Luận án Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN ANH NGỌC NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA MÁY ĐÓNG CỌC HỘ LAN ĐƯỜNG Ô TÔ DO VIỆT NAM CHẾ TẠO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2021
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN ANH NGỌC NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA MÁY ĐÓNG CỌC HỘ LAN ĐƯỜNG Ô TÔ DO VIỆT NAM CHẾ TẠO Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ XÂY DỰNG NÂNG CHUYỂN Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2021
3. i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. NGƯT Nguyễn Văn Vịnh và PGS. TS. NGƯT Nguyễn Bính, những người Thầy đã luôn định hướng, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. 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, Trường Đại học Công nghệ Giao thông, Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải 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, Trung tâm đào tạo thực hành và chuyển giao công nghệ Giao thông Vận tải cùng các phòng ban chức năng trong Nhà trường đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để đạt được kết quả mong muốn. Xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Công ty TNHH Thương mại và Xây dựng Linh Hà cùng Công ty Cổ phần Xây dựng và quản lý bảo trì đường bộ Sông Hồng 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. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều về mặt thời gian, cũng như ủng hộ về vật chất lẫn tinh thần để giúp tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Nguyễn Anh Ngọc
4. ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo” là 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 kì 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 Anh Ngọc
5. iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN ix DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ẢNH xii MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu của luận án 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1 4. Phương pháp nghiên cứu 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 2 6. Điểm mới của luận án 3 7. Bố cục và nội dung nghiên cứu của luận án 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6 1.1. Tổng quan về hệ thống hộ lan đường ô tô 6 1.1.1. Vai trò của hệ thống hộ lan 6 1.1.2. Tổng quan về cấu tạo của hệ thống hộ lan 6 1.1.3. Nhu cầu về hệ thống hộ lan đường ô tô ở Việt Nam 8 1.2. Tổng quan về đặc điểm địa chất và các thông số địa kỹ thuật thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ 8 1.2.1. Đặc điểm địa chất thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ 8 1.2.2. Các thông số kỹ thuật của đất 9 1.3. Tổng quan về công tác cơ giới hóa thi công cọc hộ lan 11 1.4. Tổng quan về máy đóng cọc hộ lan MHP-01 được chế tạo tại Việt Nam 14 1.4.1. Sơ đồ cấu tạo tổng thể của máy 14 1.4.2. Đặc tính kỹ thuật của máy 15 1.4.3. Nguyên lý làm việc của máy MHP-01 15 1.5. Tổng quan các công trình đã nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận án 19 1.5.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học hệ thống truyền động thủy lực 19 1.5.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học máy 25 1.5.3. Tổng quan các công trình nghiên cứu về máy đóng cọc hộ lan 33
6. iv 1.5.4. Phân tích và nhận xét về các công trình nghiên cứu đã công bố liên quan đến luận án 37 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 39 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ĐÓNG CỌC HỘ LAN ĐƯỜNG Ô TÔ DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 40 2.1. Nghiên cứu động lực học hệ khung sàn máy trong quá trình làm việc 40 2.1.1. Nghiên cứu động lực học hệ khung sàn máy khi đóng cọc 40 2.1.2. Nghiên cứu động lực học hệ khung sàn máy khi nhổ cọc 54 2.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy đóng cọc hộ lan trong quá trình làm việc 62 2.2.1. Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực của máy MHP-01 62 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động thủy lực của máy MHP-01 63 2.2.3. Nghiên cứu động lực học xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa trong các quá trình làm việc 64 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 80 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ĐÓNG CỌC HỘ LAN ĐƯỜNG Ô TÔ DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 82 3.1. Mục đích thực nghiệm 82 3.2. Các thông số thực nghiệm 82 3.3. Địa điểm tiến hành thực nghiệm 82 3.4. Đối tượng thực nghiệm và các thiết bị đo 82 3.4.1. Đối tượng thực nghiệm 82 3.4.2. Lựa chọn đầu đo và thiết bị đo 83 3.5. Sơ đồ khối tiến hành thực nghiệm 85 3.6. Bố trí đầu đo và thiết bị đo 85 3.7. Kết quả thực nghiệm và xử lý số liệu 88 3.7.1. Xử lý kết quả đo thực nghiệm 88 3.7.2. Kết quả thực nghiệm 88 3.8. Phân tích và so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết 93 3.8.1. Áp suất dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa 94 3.8.2. Chuyển vị và chuyển vị góc của khung sàn máy 96 3.8.3. Lực tác dụng lên nền tại hai bánh xe 99 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 103
7. v CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA MÁY ĐÓNG CỌC HỘ LAN ĐƯỜNG Ô TÔ DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 104 4.1. Khảo sát ảnh hưởng của thông số làm việc của máy đến các thông số động lực học của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi đóng cọc 104 4.1.1. Ảnh hưởng của đường kính xi lanh đến các thông số động lực học của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi đóng cọc 104 4.1.2. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi của dầu thủy lực đến các thông số động lực học của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi đóng cọc 106 4.2. Khảo sát ảnh hưởng của thông số làm việc của máy và thông số của nền đất đến các thông số động lực học của hệ khung sàn máy khi đóng cọc 108 4.2.1. Ảnh hưởng của độ cứng lốp bánh xe đến các thông số động lực học của hệ khung sàn máy khi đóng cọc 108 4.2.2. Ảnh hưởng của yếu tố địa chất, nền móng đến các thông số động lực học của hệ khung sàn máy khi đóng cọc 110 4.3. Xác định một số thông số hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô theo quan điểm ĐLH 113 4.3.1. Xác định thông số hợp lý của đường kính xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa 115 4.3.2. Xác định thông số hợp lý của mô đun đàn hồi của dầu thủy lực 116 4.3.3. Xác định thông số hợp lý của lưu lượng riêng của bơm thủy lực 117 4.3.4. Xác định thông số hợp lý của tốc độ quay của bơm thủy lực 119 4.3.5. Xác định thông số hợp lý của độ cứng lốp bánh xe 120 4.3.6. Xác định thông số hợp lý của tần số đập của búa thủy lực 121 4.3.7. Xác định thông số hợp lý của khối lượng khung sàn máy 122 4.3.8. Đề xuất các thông số hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô theo quan điểm động lực học 123 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127 I. Kết luận 127 II. Kiến nghị 128 III. Hướng nghiên cứu tiếp theo 128 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130
8. vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Diễn giải Đơn vị 3 Qb Lưu lượng của bơm thủy lực m / s 3 Vb Lưu lượng riêng của bơm thủy lực m / vòng n b  Tốc độ quay danh nghĩa của bơm thủy lực vòng / s Pb  Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực Pa b Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực - Qrb Lưu lượng rò rỉ của bơm thủy lực 3 rb Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực (m / s) / Pa Qxl Lưu lượng dầu cấp cho XLTL D Đường kính trong của XLTL m d Đường kính cán pít tông của XLTL m P1 Áp suất dầu ở khoang bụng của XLTL Pa P2 Áp suất của dầu ở khoang cán của XLTL Pa 2 A1 Diện tích tiết diện khoang bụng của XLTL m 2 A2 Diện tích tiết diện khoang cán của XLTL m c Hiệu suất truyền động cơ khí của XLTL - Qat Lưu lượng qua van an toàn tổng Pat Áp suất van an toàn tổng Pa kat Hệ số lưu lượng qua van an toàn tổng QE Lưu lượng dầu làm biến dạng hệ thống 3 Vc Thể tích dầu trong đường ống cao su m Vk Thể tích dầu trong đường ống kim loại lc Chiều dài đường ống cao su m lk Chiều dài đường ống kim loại m dc Đường kính trong của đường ống cao su m dk Đường kính trong của đường ống kim loại m Ec Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống cao su Pa Ek Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống kim loại Pa c Chiều dày của đường ống cao su m
