Xác định mối quan hệ giữa các thông số động lực học của hệ rung làm tăng độ bền, độ chống thấm của máng xi măng lưới thép (tóm tắt)

Vì vậy đề tài luận án: “Xác định mối quan hệ giữa các thông số động lực học của hệ rung làm tăng độ bền, độ chống thấm của máng xi măng lưới thép” là hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa họ

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

Công trình được hoàn thành tại Viện Cơ Học - Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Trần Văn Tuấn

Phản biện 1: GS.TSKH Phạm Văn Lang

Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thái Chung

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại Viện Cơ học- Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam

Vào hồi giờ ngày tháng năm 2014

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia

- Thư viện Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam

MỞ ĐẦU

Kênh và cầu máng xi măng lưới thép (XMLT) chế tạo bằng công nghệ rung ngày càng được áp dụng rộng rãi trong ngành Thuỷ lợi - Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, kết cấu này được Nhà nước đã

và đang đầu tư nhiều tỷ đồng cho việc kiên cố và hiện đại hóa hệ thống tưới tiêu nước nhằm đẩy mạnh phát triển nông nghiệp - lương thực, một trong những mục tiêu quan trọng nhất để phát triển Việt

Nam trong giai đoạn mới Vì vậy đề tài luận án: “Xác định mối quan hệ giữa các thông số động lực học của hệ rung làm tăng độ bền, độ chống thấm của máng xi măng lưới thép” là hướng nghiên

cứu có ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn tốt

- Mục đích: nghiên cứu các ảnh hưởng của thông số dao động của hệ

rung đối với độ bền và độ chống thấm của cầu máng XMLT; nghiên cứu các đặc điểm của hệ dao động theo một phương truyền thống, các thuận lợi cũng như hạn chế của hệ, đề xuất hệ rung mới chế tạo máng XMLT và phân tích các thông số ảnh hưởng có lợi cho sự rung đầm chặt của bê tông, nhằm làm tăng độ bền cũng như độ chống thấm của kết cấu XMLT chế tạo bằng phương pháp rung

- Nội dung nghiên cứu: 1.Tìm hiểu về phạm vi sử dụng, đặc thù kết

cấu XMLT và vật liệu chế tạo chúng Nghiên cứu các phương pháp sản suất (đúc rung - tạo hình và lèn chặt sản phẩm) bê tông cốt liệu nhỏ, đề xuất loại máy rung hai phương cộng hưởng sử dụng hiệu ứng tuyến tính hóa ma sát.2 Nghiên cứu mô hình máy rung hai phương cộng hưởng; khảo sát ảnh hưởng của các thông số động học, động lực học tới độ bền và độ chống thấm của XMLT Đề xuất quy trình thiết

kế máy rung thí nghiệm 3 Thiết kế, chế tạo máy rung 2 phương cỡ nhỏ và tiến hành đo, so sánh các thông số chính của máy với tính toán lý thuyết; đo, so sánh độ bền nén và độ chống thấm của mẫu

khuôn các cấp phối bê tông cốt liệu nhỏ trên máy rung một và hai

phương Đúc thử mẫu máng XMLT và đề xuất quy trình ứng dụng kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho việc chế tạo máng XMLT thực

tế Đưa ra các kết luận và kiến nghị

- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: các chế độ làm việc của máy

rung một phương và hai phương ảnh hưởng đến chất lượng của kết cấu XMLT về độ bền và độ chống thấm Các thông số chủ yếu gồm biên độ dao động, vận tốc cũng như gia tốc.vv được khảo sát kỹ để tìm được các ảnh hưởng có lợi cho rung đầm chặt bê tông, các thông

số này được đo đạc kiểm chứng thông qua thực nghiệm

- Phương pháp nghiên cứu: sử dụng phương pháp giải tích về dao

động theo 2 phương Áp dụng phương pháp thực nghiệm trong đo đạc và kỹ thuật để chế tạo máy rung và các mẫu bê tông Phương pháp số đã được dùng để tính toán so sánh, phân tích tổng hợp kết quả

