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

Nội dung text: 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

1. 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021
2. 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS. TS. NGND. NGUYỄN ĐĂNG ĐIỆM 2: TS. NGUYỄN ĐÌNH TỨ 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. NGND. Nguyễn Đăng Điệm và TS. Nguyễn Đình Tứ – Bộ môn Máy xây dựng-Xếp dỡ, Trường Đại học Giao thông Vận tải 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 và Công nghệ GTVT, đã giúp đỡ và góp ý cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành 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 Cổ phần Thương mại và Xây lắp Hợp Thành và Công ty TNHH Cơ khí Việt Sinh 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 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. NGUYỄN THÙY CHI
4. ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “ 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” 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 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 THÙY CHI
5. iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN xi DANH MỤC CÁC BẢNG xii DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH xiv MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 7 1.1. Giới thiệu về công nghệ thi công cọc khoan nhồi và máy khoan cọc nhồi 7 1.1.1. Giới thiệu về địa chất ở vùng Đồng bằng Bắc Bộ 7 1.1.2. Giới thiệu về công nghệ thi công cọc khoan nhồi 9 1.1.3. Giới thiệu về thiết bị thi công cọc khoan nhồi 11 1.2. Tổng quan các công trình đã nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận án 22 1.2.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học của máy khoan cọc nhồi 22 1.2.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu về phân tích, tối ưu hoá kết cấu của máy khoan cọc nhồi 25 1.2.3. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết kế, chế tạo máy khoan cọc nhồi tại Việt Nam 35 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 40 2.1. Đặt vấn đề 40 2.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực dẫn động bộ công tác của máy khoan cọc nhồi 40 2.2.1. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực dẫn động động cơ thuỷ lực quay mâm khoan 42 2.2.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực ép mâm khoan 54
6. iv 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 63 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 63 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến các thông số động lực học của hệ thống truyền động thủy lực dẫn động mâm khoan 66 2.3.3. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến các thông số động lực học của xi lanh thủy lực ép mâm khoan 70 Kết luận Chương 2 73 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU VÀ THÔNG SỐ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA GẦU KHOAN 75 3.1. Tổng quan về bài toán tối ưu trong kỹ thuật 75 3.1.1. Khái niệm về bài toán thiết kế tối ưu kết cấu 75 3.1.2. Phương pháp giải bài toán phi tuyến hiện nay theo thuật toán tiến hóa vi phân (DE) 76 3.2. Thiết lập và giải bài toán xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan theo hàm chi phí năng lượng riêng 77 3.2.1. Phân tích mối quan hệ giữa các thông số kết cấu và thông số làm việc đến chi phí năng lượng riêng và năng suất 77 3.2.2. 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 92 3.2.3. Khảo sát các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu 106 Kết luận Chương 3 110 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY KHOAN CỌC NHỒI HITACHI CX500 111 4.1. Mục đích đo đạc thực nghiệm 111 4.2. Các thông số cần đo đạc, thực nghiệm 111 4.3. Trình tự đo đạc thực nghiệm 112 4.4. Lựa chọn đầu đo và thiết bị đo 113 4.4.1. Đầu đo áp suất (cảm biến áp suất) 113 4.4.2. Đầu đo lưu lượng 114