9. vii Ký hiệu Diễn giải Đơn vị k Chiều dày của đường ống kim loại m Ed Mô đun đàn hồi của dầu thủy lực MPa Fqt Lực quán tính của XLTL N Khối lượng quy dẫn về đầu cán pít tông của XLTL khi đóng m kg cọc m* Khối lượng quy dẫn về đầu cán pít tông của XLTL khi nhổ cọc Khối lượng quy dẫn của cần treo búa về đỉnh cán pít tông của mc XLTL mb Khối lượng quy dẫn của BTL về đỉnh cán pít tông của XLTL mp Khối lượng của pít tông và cán pít tông mcoc Khối lượng của cọc * mcoc Khối lượng của cọc có đất bên trong P(t) Lực xung kích của BTL tác dụng vào cọc Pc (t) Lực tác dụng của cần lên đỉnh XLTL R c Lực cản của nền đất vào đầu cọc Fms Lực ma sát của nền lên thành cọc Fmsb Lực ma sát của búa với cột dẫn hướng Fxl Lực tác dụng của XLTL 3 Qbua Lưu lượng dầu cấp cho BTL m / s Z Chuyển vị của XLTL m Z Vận tốc của XLTL m / s Z Gia tốc của XLTL m / s2 kd Hệ số động lực - Pa kd Hệ số áp suất động - Fxl kd Hệ số lực động của XLTL - Khối lượng quy dẫn của sàn máy và các cụm chi tiết khác lắp m1 kg trên sàn máy (trừ cần và búa) về trọng tâm của sàn máy m2 Khối lượng của cần treo búa và búa quy dẫn về trọng tâm cần kg K,K12 Hệ số giảm chấn của cụm bánh xe bên trái và bên phải Ns / m S12 ,S Độ cứng của cụm bánh xe bên trái và bên phải N / m S3 Độ cứng quy dẫn của XLTL nâng hạ cần treo búa N / m
10. viii Ký hiệu Diễn giải Đơn vị S4 Độ cứng quy dẫn của buồng ắc quy thủy lực N / m Khoảng cách từ chốt liên kết của cần treo búa với xi lanh nâng R m hạ cần đến điểm E R 2 Khoảng cách từ trọng tâm của sàn máy đến điểm E m l Khoảng cách từ trọng tâm của khối lượng m2 đến điểm E m Khoảng cách từ hình chiếu trọng tâm của khung sàn máy đến b m hai điểm tiếp xúc của bánh xe bên trái và bên phải xuống nền q30 Góc nghiêng ban đầu của cần treo búa so với phương ngang rad Độ lún tĩnh của khung sàn máy do trọng lượng bản thân máy m 2 Góc nghiêng của R2 so với mặt sàn máy rad Góc nghiêng của nền máy đứng so với phương ngang rad Mô men quán tính quy dẫn của sàn máy và các chi tiết khác 2 y1 kg.m khi sàn máy quay quanh trục O1Y1 Mô men quán tính quy dẫn của cần treo búa khi cần quay 2 2E kg.m quanh khớp E Gcb Trọng lượng của cần treo búa và búa quy dẫn về trọng tâm cần N lb Chiều dài tay biên của động cơ diezel m r Bán kính trục khuỷu của động cơ diezel m dc Tốc độ quay của động cơ diezel vòng / phút Khoảng cách từ khối tâm của khung sàn máy đến tâm cổ trục e của động cơ theo phương song song với khung sàn máy Khoảng cách từ khối tâm của khung sàn máy đến tâm cổ trục h của động cơ theo phương vuông góc với khung sàn máy Pkt Lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston của động cơ diezel R A Lực tác dụng lên nền tại bánh xe A (phía gần cọc) R B Lực tác dụng lên nền tại bánh xe B (phía xa cọc) R A Hệ số lực động kd R B Hệ số lực động R kd B
11. ix DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Diễn giải BTL Búa thủy lực ĐLH Động lực học ĐCD Điểm chết dưới ĐCĐT Động cơ đốt trong ĐCHL Đóng cọc hộ lan ĐCT Điểm chết trên ĐCTL Động cơ thủy lực NCS Nghiên cứu sinh TĐTL Truyền động thủy lực XLTL Xi lanh thủy lực
12. x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các tải trọng tính toán thiết kế cơ học đối với hệ thống hộ lan 6 Bảng 1.2. Giá trị kích thước chế tạo và kích thước thi công của cọc hộ lan 7 Bảng 1.3. Mạng lưới hệ thống giao thông đường ô tô của Việt Nam đến năm 2025 8 Bảng 1.4. Độ chặt của đất cát qc được xác định dựa theo sức kháng mũi xuyên Loại đất cát 10 Bảng 1.5. Chỉ số ma sát R f đối với đất nền vùng Hà Nội và lân cận 10 Bảng 1.6. Góc ma sát trong của đất cát được xác định phụ thuộc vào qc 10 Bảng 1.7. Mô đun biến dạng Ε0 của đất nền 11 Bảng 1.8. Thông số kỹ thuật của máy đóng cọc hộ lan MHP-01 15 Bảng 1.9. Thông số kỹ thuật của máy ZGY60 35 Bảng 2.1. Giá trị các thông số chạy chương trình khi đóng cọc 49 Bảng 2.2. Các giá trị thông số chạy chương trình cho xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 70 Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của