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Chế tạo các kết cấu bê tông đúc sẵn

trong đó có kênh, cầu máng XMLT mang một ý nghĩa khoa học đáng

kể Việc nghiên cứu cải tiến, đổi mới hơn nữa công nghệ rung sẽ tiếp tục tạo ra những công trình tưới tiêu đóng góp thiết thực vào việc nâng cao năng suất cây trồng, tiết kiệm đất đai, giảm chi phí duy tu bảo dưỡng công trình Áp dụng công nghệ chế tạo kết cấu XMLT nói chung và kênh, cầu máng XMLT nói riêng bằng phương pháp rung công nghiệp tiên tiến quy mô lớn là rất quan trọng và cấp thiết để thực hiện mục tiêu to lớn nói trên của Nhà nước và nhân dân

Luận án gồm phần mở đầu, 3 chương nội dung và phần kết luận, các công trình công bố của tác giả, tài liệu tham khảo và phụ lục

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Kết cấu XMLT vỏ mỏng

Phần này trình bày sơ lược lịch sử phát triển kết cấu XMLT

1 Ứng d ng kết cấu xi măng lưới thép

1 3 Cầu máng XMLT

1.3.1 Khái quát chung Cầu máng là một công trình dẫn nước được

dùng khi các tuyến kênh gặp các trở ngại cần phải vượt qua như: sông, suối, thung lũng, kênh rạch, vùng đất trũng hoặc thay thế một đoạn kênh qua vùng đất thấm nước nhiều…Cầu máng thường làm bằng bêtông cốt thép hoặc xi măng lưới thép

1 3 Dạng mặt cắt thân máng Thân máng có nhiều dạng mặt cắt

như hình 1.4 tùy theo các thuận lợi khi thiết kế và thi công

a) b) c) d) e)

Hình 1.4 Các dạng mặt cắt ngang thân máng

Khi chế tạo thường làm thành các đoạn theo thiết kế Mặt cắt ngang kết cấu hình thang, hình chữ U thường được dùng

1.3.3 Phân tích về cường độ cầu máng XMLT

a) Phân tích nội lực thân máng theo lý thuyết dầm

b) Phân tích nội lực theo lý thuyết vỏ: Vẽ được biểu đồ ứng suất, biến dạng của máng XMLT

1.3.4 Phân tích về độ chống thấm của cầu máng XMLT

Để đảm bảo độ bền và tuổi thọ của kết cấu XMLT cần ngăn chất lỏng và các chất gây hại xâm nhập vào kết cấu qua mặt tiếp xúc ngoài.Yêu cầu kỹ thuật bê tông thủy công quy định về độ chống thấm

ở tuổi 28 ngày, xác định bằng mác chống thấm theo quy phạm

14TCN 63-2002

1.4 Một số công nghệ chế tạo kênh, cầu máng XMLT

1.4.1 Chế tạo bằng thủ công

1 4 Chế tạo bằng vữa tự lèn

1 4 3 Chế tạo bằng phương pháp phun

1 4 4 Chế tạo bằng phương pháp rung

Có nhiều phương thức rung: rung toàn khối, rung mặt hoặc rung khuôn Rung toàn khối được dùng là chủ yếu, vật rung gắn với hệ khung cứng, đặt trên hệ lò xo và được kích rung cưỡng bức Hiệu ứng đầm chặt phụ thuộc các thông số rung như biên độ, vận tốc, gia tốc, độ cứng lo xo…nên có thể điều chỉnh các thông số để có được hiệu quả đầm chặt cao nhất

1 5 Một số tính chất lưu biến ảnh hưởng đến rung lèn chặt b tông Thành phần h n hợp của bê tông và liều lượng, tính chất của

t ng thành phần, (đặc biệt là hình dạng cốt liệu, kích cỡ lớn nhất, cấp phối, độ xốp, cấu trúc mặt ngoài của cốt liệu), và lượng tham gia của vữa (nước và xi măng), tỉ lệ pha trộn, thời gian đều ảnh hưởng đến rung lèn chặt bê tông Những hiểu biết về các tính chất lưu biến làm cho việc đầm chặt có hiệu quả hơn

