Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt nam chế tạo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt nam chế tạo" nhằm nghiên cứu xác định được các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo lắp trên cần trục bánh xích.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt nam chế tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- Nguyễn Thùy Chi NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA BỘ CÔNG TÁC MÁY KHOAN CỌC NHỒI KIỂU GẦU XOAY DO VIỆT NAM CHẾ TẠO Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2021
Luận án hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Nguyễn Đăng Điệm 2. TS. Nguyễn Đình Tứ Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Vào hồi......giờ, ngày.....tháng.....năm 20.... Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Hiện nay có nhiều thiết bị khác nhau được đưa vào sử dụng trong công tác thi công nền và móng các công trình xây dựng, trong đó có máy khoan cọc nhồi (MKCN). Các loại MKCN đang được sử dụng tại Việt Nam đều được nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành đắt và khó khăn nhất trong việc “nội địa hóa” sản phẩm là chế tạo bộ công tác của máy. Xuất phát từ đó, các đơn vị sản xuất đang tìm cách nghiên cứu, tính toán thiết kế bộ công tác của máy để thay thế thiết bị ngoại nhập. Tuy nhiên nội dung nghiên cứu cũng chỉ đang dừng lại ở chỗ là nghiên cứu thiết kế công nghệ phục vụ cho việc chế tạo máy, mà chưa đề cập tới nghiên cứu nâng cao về động lực học hệ thống truyền động thủy lực máy và thiết kế tối ưu đối với MKCN. Ngoài ra, đây là thiết bị chuyên dùng nên việc đó không phải dễ dàng, đòi hỏi phải có các nghiên cứu cơ bản, có cơ sở khoa học và đặc biệt là các bí quyết công nghệ trong chế tạo sản phẩm cơ khí phù hợp với trình độ công nghệ của nước ta hiện nay. Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo” có tính thời sự và tính cấp thiết cao. 2. Mục tiêu của luận án Nghiên cứu xác định được các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo lắp trên cần trục bánh xích. Dựa trên các kết quả nghiên cứu thu được, luận án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy trong điều kiện khai thác tại vùng đồng bằng Bắc Bộ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: Bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500. b) Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực dẫn động bộ công tác và nghiên cứu xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan với đường kính lỗ khoan Ф = 1,5 m, chiều sâu khoan H = 70 m, làm việc tại vùng đồng bằng Bắc Bộ. 4. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu.
2 - Nghiên cứu động lực hệ thống truyền động thủy lực của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo. - Nghiên cứu xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan - Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số động lực học của máy khoan cọc nhồi Hitachi CX500. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a. Ý nghĩa khoa học: - Xây dựng mô hình động lực học động cơ thuỷ lực dẫn động mâm khoan và động lực học hệ thống xi lanh thủy ép mâm khoan của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích tại Việt Nam tương ứng với các trạng thái làm việc của máy. - Xây dựng chương trình mô phỏng của máy khoan cọc nhồi trong các trường hợp làm việc điển hình, 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 của MKCN theo quan điểm động lực học. - Xây dựng và giải bài toán tối ưu theo chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất từ đó xác định được các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu. 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 khoan cọc nhồi tham khảo trong việc thiết kế, chế tạo bộ công tác của máy có chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao, sử dụng để lựa chọn, vận hành thiết bị với các thông số làm việc hợp lý. 6. Điểm mới của luận án - Xây dựng và giải mô hình động lực học của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan và xi lanh thủy lực ép mâm khoan trên máy khoan cọn nhồi kiểu gầu xoay khi thi công tại vùng đồng bằng Bắc Bộ Việt Nam. - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy từ đó khuyến cáo các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay theo quan điểm động lực học. - Thiết lập và giải bài toán tối ưu các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu khoan theo chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất.