7. v 4.4.3. Đầu đo hành trình đi xuống của gầu khoan 115 4.4.4. Thiết bị ghi và xử lý tín hiệu 115 4.5. Đối tượng thực nghiệm 116 4.6. Các bước tiến hành đo đạc 116 4.7. Kết quả đo đạc thực nghiệm và xử lý số liệu 119 4.7.1. Xử lý kết quả đo thực nghiệm 119 4.7.2. Các trường hợp thực nghiệm 120 4.8. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết 125 4.8.1. Các thông số động lực học hệ truyền động thủy lực dẫn động mâm khoan 125 4.8.2. Các thông số động lực học hệ truyền động thủy lực xi lanh ép mâm khoan 127 Kết luận Chương 4 129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 133
8. vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký Diễn giải Đơn vị hiệu n Số vòng quay của trục bơm thủy lực 1 vòng/s b1 nb2 Số vòng quay của trục bơm thủy lực 2 vòng/s n Số vòng quay của trục động cơ thủy lực 1 vòng/s d1 nd2 Số vòng quay của trục động cơ thủy lực 2 vòng/s V Lưu lượng riêng của bơm thủy lực 1 m3/vòng b1 3 Vb2 Lưu lượng riêng của bơm thủy lực 2 m /vòng V Lưu lượng riêng của động cơ thủy lực 1 m3/vòng d1 3 Vd2 Lưu lượng riêng của động cơ thủy lực 2 m /vòng [n ] Tốc độ quay danh nghĩa của bơm thủy lực 1 vòng/s b1 [nb2] Tốc độ quay danh nghĩa của bơm thủy lực 2 vòng/s [n ] Tốc độ quay danh nghĩa của động cơ thủy lực 1 vòng/s d1 [nd2] Tốc độ quay danh nghĩa của động cơ thủy lực 2 vòng/s [pb1] Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực 1 Pa [pb2] Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực 2 Pa [pd1] Áp suất danh nghĩa của động cơ thủy lực 1 Pa [pd2] Áp suất danh nghĩa của động cơ thủy lực 2 Pa pa Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp Pa pt Áp suất của dầu công tác trong nhánh thấp áp Pa η Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực 1 b1 ηb2 Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực 2 η Hiệu suất thể tích của động cơ thủy lực 1 d1 ηd2 Hiệu suất thể tích của động cơ thủy lực 2  Hiệu suất cơ khí của động cơ thủy lực 1 c1 η Hiệu suất cơ khí của bộ truyền động h1 3 rb1 Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực 1 (m /s)/Pa
9. vii 3 rb2 Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực 2 (m /s)/Pa r Hệ số tổn thất lưu lượng ở động cơ thủy lực 1 (m3/s)/Pa d1 3 rd2 Hệ số tổn thất lưu lượng ở động cơ thủy lực 2 (m /s)/Pa Q Lưu lượng dầu qua van an toàn m3/s at 3 Qb Lưu lượng tổng của 2 bơm thủy lực m /s 3 Qb1 Lưu lượng của bơm số 1 m /s 3 Qb2 Lưu lượng của bơm số 2 m /s 3 Qd Lưu lượng tổng cần thiết qua 2 động cơ m /s 3 Qd1 Lưu lượng của động cơ số 1 m /s 3 Qd2 Lưu lượng của động cơ số 2 m /s 3 Qrb Lưu lượng rò rỉ của bơm thủy lực m /s pat Áp suất cài đặt của van an toàn Pa 3 kat Hệ số lưu lượng qua van an toàn m /s 3 Ea Biến dạng đàn hồi trong đường ống cao áp m /Pa 3 Vc Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng cao su m 3 Vkl Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng kim loại m Ec Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống dẫn bằng cao su Pa Ekl Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống dẫn bằng kim loại Pa dc Đường kính trong của ống dẫn dầu bằng cao su m lc Chiều dài đường ống dẫn dầu bằng cao su m dkl Đường kính trong của ống dẫn dầu bằng kim loại m lkl Chiều dài đường ống dẫn dầu bằng kim loại m δc Chiều dày của đường ống cao su m δkl Chiều dày của đường ống kim loại m Elq Mô đun đàn hồi của dầu công tác MPa 3 Qrd Lưu lượng rò rỉ của động cơ thủy lực m /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
