Nghiên cứu giảm tải trọng động của máy ủi trong thi công đường tuần tra biên giới

Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài là giảm tải trọng động tác động lên các bộ phận, nhất là thiết bị công tác của máy ủi trong quá trình đào và chuyển đất ở khu vực đất

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

CÔNG ĐƯỜNG TUẦN TRA BIÊN GIỚI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2016

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN THÀNH THU

NGHIÊN CỨU GIẢM TẢI TRỌNG ĐỘNG MÁY ỦI, NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TRONG THI CÔNG ĐƯỜNG TUẦN TRA BIÊN GIỚI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Thành Thu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN vii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN ix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1 Tổng quan về môi trường đất 5

1.1.1 Môi trường đất tự nhiên 5

1.1.2 Môi trường đất đường tuần tra biên giới 11

1.2 Tổng quan về máy ủi sử dụng trên đường tuần tra biên giới 13

1.2.1 Khái quát về máy ủi 13

1.2.2 Máy ủi thi công trên đường tuần tra biên giới 15

1.2.3 Khung đẩy máy ủi 15

1.3 Tổng quan về nghiên cứ u sự tương tác giữa lưỡi ủi với môi trường đất 16

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tương tác 16

1.3.2 Tải tro ̣ng đô ̣ng máy ủi 19

1.3.3 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 20

1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 24

1.4.1 Mục tiêu củ a luận án 24

1.4.2 Nhiệm vụ của luận án 24

Kết luận chương 1 26

Chương 2 MÔ HÌNH KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC MÁY ỦI 27

2.1 Giới thiệu 27

2.2 Xây dựng mô hình khảo sát động lực học máy ủi DZ271 27

2.2.1 Cấu trúc tổng quan của máy ủi DZ271 27

2.2.2 Các giả thiết xây dựng mô hình 28

2.2.3 Mô hình khảo sát động lực học máy ủi 29

2.3 Tính toán các đại lượng trong mô hình khảo sát động lực học 30

2.3.1 Tính lực kéo củ a máy 30

2.3.2 Xác định lực cản di chuyển của máy 33

2.3.3 Xác định lực cản khi đào và di chuyển đất không gặp chướng ngại 35

2.3.4.Xác định lực cản khi đào và di chuyển đất gặp chướng ngại 39

2.3.5 Xác định chiều dày phoi cắt 43

2.3.6 Xác định mômen quán tính khối lượng quy đổi 45

2.3.7 Xác định hệ số độ cứng k2 và hệ số cản c2 48

2.4 Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ 50

2.4.1 Vectơ vị trí của các điểm 50

2.4.2 Động năng của cơ hệ 51

2.4.3 Thế năng 53

2.4.4 Hàm hao tán 53

2.4.5 Lực suy rộng của các lực không thế 54

2.5 Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động 55

2.6 Phương pháp giải hệ phương trình vi phân chuyển động 57

Kết luận chương 2 58

Chương 3 KHẢO SÁT TẢI TRỌNG ĐỘNG MÁY ỦI - ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM TẢI TRỌNG ĐỘNG 59