3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 a. Giới thiệu chung Máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 là máy khoan mà trong đó bộ công tác kiểu gầu xoay được lắp trên máy cơ sở là loại cần trục di chuyển bằng bánh xích của hãng Hitachi. Đây là máy khoan được Nhật Bản sản xuất vào năm 1995, có cần khoan kiểu thanh kelly, được xem là loại thiết bị có năng suất cao, có thể khoan từ tầng địa chất mềm cho đến cứng như cát, sét, sỏi..vv. Ưu điểm lớn nhất là có thể khoan lỗ sâu tới 70 m, đường kính có thể lên đến 2000 mm với tốc độ di chuyển 1,7 km/h đem lại hiệu suất cao trong quá trình thi công. Kết cấu máy khá đơn giản, người sử dụng có thể dễ dàng điều khiển và vận hành trong quá trình làm việc. Tuy giá thành đầu tư ban đầu cho máy khá đắt đỏ nhưng hiệu quả công việc lại tăng lên gấp nhiều lần so với các loại máy khác. Kích thước máy gọn nhẹ, di chuyển và thay đổi vị trí làm việc nhanh gọn, thuận lợi, ngoài ra còn có thể tự phục vụ nâng hạ các thiết bị và vật tư trong quá trình làm việc. Do có bộ di chuyển bằng bánh xích, bề mặt tiếp xúc lớn lên mặt nền nên máy khoan nhồi CX500 có thể di chuyển dễ dàng trên vùng đất yếu, phù hợp với địa hình công trường có nhiều vật cản gồ ghề, sắc nhọn. NHÌN THEO A 1 A 2 3 4 5 Hình 1.2. Máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 1- Máy cơ sở CX500; 2- Thanh Kelly; 3- Giá đỡ mâm khoan 4- Mâm khoan; 5- Gầu khoan
4 b. Giới thiệu về bộ công tác Bộ công tác của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 bao gồm: Cụm đầu khoan ED12 (bao gồm: mâm khoan, động cơ dẫn động mâm khoan, hộp giảm tốc hành tinh, xi lanh dẫn tiến mâm khoan…), thanh kelly và gầu khoan. NCS lựa chọn loại gầu công tác là gầu xoay vì gầu xoay dễ dàng có thể chế tạo được trong nước, phù hợp với điều kiện công nghệ, trình độ tay nghề của công nhân nước ta, ngoài ra có khả năng mua sắm một số chi tiết hay cụm chi tiết khác mà trong nước chưa chế tạo được. Hiện nay có nhiều loại gầu xoay tiêu chuẩn, tùy theo yêu cầu và tính chất công trình mà người ta lựa chọn các loại gầu khoan có đường kính khác nhau. Gầu xoay có đặc điểm cấu tạo khác biệt so với những loại khác là tại mỗi một điểm trên cạnh dao cắt thực hiện chuyển động tịnh tiến theo hướng đi sâu xuống dưới đất và kết hợp đồng thời cả chuyển động quay. Trong quá trình biến dạng và phá hủy đất đá, chuyển động của phoi đất được tách ra và trượt trên mặt trên của răng gầu đồng thời tích vào trong lòng gầu. Tại thời điểm khoan, mỗi một điểm trên răng gầu thực hiện chuyển động tịnh tiến theo hướng đi sâu xuống dưới và chuyển động quay. Lượng ăn dao dọc của gầu trong quá trình khoan sẽ phụ thuộc vào lực ép gầu từ trên xuống cũng như giới hạn bền nén của đất đá, [34], [36]. Mô men từ cần khoan truyền vào gầu sẽ tạo ra chuyển động quay của gầu. Cấu tạo của gầu xoay như Hình 1.4 dưới đây: Hình 1.4. Cấu tạo gầu xoay của máy khoan cọc nhồi 1- Mũi định vị; 2- Thành gầu; 3- Tay mở đáy gầu; 4- Đầu trên gầu khoan; 5- Mặt trên gầu khoan; 6- Gân tăng cường; 7- Bản lề đáy gầu; 8- Răng gầu 1.2. Tổng quan các công trình đã nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận án
5 1.2.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học của máy khoan cọc nhồi Đã có nhiều công trình của các nhà khoa học Trung Quốc, Việt Nam và các nước khác nghiên cứu về động lực học máy khoan cọc nhồi đã được trình bày trong các tài liệu [47],[63], [67],... Từ các công trình nghiên cứu này có thể thấy rằng, các công trình chủ yếu tập trung nghiên cứu về động lực học của vành dẫn hướng cũng như mô phỏng động lực học cơ cấu giá dẫn hướng của máy khoan cọc nhồi còn động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy thì chưa được xét tới. 1.2.