1 6 Rung lèn chặt h n h p b tông

1 6 1 Giới thiệu chung Có hơn 90% sản phẩm bê tông được tạo

hình liên quan đến phương pháp rung.Trong rung đúc chế tạo kết cấu

bê tông và nhất là kết cấu vỏ mỏng XMLT, nguồn kích động thường dùng là kích động bằng khối lệch tâm Dạng bài toán dao động được

sử dụng nhiều là dao động cưỡng bức có ma sát nhớt với sơ đồ

nguyên lý rung một khối lượng

1 6 Phân tích cố kết đầm chặt của quá tr nh rung

Phân tích các giai đoạn cố kết đầm chặt của bê tông là rất quan trọng, được chia làm 3 hướng phân tích chủ yếu: khi coi h n hợp bê tông tươi có cấu trúc như mạng tinh thể, dẫn đến có thể chọn tần số rung hợp lý phụ thuộc vào kích thước cốt liệu Khi coi h n hợp

bê tông tươi có tính chất như môi trường liên tục có tính đàn nhớt do

có lẫn bọt khí, thì có thể giải thích quá trình làm chặt h n hợp bê tông bằng phương trình truyền sóng Khi chấp nhận giả thuyết về cường

độ rung hợp lý dựa trên kinh nghiệm thì cường độ rung được xác định dựa vào biên độ rung và tần số rung : I = A2

.f 3

1 6 3 Ảnh hưởng của rung đầm chặt đến cường độ của b tông

Rung đầm chặt của một cấu kiện dạng hạt sẽ có kết quả khi đặt được các phần tử vào chuyển động Cường độ nén chịu ảnh hưởng của tần

số, vận tốc và gia tốc rung với tỷ lệ nước-xi măng khác nhau

1 6 4 Ảnh hưởng của rung đầm chặt đến độ chống thấm của b tông: Bê tông cần có khả năng chống thấm vì thấm làm giảm tuổi thọ

và độ bền công trình Độ chống thấm của bê tông phụ thuộc độ r ng của nó xác định thông qua các kết quả đo đạc thí nghiệm Rung đầm chặt đã làm giảm thể tích và các micro l r ng và mao quản trong bê tông nên làm tăng độ chống thấm của bê tông

1 6 5 Dao động của hệ kích rung bằng khối lệch tâm đ đ c cầu máng XMLT Hiện nay thường dùng dạng dao động cưỡng bức có

ma sát nhớt, kích động bằng khối lệch tâm với sơ đồ nguyên lý rung một khối lượng và rung theo một phương như hình 1.13

Phương trình dao động: (mo + m1)y+ byy+ Cyy = Fa cosωt

1-Bàn rung; 2-Cơ cấu gây

rung; 3-Lò xo theo phương

đứng OY

Trong đó: m0 – Khối lượng lệch tâm, kg; m1 -Tổng khối lượng dao động (không kể m0), kg; Cy – Tổng

độ cứng của lò xo theo phương đứng

OY, N/m; by – Hệ số giảm chấn, N.s m; ω – Vận tốc góc của khối gây rung, 1 s; r – Độ lệch tâm của khối gây rung, m; t – Thời gian, s

2 2 2 2 0

Thành phần dao động cưỡng bức bình ổn, viết được dưới dạng sau: y y acosty

(1.10) Trong đó: y- góc lệch pha giữa lực kích thích và dịch chuyển

 

2 0 2

(1.12)

Các kết quả của (1.10), (1.11) đã được sử dụng để xác định các thông số của hệ rung theo 1 phương đứng để chế tạo cầu máng XMLT

1 7 Kết luận chương 1 Cường độ của máng XMLT hoàn toàn được

xác định thông qua phân tích nội lực thân máng theo các phương pháp dầm và lý thuyết vỏ mỏng không gian

Độ chống thấm của kết cấu XMLT được đánh giá và xác định theo thực nghiệm và quy định hiện hành của quy phạm Các nhân tố quan trọng nhất là cường độ và độ chống thấm phụ thuộc vào các thông số rung đầm chặt của phương pháp rung