10. viii Mc2 Mô men cản chuyển động quay trên trục của động cơ thủy lực 2 N.m 2 Jm1 Mô men quán tính quy dẫn của hệ lên trục của động cơ thủy lực 1 kg.m Md1 Mô men dẫn động trên trục động cơ thủy lực 1 N.m Mms1 Mô men ma sát nhớt trong hệ thống thủy lực N.m fn Hệ số ma sát nhớt 3 Vb Lưu lượng riêng của bơm số 3 m /vòng 3 Qxl Lưu lượng tiêu thụ của xi lanh m /s 2 A1 Diện tích tiết diện khoang cao áp của xi lanh ép m vxl Vận tốc dịch chuyển của xi lanh ép cọc m/s 3 Qc Lưu lượng chất lỏng làm biến dạng hệ thống m /s mqd Khối lượng quy dẫn về đỉnh piston kg mmâmquay Khối lượng của mâm quay kg mkelly Khối lượng của thanh kelly kg mgầu Khối lượng của gầu kg mđất Khối lượng của đất kg mben Khối lượng của Bentonite kg D Đường kính trong của xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan mm d Đường kính cán piston ép mâm khoan mm H Hành trình xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan mm Fc Tổng lực cản quy dẫn về cán xi lanh trong quá trình làm việc N E Năng lượng riêng trong một chu kỳ làm việc của máy kWh/m3 Q Năng suất của máy khoan cọc nhồi m3/h 3 Q0 Năng suất yêu cầu đặt ra cho MKCN m /h N Tổng công suất chi phí cho một chu kỳ làm việc của máy kW 3 Vđ Thể tích khối đất đào được sau 1 chu kỳ làm việc m Tck Thời gian 1 chu kỳ làm việc s T1 Thời gian cắt và tích đất đầy gầu s T2 Thời gian kéo gầu lên khỏi hố khoan s T3 Thời gian quay gầu đến nơi cần đổ s T4 Thời gian xả đất khỏi gầu s
11. ix Thời gian quay gầu về hố khoan và hạ gầu xuống đáy hố T5 s khoan R Bán kính của gầu m Dg Đường kính của gầu m C Chiều dày phoi đất m ω Vận tốc góc của gầu khoan rad/s Hg Chiều cao gầu m N1 Công suất cắt và tích đất đầy gầu kW N2 Công suất kéo gầu lên khỏi hố khoan kW N3 Công suất quay gầu chứa đất từ hố khoan đến nơi đổ kW N4 Công suất quay gầu không trở về kW N5 Công suất của cặp xi lanh ép mâm khoan kW M1 Mô men cản cắt thuần túy do hệ lưỡi cắt ở đáy gầu sinh ra Nm M2 Mô men cản do quá trình tích đất vào gầu Nm Mô men cản khuấy do gầu và thanh Kelly quay trong dung M3 Nm dịch Bentonit gây ra Mô men cản do các lưỡi cắt thành bên gây ra (lưỡi cắt mở M4 Nm rộng hố khoan) Mô men cản sinh ra do ma sát giữa đáy gầu và lớp đất ở đáy M5 Nm hố khoan M6 Mô men cản do ma sát trong cụm ổ đỡ mâm khoan Nm K Hệ số cản đào thuần túy phụ thuộc vào cấp đất N/m2 φ Góc ma sát giữa răng gầu với nền đất Độ γ Góc trước của lưỡi cắt Độ β Góc sắc của lưỡi cắt Độ  Góc sau của lưỡi cắt Độ δ Góc cắt của lưỡi cắt Độ σ Giới hạn bền nén của đất N/m2 ρ Tỷ trọng đất N/m3 3 ρb Tỷ trọng của bùn bentonit N/m
12. x g Gia tốc trọng trường m/s2 C1 Chiều rộng quy kết bản khuấy m R1 Cánh tay đòn của mỗi lưỡi cắt m P01 Lực cắt tiếp tuyến của 2 lưỡi cắt mở rộng hố khoan N Fao Lực dọc trục cần khoan N vxl Vận tốc dẫn tiến xi lanh m/s Hệ số ma sát giữa gầu với đất (thép – đất) trong dung dịch f khoan bentonit Gg Trọng lượng của gầu khoan N Gd Trọng lượng của đất N Gk Trọng lượng của toàn bộ cần khoan N Hn Lực ngang tác dụng lên ổ bi N V Lực dọc trục tác dụng lên ổ bi (lực theo phương đứng) N vK Vận tốc kéo gầu lên khỏi hố khoan (do cáp nâng thực hiện) m/s PK Lực kéo bộ công tác lên khỏi hố khoan N Mq Tổng mômen cản quay của máy N.m ωq Vận tốc góc khi quay máy rad/s Mb Mô men kháng ở mặt bên của gầu N.m Mt Mô men kháng ở mặt trên của gầu N.m Md Mô men kháng ở mặt dưới của gầu N.m i Số cá thể trong một thế hệ j Số biến độc lập Uj Giá trị biên lớn nhất và nhỏ nhất của biến j Lj Giá trị biên lớn nhất và nhỏ nhất của biến j