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu về phân tích tối ưu hóa kết cấu của máy khoan cọc nhồi Trên thế giới và trong nước đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về phân tích tối ưu hóa kết cấu của máy khoan cọc nhồi thể hiện trong các tài liệu [19], [35], [60], 62], [66]. Qua các nghiên cứu này có thể thấy các tác giả đã tập trung vào các vấn đề dưới đây và còn tồn tại một số các nội dung như sau: - Tối ưu hóa về chi phí nhiên liệu của thiết bị, việc tối ưu hóa các thông số kết cấu và thông số làm việc của thiết bị chưa được đề cập đến. - Tối ưu hóa kết cấu thép của cần dạng hộp và vị trí lắp đặt bộ tời, việc tối ưu các thông số của gầu khoan chưa được thực hiện. - Xác định các thông số vận hành hợp lý của máy khoan cọc nhồi có bộ công tác là gầu khoan mở rộng đáy mà không phải là gầu khoan xoay hình trụ đứng. Tối ưu hóa các thông số vận hành theo tiêu chí năng suất mở rộng đáy là lớn nhất mà chưa đề cập đến tiêu chí năng lượng riêng nhỏ nhất. Việc tối ưu hóa các thông số kết cấu của gầu cũng chưa được xét đến. - Tối ưu hóa các thông số làm việc của gầu mở rộng đáy với địa chất tại Tp. Hồ Chí Minh khác với kiểu gầu xoay và tính chất đất của vùng đồng bằng Bắc Bộ mà luận án đề cập đến. 1.2.3. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết kế, chế tạo máy khoan cọc nhồi tại Việt Nam Các công trình nghiên cứu về thiết kế, chế tạo máy khoan cọc nhồi tại Việt Nam tập trung tại các tài liệu [4], [5], [47]. Mục tiêu của [4] là giải quyết yêu cầu cấp bách của việc nội địa hóa cụm đầu khoan máy khoan cọc nhồi BG36. Tác giả [4] đã đề xuất ra được công suất cần
6 thiết khi khoan, đây cũng chính là bước tiền đề cho việc chế tạo trong nước các gầu khoan BG36 thay thế thiết bị nhập ngoại. Tác giả [47] tập trung nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ công tác khoan trong nước vì vậy, việc nghiên cứu, giải bài toán tối ưu để tìm ra bộ thông số hợp lý của gầu khoan chưa được đề cập đến. Tác giả [5] đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mâm quay truyền động hai động cơ thay thế mâm quay truyền động một động cơ cho máy khoan cọc nhồi. Đây là đề tài nghiên cứu chỉ phục vụ việc chế tạo mâm quay không phải là nghiên cứu cơ sở lý thuyết để chế tạo toàn bộ bộ công tác của máy khoan cọc nhồi trong nước thay thế thiết bị nhập ngoại. Kết luận Chương 1 và định hướng nghiên cứu 1. Việc nghiên cứu tổng quan các công trình của các tác giả trong và ngoài nước về động lực học máy khoan cọc nhồi, tối ưu hóa thiết kế gầu khoan cũng như nghiên cứu thiết kế chế tạo gầu khoan trong nước ở Chương 1 cho thấy rằng: Ở khía cạnh động lực học, các công trình trên đây chủ yếu là giới thiệu các phương pháp tính toán động lực học máy hoặc động học của cần khoan tuy nhiên động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực của máy có kể đến ảnh hưởng của nền móng công trình thì chưa được đề cập nhiều tới. Ở khía cạnh phân tích, tối ưu hóa kết cấu của máy khoan cọc nhồi tác giả chủ yếu thực hiện việc tối ưu hóa chi phí nhiên liệu, kết cấu thép của cần khoan, vị trí lắp đặt bộ tời.., còn việc tối ưu các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu chưa được thực hiện. Ngoài ra, việc xác định các thông số vận hành của máy khoan cọc nhồi chủ yếu được thực hiện với gầu khoan mở rộng đáy, còn gầu khoan xoay hình trụ có kể đến địa chất của vùng Đồng bằng Bắc Bộ cũng chưa được khai thác. Ở khía cạnh thiết kế, chế tạo máy khoan cọc nhồi tại Việt Nam các công trình chủ yếu là nghiên cứu, thiết kế công nghệ phục vụ cho việc chế tạo máy và cải tiến công nghệ khoan còn việc giải bài toán tối ưu để tìm ra bộ thông số hợp lý của gầu khoan trong điều kiện khai thác tại Việt Nam chưa được đề cập đến. 2. Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan chung về các vấn đề liên quan đến luận án xác định được nội dung các chương tiếp theo là:
7 Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực trên máy có kể đến ảnh hưởng của điều kiện địa chất, nền móng công trình. Từ đó đề xuất các thông số kỹ thuật hợp lý của bộ công tác theo quan điểm động lực học. Nghiên cứu đưa ra các mô hình tính toán để xác định lực cản, mô men cản tác dụng lên bộ công tác trong quá trình máy khoan làm việc có kể đến ảnh hưởng của điều kiện địa chất Việt Nam. Từ đó nghiên cứu tính toán để xác định công suất cần thiết dẫn động động cơ quay mâm khoan. Xây dựng và giải bài toán tối ưu để xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của gầu khoan. Nghiên cứu thực nghiệm trên MKCN kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 do Việt Nam chế tạo. CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC CỦA BỘ CÔNG TÁC MÁY KHOAN CỌC NHỒI KIỂU GẦU XOAY DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 2.1. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực dẫn động động cơ thuỷ lực quay mâm khoan Mc Mc1 Mqt1 Mc2 Mqt2 Qd1 nd1 Qd2 nd2 pa Jm1 rd1 Jm2 rd2 Vd1 Vd2 Ea Qd pc pc A B P T pa pt Qb Qat Qb1,Vb1 Qb2,Vb2 M n b2 n b1 r r pat b1 b2 Hình 2.2. Mô hình động lực học hệ truyền động thủy lực dẫn động động cơ thủy lực quay mâm khoan