đầu đo áp suất 520.954S 83 Bảng 3.2. Các thông số kỹ thuật của đầu đo lưu lượng R5S7HK75 84 Bảng 3.3. Các thông số kỹ thuật đầu đo chuyển vị CDP-50 84 Bảng 3.4. Các thông số kỹ thuật đầu đo lực nén LFT 84 Bảng 3.4. Bảng đánh giá sai số lý thuyết - thực nghiệm của áp suất dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 94 Bảng 3.5. Bảng đánh giá sai số lý thuyết - thực nghiệm của áp suất dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 95 Bảng 3.6. Bảng đánh giá sai số lý thuyết - thực nghiệm của chuyển vị thẳng đứng q1 và chuyển vị góc q2 của khung sàn máy khi đóng cọc 97 Bảng 3.7. Bảng đánh giá sai số lý thuyết - thực nghiệm của chuyển vị thẳng đứng q1 và chuyển vị góc q2 của khung sàn máy khi nhổ cọc 98 Bảng 3.8. Hệ số lực động tại bánh xe A và B khi đóng cọc 99 Bảng 3.9. Bảng đánh giá sai số lý thuyết - thực nghiệm của lực tác dụng lên nền tại bánh xe A và B khi đóng cọc 100 Bảng 3.10. Hệ số lực động tại bánh xe A và B khi nhổ cọc 101 Bảng 3.11. Bảng đánh giá sai số lý thuyết - thực nghiệm của lực tác dụng lên nền tại bánh xe A và B khi nhổ cọc 102 Bảng 4.1. Hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi Dxl thay đổi 115
13. xi Bảng 4.2. Hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi Ed thay đổi 116 Bảng 4.3. Hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi Vb thay đổi 118 Bảng 4.4. Hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi nb thay đổi 119 Bảng 4.5. Hệ số lực động tại bánh xe A, B khi S,S12 thay đổi 120 Bảng 4.6. Hệ số lực động tại bánh xe A, B khi fbúa thay đổi 121 Bảng 4.7. Hệ số lực động tại bánh xe A, B khi m1 thay đổi 122 Bảng 4.8. Giá trị một số thông số hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô 123
14. xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ẢNH Hình 1.1. Cấu tạo và kích thước của thanh hộ lan 7 Hình 1.2. Cấu tạo các loại cọc hộ lan 7 Hình 1.3. Kích thước thi công cọc hộ lan 7 Hình 1.4. Sự phân bố địa chất ở vùng đồng bằng Bắc Bộ 9 Hình 1.5. Mặt cắt địa chất ở vùng đồng bằng ven biển và đồng bằng Bắc Bộ 9 Hình 1.6. Liên kết giữa cột dẫn hướng búa với khung máy 12 Hình 1.7. Các dạng khung máy cơ sở - bộ di chuyển và bố trí bộ công tác đóng cọc trên khung máy 13 Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô MHP-01 14 Hình 1.9. Sơ đồ mô tả chu trình đóng cọc của máy MHP-01 16 Hình 1.10. Trạng thái khi máy bắt đầu nâng búa 17 Hình 1.11. Trạng thái khi máy nâng búa đến vị trí cao nhất 17 Hình 1.12. Trạng thái khi máy tiến hành đóng cọc 18 Hình 1.13. Trạng thái khi máy nhổ cọc 18 Hình 1.14. Sơ đồ tính toán các hệ dẫn động thủy lực với dòng chảy hở của dầu thủy lực 19 Hình 1.15. Đường đặc tính của van an toàn 21 Hình 1.16. Mô hình tính toán động lực học búa va đập thủy lực 23 Hình 1.17. Mô hình nghiên cứu động lực học hệ xi lanh thủy lực điều khiển cần khoan của máy khoan đá kiểu tuần hoàn ngược 24 Hình 1.18. Mô hình vật lý của máy bánh lốp 26 Hình 1.19. Mô hình thiết lập phương trình sóng dao động khi đóng cọc 28 Hình 1.20. Mối quan hệ giữa lực cản tác dụng lên cọc và chiều sâu đóng cọc 29 Hình 1.21. Mối quan hệ giữa ứng suất cắt và tỉ trọng Dr 29 Hình 1.22. Mô hình động lực học khi máy nâng cọc và quay đồng thời 31 Hình 1.23. Sơ đồ cấu tạo của máy đóng cọc hộ lan (cơ cấu công tác đóng cọc được lắp ở đầu phía trước của máy cơ sở) 33 Hình 1.24. Sơ đồ mạch thủy lực dẫn động nâng búa thông qua hệ truyền động cáp 34 Hình 1.25. Sơ đồ cấu tạo của máy đóng cọc hộ lan ZGY60 35 Hình 1.26. Sơ đồ cấu tạo của cơ cấu dịch chuyển ngang giá búa 35 Hình 1.27. Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực của máy ZGY60 36 Hình 2.1. Mô hình động lực học hệ khung sàn của máy khi đóng cọc 41 Hình 2.2. Chuyển vị thẳng đứng q1 của khung sàn máy khi đóng cọc 50 Hình 2.3. Vận tốc q1 của khung sàn máy khi đóng cọc 51
