượng quy dẫn của pít tông ép và cọc về đỉnh pít tông, kg.

coc

(2.73)

mp - Khối lượng của pít tông, kg;

mcoc - Khối lượng của cọc, kg;



 (p .A p .A ).

 , N

Fxle: Lực ép do xi lanh thủy lực tạo ra:

F xle

(2.74)

Với: pa – Áp lực dầu công tác trong nhánh cao áp xi lanh ép, Pa;

Pt – Áp lực dầu công tác trong nhánh thất áp xi lanh ép, Pa;

A1 – Diện tích tiết diện khoang cao áp của xi lanh ép, m2; A2 – Diện tích tiết diện khoang thấp áp của xi lanh ép, m2;

c – Hệ số tổn thất trong xi lanh ép;

WC: Lực cản tác dụng vào cọc bao gồm lực cản đầu cọc WR và tổng trở lực bó thân

cọc Wms, N





W W W R

, N (2.75)



 (p .A p .A ).

Thay (2.72), (2.74) và (2.75) vào phương trình (2.71) chúng ta được:

  c

dv e dt

 W W ms R i

xle

(2.76)

Vậy hệ phương trình vi phân mô tả hoạt động của hệ thống TĐTL dẫn động xi

)

  b





V n X(t) b

A .v 1

p )k at

dp a dt

i i

V [n ](1 b [p ] b

  

lanh thủy lực ép cọc như sau:



 (p .A p .A ).



  c

m .g qd

dv e dt

    W W ms R i

xle

      

(2.77)

2.4.3. Nghiên cứu động lực học hệ thống xi lanh thủy lực di chuyển máy

Khi thực hiện quá trình di chuyển máy thì bốn xi lanh chân chống sẽ nâng máy

lên, sau đó xi lanh di chuyển bố trị dọc chân thuyền dài sẽ duỗi ra đẩy cho toàn bộ máy

di chuyển, sau đó phanh hãm máy lại. Từ sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động xi lanh

thủy lực di chuyển máy (Hình 2.29) và mô tả quá trình di chuyển máy như trên, luận

mqd

P2 ,A2

P1,A1

Wgio

Wms

Qxl

Fqt

Qat

Vob rob

Pat

án xây dựng mô hình động lực học xi lanh di chuyển máy như sau:

Hình 2.32. Mô hình nghiên cứu động lực học hệ TĐTL xi lanh di chuyển máy

a) Các giả thiết nghiên cứu: Các giả thiết để xây dựng mô hình toán nghiên cứu ĐLH hệ thống truyền động thủy lực xi lanh di chuyển máy tương tự như các giả thiết của mô hình ĐLH xi lanh ở trên và thêm một số giả thiết sau:

- Coi lưu lượng đến các xi lanh di chuyển dọc là như nhau (ở đây khảo sát 2 xi

lanh di chuyển dọc máy).

- Khối lượng quy dẫn bao gồm khối lượng của toàn bộ máy coi như được chia

đều cho các xi lanh di chuyển. b) Thiết lập các phương trình cân bằng lưu lượng và cân bằng lực





Bằng cách xây dựng hệ phương trình tương tự như trường hợp kẹp cọc và ép cọc, luận văn xây dựng hệ phương trình vi phân dòng chảy liên tục và phương trình cân bằng lực như sau: *) Phương trình dòng chảy liên tục trong đường ống cao áp:

Q E

(Q Q ) Q Q at

rrb

xldc

(2.78)

Trong đó:

ib: Số bơm làm việc, nb = 3; ixldc: Số xi lanh di chuyển máy, ixldc = 2;

 

)





Sử dụng các công thức (2.51-2.58) ta có phương trình vi phân lưu lượng sau:

A .v 1

p )k at

dp a dt

xldc

V [n ](1 b [p ] b

 . V n X(t)  b 

  

(2.79)





*) Phương trình cân bằng lực trên xi lanh di chuyển máy được xác định như sau:

F qt

F xldc

(2.80)

Trong đó:

 F m qt

dv dc dt

, N Fqt: Lực quán tính, (2.81)



m i

xldc mm - Khối lượng của toàn bộ máy, kg. Fxldc: Lực di chuyển do xi lanh thủy lực tạo ra: 

 (p .A p .A ).

Với: mqd - Khối lượng quy dẫn của máy về đỉnh xi lanh di chuyển dọc máy, kg.

F xldc

 c

t pa – Áp lực dầu công tác trong nhánh cao áp, Pa; pt – Áp lực dầu công tác trong nhánh thất áp, 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; c – Hệ số tổn thất trong xi lanh di chuyển;

(2.82)

Với: Wdc: Tổng trở lực cản tác dụng vào xi lanh di chuyển, N

W W W





gio

, N (2.83)

Với: Wms – Tổng trở lực cản do ma sát, N;

 W f .G



f .m .g qd

, N (2.84)

f – Hệ số ma sát giữa bánh xe và đường ray, Gm – Trọng lượng toàn bộ máy (gồm trọng lượng máy và đối trọng), N; Wgio – Lực cản gió tác dụng vào máy, N;

 W F .p

gio

, N (2.85)

Fg – Diện tích chắn gió của máy, m2; pg – Áp lực gió, N/m2.



 (p .A p .A ).

f .m .g F .p



Thay (2.81), (2.82) và (2.83) vào phương trình (2.80) chúng ta được:

m . qd

  c

dv dc dt

(2.86)

)

  b





A .v 1

p )k at

dp a dt

xldc

V [n ](1 b [p ] b

 . V n X(t)  b 

  

Vậy hệ phương trình vi phân mô tả hoạt động của xi lanh di chuyển máy (Hình 2.32) như sau:



 (p .A p .A ).

f.m .g F .p



  c

dv dc dt

     

(2.87)

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

Tác giả sử dụng phần mềm Matlab- Simulink để xây dựng chương trình tính toán mô phỏng động lực học của hệ (quá trình kẹp cọc, ép cọc và di cuyển máy). Sau khi xây dựng, ta có chương trình mô phỏng quá trình kẹp cọc, ép cọc và di chuyển máy như trên Hình 2.33, Hình 2.34 và Hình 2.35.

Hình 2.33. Sơ đồ khối chương trình mô phỏng quá trình kẹp và nhả cọc

Hình 2.34. Sơ đồ khối chương trình mô phỏng ĐLH xi lanh ép cọc

Hình 2.35. Sơ đồ khối chương trình mô phỏng ĐLH xi lanh di chuyển máy

a) Điều kiện biên chạy chương trình mô phỏng - Trường hợp kẹp cọc: tại thời điểm ban đầu t0 = 0s, má kẹp tạo khe hở với cọc là 5 mm; giá trị áp suất trong xi lanh kẹp cọc p0kep = 0 (kG/cm2); vận tốc kẹp cọc v0kep = 0 (m/s). - Trường hợp ép cọc: tại thời điểm ban đầu t0 = 0s, chiều sâu của cọc vào nền là 3,38 m; giá trị áp suất trong xi lanh ép cọc p0ep = 0 (kG/cm2); vận tốc ép cọc v0ep = 0 (m/s). - Trường hợp di chuyển máy: tại thời điểm ban đầu t0 = 0s, các giá trị áp suất trong xi lanh di chuyển máy p0dc = 0 (kG/cm2); vận tốc di chuyển v0dc = 0 (m/s). - Các thông số đầu vào để chạy chương trình mô phỏng trong Bảng P1.3 – Phụ lục 1.

b) Quy luật thay đổi của các thông số động lực học xi lanh kẹp cọc

Co xi lanh tạo khe hở

Quá trình kẹp cọc

Triệt tiêu khe hở

250

X: 0.301 Y: 212

200

X: 0.715 Y: 167.3

150

100

X: 1.408 Y: 15.48

X: 0.085 Y: 2.533

2 m c / G k , c o c p e k t a u s p A

0.2

0.4

0.6

1.2

1.4

1.6

0.8 Thoi gian, s

Hình 2.36. Biểu đồ làm việc của xi lanh khi kẹp cọc thay đổi theo thời gian

Co xi lanh tạo khe hở

Quá trình kẹp cọc

Triệt tiêu khe hở

x 10

2.5

X: 0.301 Y: 1.983e+06

X: 0.745 Y: 1.56e+06

1.5

0.5

, a r o a t h n a l i x o d c u L

0.2

0.4

0.6

1.2

1.4

1.6

0.8 Thoi gian, s

Hình 2.37. Áp suất dầu trong khoang xi lanh kẹp cọc

Co xi lanh tạo khe hở

Quá trình kẹp cọc

Triệt tiêu khe hở

s / m

-2

, p e k c o t n a V

-4

0.2

0.4

0.6

1.2

1.6

1.4

0.8 Thoi gian, s Hình 2.39. Vận tốc xi lanh kẹp cọc trong cả quá trình kẹp và nhả cọc (0 - 1,6s)

Hình 2.38. Lực kẹp của xi lanh kẹp cọc tạo ra

Nhận xét:

- Áp suất trong mạch cao áp thay đổi và giá trị áp suất đạt giá trị lớn nhất cụ thể:

áp suất động là 212 kG/cm2, áp suất bình ổn là 167,3 kG/cm2.

- Vận tốc và gia tốc kẹp cọc thay đổi theo thời gian. Vận tốc có giá trị lúc trước

khi tiếp xúc với cọc 0,009 m/s, còn khi tiếp xúc với cọc giá trị vận tốc lớn nhất là 2,42

m/s tại thời điểm 0,302 s. Khi má kẹp thực hiện kẹp cọc thì vận tốc bằng 0 m/s.

- Lực kẹp cọc phát sinh lớn nhất khi má kẹp tiếp xúc với cọc và giá trị lúc này là

1,98.106 N, sau đó giá trị lực kẹp làm việc bình ổn ở 1,56.106 N. Hệ số động



1,27

6 1,98.10 6 1,56.10

F k max F ktb

. kđ

c) Quy luật thay đổi các thông số động lực học của xi lanh ép cọc

Để có thể xác định được lực cản tác dụng vào cọc thay đổi theo chiều sâu ép và

tấng địa chất công trình, luận án dựa vào các giá trị đã đo đạc thực nghiệm được ngoài

hiện trường tại khu công nghiệp Tràng Duệ - Hải Phòng (Hình P1.3 – Phụ lục 1). các

giá trị này sẽ là thông số đầu vào cho chương trình chạy mô phỏng xi lanh thủy lực ép

Sè b¬m lµm viÖc

3 b¬m

25,2

26,8

§é s©u (m)

Sè xi lanh Ðp

4 xi lanh Ðp

2 xi lanh Ðp

26,8

25,2

§é s©u (m)

Lùc c¶n t¸c dông vµo 1 xi lanh (kN)

11,0

14,43

6,12

5,45

5,14

3,66

2,92

2,68

1,51 2,74

1,32

1,08

0,77

0,89

0,77

0,89

0,68

0,77 0

1,6

3,4

5,1

6,8

8,5

11,5

12,5

13,7

15,3

18,7

20,4

22,1

23,5

25,2

26,8

§é s©u (m)

cọc.