13. xi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Diễn giải NCS Nghiên cứu sinh ĐLH Động lực học TĐTL Truyền động thủy lực PTCĐ Phương trình chuyển động MKCN Máy khoan cọc nhồi
14. xii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Hệ số cản đào thuần túy theo chiều sâu cọc ứng với tầng địa chất tại công trình thi công dự án đường Vành đai 2 đoạn Vĩnh Tuy-Minh Khai 9 Bảng 1.2. Một số công trình tiêu biểu ở Việt Nam đã ứng dụng cọc khoan nhồi để gia cố nền móng trong vòng 30 năm trở lại đây 11 Bảng 1.3. Một số loại thiết bị dùng để thi công cọc khoan nhồi đã có ở Việt Nam [47], [52], [53] 12 Bảng 1.4. Thông số kỹ thuật của MKCN kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 [51] 16 Bảng 1.5. Các thông số kỹ thuật của máy cơ sở CX500 17 Bảng 1.6. Bảng thông số một số loại gầu xoay tiêu chuẩn [55] 19 Bảng 1.7. Các thông số cơ bản của thanh kelly đã tính toán thiết kế 37 Bảng 2.1. Bảng các thông số chạy chương trình mô phỏng của động cơ thủy lực 1 quay mâm khoan 50 Bảng 2.2. Bảng các thông số chạy chương trình mô phỏng của xi lanh thủy lực ép mâm khoan 59 Bảng 2.3. Giá trị thay đổi của đường kính xi lanh ép mâm khoan D 70 Bảng 2.4. Khảo sát lực cản tác dụng vào xi lanh ép 70 Bảng 3.1. Các thông số của nền đất thi công 94 Bảng 3.2. Các thông số kết cấu của gầu khoan 94 Bảng 3.3. Các thông số làm việc của gầu khoan 95 Bảng 3.4. Các thông số tính toán khác 95 Bảng 3.5. Bảng tổng hợp kết quả tính toán các thông số kết cấu và làm việc của gầu khoan trên máy khoan cọc nhồi theo chi phí năng lượng riêng E nhỏ nhất với đường 2 kính lỗ Dl= 1500 (mm) và K= 60000 (N/m ) của thế hệ thứ nhất. 102 Bảng 3.6. Bảng tổng hợp kết quả tính toán các thông số kết cấu và làm việc của gầu khoan trên máy khoan cọc nhồi theo chi phí năng lượng riêng E nhỏ nhất 2 với đường kính lỗ Dl= 1500 (mm) và K= 60000 (N/m ) của 50 thế hệ 104 Bảng 3.7. Các thông số của lỗ và gầu khoan tiêu chuẩn [55] 106 Bảng 3.8. Bảng các thông số hợp lý của gầu phụ thuộc vào đường kính lỗ Dl xét cho cấp đất III (K=60000 N/m2) 107
15. xiii Bảng 3.9. Bảng tổng hợp các thông số của nền đất [24] 107 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 108 Bảng 3.11. Bảng tổng hợp giá trị vận tốc góc ω của gầu theo tính chất cơ lý của nền108 Bảng 4.1. Thông số đầu đo lưu lượng R5S7HK75 114 Bảng 4.2. Thông số đầu đo dịch chuyển HengStler 115 Bảng 4.3. Bảng giá trị các thông số đo ứng với các tầng địa chất khác nhau. 122 Bảng 4.4. Hệ số áp suất động dầu thủy lực cung cấp cho động cơ dẫn động mâm khoan trong quá trình khoan cọc 126 Bảng 4.5. Hệ số áp suất động của xi lanh ép mâm khoan 127
16. xiv DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH Hình 1.1. Sơ đồ quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi 10 Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 15 Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo của máy cơ sở CX500 17 Hình 1.4. Cấu tạo gầu xoay của máy khoan cọc nhồi 20 Hình 1.5. Sơ đồ truyền động cho mâm khoan của máy 21 Hình 1.6. Mô hình động lực học của hệ vành dẫn hướng - đất 22 Hình 1.7. Hệ thống giá dẫn hướng của MKCN kiểu gầu xoay 23 Hình 1.8. Sơ đồ phân tích chuyển động giá dẫn hướng bộ công tác của MKCN kiểu gầu xoay 23 Hình 1.9. Sơ đồ mạch thuỷ lực của xi lanh điều chỉnh độ nghiêng giá dẫn hướng 