Phân tích đánh giá công nghệ chế tạo cho thấy công nghệ rung có rất nhiều ưu việt và có thể sử dụng phổ biến trên diện rộng Các tài liệu nghiên cứu chỉ ra rằng: máy rung thẳng đứng cho sản phẩm có cường độ cao hơn máy rung theo phương ngang 10% Dao động theo một phương thẳng đứng sản phẩm nhận được có cường độ giảm 15%

so với rung hai phương.Tác giả của luận án cho rằng: t cơ sở lý thuyết của mô hình dao động và dựa trên các kết quả đã thu được của mô hình rung theo 1 phương, việc nghiên cứu thiết kế máy rung 2 phương cộng hưởng sẽ chế tạo được cấu kiện bê tông vỏ mỏng XMLT tốt hơn các loại máy rung khác hiện đang dùng

Chương

NGHIÊN CỨU THI T K MÁY RUNG CỘNG HƯỞNG

THEO PHƯ NG CH TẠO CẦU MÁNG XMLT

2.1 Nghi n cứu bản chất của quá tr nh rung phương chế tạo

cấu kiện XMLT

Dao động theo 2 phương thẳng đứng và nằm ngang, với phương

ngang có tốc độ lớn hơn so với phương đứng sẽ làm các hạt trượt lên

nhau, ma sát theo phương đứng giảm do quá trình tuyến tính hóa ma

sát, các hạt chìm xuống nhờ trọng lượng bản thân trong môi trường đã

bị giả lỏng, làm cho quá trình làm chặt đạt hiệu quả hơn

1 1 Quá tr nh tu ến tính h a ma sát và chu n động của h n

h p b tông trong mặt ph ng c ma sát

Hạt cốt liệu M chuyển động với vận tốc Vx và Vy trong mặt phẳng ma

sát XOY, véc tơ tổng T tạo với OX góc α với tgα = Vy/Vx Khi

nếu tăng Vx , giảm Vy hoặc giảm α ≈Vy/Vx thì sẽ giảm lực ma sát Ty

làm cho hạt chìm xuống nhanh hơn dẫn đến làm tăng hiệu quả đầm

chặt

1 Rung phương, cộng hưởng theo phương ngang Sử dụng

mô hình rung 2 phương và cho cộng hưởng theo phương ngang sẽ đem lại hiệu quả đầm chặt tốt hơn so với rung một phương

2.2 Mô hình và phương tr nh của hệ kích rung bằng khối lệch tâm

1 Mô h nh động lực học má rung theo phương

1 4

3 2

Hình 2.2 Mô hình máy rung 2 phương

1.Bàn rung 2 Cơ cấu gây rung

a) Phân tích dao động theo phương OX và OY:

Giải (2.5), ta có các thông số cơ bản để tính toán thiết kế máy rung và cho máy làm việc ở chế độ cộng hưởng theo phương ngang để giảm

ma sát: t (2.8), (2.9), (2.10), (2.12), (2.13), (2,14), (2.15), rút ra :

xx cosa   t x; y = ya sin (ωt-φy)

2 0

m ry





    

0 ox

2 2 ox

ch

x

 - Tần số cộng hưởng theo phương Ox

3 Chọn sơ bộ một số thông số của má rung

Theo thiết kế mặt cắt máng và chiều dài đoạn cầu máng, xác định được tổng khối lượng tham gia dao động M=1500 kg; Tốc độ quay động cơ được sử dụng nđc = 3000 v ph; Tần số góc làm việc ωlv =

314 rad s; Biên độ dao động ngang Xa = 0,3 ÷ 0,8 mm; Biên độ dao động đứng Ya = 0,2 ÷ 0,5 mm; Tỉ số vận tốc Vax / Vay> 1 làm cho ma sát theo phương đứng OY giảm, tăng khả năng làm chặt

3 1 Xác định các thông số cơ bản của cơ cấu gâ rung và lò xo 2.3.1.1 Mômen tĩnh cần thiết m o r ct

Tổng độ cứng tính toán của các lò xo theo phương ngang Ox được xác định theo điều kiện gần điểm cộng hưởng bằng công thức sau: ox

T đó chọn được số lượng 132 lò xo ngang

2.3.2 Xác định các thông số bi n độ, vận tốc, gia tốc theo phương ngang OX

3 1 Bi n độ theo phương ngang X a: Xác định theo biểu thức (2.9) :

m r X

hx = 60 (1 s), ω = 314 rad s vào (2.9) xác định được biên độ dao động theo phương OX là Xa= 0,7944 (mm)