Hình 2.40. Số bơm làm việc, số xi lanh thực hiện ép và lực cản tác dụng vào một xi lanh

a) Độ sâu ép từ 3,38 m đến 5,10 m b) Độ sâu ép từ 3,38 m đến 3,48 m

Hình 2.41. Lưu lượng dầu cung cấp cho một xi lanh chính ép cọc

a) Độ sâu ép từ 3,38 m đến 5,10 m b) Độ sâu ép từ 3,38 m đến 3,48 m

Hình 2.42. Áp suất dầu trong khoang cao áp của một xi lanh chính ép cọc

a) Thời gian ép từ 0 ÷ 40 s b) Thời gian ép từ 4 ÷ 7 s

Hình 2.43. Vận tốc ép cọc khi máy ép cọc từ 0-40s (tương ứng độ sâu 3,4 m đến 5,1 m)

Hình 2.44. Chuyển vị của cọc từ độ sâu 3,4 m đến 5,4 m

- Lưu lượng dầu cung cấp cho một xi lanh ép (Hình 2.41) tăng từ 0 l/phút đến giá trị lớn nhất là 353,7 l/phút tại thời điểm bắt đầu ép cọc, sau đó dao động về giá trị bình

ổn là 223,9 l/phút .

- Áp suất trong mạch cao áp (Hình 2.42) tăng dần theo chiều sâu ép cọc và giá trị áp suất đạt giá trị lớn nhất là 21,02 kG/cm2 tại thời điểm bắt đầu ép cọc. Hệ số động



1,66

21,02 12,66

p emax p etb

. kđ

- Dịch chuyển của cọc vào nền tăng từ độ sâu 3,38 m đến 5,1 m trong khoảng

thời gian khoảng 30s.

- Vận tốc và gia tốc ép cọc thay đổi theo thời gian (Hình 2.43). Vận tốc ép cọc có giá trị lớn nhất 5,75 m/phút tại thời điểm 4 s, sau đó dao động ổn định về các giá trị

trung bình.

X: 3.496 Y: 52.15

X: 30.4 Y: 47.03

2 m c / G k ,

X: 17.17 Y: 34.9

n e y u h c i

d h n a

l i x t

a u s p A

25 Thoi gian, s

Phanh hãm máy

Khởi động

Di chuyển dọc máy

d) Quy luật thay đổi của các thông số động lực học xi lanh di chuyển máy

x 10

X: 3.478 Y: 1.433e+05

X: 30.4 Y: 1.288e+05

X: 20.54 Y: 9.266e+04

, a r o a t h n a l i x o d c u L

25 Thoi gian, s

Phanh hãm máy

Khởi động

Di chuyển dọc máy

Hình 2.45. Áp suất dầu trong khoang cao áp của xi lanh di chuyển dọc máy

0.1

X: 3.59 Y: 0.08244

s / m

0.08

X: 16.43 Y: 0.07991

0.06

n e y u h c i

0.04

c o

0.02

n a V

25 Thoi gian, s

Phanh hãm máy

Khởi động

Di chuyển dọc máy

Hình 2.46. Lực đẩy do xi lanh di chuyển dọc máy tạo ra

Hình 2.47. Vận tốc di chuyển dọc của máy

Nhận xét:

- Áp suất trong mạch cao áp thay đổi, áp suất này đạt giá trị lớn nhất là 51,8

kG/cm2, áp suất bình ổn là 34,9 kG/cm2.

- Vận tốc di chuyển máy thay đổi theo thời gian, giá trị vận tốc lớn nhất 0,082

m/s tại thời điểm 3,59 s, vận tốc di chuyển đạt giá trị trung bình 0,08 m/s.

- Lực đẩy di chuyển của xi lanh thủy lực cũng thay đổi ứng với giá trị ngoại lực

tác dụng vào xi lanh. Lực đẩy lớn nhất phát sinh khi bắt đầu khởi động là 1,433.105 N,



1,49

5 1,43.10 5 0,93.10

F k max F ktb

. sau đó giá trị lực làm việc bình ổn ở 0,93.105 N. Hệ số động kđ

Kết luận chương 2

Nội dung nghiên cứu chương 2 đã được một số kết quả sau:

1. Luận án đã xây dựng mô hình ĐLH máy trong các trường hợp làm việc điển

hình nâng cọc có kể đến độ chùng cáp và vừa nâng cọc vừa quay bằng mô hình ĐLH

trong không gian, thiết lập được các hệ phương trình chuyển động, giải hệ phương

trình phi tuyến nhiều bậc tự do bằng cách lập trình trên cơ sở ứng dụng mềm Matlab

Simulink. Kết quả xác định được hệ số lực động lớn nhất ở trường hợp nâng cọc có kể

đến độ chùng cáp kđ = 1,28; ở trường hợp vừa nâng cọc vừa quay kđ = 1,19. Điều này

xảy ra là do khi cọc nâng lên khỏi mặt đất trong trường hợp đầu sẽ gây ra kđ lớn hơn

so với trường hợp sau.

2. Xác định được các lực động tác dụng vào các chân chống của máy theo góc quay của mâm quay với sự thay đổi R1 = 1,74 ÷ 1,92.106 N, R2 = 1,64 ÷ 1,89.106 N, R3 = 1,33 ÷ 1,51.106 N và R4 = 1,35 ÷ 1,55.106 N (Bảng 2.1). Các giá trị này có thể sử

dụng làm cơ sở để tính toán ổn định động, tính bền, thiết kế tối ưu và tính toán mỏi

cho kết cấu thép của thiết bị theo quan điểm động lực học.

3. Xây dựng ba mô hình động lực học hệ thống TĐTL của cơ cấu kẹp cọc, ép cọc

và di chuyển dọc máy. Áp dụng phần mềm Matlab-Simulink giải và mô phỏng các

thông số ĐLH tương ứng với trường hợp kẹp cọc, ép cọc và di chuyển dọc máy. Kết

quả tính toán được biểu thị trên các đồ thị từ Hình 2.37 đến Hình 2.39, từ Hình 2.41

đến Hình 2.47 cho thấy, sự biến đổi giá trị của các thông số động lực học với hệ số

động ở trường hợp kẹp cọc kđ = 1,27; ở trường hợp ép cọc kđ = 1,66; ở trường hợp di

chuyển dọc máy kđ =1,49. So sánh 3 trường hợp trên cho thấy, ở trường hợp ép cọc kđ

có giá trị lớn nhất là 1,66 do khi bắt đầu ép cọc ngoài tác động của lực quán tính, còn

có lực cản mà nền tác dụng lên cọc.

4. Kết quả tính toán được biểu diễn trên 34 đồ thị. Phân tích hình dạng và giá trị

biên độ ở các đồ thị nhận được của chuyển vị của các khối lượng, lực động trong cáp

nâng hạ cọc, lực động tác dụng vào các chân chống máy, áp suất và lưu lượng dầu

thủy lực cho thấy sự phù hợp của mô hình tính toán, đồng thời phù hợp với đặc điểm

làm việc của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước, có giá trị hệ số động nhận được phù

hợp thực tế. Từ đây sẽ giúp ích cho việc nghiên cứu thực nghiệm ở Chương 3, khảo sát

xác định các thông số hợp lý của của máy ở Chương 4.

5. Nội dung của chương 2 đã được công bố trong các công trình nghiên cứu số 1,

2, 5, 6 và 7 của tác giả.

CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC

HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC

3.1. Mục đích thực nghiệm

Trong chương 2, luân án đã tiến hành nghiên cứu ĐLH máy ép cọc thủy lực di

chuyển bước, xác định được các thông số ĐLH của quá trình nâng cọc có kể đến cáp

chùng; quá trình nâng cọc và quay; xác định các thông số ĐLH của hệ thống TĐTL

khi tiến hành kẹp cọc, ép cọc và di chuyển máy.

Mục đích của chương 3 là xác định độ tin cậy, tính đúng đắn của mô hình nghiên

cứu lý thuyết, đồng thời xác định một số thông số đầu vào cho mô hình ĐLH thông

qua việc đo đạc thực nghiệm trên một máy thực làm việc ngoài công trường.

Công tác thực nghiệm được tiến hành trên một máy ép cọc di chuyển bước mã

hiệu ZYJ860B đang làm việc tại khu công nghiệp Tràng Duệ, Hải Phòng.

3.2. Các thông số thực nghiệm

Luận án tiến hành thực nghiệm xác định các thông số cơ bản để phục vụ tính toán

động lực học máy và động lực học hệ thống truyền động thủy lực sau:

Hình 3.1. Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước dùng để đo đạc thực nghiệm + Xác định lực động phát sinh trong cáp nâng cọc trong hai quá trình: cần trục

nâng cọc có độ chùng cáp và quá trình vừa nâng cọc vừa quay.

+ Xác định áp suất động trong các xi lanh chân chống của máy trong quá trình

cần trục vừa nâng cọc vừa quay.

+ Xác định áp suất động trong xi lanh kẹp cọc, xi lanh ép cọc và xi lanh di

chuyển máy.

+ Xác định lưu lượng cung cấp cho xi lanh ép cọc.

+ Xác định độ dịch chuyển của cọc và độ dịch chuyển dọc của máy.

3.3. Các thiết bị và đối tượng thực nghiệm

Để tiến hành quá trình đo đạc thực nghiệm, chúng tôi đã chuẩn bị một số thiết bị và

đối tượng thực nghiệm cụ thể như sau:

3.3.1. Các đầu đo trực tiếp

Cảm biến đo áp suất để đo áp suất trong đường ống thuỷ lực có mã hiệu

520.954S do Hãng Huba Control của Thụy Sỹ chế tạo (Hình 3.2).

Để đo lưu lượng, lựa chọn đầu đo do hãng AW-LAKE của Mỹ sản xuất có ký

hiệu R5S7HK75 (Hình 3.3).

Để đo dịch chuyển, lựa chọn đầu đo của hãng HengStler của Đức chế tạo (Hình 3.4).

Để đo lực căng động trong cáp nâng cọc, lựa chọn đầu đo của hãng BongShin do

Hàn Quốc sản xuất (Hình 3.5)

Hình 3.2. Đầu đo áp suất 520.954S Hình 3.3. Đầu đo lưu lượng R5S7HK75

Hình 3.4. Đầu đo dịch chuyển kiểu quay của hãng HengStler Hình 3.5. Đầu đo lực kéo loại DSCK của hãng BONGSHIN

Sử dụng thiết bị NI-6009 do hãng National Instrucments của Mỹ chế tạo có chức

năng nhận tín hiệu từ các thiết bị đo và chuyển dữ liệu vào máy tính. Thiết bị thu thập

tín hiệu được thể hiện như hình dưới đây

Hình 3.6. Thiết bị thu thập tín hiệu NI-6009

Các thông số kỹ thuật của các đầu đo và phần mềm xử lý tín hiệu được trình bày

cụ thể trong Phụ lục 3.

3.3.2. Lựa chọn đối tượng thực nghiệm

Máy được chọn để tiến hành đo đạc thực nghiệm là máy ép cọc thủy lực di

chuyển bước lực ép 860 Tấn của hãng SUNWARD với mã hiệu ZYJ860B thực hiện ép

cọc tại Nhà máy LG, khu công nghiệp Tràng Duệ, Hải Phòng. Các thông số kỹ thuật

của máy ZYJ860B được trình bầy chi tiết trong phụ lục 1.