15. xiii Hình 2.4. Gia tốc q1 của khung sàn máy khi đóng cọc 51 Hình 2.5. Chuyển vị góc q2 của khung sàn máy khi đóng cọc 52 Hình 2.6. Vận tốc góc q2 của khung sàn máy khi đóng cọc 52 Hình 2.7. Gia tốc góc q2 của khung sàn máy khi đóng cọc 52 Hình 2.8. Lực tác dụng lên nền tại bánh xe A khi đóng cọc 53 Hình 2.9. Lực tác dụng lên nền tại bánh xe B khi đóng cọc 54 Hình 2.10. Mô hình động lực học hệ khung sàn máy khi nhổ cọc 55 Hình 2.11. Chuyển vị thẳng đứng q1 của khung sàn máy khi nhổ cọc 58 Hình 2.12. Vận tốc q1 của khung sàn máy khi nhổ cọc 59 Hình 2.13. Gia tốc q1 của khung sàn máy khi nhổ cọc 59 Hình 2.14. Chuyển vị góc q2 của khung sàn máy khi nhổ cọc 60 Hình 2.15. Vận tốc góc q2 của khung sàn máy khi nhổ cọc 60 Hình 2.16. Gia tốc góc q2 của khung sàn máy khi nhổ cọc 60 Hình 2.17. Lực tác dụng lên nền tại bánh xe A khi nhổ cọc 61 Hình 2.18. Lực tác dụng lên nền tại bánh xe B khi nhổ cọc 61 Hình 2.19. Sơ đồ hệ truyền động thủy lực máy đóng cọc hộ lan đường ô tô MHP-01 62 Hình 2.20. Quá trình làm việc của máy khi đóng cọc bằng búa thủy lực kết hợp với lực ép của xi lanh nâng hạ cần 64 Hình 2.21. Mô hình động lực học của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi đóng cọc 66 Hình 2.22. Sơ đồ khối chương trình mô phỏng xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 70 Hình 2.23. Áp suất dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 72 Hình 2.24. Chuyển vị của xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 72 Hình 2.25. Vận tốc của xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 72 Hình 2.26. Gia tốc của xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 73 Hình 2.27. Quá trình làm việc của máy đóng cọc hộ lan khi nhổ cọc bằng xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa 74 Hình 2.28. Mô hình động lực học của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi tiến hành nhổ cọc 75 Hình 2.29. Sơ đồ khối chương trình mô phỏng xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 77 Hình 2.30. Áp suất dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 77
16. xiv Hình 2.31. Chuyển vị của xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 78 Hình 2.32. Vận tốc của xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 78 Hình 2.33. Gia tốc của xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 78 Hình 3.1. Hình ảnh máy MHP-01 tại hiện trường làm thực nghiệm 83 Hình 3.2. Sơ đồ đo đạc thực nghiệm máy đóng cọc hộ lan đường ô tô 85 Hình 3.3. Sơ đồ bố trí thiết bị đo các thông số động lực học máy khi đóng cọc 86 Hình 3.4. Sơ đồ bố trí thiết bị đo các thông số động lực học máy khi nhổ cọc 87 Hình 3.5. Nối các đầu đo vào các vị trí cần đo và thiết bị thu thập tín hiệu 87 Hình 3.6. Áp suất của dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc (thực nghiệm) 89 Hình 3.7. Áp suất của dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc (thực nghiệm) 89 Hình 3.8. Chuyển vị thẳng đứng q1 và chuyển vị góc q2 của khung sàn máy khi đóng cọc (thực nghiệm) 90 Hình 3.9. Lực tác dụng lên nền tại hai bánh xe khi đóng cọc (thực nghiệm) 91 Hình 3.10. Chuyển vị thẳng đứng q1 và chuyển vị góc q2 của khung sàn máy khi nhổ cọc (thực nghiệm) 92 Hình 3.11. Lực tác dụng lên nền tại hai bánh xe khi nhổ cọc (thực nghiệm) 93 Hình 3.12. So sánh áp suất của dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc . 94 Hình 3.13. So sánh áp suất của dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 95 Hình 3.14. So sánh chuyển vị thẳng đứng q1 của khung sàn máy khi đóng cọc 96 Hình 3.15. So sánh chuyển vị góc q2 của khung sàn máy khi đóng cọc 96 Hình 3.16. So sánh chuyển vị thẳng đứng q1 của khung sàn máy khi nhổ cọc 97 Hình 3.17. So sánh chuyển vị góc q2 của khung sàn máy khi nhổ cọc 98 Hình 3.18. So sánh lực tác dụng lên nền tại bánh xe A khi đóng cọc 99 Hình 3.19. So sánh lực tác dụng lên nền tại bánh xe B khi đóng cọc 99 Hình 3.20. So sánh lực tác dụng lên nền tại bánh xe A khi nhổ cọc 101 Hình 3.21. So sánh lực tác dụng lên nền tại bánh xe B khi nhổ cọc 101 Hình 4.1. Biên độ dao động của áp suất dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc với giá trị Dxl thay đổi 105 Hình 4.2. Biên độ dao động của lực ép xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc với giá trị Dxl thay đổi 105 Hình 4.3. Biên độ dao động của áp suất dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc với giá trị Ed thay đổi 106