8 Trong đó: Vb1, Vd1: Lưu lượng riêng của bơm và động cơ thủy lực 1, m 3/vòng; Vb2, Vd2: Lưu lượng riêng của bơm và động cơ thủy lực 2, m3/vòng; nb1, nd1 : Số vòng quay của trục bơm và động cơ 1, vòng/s; nb2, nd2 : Số vòng quay của trục bơm và động cơ 2, vòng/s; pa: Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp của động cơ, Pa; pt: Áp suất của dầu công tác trong nhánh thấp áp của động cơ, Pa; pat: Áp suất cài đặt của van an toàn, Pa; rb1 , rd1 : Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực 1 và động cơ thủy lực 1, (m3/s)/Pa; rb2 , rd2 : Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực 2 và động cơ thủy lực 2, (m3/s)/Pa; Ea: Biến dạng đàn hồi trong đường ống cao áp, m3/Pa; Qb: Lưu lượng tổng của 2 bơm, m3/s; Qb1: Lưu lượng của bơm số 1, m3/s; Qb2 : Lưu lượng của bơm số 2, m3/s; Qd: Lưu lượng tổng cần thiết qua 2 động cơ, m3/s; Qd1: Lưu lượng của động cơ 1; m3/s; Qd2: Lưu lượng của động cơ 2; m3/s; Qat : Lưu lượng dầu qua van an toàn, m3/s; Mqt1: Mô men quán tính của động cơ thủy lực 1, N.m; Mqt2: Mô men quán tính của động cơ thủy lực 2, N.m; Mc: Mô men cản chuyển động quay trên gầu khoan, N.m. Mc1: Mô men cản chuyển động quay trên trục của động cơ thủy lực 1, N.m; Mc2: Mô men cản chuyển động quay trên trục của động cơ thủy lực 2, N.m. Thông qua việc thiết lập phương trình cần bằng lưu lượng và cân bằng lực thu được hệ phương trình vi phân sau: dpa 1 Vb1. [nb1 ].(1−ηb1 ) V .[n ].(1−η ) 1 Ea . = Vb1. nb1. X(t) − (pa − pc ). K c − [pb1 ] . pa − Vd1 . nd1 − d1 d1 ] d1 . pa [pd1 − (pa − pat ). K at dt 2 2 dnd1 p V .[p ].(1−ηc1 ηh1 ηd1 ) Jm1. = Vd1 . a − d1 d1 . nd1 − Mc1 dt 2π 2π.[n ] d1 (2.16) Một số đồ thị là kết quả của việc giải hệ phương trình (2.16) thể hiện như sau: Hình 2.6. Áp suất dầu trong khoang Hình 2.7. Vận tốc góc của động cơ cao áp của động cơ thủy lực dẫn động thủy lực dẫn động mâm khoan mâm khoan
9 Hình 2.8. Tổng công suất của động Hình 2.9. Tổng lưu lượng dầu cung cơ thủy lực dẫn động mâm khoan cấp cho động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan Hình 2.10. Số vòng quay của mâm khoan 2.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực ép mâm khoan Ea pa Qxl Qt D D A1 pa pt A B A2 P T d d Qat Qb pat Fqt Vb pt M mqd rb qe nb Fc Hình 2.11. Mô hình động lực học hệ truyền động thủy lực xi lanh ép mâm khoan Trong đó: Vb: Lưu lượng riêng của bơm số 3, m3/vòng; nb: Số vòng quay của trục bơm số 3, vòng/s; rb: Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực số 3, (m3/s)/Pa; pa: Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp của xi lanh, Pa; pt: Áp suất của dầu công tác trong nhánh thấp áp của xi lanh, Pa; pat: Áp suất cài đặt của van an toàn, Pa; Ea: Biến dạng đàn hồi trong đường ống cao áp, m3/Pa; Qb: Lưu lượng
10 của bơm số 3, m3/s; Qxl: Lưu lượng cần thiết cung cấp cho xi lanh, m3/s; Qat: Lưu lượng dầu qua van an toàn, m3/s; Fc: Tổng lực cản quy dẫn về cán xi lanh trong quá trình làm việc, N. Sử dụng định luật bảo toàn năng lượng, viết cho phương trình dòng chảy liên tục của dầu công tác trong các đường ống và phương trình cân bằng lực. Xét cho trường hợp khi gầu khoan bị kẹt, cần ép xi lanh để gầu khoan thoát qua điểm kẹt ta có hệ phương trình vi phân mô tả hoạt động của hệ thống truyền động thủy lực dẫn động xi lanh thủy lực ép mâm khoan đi xuống như sau: dpa Vb . [nb ]. (1 − ηb ) Ea . = Vb. nb. X(t) − . pa − 2A1 . vxl − (pa − pat ). K at dt [pb ] dve mqd = 2(pa . A1 − pt A2 ). ηc + mqd . g − FC dt (2.33) Một số đồ thị là kết quả của việc giải hệ PTCĐ (2.33) được thể hiện như: x105 x104 Hình 2.14. Áp suất dầu thủy lực trong Hình 2.15. Lực ép của xi lanh ép mâm xi lanh ép mâm khoan khoan Hình 2.16. Vận tốc của xi lanh ép mâm khoan 2.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy khoan cọc nhồi 2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của các tầng địa chất đến các thông số động lực học của hệ thống truyền động thủy lực dẫn động mâm khoan Sau khi chạy chương trình, các kết quả thu được như sau:
11 x105 Hình 2.21. Áp suất dầu trong động Hình 2.22. Số vòng quay của mâm cơ dẫn động mâm khoan ứng với các khoan ứng với các tầng địa chất khác tầng địa chất khác nhau nhau Hình 2.23. Tổng lưu lượng cung cấp Hình 2.24. Tổng công suất động cơ cho động cơ thủy lực tương ứng với dẫn động mâm khoan ứng với các các tầng địa chất khác nhau tầng địa chất khác nhau Hình 2.25. Mô men xoắn trên trục động cơ thủy lực ứng với cáctầng địa chất khác nhau 2.3.2. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến các thông số động lực học của xi lanh thủy lực ép mâm khoan Với chương trình Matlab Simulink đã xây dựng ở Hình 2.13, các thông số đầu vào khác coi như không đổi lấy theo Bảng 2.2 trong thuyết minh, tiến hành khảo sát khi thay đổi đường kính xi lanh ép mâm khoan (D = 100 mm; D = 110 mm; D = 130 mm) và thay đổi lực cản tác dụng vào xi lanh ép mâm khoan (Fc = 16000 N; Fc = 22000 N; Fc = 26000 N), kết quả được thể hiện như các hình sau:
12 x105 x104 Hình 2.36. Áp suất dầu trong xi lanh Hình 2.37. Lực ép mâm khoan thay ép mâm khoan khi thay đổi đường đổi khi đường kính xi lanh thay đổi kính xi lanh Hình 2.38. Vận tốc ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi Fc=1.6 tan Fc=1.6 tan Fc=2.2 tan Fc=2.2 tan Fc=2.6 tan Fc=2.6 tan Hình 2.39. Áp suất dầu trong xi lanh Hình 2.40. Lực ép mâm khoan khi ép mâm khoan khi thay đổi lực cản thay đổi lực cản tác dụng vào xi lanh tác dụng vào xi lanh Kết luận Chương 2 1. Đã xây dựng được mô hình động lực học hệ thống truyền động thủy lực của động cơ thuỷ lực quay mâm khoan và mô hình động lực học hệ thống truyền động thủy lực xi lanh ép mâm khoan. Kết quả tính toán cho thấy sự thay đổi của các thông số động lực học trong các giai đoạn làm việc của máy tương ứng với tầng địa chất sét màu pha xám nâu trạng thái dẻo mềm, cụ thể như sau: - Áp suất dầu cung cấp cho động cơ thủy lực và số vòng quay của mâm khoan đạt giá trị lớn nhất khi khởi động lần lượt bằng 80.105 Pa và 17,4 vòng/phút. - Khi khởi động xi lanh thủy lực để ép gầu khoan thì áp suất dầu và lực đẩy của xi lanh đều thay đổi theo thời gian và sau một thời gian ngắn đạt một giá trị xác định khi làm việc bình ổn là 16.105 Pa và 1,63 .104 N. Sự thay đổi của áp suất
13 dầu và lực đẩy của xi lanh phụ thuộc vào sự thay đổi lực cản tác dụng lên gầu khoan. - Sự dao động của vận tốc với biên độ lớn ở giai đoạn khởi động gây ra tải trọng động lên kết cấu thép của thiết bị. Cần có các giải pháp làm giảm sự thay đổi này như sử dụng tiết lưu trong mạch thủy lực của thiết bị để giảm thiểu tác hại của lực động. 2. Đã tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của tầng địa chất (cấp đất), của biến dạng đàn hồi Ea, hiệu suất của bơm (b), đường kính xi lanh ép mâm khoan (D) cũng như lực cản tác dụng vào xi lanh ép (Fc) đến các thông số ĐLH hệ thống TĐTL của máy. Kết quả khảo sát cho thấy, biên độ dao động của áp suất và lưu lượng cung cấp cho động cơ thủy lực cũng như số vòng quay của mâm khoan ở những tầng địa chất cứng, sạn sỏi, cuội sỏi lớn hơn so với các tầng địa chất sét mềm. 3. Ứng với mỗi cấp đất tìm ra được một giá trị cụ thể của số vòng quay của mâm khoan và vận tốc dẫn tiến xi lanh. Việc xác định được hai thông số này có ý nghĩa rất lớn, đây là cơ sở khoa học để thực hiện việc xây dựng và giải bài toán tối ưu của ở Chương 3. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU VÀ THÔNG SỐ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA GẦU KHOAN Mô hình bài toán tối ưu được phát biểu như sau: “Với một địa hình đất nền cho trước và một hố khoan đã được thiết kế với các thông số bao gồm đường kính lỗ khoan Dl, chiều sâu khoan H, cần xác định các thông số kết cấu tối ưu của gầu khoan là góc cắt δ của lưỡi cắt, thông số làm việc tối ưu là vận tốc góc ω của gầu khoan và vận tốc dẫn tiến của xi lanh ép mâm khoan vxl trên cơ sở chi phí năng lượng riêng E cho quá trình khoan lỗ là nhỏ nhất với điều kiện đảm bảo năng suất khoan Q0 cho trước”. Năng lượng riêng E của thiết bị bằng tổng công suất chi phí cho 1 chu kỳ làm việc của thiết bị tính cho 1 đơn vị năng suất, [68]: N E  , kWh/m3 (3.1) Q Trong đó: N: Tổng công suất chi phí cho một chu kỳ làm việc của máy, kW; Q: Năng suất lý thuyết trung bình của máy khoan cọc nhồi, m3/h.