Hình 3.7. Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ860B tại hiện trường

3.3.3. Bố trí đầu đo và các thiết bị đo

Vị trí gá lắp đầu đo, cảm biến thu thập dữ liệu được mô tả trên Hình 3.8, Hình 3.9 và

Hình 3.10:

- Từ vị trí 1 đến 4 là vị trí lắp đầu đo áp suất dầu công tác.

- Vị trí 5 lắp đầu đo lực kéo DSCK, đo lực căng trong cáp nâng hạ hàng.

- Vị trí 6 lắp đầu đo lưu lượng R5S7HK75, đo lưu lượng dầu cung cấp cho xi

lanh ép cọc.

- Vi trí 7 lắp đầu đo dịch chuyển kiểu quay đo dịch chuyển cọc và dịch chuyển

dọc của máy.

Máy tính

Bộ thu thập tín hiệu

Máy tính

Bộ thu thập tín hiệu

Hình 3.8. Sơ đồ bố trí thiết bị đo trường hợp máy thực hiện quá trình nâng cọc

Máy tính

Bộ thu thập tín hiệu

Hình 3.9. Sơ đồ bố trí thiết bị đo trường hợp máy thực hiện quá trình kẹp cọc và ép cọc

Hình 3.10. Sơ đồ bố trí thiết bị đo trường hợp máy thực hiện quá trình di chuyển dọc

Một số hình ảnh vị trí lắp thiết bị đo thực nghiệm:

Hình 3.11. Vị trí lắp đặt đầu đo lực và đầu đo áp suất trong xi lanh chân đỡ máy

Hình 3.12. Vị trí lắp đặt đầu đo lưu lượng, đầu đo áp suất xi lanh kẹp, ép cọc và đầu đo dịch chuyển của cọc

Hình 3.13. Vị trí lắp đặt đầu đo áp suất xi lanh di chuyển máy và đầu đo dịch chuyển máy

3.4. Sơ đồ khối tiến hành thực nghiệm

Để xác định được các thông số ĐLH của hệ cần trục lắp trên máy ép cọc di

chuyển bước và các thông số ĐLH của hệ thống thủy lực của máy, nghiên cứu sinh đã

tiến hành đo đạc thực nghiệm theo sơ đồ sau đây:

Đo đạc các thông số ĐLH máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

Máy thực hiện kẹp cọc và ép cọc Máy thực hiện quá trình di chuyển Máy làm việc khi nâng cọc có kể đến độ chùng cáp Máy thực hiện quá trình nâng cọc và quay đồng thời

Thông số đo: pdc; qdc Thông số đo: Fcap Thông số đo: pk; pe; Qxl; qe

Thông số đo: Fcap; pR1; pR2; pR3; pR4;

Hình 3.14. Sơ đồ quá trình thực nghiệm

Thời gian tiến hành thực nghiệm: Từ ngày 01/10/2016 đến ngày 03/10/2016, tại

Khu công nghiệp Tràng Duệ, Hải Phòng.

3.5. Kết quả thực nghiệm và xử lý số liệu

3.5.1. Xử lý kết quả đo thực nghiệm

Nghiên cứu sinh tiến hành thực nghiệm 5 lân để lấy kết quả đo ứng với các trường

hợp làm việc điển hình của máy. Do trong quá trình thực nghiệm phát sinh các hiện

tượng nhiễu tín hiệu đo ảnh hưởng của các điều kiện ngoại cảnh, vì vậy cần xử lý làm





 

... x ) N

1 N





 

... x

)

 N 2

1 N





 

... x

)

 i 1

 N i

1 N

trơn số liệu thực nghiệm theo đa thức bậc nhất với 100 điểm, N = 100, cụ thể:

Tập hợp số liệu trong cùng khoảng thời gian t(s) = 0 – 60 s tùy trường hợp, tại thời

gian tij(s) có giá trị xij, ở đây j=1÷5 là số lần đo. Giá trị trung bình số học của đại lượng

 

1 n

xij được tính [34]:





2 S i

x ) i

1   n 1





Phương sai thực nghiệm S2 của dãy số liệu được xác định bởi:

S i

x ) i

1   n 1



Độ lệch tiêu chuẩn thực nghiệm:



S i

Lập tỷ số

So sánh: Nếu ti  (ti/P), với P là độ tin cậy, chọn P=95%, thì giữ lại giá trị xij;

Nếu ti > (ti/P), thì loại bỏ giá trị xij.

Số liệu đo đạc sau khi xử lý làm trơn, loại bỏ nhiễu và các số liệu không tin cậy

được ghi lưu theo file Excel, theo các bài thực nghiệm để dễ dàng kết xuất sang

chương trình Matlab – Simulink phục vụ việc so sánh đánh giá lý thuyết và thực

nghiệm.

3.5.2. Các trường hợp thực nghiệm

1. Trường hợp nâng cọc có kể đến độ chùng cáp

Cọc đặt trên mặt đất, dây cáp chùng, người điều khiển khởi động bộ máy nâng

cọc và cho cọc đi lên. Quá trình thực nghiệm từ lúc cáp chùng, sau đó cáp căng một

đầu cọc được nâng lên còn một đầu chạm đất, cuối cùng cọc thoát khỏi mặt nền. Sau

đó xử lý số liệu với kết quả đo như sau:

Hình 3.15. Sự thay đổi lực động trong cáp thép trường hợp nâng cọc kể đến đến độ chùng cáp

2. Trường hợp nâng cọc và quay

Cọc được treo sẵn trong không trung, người điều khiển khởi động bộ máy nâng cọc và quay cọc đồng thời. Tới khi cọc đưa vào vị trí hộp kẹp cọc thì phanh hãm, để cọc dao động tự do. Sau đó xử lý số liệu, kết quả đo như sau:

Hình 3.17. Sự thay đổi lực động trong cáp thép khi phanh hãm cơ cấu quay trong Hình 3.16. Sự thay đổi lực động trong cáp thép khi bắt đầu nâng cọc và quay

trương hợp quay cọc

Hình 3.18. Sự thay đổi lực tác dụng lên bốn xi lanh chân chống của máy khi nâng cọc và quay

3. Trường hợp kẹp và nhả cọc

Cọc được đưa vào hộp kẹp cọc, khởi động bơm cung cấp dầu áp suất cao cho các xi lanh kẹp cọc. Tiến hành đo đạc áp suất dầu trong khoang cao áp xi lanh kẹp cọc, kết quả đo như sau:

Hình 3.20. Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh kẹp cọc khi nhả cọc Hình 3.19. Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh kẹp cọc khi kẹp cọc

4. Trường hợp ép cọc

Cọc được kẹp bằng các xi lanh kẹp, sau đó khởi động bơm cung cấp dầu áp suất

cao cho các xi lanh ép cọc. Đo đạc lưu lượng cung cấp cho xi lanh ép, áp suất dầu

§Êt lÊp: sÐt pha lÉn mïn h÷u c¬

1.4

1.0

2.4

6.2

8.6

4.2

12.8

11.9

24.7

trong khoang cao áp xi lanh ép cọc và dịch chuyển của cọc, kết quả đo như sau:

Sét pha lẫn bùn hữu cơ Sét pha màu xám xanh, xám ghi

Sét pha màu xám nâu, xám vàng Sét pha màu xám vàng, xám trắng,

trạng thái dẻo cứng

Cát hạt mịn – trung màu xám xanh, Bùn sét pha lẫn hữu cơ, xám gụ

xám ghi

Hình 3.21. Sự thay đổi lưu lượng dầu, áp suất trong một xi lanh ép chính và dịch chuyển cọc trong quá trình ép cọc

5. Trường hợp di chuyển dọc máy

Khởi động máy cung cấp dầu cao áp cho các xi lanh di chuyển dọc máy, khi đó

các xi lanh đẩy máy di chuyển cho tới khi hết hành trình xi lanh. Kết quả đo như sau:

Hình 3.22. Dịch chuyển dọc của máy

Hình 3.23. Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh di chuyển dọc máy

3.6. Phân tích và so sánh kết quả thực nghiệm

3.6.1. Phân tích kết quả thực nghiệm:

Lực động trong cáp nâng cọc trường hợp nâng có độ chùng cáp thay đổi từ 0 lên

đến giá trị lớn nhất 47.820 N trong một thời gian dài 32 s (Hình 3.15), do hàng nâng là

cọc có chiều dài lớn, một đầu cọc được nâng đầu còn lại chống xuống nền.

Lực động trong cáp phát sinh lớn nhất trong trường hợp vừa nâng cọc vừa quay

với giá trị 55.237 N (Hình 3.16).

Khi thực hiện qua mâm quay đưa cọc vào hộp kẹp cọc, lực tác dụng vào xi lanh

chân chống số 1 là lớn nhất với giá trị 1.986.489 N.

Áp suất trong xi lanh kẹp cọc tăng lớn nhất tại thời điểm má kẹp tiếp xúc với cọc,

áp xuất trong xi lanh ép cọc thay đổi tăng dần theo chiều sâu ép, áp suất xi lanh di

chuyển khi máy di chuyển dọc dao động lớn nhất khi khởi động di chuyển máy.

Lưu lượng cung cấp cho xi lanh ép cọc ổn định trong quá trình ép với lưu lượng

206 l/phút.

3.6.2. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết

Với mục đích xác định độ tin cậy của mô hình động lực học, độ chính xác của

các kết quả tính toán bằng lý thuyết thu được, sau khi tiến hành đo đạc, xử lý số liệu

thực nghiệm, luận án so sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đối với các

trường hợp như sau:

1. Trường hợp nâng cọc có kể đến độ chùng cáp

Hình 3.24. Sự thay đổi lực động trong cáp thép trường hợp nâng cọc có kể đến độ chùng cáp

2. Trường hợp nâng cọc và quay

Hình 3.26. Sự thay đổi lực động trong cáp thép khi phanh hãm cơ cấu quay Hình 3.25. Sự thay đổi lực động trong cáp thép khi bắt đầu vừa nâng cọc vừa quay

Lực tác dụng lên các xi lanh chân chống của máy

Hình 3.27. Sự thay đổi lực tác dụng lên bốn xi lanh chân chống của máy trường hợp vừa nâng cọc vừa quay

3. Trường hợp kẹp cọc

Hình 3.28. Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh kẹp

4. Trường hợp ép cọc

Hình 3.29. Lưu lượng dầu vào một xi lanh ép Hình 3.30. Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh ép cọc.

Hình 3.31. Độ dịch chuyển cọc theo thời gian

5. Trường hợp di chuyển dọc máy

Hình 3.32. Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh di chuyển dọc của máy ở giai đoạn khởi động Hình 3.33. Áp suất động trong khoang cao áp của xi lanh di chuyển dọc của máy ở giai đoạn phanh máy

Hình 3.34. Dịch chuyển dọc của máy

Từ các đồ thị trên chúng ta có thể thấy như sau:

Dạng đồ thị giữa lý thuyết và thực nghiệm tương đối giống nhau điều đó khẳng định tính đúng đắn của mô hình tính và các giá trị đầu vào khi tính toán theo lý thuyết.