17. xv Hình 4.4. Biên độ dao động của lực ép xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc với giá trị Ed thay đổi 107 Hình 4.5. Biên độ dao động của chuyển vị thẳng của khung sàn máy khi đóng cọc với giá trị độ cứng lốp S,S12 thay đổi 108 Hình 4.6. Biên độ dao động của chuyển vị góc của khung sàn máy khi đóng cọc với giá trị độ cứng lốp S,S12 thay đổi 108 Hình 4.7. Biên độ dao động của lực tác dụng lên nền tại bánh xe A khi đóng cọc với giá trị độ cứng lốp S,S12 thay đổi 109 Hình 4.8. Biên độ dao động của lực tác dụng lên nền tại bánh xe B khi đóng cọc với giá trị độ cứng lốp S,S12 thay đổi 109 Hình 4.9. Biên độ dao động của chuyển vị thẳng của khung sàn máy khi đóng cọc với tính chất của nền thay đổi 111 Hình 4.10. Biên độ dao động của chuyển vị góc của khung sàn máy khi đóng cọc với tính chất của nền thay đổi 111 Hình 4.11. Biên độ dao động của lực tác dụng lên nền tại bánh xe A khi đóng cọc với với tính chất của nền thay đổi 111 Hình 4.12. Biên độ dao động của lực tác dụng lên nền tại bánh xe B khi đóng cọc với với tính chất của nền thay đổi 112 Hình 4.13. Quy trình xác định các thông số hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô theo quan điểm động lực học 114 Hình 4.14. Quan hệ giữa hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi Dxl thay đổi 116 Hình 4.15. Quan hệ giữa hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi Ed thay đổi 117 Hình 4.16. Quan hệ giữa hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi Vb thay đổi 118 Hình 4.17. Quan hệ giữa hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi nb thay đổi 119 Hình 4.18. Quan hệ giữa hệ số lực động tại bánh xe A, B khi S,S12 thay đổi 120 Hình 4.19. Quan hệ giữa hệ số lực động tại bánh xe A, B khi fbúa thay đổi 121 Hình 4.20. Quan hệ giữa hệ số lực động tại bánh xe A, B khi m1 thay đổi 122
18. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ở Việt Nam trong những năm gần đây, cơ sở hạ tầng giao thông đường ô tô đã phát triển rất nhanh chóng, đòi hỏi việc bảo đảm an toàn chạy xe là một vấn đề đặc biệt phải quan tâm; trong đó có công tác xây dựng hệ thống lan can phòng hộ (hay còn gọi là hệ thống hộ lan) hai bên lề đường. Qua tính toán sơ bộ đối với các tuyến quốc lộ chính trong cả nước thì nhu cầu khối lượng hệ thống hộ lan là rất lớn. Nếu kể cả thi công hệ thống mới và thay thế hệ thống cũ thì tổng chiều dài của hệ thống cọc hộ lan ở nước ta hiện nay đã lên tới hàng ngàn km. Trước đây, cọc hộ lan được thi công bằng cách đổ móng bê tông cho từng cọc. Nhưng hiện nay các nhà thầu đã áp dụng công nghệ mới, sử dụng các thiết bị cơ giới để đóng cọc trực tiếp xuống nền lề đường. Công nghệ này đã làm tăng năng suất thi công cọc, giảm giá thành (vì không cần chi phí vật liệu cho bê tông chân cọc) và đặc biệt là không làm cản trở giao thông trong quá trình thi công. Tuy vậy, các thiết bị thi công cọc hộ lan ở Việt Nam hiện nay đang phải nhập từ nước ngoài với giá thành đắt và không chủ động được trong thi công. Xuất phát từ vấn đề nêu trên, hiện nay một số cơ sở sản xuất ở Việt Nam đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy đóng cọc hộ lan (ĐCHL) cho đường ô tô. Tuy nhiên, việc thiết kế chế tạo máy hiện tại chỉ dựa trên kinh nghiệm chép hình theo mẫu máy nước ngoài, chưa có cơ sở khoa học để xác định được những giá trị hợp lý của các thông số kỹ thuật máy. Chính vì vậy, việc nghiên cứu động lực học (ĐLH) của máy ĐCHL làm cơ sở cho việc xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy là một vấn đề rất đáng được quan tâm. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo” có tính cấp thiết, tính thời sự và có ý nghĩa thực tiễn. 2. Mục tiêu của luận án Xây dựng được cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý theo quan điểm ĐLH của máy ĐCHL đường ô tô do Việt Nam chế tạo. Khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy ĐCHL, nhằm hoàn thiện kết cấu, nâng cao hiệu quả của quá trình khai thác và sử dụng máy. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu Máy ĐCHL đường ô tô do Việt Nam chế tạo, cọc hộ lan, nền đất để thi công cọc hộ lan.