24 Hình 1.10 Sơ đồ khối của chương trình Matlab Simulink 24 Hình 1.11. Quá trình thay đổi lực trên cán piston của xi lanh thuỷ lực điều chỉnh độ nghiêng giá dẫn hướng theo thời gian tại các vị trí lắp đặt khác nhau 24 Hình 1.12. Quá trình thay đổi lực ép của khớp bản lề tại điểm F 24 Hình 1.13. Sơ đồ mạch thuỷ lực của 1 loại máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay (RDR) 25 Hình 1.14. Sơ đồ trạng thái điển hình của máy khoan cọc nhồi 26 Hình 1.15. Hệ TĐTL của hệ thống khoan kiểu gầu lai (hybrid) HDR 26 Hình 1.16. Phân bố ứng suất trên giá dẫn hướng tại trạng thái lực nâng lớn nhất 28 Hình 1.17.Chuyển vị của giá dẫn hướng tại trạng thái lực nâng lớn nhất 28 Hình 1.18. Phân bố ứng suất của giá dẫn hướng ở trạng thái mô men xoắn cực đại 28 Hình 1.19. Chuyển vị của giá dẫn hướng ở trạng thái mô men xoắn cực đại 28 Hình 1.20. Sơ đồ cấu tạo của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay 29 Hình 1.21. Lực tác dụng lên cần khoan trong trường hợp bộ tời chính đặt trên sàn máy 29 Hình 1.22. Lực tác dụng lên cần khoan trong trường hợp bộ tời chính gắn với phần dưới của cần 29 Hình 1.23. Biểu đồ lực dọc trục và mô men xuất hiện trên cần khoan của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay trong trường hợp bộ tời chính được đặt trên sàn máy 30
17. xv Hình 1.24. Biểu đồ lực dọc trục và mô men xoắn xuất hiện trên cần khoan của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay trong trường hợp bộ tời chính được gắn lên trên phần dưới của cần. 30 Hình 1.25. Mô hình khảo sát động học gầu mở rộng đáy 31 Hình 1.26. Mô hình xác định mô men cản do lực cản cắt đất gây ra 31 Hình 1.27. Giao diện xuất kết quả 33 Hình 1.28. Sơ đồ phá vỡ đất đá bằng lưỡi cắt khi khoan xoay 35 Hình 2.1. Sơ đồ mạch thủy lực của máy khoan cọc nhồi lắp trên 41 cần trục Hitachi CX500 41 Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động động cơ quay mâm khoan 43 Hình 2.3. Mô hình động lực học hệ truyền động thủy lực dẫn động động cơ thủy lực quay mâm khoan 44 Hình 2.4. Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm 51 Hình 2.5. Sơ đồ khối của chương trình mô phỏng động cơ thủy lực quay mâm khoan 51 Hình 2.6. Áp suất dầu trong khoang cao áp của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan 52 Hình 2.7. Vận tốc góc của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan 52 Hình 2.8. Tổng công suất của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan 52 Hình 2.9. Tổng lưu lượng dầu cung cấp cho động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan 53 Hình 2.10. Số vòng quay của mâm khoan 53 Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực của xi lanh ép mâm khoan 54 Hình 2.12. Mô hình nghiên cứu động lực học xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan 56 Hình 2.13. Sơ đồ khối chương trình mô phỏng xi lanh thủy lực ép mâm khoan 61 Hình 2.14. Áp suất dầu thủy lực trong xi lanh ép mâm khoan 61 Hình 2.15. Lực ép của xi lanh ép mâm khoan 62 Hình 2.16. Vận tốc của xi lanh ép mâm khoan 62 Hình 2.17. Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm 63 Hình 2.18. Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo cứng 63 Hình 2.19. Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sạn sỏi lẫn cát kết cấu rất chặt 64