Tuy nhiên, đường thực nghiệm “dao động” nhiều hơn, đường lý thuyết “trơn tru” hơn. Điều này là do một số yếu tố ảnh hưởng đã được đơn giản hóa khi giả thiết để xây dựng mô hình động lực học.

Bảng 3.1. Hệ số động của lực căng cáp và áp suất dầu trong các xi lanh thủy lực

Hệ số động kđ TT Trường hợp làm việc Lý thuyết Thực nghiệm

Một đầu cọc được nâng lên, 1,22 1,13 Nâng cọc có độ một đầu chạm đất 1 chùng cáp Cọc thoát hoàn toàn khỏi nền 1,03 1,02

2 Nâng cọc đồng thời quay mâm quay 1,19 1,17

3 Phanh hãm dừng quay toa 1,03 1,03

4 Kẹp cọc 1,27 1,14

5 Trường hợp ép cọc (chiều sâu ép 3,38m - 5,1m) 1,66 1,60

Khởi động 1,49 1,45 6 Di chuyển dọc máy Phanh hãm 1,31 1,17

Bảng 3.2. Sai số tương đối của của các thông số đo đạc giữa lý thuyết và thực nghiệm

ứng với các trường hợp làm việc của máy

Sai số  (%) TT Trường hợp làm việc Thông số so sánh

1 Lực căng cáp khi nâng cọc khỏi mặt đất 14,5% Nâng cọc có độ chùng cáp

Lực căng cáp khi nâng cọc và quay 8,84%

2 Nâng cọc kết hợp quay mâm quay, sau đó phanh hãm mâm Lực căng cáp khi phanh hãm mâm quay 9,38% quay

3 Kẹp cọc 8,37%

7,79%

Áp suất động trong xi lanh thủy lực kẹp cọc (kG/cm2) Áp suất động trong xi lanh thủy lực ép cọc (kG/cm2) Lưu lượng dầu cung cấp cho một xi Trường hợp ép cọc (chiều sâu ép từ 3,38m 4 6,48% lanh chính ép cọc (l/phút) đến 5,1m)

Dịch chuyển của cọc (m) 19,5%

6,23% Áp suất động trong xi lanh thủy lực di chuyển dọc máy (kG/cm2) 5 Di chuyển dọc máy

Dịch chuyển dọc của máy (m) 8,14%





.100%

Với:

   

(3.1)

lt- Độ chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị trung bình lý thuyết;

tn- Độ chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị trung bình thực nghiệm.

Sau khi so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm, luận án thấy rằng hệ số động

lớn nhất phát sinh khi nâng cọc có kể đến độ chùng cáp (kđ = 1,28) và vừa nâng cọc

vừa quay (kđ= 1,19) là lớn nhất, do quán tính cọc lớn. Còn với các xi lanh thủy lực, hệ

số động lớn phát sinh lớn nhất trong khi ép cọc (kđ = 1,66) và di chuyển (kđ= 1,49), do

lực ép cọc và trọng lượng máy lớn.

Sai số tương đối của thông số đo đạc giữa lý thuyết và thực nghiệm ứng với các

trường hợp làm việc của máy là do trong mô hình lý thuyết đã được đơn giản hóa, bỏ

qua một số yếu tố thực tế ảnh hưởng đến quá trình dao động của lực căng cáp trong hệ

thống truyền động cơ khí và thủy lực, áp suất dầu trong hệ thống TĐTL và sai số khi

đo đạc thực nghiệm trong điều kiện khó khăn ở ngoài hiện trường.

Từ những kết quả so sánh ở trên, chúng ta có thể thấy, mô hình động lực học là

tin cậy, các kết quả tính toán lý thuyết sát với các kết quả thu được bằng thực nghiệm.

Điều này cho phép chúng ta có thể sử dụng chương trình mô phỏng đã xây dựng ở trên

để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số ĐLH của hệ máy (lực động trong

cáp, lực tác dụng lên các xi lanh chân chống,v.v.), các thông số ĐLH của hệ thống

TĐTL (áp suất, lưu lượng, lực động,v.v.). Đồng thời có thể sử dụng chương trình mô

phỏng để xác định các thông số động lực học cho các loại máy ép cọc khác nhau.

Kết luận chương 3

Nội dung chương 3 đã trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định

các thông số ĐLH của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước khi thi công ở vùng đồng

bằng Bắc bộ với các trường hợp làm việc khác nhau. Từ kết quả nghiên cứu có thể rút

ra các kết luận sau:

1. Trong các trường hợp làm việc thì trường hợp nâng cọc có kể đến độ chùng cáp (hệ

số động kđ = 1,21) và trường hợp nâng cọc khi cáp căng (hệ số động kđ = 1,13) sẽ

làm cho máy ép cọc dao động lớn nhất và dễ mất ổn định nhất. Trường hợp ép cọc

(hệ số động kđ = 1,66) và trường hợp di chuyển (hệ số động kđ = 1,45) sẽ làm cho

hệ thủy lực dao động lớn nhất và dễ gây phá hoại các phần tử thủy lực nhất.

2. Phương pháp và quy trình thực nghiệm đã xây dựng là phù hợp với máy ép cọc. So

sánh về giá trị tại các điểm đo thực nghiệm và lý thuyết có sai số 14,5% với trường

hợp nâng cọc có kể đến độ chùng cáp; 8,84% với trường hợp vừa nâng cọc vừa

quay; 9,76% với trường hợp phanh hãm mâm quay; 8,37% với trường hợp kẹp cọc;

7,79% với trường hợp ép cọc; 6,23% với trường hợp khởi động di chuyển máy.

Những giá trị sai số này có thể chấp nhận được trong điều kiện hiện trường có

nhiều yếu tố khách quan.

3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã khẳng định được độ tin cậy của mô hình ĐLH,

phương pháp tính và công cụ thực hiện. Từ đó, tạo cơ sở cho việc sử dụng mô hình

ĐLH trong việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số ĐLH (lực động

trong cáp, lực tác dụng lên các xi lanh chân chống, áp suất, lưu lượng, lực

động,v.v.) của máy. Nội dung này được trình bày trong chương 4.

4. Các nội dung của chương 3 đã được công bố trong các công trình số 3, 5, 6 và 7

của tác giả.

CHƯƠNG 4

KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC

CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC

4.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số động lực học của máy trong

quá trình cung cấp cọc.

4.1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình động lực học máy

Từ nội dung nghiên cứu động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ở mục

2.2 và 2.3 chương 2, NCS nhận thấy có một yếu tố số ảnh hưởng đến các thông số

ĐLH của máy cụ thể như sau:

- Tầm với của cần trục (R). - Vận tốc nâng cọc (vn). - Tốc độ quay cọc (quay mâm quay) (nq). - Đường kính cáp nâng hạ cọc (dc). - Các trường hợp làm việc điển hình của máy.

Dưới đây là giá trị thay đổi của các thông số: Bảng 4.1. Giá trị thay đổi tầm với của cần trục R từ biều đồ sức câu tầm với Hình 4.1

Ký hiệu

Đơn vị

(1) 6,62

(2) 9,67

Các giá trị thay đổi (5) (4) 16,7 14,8

(3) 12,4

(6) 18,2

(7) 19,3

Bảng 4.2. Giá trị thay đổi của tốc độ nâng cọc vn (Phục lục 1)

Ký hiệu

Đơn vị

m/phút

(1) 6

Các giá trị thay đổi (3) (2) 8 7

(4) 10

Bảng 4.3. Giá trị thay đổi của tốc độ mâm quay nq (Phụ lục 1)

Ký hiệu

Đơn vị

vòng/phút

(1) 0,8

Các giá trị thay đổi (3) (2) 1,25 1,0

(4) 1,5

Bảng 4.4. Giá trị thay đổi của đường kính cáp nâng hạ cọc dc (Phụ lục 1)

Các giá trị thay đổi Ký hiệu Đơn vị (1) (2) (3) (4)

mm 14 18 20 22 dc

N/m 641083 1059705 1308333 1583083 S1

Bảng 4.5. Các trường hợp làm việc điển hình của máy

(1)

Nâng cọc có kể đến độ chùng cáp (2) Nâng cọc khi cáp căng (3) Chỉ quay cọc nhưng không nâng (4) Vừa nâng cọc vừa quay cọc

4.1.2. Khảo sát độ ổn định của máy khi thay đổi tải trọng nâng và tầm với

Sử dụng chương trình mô phỏng Hình 2.12 và Hình 2.27 khảo sát ổn định máy bằng cách cho tải trọng hàng nâng và tầm với của cần trục được trang bị trên máy ép cọc thủy lực di chuyển bước thay đổi trong trường hợp máy vừa nâng cọc vừa quay. Sự thay đổi của tải trọng nâng và tầm với theo biểu đồ sức câu tầm với như hình dưới đây:

Hình 4.1. Biểu đồ sức câu tầm với của cần trục lắp trên máy

Bảng 4.6. Sự thay đổi lực tác dụng vào các chân chống máy theo tải trọng và tầm với

của máy.

Tải nâng (T) Tầm với (m) R1min (N) R2min (N) R3min (N) R4min (N)

19,3 18,2 16,7 14,8 12,4 9,67 6,62 2.009.000 2.207.200 2.261.400 2.298.000 2.320.800 2.344.000 2.388.700 1.911.600 2.059.400 2.112.200 2.153.500 2.200.900 2.259.400 2.370.900 1.625.400 1.681.300 1.688.300 1.677.100 1.648.600 1.597.700 1.513.100 1.735.200 1.866.100 1.890.300 1.891.100 1.871.700 1.820.900 1.735.400 0,89 3,77 5,09 6,56 8,48 11,44 17,13

Theo Bảng 4.6 có thể thấy rằng giá trị lực tác dụng vào các chân máy thay đổi

theo tải trọng và tầm với, và cũng cho thấy máy không bị mất ổn định trong phạm vi

làm việc của máy.

4.1.3. Khảo sát động lực học máy khi thay đổi vận tốc nâng cọc (vn)

Luận án tiến hành chạy các chương trình mô phỏng (Hình 2.12) với thông số đầu vào coi như không đổi, nhưng thay đổi vận tốc nâng cọc (vn = 6 m/ph; vn = 7 m/ph; vn = 8 m/ph; vn = 10 m/ph). Các kết quả được trình bày cụ thể ở dưới đây:

9500

9000

Vn = 6 [m/ph] Vn = 7 [m/ph] Vn = 8 [m/ph] Vn = 10 [m/ph]

8500

8000

7500

7000

, g n a h p a c h n a h n g n a c c u L

6500

0.5

1.5

3.5

4.5

2.5 Thoi gian, s

Hình 4.2. Lực căng trong cáp thép trong trường hợp thay đổi vận tốc nâng cọc Bảng 4.7. Sự thay đổi hệ số động của lực căng cáp trong trường hợp nâng cọc và

quay đồng thời với các vận tốc nâng cọc khác nhau

6 7 8 10 vn (m/phút)

8800 8920 9110 9350 Fcmax (N)

1,12 1,14 1,16 1,19 kđ

Nhận xét: Với các giá trị trên Hình 4.2 ta có thể thấy rằng: Lực động trong cáp nâng cọc có thay đổi khi vận tốc nâng cọc vn thay đổi. Tuy nhiên, kết quả cho thấy ảnh hưởng của sự thay đổi trị số vn đến lực căng cáp là không nhiều, khi máy hoạt động với tốc độ nâng lớn nhất vn = 10 (m/phút) thì kđ = 1,19.