19. 2 b. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu ĐLH của máy ĐCHL đường ô tô MHP-01 do Việt Nam chế tạo hiện đang được sử dụng trong thi công cọc hộ lan và có các thông số kỹ thuật như trong bảng 1.8. - Cọc ống thép hở tiết diện nhỏ, có kích thước cho trước. - Nền đất mà máy đóng cọc ở trên đó, cụ thể là nền đất cấp phối (nền đắp) ở lề đường Quốc lộ thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ, có độ chặt tiêu chuẩn K= 0,95 0,98 . 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án đã sử dụng các phương pháp: nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm và khảo sát. a. Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu ĐLH hệ thống TĐTL của máy: Xây dựng sơ đồ các mạch thủy lực và mô hình ĐLH hệ thống TĐTL của máy tương ứng với các trạng thái làm việc; thiết lập các hệ phương trình vi phân dựa trên phương trình cân bằng lưu lượng và phương trình cân bằng lực, giải các hệ phương trình vi phân bằng Matlab Simulink để xác định các thông số ĐLH của hệ TĐTL. - Nghiên cứu ĐLH hệ khung sàn của máy: Xây dựng mô hình ĐLH hệ khung sàn của máy; thiết lập các phương trình chuyển động của hệ khung sàn của máy dựa trên phương trình Lagrange loại II và tiến hành giải hệ phương trình chuyển động bằng Matlab để xác định các thông số ĐLH của hệ khung sàn máy. b. Nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm bằng cách tiến hành đo đạc trên máy ĐCHL đang làm việc tại hiện trường để kiểm chứng độ tin cậy, độ chính xác của mô hình lý thuyết và các kết quả tính toán lý thuyết, đồng thời xác định một số thông số đầu vào cho việc giải mô hình ĐLH. c. Phương pháp khảo sát Sử dụng phần mềm Matlab và các mô hình toán học đã xây dựng từ nghiên cứu lý thuyết để khảo sát sự ảnh hưởng của một số yếu tố đến các thông số ĐLH, làm cơ sở để xác định các thông số hợp lý của máy ĐCHL theo quan điểm ĐLH (hệ số động lực là nhỏ nhất và thỏa mãn điều kiện là nhỏ hơn hệ số động lực cho phép). 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a. Ý nghĩa khoa học - Nghiên cứu ĐLH của các phần tử thủy lực của máy ĐCHL như xi lanh thủy lực (XLTL) nâng hạ cần treo búa ứng với các trường hợp làm việc điển hình của máy là đóng và nhổ cọc; thiết lập hệ phương trình vi phân và giải hệ phương trình vi phân để xác định các thông số ĐLH của XLTL.