18. xvi Hình 2.20. Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất cuội sỏi lẫn cát sạn đa màu, đa khoáng, kết cấu rất chặt 64 Hình 2.21. Áp suất dầu trong động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các tầng địa chất khác nhau 64 Hình 2.22. Số vòng quay của mâm khoan ứng với các tầng địa chất khác nhau 64 Hình 2.23. Tổng lưu lượng cung cấp cho động cơ thủy lực tương ứng với các tầng địa chất khác nhau 65 Hình 2.24. Tổng công suất động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các tầng địa chất khác nhau 65 Hình 2.25. Mô men xoắn trên trục động cơ thủy lực ứng với các tầng địa chất khác nhau 65 Hình 2.26. Áp suất dầu trong động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 66 Hình 2.27. Số vòng quay của mâm khoan ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 67 Hình 2.28. Tổng lưu lượng cung cấp cho động cơ thủy lực tương ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 67 Hình 2.29. Mô men xoắn trên trục động cơ thủy lực ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 67 Hình 2.30. Tổng công suất động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 68 Hình 2.31. Áp suất dầu trong động cơ mâm khoan ứng với các hiệu suất bơm khác nhau 68 Hình 2.32. Số vòng quay của mâm khoan ứng với các hiệu suất bơm khác nhau 69 Hình 2.34. Mô men xoắn trên trục động cơ thủy lực ứng với các hiệu suất bơm khác nhau 69 Hình 2.35. Tổng công suất động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các hiệu suất bơm khác nhau 70 Hình 2.36. Áp suất dầu trong xi lanh ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi 71 Hình 2.37. Lực ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi 71 Hình 2.38. Vận tốc ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi 71
19. xvii Hình 2.39. Áp suất dầu trong xi lanh ép mâm khoan khi thay đổi lực cản tác dụng vào xi lanh 72 Hình 2.40. Lực ép mâm khoan khi thay đổi lực cản tác dụng vào xi lanh 72 Hình 3.1. Mô tả kích thước của gầu: Dg và Hg 80 Hình 3.2. Các thành phần lực và mô men tác dụng lên gầu khoan 81 Hình 3.3. Sơ đồ biểu diễn các góc của lưỡi cắt 82 Hình 3.4. Sơ đồ khi dùng lưỡi cắt mở rộng lỗ khoan 84 Hình 3.5. Sơ đồ phoi đất với chiều dày C 88 Hình 3.6. Sơ đồ các thành phần mô men Mgh 91 Hình 3.7. Thuật toán giải bài toán chi phí năng lượng riêng E theo phương pháp tiến hoá vi phân (DE) 93 Hình 3.8. Đồ thị quan hệ giữa vận tốc góc của gầu vào tính chất cơ lý của nền 109 Hình 4.1. Hình ảnh và thông số kỹ thuật của đầu đo áp suất 520.954S 113 Hình 4.2. Đầu đo lưu lượng R5S7HK75 114 Hình 4.3. Đầu đo dịch chuyển kiểu quay của hãng Coretech và HengStler 115 Hình 4.4. Thiết bị thu thập tín hiệu NI-6009 116 Hình 4.6. Chuẩn bị máy khoan cọc nhồi để thực nghiệm tại địa điểm khoan 117 Hình 4.7. Chuẩn bị thiết bị đo lưu lượng, áp suất, hành trình 117 Hình 4.8. Kết nối thiết bị đo với bộ công tác 118 Hình 4.9. Chạy thử không tải bộ công tác khoan và thiết bị đo 118 Hình 4.10. Thử nghiệm bộ công tác khoan tại Hà Nội 119 Hình 4.11. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với trường hợp đo không tải tốc độ chậm 120 Hình 4.12. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với trường hợp đo không tải tốc độ nhanh 120 Hình 4.13. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm 121 Hình 4.14. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu, xám vàng, xám trắng, trạng thái dẻo cứng 121 Hình 4.15. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất sạn sỏi lẫn cát kết cấu rất chặt 121