4.1.4. Khảo sát động lực học máy khi thay đổi vận tốc quay mâm quay (nq)

Tương tự, luận án thay đổi tốc độ quay mâm quay (nq = 0,8 v/ph; nq = 1,0 v/ph; nq = 1,25 v/ph; nq = 1,5 v/ph) trong chương trình mô phỏng (Hình 2.12). Các kết quả được như sau:

a) Nâng cọc kết hợp với quay b) Phanh hãm mâm quay

Hình 4.3. Lực căng trong cáp thép khi khởi động nâng và quay đồng thời ứng với

vận tốc quay khác nhau

Nhận xét: Với các giá trị trên Hình 4.3 ta có thể thấy rằng: Lực động trong cáp

nâng cọc thay đổi khi tốc độ quay cọc nq thay đổi, sự thay đổi này trong giai đoạn khởi

động không nhiều nhưng trong giai đoạn phanh hãm mâm quay có sự thay đổi rõ rệt.

Khi tốc độ quay cọc nq tăng lên thì biên độ dao động và thời gian dập tắt dao động của

100

lực căng cáp tăng lên, khi nq = 0,8 v/ph thì lực căng cáp lớn nhất là 8099,8 N; nq = 1,5

v/ph thì lực căng cáp lớn nhất là 8910,4 N.

Bảng 4.8. Sự thay đổi hệ số động của lực căng cáp trong trường hợp phanh hãm

mâm quay ứng với các vận tốc quay mâm quay khác nhau

0,8 1,0 1,25 1,5 nq (vòng/phút)

8099,8 8104,9 8752,3 8910,4 Fcmax (N)

kđ 1,03 1,03 1,11 1,14

4.1.5. Khảo sát động lực học máy khi thay đổi đường kính cáp (dc)

Luận án tiến hành chạy các chương trình mô phỏng đã xây dựng ở chương 2 với

thông số đầu vào coi như không đổi, nhưng thay đổi đường kính của cáp (dc = 14 mm;

dc = 18 mm; dc = 20 mm; dc = 22 mm) Sau khi chạy chương trình, luận án thu được

, g n a h p a c h n a h n g n a c c u L

các kết quả được trình bày cụ thể ở dưới đây:

Hình 4.4. Sự thay đổi lực động trong cáp nâng cọc Fc khi nâng cọc có kể đến độ chùng cáp

b) Phanh hãm mâm quay a) Vừa nâng cọc vừa quay

Hình 4.5. Sự thay đổi lực động trong cáp nâng cọc Fc khi cần trục vừa nâng cọc vừa quay

Nhận xét: Từ các đồ thị kết quả khảo sát có thể nhận thấy việc thay đổi đường

kính cáp nâng hàng ảnh hưởng không nhiều tới các thông số động lực học của máy. Vì

vậy cáp nâng hàng được xác định theo điều kiện bền của cáp và điều kiện mắc cáp qua

hệ puly, cụm móc câu; giá trị đường kính cáp nâng hàng nên dùng là dc =18 mm.

101

4.1.6. Khảo sát các trường hợp làm việc ảnh hưởng đến các thông số động lực

học của máy

Ở chương 2, luận án đã mô phỏng hai trường hợp làm việc của máy đó là trường

hợp nâng cọc có kể đến độ chùng cáp và trường hợp máy vừa thực hiện nâng cọc vừa

quay đồng thời. Dưới đây nghiên cứu sinh chạy chương trình mô phỏng trên Hình 2.11

và Hình 2.12 ứng với hai trường hợp:

- Trường hợp máy chỉ nâng cọc khi cáp căng mà không quay mâm quay.

- Trường hợp máy chỉ quay mâm quay mà không nâng cọc.

4.1.8.1. Khảo sát trường hợp máy chỉ nâng cọc khi cáp căng và không thực hiện quay

cọc

Để khảo sát trường hợp này, luận án chạy chương trình mô phỏng Hình 2.12 với

các thông số đầu vào coi như không đổi, chỉ cho mô tơ thủy lực của tời nâng cọc hoạt

động, mô tơ thủy lực quay mâm quay không hoạt động. Sau khi chạy chương trình, luận án thu được các kết quả sau đây:

Hình 4.7. Vận tốc của cọc theo phương Hình 4.6. Vận tốc góc của đông cơ thủy

2q

thẳng đứng lực 1q

Hình 4.8. Lực căng trong cáp thép trong trường hợp nâng cọc khi cáp căng mà

không quay cọc

Trong trường hợp chỉ thực hiện quá trình nâng cọc lên khi cáp căng mà không

quay cọc với các hình trên có thể thấy dạng và các giá trị vận tốc góc của động cơ thủy

lực nâng cọc và vận tốc góc của cọc tương tự như trường hợp nâng cọc có kể đến độ

chùng cáp. Riêng lực căng cáp trên Hình 4.8 thì lực căng có giá trị ban đầu là 7848 N,

102

tăng lên giá trị lớn nhất 9334 N, sau đó dao động tắt dần quanh giá trị trung bình 7848

N, sự thay đổi lực động là do quán tính của cọc.

4.1.8.2. Khảo sát trường hợp máy chỉ quay mâm quay mà không thực hiện nâng cọc

Tương tự, luận án chạy chương trình mô phỏng Hình 2.12 với các thông số đầu

vào được coi như không đổi, mô tơ thủy lực nâng cọc không hoạt động, chỉ có mô tơ

thủy lực của cơ cấu quay hoạt động. Luận án thực hiện mô phỏng quá trình quay mâm

quay trong 45s, trong đó 30s đầu thực hiện quay cọc, ở giây thứ 30s phanh hãm mâm

]

d a r [

3 q

quay. Sau khi chạy chương trình, luận án thu được các kết quả sau đây:

1.5

0.5

-0.5

-1

Thoi gian, s

Hình 4.10. Chuyển vị góc của cọc q4 trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1) Hình 4.9. Chuyển vị góc của cọc q3 trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (X1O1Z1)

Hình 4.12. Vận tốc góc của mâm quay Hình 4.11. Vận tốc góc của động cơ thủy

6q

5q

, c F

lực mâm quay

Hình 4.13. Lực căng trong cáp thép

trong trường hợp chỉ quay mâm quay

Hình 4.14. Lực tác dụng lên các xi lanh chân chống Ri (i = 1÷4) theo góc quay của mâm quay q6

103

Nhận xét: Trong trường hợp chỉ thực hiện quá trình quay cọc mà không nâng cọc với các hình trên có thể thấy, lực căng cáp trên Hình 4.13 trong giai đoạn khởi động quay cọc, lực động phát sinh trong nhánh cáp nâng cọc, tuy nhiên giá trị này là nhỏ, đạt lớn nhất trong giai đoạn này là 8092 N. Ở giây thứ 30, thực hiện phanh hãm mâm quay, lúc này lực động phát sinh trong nhánh cáp dao động lớn với giá trị lớn nhất là 8781 N tại 31,17s do quán tính cọc gây ra, sau đó dao động tắt dần. Lực động tác dụng lên các chân máy tương tự như trường hợp nâng cọc và quay đồng thời.

4.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số động lực học của máy trong trường hợp ép cọc. 4.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình động lực học máy

Từ nội dung nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ở mục 2.4.2 chương 2, có thể nhận thấy một số thông số ảnh hưởng đến quá trình ép cọc gồm có sự thay đổi của các thông số sau:

- Đường kính xi lanh ép cọc (De). - Các yếu tố địa chất của nền đất. Sau đây là giá trị thay đổi của các thông số:

Bảng 4.9. Giá trị thay đổi của đường kính xi lanh ép cọc De

Ký hiệu

Đơn vị

(1) 260

Các giá trị thay đổi (3) (2) 300 280

(4) 320

(1) Tràng Duệ Hải Phòng

Bảng 4.10. Khảo sát các yếu tố địa chất (2) Tôn Đức Thắng, HN

(3) Đông Anh Hà Nội

4.2.2. Khảo sát động lực học máy khi thay đổi đường kính xi lanh ép cọc (De)

Với chương trình Matlab-Simulink đã xây dựng ở chương 2, luận án tiến hành khảo sát với trường hợp thay đổi đường kính xi lanh ép cọc, kết quả được thể hiện trên các Hình 4.15, Hình 4.16 và Hình 4.17.

Hình 4.15. Áp suất động trong xi lanh ép Hình 4.16. Lực động do xi lanh ép cọc

cọc tạo ra

104

Hình 4.17. Vận tốc ép cọc

Nhận xét: Khi tăng De thì áp suất dầu trong các xi lanh giảm, dẫn đến hệ số động

kđ cũng giảm. Đường kính xi lanh nhỏ tuy có thể giảm về kích thước, chi phí chế tạo

và tăng tốc độ ép nhưng giá trị về biên độ và dao động của áp suất lại lớn. Với đường

kính xi lanh De = 280 mm thì có thể đảm bảo biên dộ và dao động áp suất trong xi lanh

ép không quá lớn (dao động dập tắt sau 0,8s).