20. 3 - Nghiên cứu ĐLH của hệ khung sàn máy trong các trường hợp làm việc điển hình là đóng và nhổ cọc; thiết lập hệ phương trình chuyển động dưới dạng tổng quát và giải các hệ phương trình chuyển động để xác định các thông số ĐLH của hệ khung sàn máy. - Nghiên cứu thực nghiệm trên một máy ĐCHL cụ thể đang làm việc tại công trường thi công cọc hộ lan để kiểm chứng độ tin cậy của mô hình và các kết quả tính toán lý thuyết. - Luận án đã xây dựng được chương trình mô phỏng của máy ĐCHL trong các trường hợp làm việc điển hình. Bằng các chương trình mô phỏng đó, luận án đã khảo sát, xây dựng được cơ sở khoa học để đề xuất các thông số kỹ thuật hợp lý của máy ĐCHL theo quan điểm ĐLH bằng tính toán lý thuyết. - Các kết quả nghiên cứu thu được là tài liệu tham khảo có ích cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo máy ĐCHL ở trong nước. b. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của luận án về việc đề xuất các thông số kỹ thuật hợp lý có thể giúp cho các đơn vị chế tạo hay khai thác máy ĐCHL tham khảo trong việc cải tiến thiết kế, chế tạo ra các máy ĐCHL có chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao. - Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích phục vụ cho công tác đào tạo thuộc lĩnh vực máy thi công hộ lan đường ô tô. 6. Điểm mới của luận án - Máy ĐCHL do Việt Nam chế tạo là một loại máy mới, các thông số kỹ thuật đưa ra đều xuất phát từ tính toán tĩnh theo kinh nghiệm của người thiết kế đối với những máy loại khác. Trong thực tế hoạt động của máy, lực động gây ra bởi lực xung kích của búa là rất lớn, ảnh hưởng đến độ bền, tuổi thọ của kết cấu máy và các phần tử thủy lực trong hệ thống truyền động, do đó vấn đề này cần được quan tâm nghiên cứu. - Luận án đã tiến hành nghiên cứu ĐLH của máy, bao gồm ĐLH của hệ khung sàn và ĐLH của hệ thống TĐTL để xác định các thông số ĐLH đặc trưng của hệ như áp suất dầu thủy lực; chuyển vị, vận tốc và gia tốc của XLTL nâng hạ cần treo búa; chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ khung sàn máy; lực tác dụng lên nền tại các bánh xe của máy - Luận án đã tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số ĐLH đặc trưng của hệ, xác định các hệ số động của lực và áp suất dầu trong hệ thống. Từ đó xây dựng quy trình các bước xác định thông số kỹ thuật hợp lý của máy ĐCHL trong điều kiện chế tạo và sử dụng tại Việt Nam. Quy trình này cũng có thể áp dụng cho các loại máy ĐCHL khác. 7. Bố cục và nội dung nghiên cứu của luận án Bố cục và nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm các phần chính sau:
21. 4 Mở đầu Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Tổng quan về hệ thống hộ lan đường ô tô, đặc điểm địa chất và các thông số địa kỹ thuật của vùng đồng bằng Bắc Bộ; tổng quan về công tác cơ giới hóa thi công cọc hộ lan đường ô tô; tổng quan về cấu tạo và hoạt động của máy ĐCHL chế tạo tại Việt Nam. Đánh giá tổng quan các kết quả nghiên cứu ở trong và ngoài nước về những vấn đề có liên quan đến luận án như nghiên cứu ĐLH máy, ĐLH hệ thống TĐTL, nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy ĐCHL. Thông qua việc phân tích các kết quả đã đạt được và xu hướng nghiên cứu để nêu lên tính cấp thiết và hình thành các nhiệm vụ nghiên cứu của luận án. Chương 2: Nghiên cứu động lực học của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo Xây dựng sơ đồ các mạch thủy lực và mô hình ĐLH hệ TĐTL của máy tương ứng với các trạng thái làm việc của máy ĐCHL là đóng và nhổ cọc; thiết lập các hệ phương trình vi phân và giải hệ phương trình vi phân bằng phần mềm Matlab Simulink để xác định các thông số ĐLH của hệ TĐTL. Xây dựng mô hình ĐLH của hệ khung sàn máy trong các trường hợp làm việc; thiết lập các phương trình chuyển động của hệ khung sàn máy và tiến hành giải hệ phương trình chuyển động bằng phần mềm Matlab để xác định các đặc trưng dao động của hệ khung sàn máy. Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số động lực học của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo Nghiên cứu thực nghiệm trên máy ĐCHL đã được chế tạo tại Việt Nam trong điều kiện máy đang làm việc tại hiện trường để kiểm chứng phương pháp tính toán cũng như kết quả tính toán các thông số kỹ thuật theo lý thuyết. Trình bày mục đích thực nghiệm, giới thiệu các thiết bị đo, đối tượng thực nghiệm và cách bố trí thiết bị đo cũng như thiết bị thu thập tín hiệu. Trình tự đo và ghi số liệu đo đạc thực nghiệm; xử lý kết quả đo và so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết. Chương 4: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến thông số động lực học và xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo Trình bày các nghiên cứu về ảnh hưởng của đường kính XLTL nâng hạ cần treo búa, mô đun đàn hồi của dầu thủy lực, độ cứng của lốp bánh xe, tính chất của nền như cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc đến các thông số ĐLH của máy ĐCHL (áp suất của dầu thủy lực, vận tốc và lực của XLTL nâng hạ cần treo búa, chuyển vị và chuyển vị góc của khung sàn máy, lực tác dụng lên nền tại các bánh xe )