14 3.1. Xác định năng suất Q của thiết bị 3600.Vđ 3600..R 2 .H g 3 Q  , m /h (3.5) TCK TCK Với R: bán kính của gầu khoan, m; Hg: chiều cao của gầu khoan, m; Tck: Thời gian 1 chu kỳ làm việc, s. 3.2. Xác định công suất N của thiết bị Gọi N là tổng công suất chi phí cho 1 chu kỳ làm việc của máy, các công suất thành phần được xác định như sau: N= N1+ N2+ N3+ N4+ N5, kW (3.6) Công suất cắt và tích đất vào gầu N1 được xác định như sau: N1   M. , kW (3.7) 1000 Với ∑ M: Tổng mô men cản khi cắt và tích đất vào gầu, N.m; ω: Vận tốc góc của gầu, rad/s. Công suất kéo gầu lên khỏi hố khoan N2 xác định như sau: PK .v K N2  , kW (3.18) 1000 Trong đó PK: Lực kéo bộ công tác lên khỏi hố khoan, N; vK : Vận tốc kéo gầu lên khỏi hố khoan (do cáp nâng thực hiện), m/s. Công suất quay gầu từ hố khoan đến vị trí đổ đất N3 được xác định thông qua việc tính mômen cản quay như tính đối với cần trục bánh xích. M q .q N3  , kW (3.19) 1000 Trong đó Mq :Tổng mômen cản quay của máy, N.m; ωq: Vận tốc góc khi quay máy, rad/s. Công suất quay gầu từ vị trí đổ đất trở về hố khoan N 4 xác định như sau: M qo .q N4  , kW (3.20) 1000 Với Mqo là mômen cản quay máy khi đất đã đổ khỏi gầu (Gđ = 0), N.m; Công suất khi ép xi lanh thủy lực của 2 xi lanh ép mâm khoan N 5 trong quá trình máy làm việc: P .v N5  XL XL , kW (3.21) 1000 Với Pxl:lực ép của 2 xi lanh thủy lực, N; vxl: Vận tốc dẫn tiến của 2 xi lanh thủy lực khi ép, m/s.
15 Vậy ta có công thức xác định năng lượng riêng cho 1 chu kỳ làm việc của thiết bị như sau:     sin(  )  .R .Hg  2 2 N.TCK TCK 2 F E    K.R l. tg  cos  tg  tg sin   cos    ao 3600.Vđ 3600..R .Hg 1000  2   2 b R4 d  Pv Mq q Mqo q PXL v XL   .c1.2 .  2R1.K.B.C2  R.Fao .f  V.. v   K K    3  ,(kWh / m ) g 4 2  1000 1000 1000 1000  (3.22) Nhận xét: Từ công thức (3.22) ở trên có thể thấy: 1. Tổng công suất và các công suất thành phần phụ thuộc vào các thông số kết cấu của gầu như bán kính gầu R, chiều cao gầu Hg. Hai thông số này ta có thể xác định được căn cứ vào yêu cầu của đường kính và chiều sâu lỗ cần khoan. Góc cắt của dao cắt      (có liên quan đến chiều dày phoi đất), phụ thuộc vào các thông số làm việc của thiết bị như vận tốc góc của gầu khoan ω và vận tốc dẫn tiến của 2 xilanh thủy lực ép mâm khoan vXL. 2. Ngoài ra năng lượng riêng E còn phụ thuộc vào tính chất cơ lý của nền đất thi công như cấp đất của nền được xác định theo hệ số cản cắt thuần túy K, tỷ trọng đất ρ..vv. 3. Năng lượng riêng E còn phụ thuộc vào các thông số khác của bộ công tác và máy cơ sở thông qua các thành phần mômen cản quay của máy và mômen ma sát trong cụm ổ đỡ mâm khoan. Như vậy, với một loại đất nền đã biết khi được giao thi công, qua khoan khảo sát thăm dò chúng ta đã có bản đồ địa chất công trình theo chiều sâu lỗ khoan, có được các thông số của lỗ khoan yêu cầu như đường kính lỗ và chiều sâu khoan từ đó cho phép xác định trước đường kính và chiều cao của gầu khoan. Theo phân tích ở trên, chi phí năng lượng riêng E phụ thuộc vào nhiều thông số, trong đó các thông số kết cấu và làm việc của gầu có ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị của E. Vì vậy, từ bài toán được xây dựng ở trên, hàm mục tiêu của bài toán là xác định các thông số kết cấu và làm việc của gầu khoan máy khoan cọc nhồi theo chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng có thể phát biểu lại như sau: “Khi cho hàm chi phí năng lượng riêng E viết dưới dạng E=f(xi) với xiRn là các thông số kết cấu của gầu khoan ( x 1= ) và thông số làm việc (x2= ; x3=Vxl). Hãy tìm giá trị nhỏ nhất (min) của hàm f(x i) ứng với xiRn và thỏa mãn điều kiện đường kính lỗ khoan Dl và các điều kiện ràng buộc: L