20. xviii Hình 4.16. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất cát hạt nhỏ lẫn sạn sỏi, kết cấu rất chặt 122 Hình 4.17. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất cuội sỏi lẫn cát sạn đa màu, đa khoáng, kết cấu rất chặt 122 Hình 4.18. Tổng công suất của 2 động cơ quay mâm khoan và mô men xoắn trên gầu khoan ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm 123 Hình 4.19. Tổng công suất của 2 động cơ quay mâm khoan và mô men xoắn trên gầu khoan ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu, xám vàng, xám trắng, trạng thái dẻo cứng 124 Hình 4.20. Tổng công suất của 2 động cơ quay mâm khoan và mô men xoắn trên gầu khoan ứng với tầng địa chất cát hạt nhỏ lẫn sạn sỏi, kết cấu rất chặt 124 Hình 4.21. Tổng công suất 2 động cơ quay mâm khoan và mô men xoắn trên gầu khoan ứng với tầng địa chất cuội sỏi lẫn cát sạn đa màu, đa khoáng, kết cấu rất chặt 124 Hình 4.22. Áp suất dầu thủy lực trong xi lanh ép mâm khoan 125 Hình 4.23. Dịch chuyển của mâm khoan 125 Hình 4.24. Biểu đồ so sánh áp suất dầu trong nhánh cao áp cung cấp cho động cơ thủy lực (tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm, độ sâu từ 26m – 32,5m) 126 Hình 4.25. Biểu đồ so sánh tổng lưu lượng dầu cung cấp cho động cơ thủy lực (tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm, độ sâu từ 26m – 32,5 m) 126 Hình 4.26. Biểu đồ so sánh áp suất dầu trong xi lanh ép mâm khoan 127 Hình 4.27. Biểu đồ so sánh dịch chuyển của mâm khoan 127
21. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Giao thông vận tải đường bộ là một bộ phận quan trọng trong kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội, vì vậy cần ưu tiên đầu tư phát triển giao thông vận tải đường bộ để tạo tiền đề, làm động lực phát triển kinh tế - xã hội, phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa, đáp ứng tiến trình hội nhập kinh tế khu vực và quốc tế, góp phần bảo đảm quốc phòng, an ninh. Ngày 24/8/2009 Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số 1327/QĐ-TTg phê duyệt "Quy hoạch phát triển giao thông vận tải đường bộ Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030. Theo qui hoạch trên, trong tương lai nước ta sẽ xây dựng các tuyến quốc lộ với tổng chiều dài khoảng 18.710 km, đường cao tốc khoảng 20 tuyến với tổng chiều dài 8.871 km, đồng thời với việc phát triển mạng lưới đường bộ thì việc xây dựng cầu cũng cần được triển khai. Ở phía Bắc, một loạt các dự án cầu lớn đã và đang được đầu tư xây dựng như: Cầu Nhật Tân, cầu Hồng Hà, Mễ Sở, Vĩnh Thịnh, Tứ Liên, Đông Trù, Thạch Cầu, Phù Đổng II, Cầu Đuống mới, Ở phía Nam có các công trình: Cầu Bình Khánh trên sông Nhà Bè, cầu Phước Khánh trên sông Lòng Tòng, cầu Phước Anh trên Sông Thị Vải, cầu Long Thành, cầu Nhơn Trạch, cầu Sài Gòn 2, cầu Phú Thuận Ngoài các cây cầu bắc qua sông còn một loạt cầu vượt được xây dựng trong đô thị. Do đó, công việc xử lý nền móng đang được đặc biệt quan tâm nhằm tăng chất lượng cho công trình đồng thời tăng tiến độ thi công, đem lại hiệu quả kinh tế. Nhiều loại thiết bị máy móc đang được sử dụng cho việc thi công nền móng nhằm tạo ra các cọc bê tông cốt thép có chiều sâu và đường kính lớn trong nền móng công trình như máy đóng cọc cát, máy ép bấc thấm, máy ép cọc kiểu tĩnh, máy gia cố cọc xi măng đất. Tuy nhiên để thi công các móng nhà cao tầng cũng như thi công các mố trụ cầu, người ta sử dụng phổ biến nhất là các thiết bị khoan cọc nhồi. Trong số các loại máy khoan cọc nhồi đang sử dụng ở Việt Nam hiện nay, loại máy khoan cọc nhồi lắp trên cần trục bánh xích là loại phổ biến nhất vì các ưu điểm nổi bật của nó như: Tính cơ động và độ ổn định cao, máy cơ sở là cần trục nên nó có tính đa năng, làm được nhiều công việc khác nhau và có ở hầu hết các đơn vị thi công cầu hoặc nhà cao tầng.