2.3.2.2 Bi n độ vận tốc theo phương ngang OX: Biên độ vận tốc

được xác định theo biểu thức sau (2.41): Vax = ω.Xa (mm/s) Thay ω = ωlv = 314 (rad/s), Xa = 0,7944 (mm) vào (2.41) ta có :

Vax = 314 0,7944 = 249,44 (mm/s)

2.3.2.3 Bi n độ gia tốc theo phương ngang OX: Biên độ gia tốc

được xác định theo biểu thức sau :

X a= 10-3 Xa.ω2

(m/s2) (2.42) Thay ω = ωlv = 314 (rad/s), Xa = 0,7944 (mm) vào (2.42) ta có :

m r Y

Khi có kể đến ảnh hưởng của lò xo ngang tác dụng lên phương đứng:

Ya = 0,48686 (mm)

2.3.3.2 Bi n độ vận tốc theo phương đứng OY: Biên độ vận tốc

được xác định theo biểu thức sau: Vay = ω.Ya (mm/s) (2.55)

Thay ω = ωlv = 314 (rad/s), Ya = 0,48686 (mm) vào (2.55) ta có

Vay = 314.0,48686 = 152,87 (mm/s)

2.3.3.3 Bi n độ gia tốc theo phương đứng OY: Biên độ gia tốc

được xác định theo biểu thức sau :Ϋa = 10-3 Ya.ω2

(m/s2) (2.56) Thay ω = ωlv = 314 (rad/s), Ya = 0,48686 (mm) vào (2.56) ta có

đã thiết lập, ta vẽ được đồ thị biên độ (hình 2.4), vận tốc (hình 2.8)

và gia tốc ( hình 2.12 ) dưới đây T biểu thức (2.57); (2.58) cho ω

thay đổi, ta có đồ thị Xa(ω); Ya(ω)

Hình 2.4 Đồ thị hàm số Xa(ω) và Ya(ω)

Hình 2.15 Sơ đồ quy trình tính toán có trợ giúp của máy tính

Kết luận chương

Xuất phát t nhiệm vụ đã nêu ở chương trước, tác giả đã lựa chọn phương pháp rung theo 2 phương hiệu quả hơn phương pháp rung 1 phương truyền thống để đúc các cấu kiện vỏ mỏng bằng bê tông hạt mịn Trong chương này đã trình bày nghiên cứu về mặt bản chất cũng như tính toán cụ thể phương pháp rung 2 phương chế tạo cầu máng XMLT, đặc biệt vấn đề tuyến tính hóa ma sát đã chứng minh được là:

sự giảm ma sát theo phương đứng làm cốt liệu chìm xuống nhanh hơn, tăng hiệu quả của rung đầm chặt bê tông tươi

Các thông số ảnh hưởng đến bản chất rung đầm chặt của bài toán rung theo 2 phương đã được xác định Tác giả đã phân tích các ảnh hưởng có lợi cho rung đầm chặt về mặt biên độ, tần số, thời gian rung

và các hệ số liên quan khác như hệ số cản h, hệ số k xét ảnh hưởng của

h n hợp bê tông cùng tham gia dao động, tổng khối lượng M tham gia dao động, đặc biệt là vận tốc rung theo phương ngang khi có cộng hưởng ngang có thể được điều khiển để Vx> Vy khá lớn, triệt để lợi dụng hiện tượng tuyến tính hóa ma sát

Trong chương này tác giả đã trình bày cơ sở tính toán, trong đó đưa

ra các công thức cơ bản để tính chọn các thông số thiết kế máy rung theo 2 phương như tổng khối lượng tham gia rung M, tần số làm việc của động cơ gây rung ωlv, mô men tĩnh gây rung mor, độ cứng lò xo trong đó có chỉ dẫn các bước tính toán thiết kế và sơ đồ quy trình tính toán có trợ giúp của máy tính

Thông qua biểu thức xác định giá trị biên độ (2.9); (2.14) và các giá trị khảo sát trong bảng 2.5 cho thấy: khi tần số làm việc ωlv=314 rad/s thì tổng biên độ dao động của máy rung 2 phương có giá trị là