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

Để khảo sát ảnh hưởng yếu tố địa chất, nền móng đến các thông số động lực học

như áp suất động, lưu lượng hay vận tốc của hệ thống xi lanh thủy lực ép cọc, luận án

tiến hành chạy các chương trình mô phỏng đã xây dựng ở Hình 4.18, thay đổi lực cản

tác dụng vào cọc Wc tương ứng với các tầng địa chất và chiều sâu khác nhau khi cọc đi

sâu vào nền. Luận án khảo sát với các mặt cắt địa chất như khu công nghiệp Tràng

Duệ - Hải Phòng, Cát Linh – Hà Nội hay mặt cắt địa chất vùng Đông Anh – Hà Nội

(Các giá trị lực cản theo chiều sâu và tầng địa chất tại các vùng trên được trình bày cụ

thể trong phụ lục 1). Các kết quả được trình bày cụ thể ở dưới đây:

Hình 4.18. Chương trình mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố địa chất

105

h n a l i x 2 p é

h n a l i x 4 p é

*) Khu công nghiệp Tràng Duệ, An Dương - Hải Phòng

Hình 4.19. Các kết quả mô phỏng thu được khi thực hiện ép cọc tại mặt cắt địa chất

khu công nghiệp Tràng Duệ - Hải Phòng

Hình 4.20. Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc khi

cọc chuyển từ tầng địa chất sét mềm sang sét cứng ở độ sâu 12,83 m

106

h n a l i x 2 p é

h n a l i x 4 p é

h n a l i x 6 p é

*) Tôn Đức Thắng – Hà Nội (Dự án xây dựng tuyến đường sắt Cát Linh – Hà Đông)

Hình 4.21. Các kết quả mô phỏng thu được khi thực hiện ép cọc tại mặt cắt địa chất ở

Tôn Đức Thắng – Hà Nội (Dự án xây dựng tuyến đường sắt Cát Linh – Hà Đông)

Hình 4.22. Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc khi

cọc chuyển từ tầng địa chất sét vàng sang xám nâu ở độ sâu 5 m

107

Hình 4.23. Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc khi

cọc chuyển từ tầng địa chất cát khô sang sỏi cuội ở độ sâu 28 m

h n a l i x 2 p é

h n a l i x 4

p é h n a l i x 6 p é

*) Vùng Đông Anh – Hà Nội

Hình 4.24. Các kết quả mô phỏng thu được khi thực hiện ép cọc tại mặt cắt địa chất

Vùng Đông Anh – Hà Nội

108

Hình 4.25. Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc khi

cọc chuyển từ tầng địa chất cát hạt mịn sang sét xám ở độ sâu 25,74 m

Hình 4.26. Sự thay đổi lưu lượng, áp suất của một xi lanh chính và vận tốc ép cọc khi

cọc chuyển từ tầng địa chất sét xám sang sỏi, sạn lẫn cuội ở độ sâu 27,24 m

109

Nhận xét: Từ các hình trên chúng ta có thể thấy rằng:

- Áp suất trong xi lanh ép chính sẽ tăng lên phụ thuộc vào kết cấu mặt cắt và

chiều sâu của các lớp tầng địa chất mà cọc đi qua. Nếu cọc xuyên từ tầng địa chất

mềm sang tầng địa chất cứng hơn thì áp suất dầu tăng lên sau đó giảm đi và dao động

quanh giá trị áp suất trung bình (Hình 4.20, Hình 4.22 và Hình 4.23), còn khi cọc

xuyên từ tầng địa chất cứng sang tầng địa chất mềm hơn thì quá trình này diễn ra

ngược lại (Hình 4.25).

- Lưu lượng cung cấp cho xi lanh ép chính và vận tốc ép sẽ thay đổi khi cọc dịch

chuyển quá các tấng đất khác nhau, nếu cọc dịch chuyển từ tầng địa chất mềm sang

tầng địa chất cứng hơn thì lưu lượng và vận tốc giảm đi sau đó tăng lên và dao động

quanh giá trị trung bình (Hình 4.20, Hình 4.22 và Hình 4.23), còn khi cọc ép từ tầng

địa chất cứng sang tầng địa chất mềm thì quá trình này diễn ra ngược lại (Hình 4.25).

4.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số động lực học của máy trong trường hợp di chuyển máy. 4.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến thông số động lực học máy

Từ nội dung nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực máy ép cọc

thủy lực di chuyển bước ở mục 2.4.3 chương 2, có thể nhận thấy thông số ảnh hưởng đến quá trình di chuyển của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước là đường kính xi lanh di chuyển máy (Ddc). Dưới đây là giá trị thay đổi của đường kính xi lanh di chuyển máy:

Bảng 4.11. Giá trị thay đổi của đường kính xi lanh di chuyển máy Ddc

Các giá trị thay đổi

Ký hiệu

Đơn vị

(1)

(2)

(3)

(4)

180

200

220

240

Ddc

4.3.2. Khảo sát động lực học máy khi thay đổi đường kính xi lanh di chuyển máy

(Ddc)

Hình 4.27. Lực đẩy của xi lanh di chuyển

Hình 4.28. Áp suất trong xi lanh di

Với chương trình Matlab-Simulink đã xây dựng ở chương 2, luận án tiến hành khảo sát với trường hợp thay đổi đường kính xi lanh di chuyển dọc máy, kết quả được thể hiện trên các từ Hình 4.27 đến Hình 4.30.

dọc máy chuyển dọc máy

110

Hình 4.29. Vận tốc di chuyển dọc của máy

Hình 4.30. Dịch chuyển dọc của máy Nhận xét: Khi tăng Ddc thì áp suất dầu trong các xi lanh giảm, dẫn đến hệ số động kđ cũng giảm, nhưng kích thước xi lanh tăng lên, tốc độ di chuyển giảm xuống và tốn chi phí chế tạo. Với các kết quả thu được sau khi khảo sát, đường kính xi lanh di chuyển máy nên chọn Ddc = 180 mm, khi đó áp suất động lớn nhất trong xi lanh pmax = 60 kG/cm2 nhỏ hơn áp suất cho phép [p] = 250 kG/cm2 nhưng tốc độ dịch chuyển đạt lớn nhất vmax = 0,1 m/s còn kết cấu xi lanh gọn hơn.

4.4. Xác định một số thông số hợp lý của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước (theo quan điểm ĐLH)

Để máy làm việc có hiệu quả, đảm bảo năng suất thì các vận tốc làm việc của

các cơ cấu trên máy phải thỏa mãn đồng thời hai điều kiện: - Vận tốc làm việc đủ lớn để đảm bảo năng suất. - Đảm bảo lực động phát sinh trong các cụm máy và kết cấu thép nằm trong giới hạn cho phép thông qua điều kiện kđ ≤ [kđ]. Giá trị [kđ] xác định theo tiêu chuẩn thiết kế đã ban hành, [37].

Mô hình tính toán các thông số động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển

bước được xây dựng theo các trường hợp làm việc điển hình của máy: Nâng cọc có kể

đến độ chùng cáp, chỉ nâng cọc khi cáp căng, chỉ quay cọc, vừa nâng vừa quay cọc

đồng thời.

*) Thông số kết cấu của máy: Đường kính cáp nâng hạ cọc dc (mm)

*) Thông số làm việc của máy: Vận tốc nâng hạ cọc vn (m/s); Vận tốc quay mâm quay:

nq (vòng/phút).

Để xác định thông số hợp lý của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước, tiến hành

khảo sát khi các tham số ảnh hưởng thay đổi, gồm có:

- Vận tốc nâng hạ cọc: vn (m/s)

- Vận tốc quay mâm: nq (vòng/phút)

- Đường kính cáp thép nâng hạ cọc: dc (mm).

111

Qua phần khảo sát đã trình bày ở trên, tác giả đề xuất quy trình xác định các

thông số kỹ thuật hợp lý như sau:

Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước Các yếu tố ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của máy (khối lượng cọc, điều kiện địa chất,...)

Giá trị thông số ban đầu của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

Miền giá trị các thông số ảnh hưởng

Mô hình ĐLH máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

Thay đổi giá trị các tham số mô hình tính toán

Sai

Đánh giá các thông số làm việc của máy theo hệ số động kđ ≤[ kđ]

Đúng

Xác định các thông số ĐLH của máy bằng sơ đồ thuật toán trong Matlab-Simulink

Xác định các thông số hợp lý của máy theo quan điểm ĐLH

Hình 4.31. Quy trình xác định các thông số hợp lý của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

theo quan điểm động lực học

Giá trị các thông số hợp lý của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước theo quan

điểm động lực học được lựa chọn theo TCVN 4244-2005 về thiết bị nâng [37], với hệ

số động lực kđ ≤ [kđ] = 1,6 trong mọi trường hợp của thiết bị nâng và [kđ] = 1,3 với các

cần trục kiểu cần. Ở đây, với cần trục trang bị trên máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

ta lấy [kđ] = 1,3.

112

Từ các kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của thông số kết cấu máy, thông số

làm việc của máy và các trường hợp làm việc, luận án đề xuất chế độ làm việc nhằm

nâng cao hiệu quả của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ860B như sau:

Bảng 4.12. Giá trị các thông số hợp lý của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ860B.

Miền giá trị Giá trị Ký TT Tên thông số Đơn vị thông số khảo thông số hiệu sát hợp lý

6÷10 10 1. Tốc độ nâng cọc m/phút vn

0,8÷1,5 1,5 2. Tốc độ mâm quay vòng/phút nq

0,8÷1,5 0,8 3. Tốc độ mâm quay khi phanh hãm nqph vòng/phút

14÷22 18 4. Đường kính cáp nâng hạ cọc mm dc

Những giá trị thông số hợp lý được luận án đề xuất ở trên có thể sử dụng để tính

toán các lực động (lực động trong cáp nâng hạ cọc, lực động tác dụng vào các chân chống máy), hệ số động phát sinh trong quá trình làm việc, từ đó có thể áp dụng để tính toán, thiết kế tối ưu kết cấu thép của cần trục, tính mỏi, tuổi thọ của máy và các phần tử thủy lực của máy theo quan điểm động lực học. Việc xác định vận tốc ép cọc theo tầng địa chất giúp cho việc tăng năng suất vận hành máy, bằng cách xác định được thời điểm co thể sử dụng 2, 4 hay 6 xi lanh ép đồng thời. Dựa trên các chương trình mô phỏng và quy trình xác định các thông số hợp lý mà luận án đã nêu ở trên, hoàn toàn có thể ứng dụng để xác định các thông số hợp lý cho các máy ép cọc thủy lực di chuyển bước kiểu khác trong quá trình thiết kế, chế tạo máy cũng như trong khai thác, sử dụng chúng.

Kết luận chương 4

Trong chương 4, luận án đã sử dụng các chương trình mô phỏng ở chương 2 để

tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số ĐLH của máy như khối

lượng cọc m4, vận tốc nâng cọc vn, tầm với của cần trục R, vận tốc quay mâm quay nq

và các trường hợp làm việc của máy (nâng cọc có kể đến độ chùng cáp, nâng cọc với

cáp căng, quay cọc, nâng cọc và quay cọc đồng thời) và yếu tộ địa chất, nền móng ảnh

hưởng đến các thông số ĐLH của máy và hệ thống TĐTL, từ đó có được một số kết

luận sau đây:

1. Đã xác định được quy luật thay đổi lực động tác dụng vào các chân chống máy

theo góc quay của mâm quay khi thay đổi khối lượng cọc và thay đổi tầm với. Các giá

trị khảo sát cho thấy máy làm việc ổn định trong phạm vi làm việc theo biểu đồ sức

113

câu tầm với. Đồng thời, phương pháp xác định giá trị lực động tác dụng vào các chân

chống ở trên có thể làm cơ sở cho việc tính toán kết cấu thép chân máy theo quan điểm

ĐLH.

2. Lực động trong cáp nâng cọc thay đổi khi vận tốc nâng cọc vn thay đổi (6÷10

m/phút). Khi vận tốc nâng cọc vn tăng lên thì biên độ dao động và thời gian dập tắt dao

động của lực căng cáp tăng lên. Hệ số động lớn nhất kđ = 1,19 khi nâng với vn = 10

m/ph. Điều này có thể giải thích được là do trong thời điểm khởi động, quán tính cọc

lớn, vận tốc nâng lớn sẽ gây dao động nhiều.

3. Khi tốc độ quay cọc nq thay đổi, lực động trong cáp ở giai đoạn khởi động thay

đổi không nhiều nhưng trong giai đoạn phanh hãm mâm quay có sự thay đổi lớn. Hệ

số động lớn nhất kđ = 1,14 khi quay mâm quay với nq = 1,5 v/ph và phanh hãm. Khi

tốc độ quay cọc nq tăng lên thì biên độ dao động và thời gian dập tắt dao động của lực

căng cáp tăng lên.