22. 2 Các loại máy khoan cọc nhồi kiểu này hiện nay các đơn vị thi công chủ yếu nhập 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. Để giảm bớt khó khăn về tài chính trong việc đầu tư thiết bị, các đơn vị thi công đang tìm cách nghiên cứu, tính toán thiết kế bộ công tác của máy để thay thế thiết bị ngoại nhập. Tuy nhiên 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. Xuất phát từ yêu cầu của thực tế sản xuất đã nêu ở trên, một số đơn vị đang mong muốn tiến hành hợp tác với các nhà khoa học của các trường Đại học để nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ công tác máy khoan cọc nhồi nhằm thay thế thiết bị nhập ngoại. Nhu cầu cung cấp sản phẩm này cho thị trường Việt Nam với giá thành rẻ chỉ xấp xỉ 1/3 giá thành của thiết bị ngoại nhập là rất lớn. Kết quả nghiên cứu của đề tài được áp dụng vào sản xuất sẽ góp phần tận dụng tiềm năng cơ khí trong nước, hạn chế nhập khẩu máy móc, thiết bị, tiết kiệm ngoại tệ, mang lại việc làm cho người lao động và thúc đẩy ngành cơ khí chế tạo máy trong nước phát triển. Việc nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy khoan cọc nhồi có bộ công tác do Việt Nam chế tạo góp phần đáp ứng đòi hỏi bức thiết của sản xuất đang đặt ra ở 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 nghiên cứu 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.
23. 3 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. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm và khảo sát, cụ thể như sau: a) Về lý thuyết: Xây dựng mạch thủy lực của MKCN, thiết lập các hệ phương trình vi phân, giải các phương trình vi phân để xác định các thông số ĐLH của hệ thống truyền động thủy lực của máy. Xây dựng các chương trình mô phỏng hệ thống TĐTL bằng phần mềm Matlab Simulink. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố địa chất và của điều kiện khai thác đến các thông số ĐLH của hệ thống TĐTL (áp suất, lưu lượng, mômen cản, công suất động cơ dẫn động ) bằng chương trình mô phỏng đã xây dựng. Giải bài toán tối ưu các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu khoan bằng phương pháp tiến hóa vi phân (DE). b) Về thực nghiệm: Nghiên cứu, đo đạc các thông số của hệ thống TĐTL dẫn động bộ công tác khoan trên MKCN CX500 để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu bằng lý thuyết, từ đó so sánh, đánh giá rút ra kết luận về sự đúng đắn của mô hình lý thuyết và độ tin cậy của kết quả. Đề xuất các thông số làm việc hợp lý của thiết bị khi thi công các cọc khoan nhồi tại vùng đồng bằng Bắc Bộ. c) Về khảo sát: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng ĐLH, làm cơ sở khuyến nghị các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay khi thi công tại vùng đồng bằng Bắc Bộ. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a. Ý nghĩa khoa học: Xây dựng mô hình ĐLH động cơ thuỷ lực dẫn động mâm khoan và ĐLH hệ thống xi lanh thủy ép mâm khoan của MKCN kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích tại Việt Nam tương ứng với các trạng thái làm việc của máy.