16 3.3. Xác định các điều kiện ràng buộc - Đường kính lỗ khoan Dl phải đạt yêu cầu đường kính theo thiết kế đặt ra. - Năng suất của máy cần phải đạt năng suất quy định trước để đảm bảo tiến độ thi công yêu cầu: Q0  Q . - Công suất vận hành thiết bị Nmax phải nhỏ hơn công suất của máy cơ sở Nm: Nmax  Nm . - Tổng mômen cản khi cắt đất và tích đất vào gầu  M phải nhỏ hơn mômen xoắn giới hạn Mgh chống sập của đất tính theo lý thuyết cơ học:  M  M gh . - Các thông số kết cấu của gầu phải nằm trong một miền giá trị hợp lý đã xác định trước. - Công thức trên chưa xét đến độ mòn của dao cắt và coi đất trong một lớp đất là đồng nhất và có cùng cấp đất. 3.4. Giải bài toán xác định thông số kết cấu và làm việc hợp lý của gầu khoan theo hàm chi phí năng lượng riêng E Chương trình tính cho 50 thế hệ, mỗi thế hệ là 50 cá thể. Kết quả phân bố ngẫu nhiên, phù hợp với thuật toán đã đặt ra. Tại mỗi một thế hệ, trong các ô kết quả trong bảng phân tích chi phí năng lượng riêng E, có thể xác định được 1 giá trị nhỏ nhất Emin (có màu sẫm) của 1 cá thể xác định. Tương tự như vậy xét lần lượt cho 50 thế hệ, sau đó lấy giá trị Emin của 50 thế hệ. Từ ô giá trị này dóng sang các cột còn lại cho phép nhận được các giá trị thông số kết cấu và thông số làm việc tối ưu của gầu. Bảng tổng hợp kết quả tính toán được trình bày trong Bảng 3.6 thuyết minh luận án. Kết quả tính toán: Chương trình tính Hình 3.7. Thuật toán giải toán theo hàm mục tiêu là chi phí năng bài toán chi phí năng lượng lượng riêng E nhỏ nhất cho ta nhận được riêng E theo phương pháp các giá trị của góc cắt δ, vận tốc góc ω, tiến hoá vi phân (DE) vận tốc dẫn tiến vxl như sau:
17 - Góc cắt δ= 35,540 nằm trong vùng giá trị tốt nhất mà được các nhà sản xuất khuyến cáo đối với lưỡi cắt 300  550 . - ω =0,72 rad/s hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm đo đạc được khi máy làm việc thực tế như sau: ωTN =0,7÷2,4 rad/s . - vxl= 0,019 m/s nằm trong dải các giá trị thực tế thu được khi máy hoạt động ngoài công trường. - Chí phí năng lượng riêng Emin= 12,28 kWh/m3 với Dg= 1,380 m tương ứng đường kính lỗ Dl= 1,5 m phù hợp với giá trị ngoài thực tế máy làm việc. 3.5. Khảo sát các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu 3.5.1. Xác định bộ thông số hợp lý của gầu khi xét đến ảnh hưởng của đường kính lỗ khoan, ứng với đất cấp III (K= 60000 N/m2). Tiến hành chạy chương trình tính toán với các giá trị đường kính lỗ và đường kính gầu tiêu chuẩn cho như trong Bảng 3.7, xét cho đất cấp III (K = 60000 N/m2), thu được bộ số liệu về các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu như sau: Bảng 3.8. Bảng các thông số hợp lý của gầu phụ thuộc vào đường kính lỗ D l xét cho cấp đất III (K=60000 N/m2) δ (độ) ω (rad/s) vxl (m/s) Emin (kWh/m3) Dl= 1(m) 37 0,73 0,014 19,6 Dl= 1,1 (m) 36 0,7 0,011 16,3 Dl= 1,2 (m) 36 0,82 0,012 14,1 Dl= 1,3 (m) 36 0,82 