4. Việc khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố địa chất nền móng cho chúng ta thấy

rằng, áp suất trong xi lanh ép cọc sẽ tăng lên phụ thuộc vào kết cấu mặt cắt và chiều

sâu của các tầng địa chất mà cọc đi qua. Khi cọc ép dịch chuyển từ kết cấu tầng đất

này sang tầng đất khác thì áp suất dầu trong xi lanh thủy lực ép cọc sẽ dao động, cụ thể

sẽ tăng lên nếu cọc dịch chuyển từ tầng địa chất mềm sang tầng địa chất cứng hơn và

ngược lại. Lưu lượng dầu cung cấp cho xi lanh ép chính và vận tốc ép sẽ dao động,

nếu cọc dịch chuyển từ tầng địa chất mềm sang tầng địa chất cứng hơn thì lưu lượng

và vận tốc giảm sau đó dao động quanh giá trị trung bình và ngược lại.

5. Luận án đã xây dựng được quy trình xác định thông số hợp lý và trên cơ sở

phân tích kết quả khảo sát, luận án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý cho

máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ860B theo quan điểm động lực học (Bảng

4.12). Quy trình này cũng có thể áp dụng cho các loại máy ép cọc thủy lực kiểu khác.

114

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I. KẾT LUẬN

Luận án đã giải quyết được cơ bản các nhiệm vụ nghiên cứu và mục tiêu đề ra. Các

kết quả thu được có ý nghĩa khoa học và thực tiễn với các đóng góp mới và đề xuất cụ

thể như sau:

1. Luận án đã nghiên cứu đặc điểm làm việc và các yếu tố ảnh hưởng đến quá

trình khai thác sử dụng của loại máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các

công trình xây dựng ở Việt Nam để xây dựng mô hình ĐLH máy bằng mô hình không

gian, mô hình ĐLH hệ thống truyền động thủy lực của máy. Tác giả đã thiết lập được

các phương trình chuyển động phi tuyến, các hệ phương trình vi phân cân bằng lưu

lượng và lực ứng với các trường hợp làm việc điển hình của máy (Nâng cọc có kể đến

độ chùng cáp, vừa nâng cọc vừa quay, kẹp cọc, ép cọc và di chuyển máy).

2. Luận án đã ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink để xây dựng 05 chương

trình giải các hệ phương trình chuyển động phi tuyến, hệ phương trình vi phân cân

bằng lưu lương và lực với các trường hợp làm việc điển hình của máy, các chương

trình khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số ĐLH của máy. Đã xác định được

lực căng cáp động trong cáp thép, dao động của cọc, lực động tác dụng vào các chân

chống máy thay đổi theo góc quay của mâm quay cần trục, áp suất động và sự thay đổi

lưu lượng trong các xi lanh công tác của máy. Xác định được giá trị các hệ số động kđ

tương ứng với các trường hợp làm việc điển hình nêu trên với loại máy ZYJ860B khi

nâng cọc có khối lượng m4 = 4800 kg, cụ thể là:

- Nâng cọc có kể đến độ chùng cáp: kđ = 1,22;

- Vừa nâng cọc vừa quay: kđ = 1,19;

- Máy thực hiện thao tác kẹp cọc: kđ = 1,27;

- Máy thực hiện ép cọc: kđ = 1,66;

- Máy thực hiện di chuyển dọc máy: kđ =1,49.

3. Luận án đã xây dựng được qui trình thực nghiệm và đã tiến hành đo đạc các

thông số máy ép cọc thủy lực di chuyển bước (ZYJ860B) khi máy nâng cọc có kể đến

độ chúng cáp, vừa nâng cọc vừa quay, kẹp cọc, ép cọc qua các lớp tầng địa chất khác

nhau, di chuyển dọc của máy với các thiết bị đo đạc hiện đại bởi đội ngũ chuyên gia

nhiều kinh nghiệm. So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả đo đạc thực nghiệm

115

có sai số từ 6,23 – 19,5%; đồng thời hình dạng đồ thị của chúng tương đối phù hợp với

nhau, vì vậy có thể kết luận được tính đúng đắn và độ tin cậy của mô hình ĐLH ứng

với 05 trường hợp làm việc điển hình của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước.

4. Thông qua việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số ĐLH của máy

ở chương 4, luận án đã thu được 49 đồ thị mô tả sự thay đổi các thông số ĐLH này,

luận án đã phân tích và đánh giá kết quả theo quan điểm ĐLH, đã xây dựng được qui

trình xác định các thông số hợp lý (Hình 4.31), từ đó xác định được bộ thông số hợp lý

(thông số kết cấu và thông số làm việc) cho máy ép cọc ZYJ860B (Bảng 4.12).

5. Kết quả nghiên cứu hoàn toàn có thể áp dụng cho các loại máy ép cọc thủy lực

di chuyển bước kiểu khác.

II. KIẾN NGHỊ

1. Phối hợp với các đơn vị chế tạo và sử dụng máy ép cọc thủy lực di chuyển

bước để ứng dụng bộ thông số kỹ thuật hợp lý mà luận án đã đề xuất nhằm đảm bảo độ

an toàn và nâng cao hiệu quả trong tính toán, thiết kế và chế tạo loại thiết bị này.

2. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của luận án có thể kiến nghị với các cấp có

thẩm quyền xem xét tham khảo kết quả nghiên cứu này trong việc xây dựng, ban hành

qui định về quy trình thiết kế, chế tạo và sử dụng loại máy ép cọc thủy lực di chuyển

bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam.

III. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

1. Tiếp tục mở rộng mô hình nghiên cứu động lực học máy ép cọc thủy lực di

chuyển bước có kể đến ảnh hưởng của độ cứng các chân máy và độ cứng của mặt nền

máy đứng.

2. Nghiên cứu động lực học mô hình hệ thống truyền động thủy lực kẹp cọc, ép

cọc và di chuyển dọc máy có kể đến các phần tử giảm dao động như van tiết lưu.

3. Nghiên cứu cải tiến hệ thống truyền động thủy lực hiện có của máy ép cọc

thủy lực di chuyển bước theo hướng điều khiển tự động và linh hoạt theo tải.

4. Bằng việc dùng phương pháp tương tự, tiếp tục nghiên cứu các loại máy ép

cọc thủy lực di chuyển bước khác để xây dựng bộ dữ liệu lựa chọn máy phù hợp với

khả năng chịu tải của cọc.

116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ

1. ThS. Nguyễn Ngọc Trung, PGS.TS. Nguyễn Đăng Điệm, PGS.TS. Nguyễn Văn

Vịnh (2016), “Nghiên cứu động lực học hệ truyền động thủy lực dẫn động hệ

thống kẹp cọc của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước”. Tạp chí Cơ khí Việt Nam

(tháng 8), tr 45-51.

2. Nguyễn Văn Vịnh, Nguyễn Ngọc Trung (2016), “Nghiên cứu động lực học hệ

truyền động thủy lực dẫn động hệ thống ép cọc của máy ép cọc thủy lực di chuyển

bước”. Kỷ yếu Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về Cơ khí – Động lực

(tháng 10), tr 268-274.

3. ThS. Nguyễn Ngọc Trung (chủ trì) và các cộng sự (2016), “Nghiên cứu động lực

học hệ thống xi lanh thủy lực của máy ép cọc thuỷ lực di chuyển bước trong thi

công các công trình xây dựng ở Việt Nam”. Đề tài NCKH cấp trường, Mã số:

T2016-CK-41.

4. ThS. Nguyễn Ngọc Trung, PGS.TS. Nguyễn Đăng Điệm, PGS.TS. Nguyễn Văn

Vịnh (2017), “Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số động lực học của hệ

thống truyền động thủy lực của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước”. Tạp chí Cơ

khí Việt Nam (số 1+2), tr 179-185.

5. ThS. Nguyễn Ngọc Trung, ThS. Nguyễn Thùy Chi (2017), “Nghiên cứu động lực

học hệ truyền động thủy lực dẫn động cơ cấu di chuyển của máy ép cọc thủy lực di

chuyển bước”. Tạp chí Giao thông Vận tải (tháng 5), tr 101-105.

6. ThS. Nguyễn Ngọc Trung, PGS.TS. Nguyễn Đăng Điệm, PGS.TS. Nguyễn Văn

Vịnh (2018), “Nghiên cứu động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong

quá trình nâng cọc có kể đến độ chùng cáp”. Tạp chí Giao thông Vận tải (tháng 5),

tr 97-101.

117

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TIẾNG VIỆT

[1]. Châu Ngọc Ẩn (2002), Nền móng, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia, Thành phố

Hồ Chí Minh.

[2]. PGS-TS. Nguyễn Bính (2005), Máy thi công chuyên dùng, Nhà xuất bản Giao

thông Vận tải, Hà Nội.

[3]. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển (2003), Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Nhà

xuât bản Giáo dục, Hà Nội.

[4]. Trần Văn Chiến (2005), Động lực học máy trục, Nhà XB Hải Phòng, Hải Phòng.

[5]. Vũ Liêm Chính, Phạm Quang Dũng, Trương Quốc Thành (2002), Cơ sở thiết kế

máy xây dựng, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.

[6]. Nguyễn Hữu Chí (2012), Nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán lắp ghép cần trục

trên hệ thống phao nổi khi làm việc trên sông ngòi, kênh rạch vùng đồng bằng

Sông Cửu Long, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học GTVT, Hà Nội.

[7]. TS. Nguyễn Hữu Đẩu (2011), Công nghệ mới đánh giá chất lượng cọc, Nhà xuất

bản Xây dựng, Hà Nội

[8]. PGS-TS. Nguyễn Đăng Điệm, PGS-TS. Nguyễn Văn Vịnh (2014), Truyền động

Máy xây dựng. Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, Hà Nội.

[9]. Đỗ Xuân Đinh (2003), Hệ thống truyền động thủy lực dùng trong các thiết bị

xây dựng, Đại học Xây dựng, Hà Nội.

[10]. Trần Doãn Đình, Nguyễn Ngọc Lễ (2002), Truyền dẫn thủy lực trong chế tạo

máy, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội,

[11]. Bùi Anh Định, Nguyễn Sỹ Ngọc (2000), Nền và móng công trình cầu đường,

Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, Hà Nội.

[12]. Nguyễn Trọng Hiệp (1994), Chi tiết máy tập 1, tập 2, Nhà xuất bản Giáo dục,

Hà Nội.

[13]. Nguyễn Văn Hợp, Phạm Thị Nghĩa, Lê Thiện Thành (2000), Máy trục - Vận

chuyển”, Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, Hà Nội.

[14]. Nguyễn Văn Khang (2009), Động lực học hệ nhiều vật, Nhà xuất bản Khoa học

và Kỹ thuật, Hà Nội.

118

[15]. TS. Phạm Văn Lang, Bạch Quốc Khang (1998), Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm và ứng dụng trong kỹ thuật nông nghiệp, Nhà xuất bản Nông Nghiệp, Hà

Nội.