0,015 14,2 Dl= 1,4 (m) 35 0,72 0,011 13 Dl= 1,5 (m) 35,5 0,72 0,019 12,3 Dl= 1,7 (m) 35 0,75 0,011 13,6 Dl= 2 (m) 35 0,73 0,012 12,8 Nhận xét: Từ Bảng 3.8 có thể thấy rằng, để đảm bảo tiêu chí chí phí năng lượng riêng nhỏ nhất, với đường kính lỗ (Dl) từ 1000 mm ÷ 1300 mm góc cắt hợp lý nên dao động từ 360÷ 370, còn đường kính lỗ (Dl) từ 1400 mm ÷ 2000 mm thì góc cắt hợp lý nên lấy là 350. Các giá trị của vận tốc quay gầu khoan và vận tốc dẫn tiến xi lanh thay đổi không đáng kể. 3.5.2. Xác định bộ thông số hợp lý của gầu khi xét đến ảnh hưởng của cấp đất K ứng với đường kính lỗ Dl= 1500 mm Sau khi chạy chương trình với các thông số của nền đất cho như trong Bảng 3.9 của thuyết minh, xét cho đường kính lỗ khoan Dl= 1500 mm, thu được các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu như trong Bảng 3.10.
18 Bảng 3.10. Bảng tổng hợp các thông số hợp lý của gầu theo cấp đất K, xét cho đường kính lỗ khoan Dl= 1500 mm δ (độ) ω (rad/s) vxl (m/s) Emin (kWh/m3) 2 K= 32000 (N/m ) 35 0,73 0,011 11,7 K= 44000 (N/m2) 35 0,70 0,012 12,2 2 K= 60000 (N/m ) 35,5 0,72 0,019 12,3 K=190000 (N/m2) 35 0,71 0,010 12,7 Nhận xét: Từ Bảng 3.10 có thể thấy rằng, đất càng cứng thì chi phí năng lượng E càng tăng, đồng thời tương ứng với các lớp đất để đảm bảo tiêu chí chí phí năng lượng riêng nhỏ nhất thì các thông số hợp lý nên chọn như sau: góc cắt δ=350, vận tốc góc gầu khoan ω = 0,70  0,73 rad/s, vận tốc dẫn tiến xi lanh vxl= 0,010  0,019 m/s. Kết luận Chương 3 1. Xây dựng được bài toán tối ưu với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng riêng E nhỏ nhất với các tham biến là góc cắt δ, vận tốc góc ω của gầu khoan và vận tốc dẫn tiến xi lanh vxl đặc trưng cho các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu khoan. 2. Đã giải thành công bài toán tối ưu trên bằng thuật toán tiến hóa vi phân (DE) và ngôn ngữ lập trình Python. Xét cho loại đất cấp III, với gầu khoan Dg= 1,380 (m), chiều cao gầu Hg= 0,65 (m), đường kính lỗ Dl= 1,5 m, các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý nhận được như sau: góc cắt δ = 35,50 của dao cắt, vận tốc góc của gầu ω = 0,72 (rad/s) và vận tốc dẫn tiến xi lanh vxl = 0,019 (m/s). Kết quả này có thể là cơ sở cho tính toán thiết kế, chế tạo và khai thác bộ công tác MKCN tại Việt Nam phù hợp với điều kiện thực tế nước ta khi cho trước các thông số của cọc đã thiết kế, tính chất cơ lý của đất và công suất máy cơ sở. 3. Trên cơ sở bài toán tối ưu theo chi phí năng lượng riêng E nhỏ nhất, khảo sát sự phụ thuộc của các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu vào đường kính lỗ (Dl) cho trước và hệ số cản đào thuần túy (K) cũng như khảo sát sự thay đổi vận tốc góc của gầu ω theo tính chất cơ lý của nền của đất và công suất tiêu thụ cần thiết. Từ kết quả khảo sát thu được, xác định được bộ thông số hợp lý về góc cắt và vận tốc góc của gầu cũng như vận tốc dẫn tiến xi lanh, đây là cơ sở để giúp các đơn vị thi công tham khảo lựa chọn máy và vận hành thiết bị với các thông số làm việc hợp lý mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật. 4. Kết quả nhận được ở Chương 3 là cơ sở để so sánh, đánh giá về quy luật và sai số với kết quả đo đạc thực nghiệm của Chương 4, từ đó khẳng định tính đúng đắn của mô hình tính toán.