[16]. Vũ Thế Lộc, Vũ Thanh Bình (1997), Máy làm đất, Nhà xuất bản Giao thông

Vận tải, Hà Nội.

[17]. Vũ Công Ngữ, Trần Nhất Đăng (2002), Các điều kiện kỹ thuật của cọc ép dùng

xử lý nền móng, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội.

[18]. Lê Phước Ninh (2000), Động lực học máy đại cương, Trường Đại học GTVT,

Hà Nội.

[19]. Shamsher Prakash, Hari D.Sharma (1999), Móng cọc trong thực tế xây dựng,

Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.

[20]. Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự

động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[21]. Đỗ Sanh (2008), Cơ học giải tích, Nhà xuất bản Bách Khoa, Hà Nội.

[22]. Đỗ Sanh (2008), Ổn định của hệ động lực và các áp dụng kỹ thuật, Nhà xuất bản

Bách Khoa, Hà Nội.

[23]. Võ Bá Tầm (2012), Kết cấu bê tông cốt thép, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia,

TP Hồ Chí Minh.

[24]. Trương Quốc Thành, Phạm Quang Dũng (1999), Máy và thiết bị nâng, Nhà xuất

bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội.

[25]. Lê Đức Thắng (1998), Tính toán móng cọc, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội

[26]. Lưu Bá Thuận (2005), Tính toán máy thi công đất, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà

Nội.

[27]. Vũ Quang Thập (2014), Ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink giải các bài toán

động lực học trên ô tô, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

[28]. Đào Trọng Thường, Nguyễn Đăng Hiếu (1986), Máy nâng chuyển tập 1, 2&3,

Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội.

[29]. Nguyễn Uyên (2005), Xử lý nền đất yếu trong xây dựng, Nhà xuất bản Xây

Dựng, Hà Nội.

[30]. PGS-TS. Nguyễn Văn Vịnh (2013), Bài giảng động lực học máy xây dựng,

Trường đại học GTVT, Hà Nội.

119

[31]. PGS-TS. Nguyễn Văn Vịnh và các cộng sự (2011), Nghiên cứu tính toán, thiết

kế, chế tạo bộ công tác của máy khoan cọc nhồi lắp trên cần trục bánh xích, Đề

tài NCKH-CN cấp Bộ GD-ĐT, mã số B2011-04-01.

[32]. TS. Nguyễn Thiệu Xuân (2014), Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm máy xây

dựng, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.

[33]. TS. Nguyễn Thiệu Xuân, ThS. Lưu Đức Thạch (2005), Nghiên cứu thiết kế các

loại máy ép cọc thủy lực với lực ép cao 250 - 800 tấn có khả năng tự di chuyển,

Đề tài NCKH-CN cấp Bộ GD-ĐT, mã số B2005-34-47.

[34]. Nguyễn Doãn Ý (2009), Xử lý số liệu thực nghiệm trong kỹ thuật, Nhà xuất bản

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[35]. Công ty thi công nền móng và công trình ngầm FECON (2016), Hồ sơ tầng địa chất và vi trí ép cọc tại khu công nghiệp Tràng Duệ, An Dương, Hải Phòng.

[36]. Tiêu chuẩn Việt Nam (1998), Chỉ dẫn thiết kế móng cọc: TCVN 205 – 1998;

TCVN 9393:2012; TCVN10304-581.

[37]. Tiêu chuẩn Việt Nam (2006), TCVN 4244:2005 Thiết bị nâng: Thiết kế, chế tạo

và kiểm tra kỹ thuật.

TIẾNG ANH

[38]. Andrzej U., Grzegorz S., Jacek K., Andrzej H. (2016), Dynamics analysis of a

truck-mounted crane with the LuGre friction model in the joints, Vibrations in

Physical Systems (ISSN: 0860-6897), Vol. 27, pp. 391 – 398.

[39]. Bengt H. Fellenius (2006), Basics of Foundation design, Canada.

[40]. Boris Jerman, Ivica Marinović, Denijal Sprečić (2012), A slewing crane payload

dynamics, Technical News 19 (ISSN 1330-3651), Bosnia, pp. 907-916.

[41]. David White, Haramrita Sidhu, Tim Finlay, Malcolm Bolton, Teruo Nagayama

(2000), Press-in piling: the influence of plugging on driverability, The 8th

International Conference of the Deep Foundations Institute, New York.

[42]. David White, Tim Finlay, Malcolm Bolton, Grant Bearss (2002), Press-in

piling: Ground vibration and noise during pile installation, International Deep

Foundations Congress, Virginia, USA, pp. 363-371.

120

[43]. David White (2002), The use of pressed-in H-piles for large foundation

structures, the 7th BGA Young Geotechnical Engineers Symposium, Dundee,

UK, 1, pp. 2.

[44]. F. Ju, Y.S. Choo, F.S. Cui (2006), Dynamic response of tower crane induced by

the pendulum motion of the payload, International Journal of Solids and

Structures, 43, pp. 376-389.

[45]. Gan Han Yu (2007), Hydraulic system design of the ZYJ900 hydraulic static pile

driver, Master thesis, Oriental Science and Technology College of Hunan

Agricultural University, China.

[46]. Jun Ping Hu, Hua Dong Zhu, Ke Jun Li (2014), Stress Research and Finite

Element Analysis of Pile Clamping Mechanism of Hydraulic Static Pile Driver,

Journal of Advanced Materials Research, Switzeland.

[47]. HU Jun-ping, CHEN Wei, GUO Yong, SONG Guang-wei, XU Yuan (2011), A

self-leveling control system of hydraulic static pile driver based on inverse

dynamic model, China National knowledge Infrastructure (CNKI), China.

[48]. Huang Kaiqi (2000), Design and study of travelling Mechanism of Hydraulic

Static Press Piling Machine, Journal of Construction Machinery, China.

[49]. Li Shou, Hu Jun Ping (2007), Static Strength Analysis to Cantilever of ZYB

Hydraulic Static Pile Drivers, Journal of Hunan Metallurgical Professional

Technology College, (ISBN 1672-7412-02-024-03), China.

[50]. Li Shuo (2012), The Simulation Research on Hydraulic Static Pile Press

Machine Body Leveling Movement, International Conference on Intelligent

System Design and Engineering Application (ISDEA), (ISBN 978-1-4577-2120-

5), China.

[51]. Li Shuo (2013), The simulation research and modeling on leveling of hydraulic

static pile driver fuselage, International Conference on Digital Manufacturing

and Automation (ISBN 978-0-7695-5016-9), China.

[52]. Nguyen Ngoc Trung (2012), Frame design of an 800 tons hydrualic static pile

pressing machine with hydraulic footstep type walking mechanism, Master’s

thesis, Budapest University of Technology and Economics, Hungary.

[53]. N.N.Som, S.C. DAS (2006), Theory and Practice of Foundation Design, India

121

[54]. Rockhill, D.J., Bolton, M.D., White, D.J (2003), Ground-borne vibrations due to

press-in piling operations, BGA International Conference on Foundations (ISSN

0 7277 3244 7), London, UK, 1, pp. 743-756.

[55]. Qing Xia Kun, Liu Lei, Xie Lihui, Liu Yu (2003), Design of the hydraulic static

pneumatic pilling machine and its hydraulic system, China academic journal

electronic publishing, China.

[56]. Sunward Equipment Group. “ZYJ860B Operator’s Manual”.

[57]. Wang Shi Wu (2007), Characteristics Analysis and Improvement Research on

Static Pressure Pile Machine, Master’s thesis, Jilin University, China.

[58]. Xu Zhou (2009), Research on System of Pile Driving of Hydraulic Static Pile

Driver, PhD’s thesis, Central South University, China.

[59]. Xu Zhou, Yurong Chen, Zhen Wang (2011), Research of the maximun

transmission pile driving force of pile clamping mechanism under pile driving,

International Conference on Mechatronic Science, Electric Engineering and

Computer (MEC) (ISBN 978-1-61284-719-1), Jilin, China.

[60]. Xu Zhou, Qinghua He, Jianxin Zhu, Xiangyu He (2007), Research on the

capacity of hydraulic pile driving uder adding force, International Conference

on Mechatronics and Automation (ICMA) (ISBN 978-1-4244-0828-3), Harbin,

China.

[61]. Xu Zhou, Yu Rong Chen, Zhen Wang (2011), Contact between Prefabricated

Pile and Pile Clamping Jaws under Pile Driving, Journal of Advanced Materials

Research, Switzeland.

[62]. Xu Zhou, HE Qing-hua, ZHU Jian-xin (2009), Pile clamping mechanism of

hydrualic static pile driver based on ANSYS, Journal of Central South

University, Vol. 40, China.

[63]. Xu Zhou, HE Qing-hua, ZHU Jian-xin, HE Xiang-yu (2008), Dynamics

modeling and simulation of hydraulic system of pile driving under adding force,

Journal of Central South University, China.

[64]. Xu Zhou, HE Qing-hua, ZHU Jian-xin (2007), Static analysis of multipoint and

iso-pressing pile holder mechanism of hydraulic static pile driver, Journal of

Engineering Design, China.

122

[65]. Yan Fei (2010), Automatic hydraulic pile-pressing system of cramp type static

hydraulic pile-pressing machine, Journal of Central South University, China.

[66]. Yetinger A.G., White D.J., Bolton M.D (2003), Press-in Piling: Field Testing of

Cell Foundations, BGA International Conference on Foundations (ISSN 0 7277

3244 7), London, UK, 1, pp. 963-974.

[67]. ZHANG Jian, RUI Yan-nian (2006), The Research of the Reliability of

Hydraulic Pressure Static Force Pile Driver Based on Fuzzy and Grey Systems

Theory, Journal of Mechanical & Electrical Engineering Technology, China.

[68]. ZHU Gui-hua (2003), Study and design of pile-clamping device for hydraulic

static pile pressing machine, Construction Machinery, China.

[69]. Zhu Jian Xin, He Qing Hua, Guo Yong (1999), Application of quasi-constant-

power design method in hydrostatic pile driver, Journal of Central South

University of Technology (Natural science), China.

TIẾNG NGA

[70]. МайоровЮ.П., КовальскийВ.Ф., ДубровинВ.А., ГрунинЕ.И. (2005), Расчет параметров переходных процессов гидравлических приводов с объёмным регулированием скорости, М.: МИИТ, Mockba.

[71]. Nguyễn Đình Tứ

(2010), Обоснование рациональных параметров гидроприводамашин типа ВПР с учетом условий эксплуатации во Вьетнаме, Luận án tiến sĩ, Mockba.

PHỤ LỤC

Các tài liệu kèm theo luận án được đóng thành 02 tập tài liệu:

1. Danh mục các công trình đã công bố kết quả nghiên cứu của luận án.

2. Phụ lục luận án, gồm các phần:

- Phụ lục 1: Xác định các thông số kỹ thuật của máy ép cọc thủy lực di chuyển

bước.

- Phụ lục 2: Nghiên cứu động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước.

- Phụ lục 3: Nghiên cứu thực nghiệm máy ép cọc thủy lực ZYJ860B.