3.1 Giới thiệu 59

3.2 Tải trọng động máy ủi 59

3.2.1 Thông số đặc trưng cho tải trọng động máy ủi 59

3.2.2 Xác định phản lực liên kết tại khớp nối khung đẩy và khung gầm 60

3.3 Xây dựng thuật toán và chương trình tính 62

3.4 Xác định các thông số đầu vào và đầu ra của chương trình tính 67

3.4.1 Khối lượng và mô men quán tính khối lượng của các khâu 69

3.4.2 Xác định các kích thước động học của máy ủi 70

3.4.3 Các điều kiện đầu 71

3.4.4 Đầu ra của chương trình tính 71

3.5 Kết quả khảo sát động lực học máy ủi 71

3.5.1 Quỹ đạo chuyển động của dao cắt trong mặt phẳng thẳng đứng 71

3.5.2 Khảo sát thành phần lực cản đào đất Pd 72

3.5.3 Khảo sát thành phần phản lực liên kết RF tại khớp F 74

3.6 Giảm tải trọng động máy ủi 77

3.6.1 Giảm tải trọng động trong khai thác sử dụng 79

3.6.2 Giảm tải trọng động bằng cách sửa đổi thiết kế 80

Kết luận chương 3 88

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 89

4.1 Mục đích và các thông số đo 89

4.2 Trang thiết bị thực nghiệm 90

4.3 Chọn số lần thực nghiệm 100

4.4 Phương pháp đánh giá sai số thực nghiệm 100

4.5 Phương pháp đo lực cản trong quá trình đào và di chuyển đất 101

4.6 Kiểm nghiệm công thức tính lực cản theo lý thuyết 103

4.7 Kết quả thực nghiệm 107

Kết luận chương 4 116

KẾT LUẬN CHUNG 117

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 118

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu Tên gọi Đơn vị

JG Mô men quán tính khung gầm máy ủi kg.m2

JK Mô men quán tính khung và lưỡi máy ủi kg.m2

JT Mô men quán tính của thân máy ủi kg.m2

Mbs Mô men dẫn động đặt tại bánh sao chủ động N.m

Ký hiệu Tên gọi Đơn vị

p Áp suất của đất tác dụng lên dải xích kG/cm2

Pxl Lực trong xi lanh nâng hạ lưỡi ủi kN

DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN

Bảng 1.1 Phân loa ̣i đất theo kích thước ha ̣t 7

Bảng 1.2 Phân loại đất theo trọng lượng riêng và hệ số tơi xốp 7

Bảng 1.3 Phân cấp đất theo thi công bằng cơ giới 8

Bảng 1.4 Phân loa ̣i đất theo kích cỡ ha ̣t 9

Bảng 1.5 Tính chất cơ lý đất đường tuần tra biên giới 12

Bảng 2.1 Sự phụ thuộc của hệ số cắt vào tốc độ cắt 37

Bảng 2.2 Mô men quán tính khối lượng của các khâu máy ủi DZ271 46

Bảng 3.1 Khối lượng và mômen quán tính khối lượng của các khâu 70

Bảng 3.2 Các thông số hình học của máy ủi 70

Bảng 3.3 Giá trị trung bình của lực cản đào theo các vận tốc khác nhau 73

Bảng 3.4 Giá trị trung bình của lực cản đào ở các vận tốc khác nhau 74

Bảng 3.5 So sánh lực cản đào ở hai trường hợp khác nhau 74

Bảng 3.6 So sánh lực cản đào với phản lực liên kết khớp F 75

Bảng 3.7 So sánh phản lực RF và lực cản đào Pd khi gặp chướng ngại 76

Bảng 3.8 So sánh phản lực liên kết tại khớp F trong hai trường hợp gặp và không gặp chướng ngại 77

Bảng 3.9 Miền giá trị của cặp lò xo - giảm chấn k2, c2 81

Bảng 3.10 So sánh phản lực liên kết tại khớp F khi gặp chướng ngại ở các giá trị c2, k2 khác nhau 82

Bảng 3.11 So sánh phản lực liên kết tại khớp F khi gặp chướng ngại ở các giá trị c2, k2 khác nhau 83

Bảng 3.12 So sánh phản lực liên kết tại khớp F khi gặp chướng ngại ở các giá trị c2, k2 khác nhau 84

Bảng 3.13 So sánh phản lực liên kết tại khớp F khi gặp chướng ngại ở các giá trị c2, k2 khác nhau 85

Bảng 3.14 So sánh phản lực liên kết tại khớp F khi gặp chướng ngại ở các giá

trị c2, k2 khác nhau 86

Bảng 3.15 So sánh phản lực RF F khi thay đổi giá trị của cặp k2, c2 86

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến đo lực LCV-A 91

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của đồng hồ đo tốc độ vòng quay HHT13 94

Bảng 4.3 Các thông số kỹ thuật của cảm biến H7 95

Bảng 4.4 Các thông số kỹ thuật cảm biến đo tốc độ GSS25 96

Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật thiết bị ghi và xử lý tín hiệu Dewetron 3020 97

Bảng 4.6 Chỉ số Dornhin và lực cản cắt theo cấp đất 105

Bảng 4.7 Giá trị lực cản đào tại các vận tốc di chuyển khác nhau 111

Bảng 4.8 Giá trị lực cản đào ở các vận tốc di chuyển của máy 112

Bảng 4.9 Giá trị trung bình của lực cản đào và chuyển đất trong trường hợp thông thường (không gặp chướng ngại) 114

Bảng 4.10 Giá trị trung bình của lực cản do đào và chuyển đất trong trường hợp gặp chướng ngại 115

DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN

Hình 1.1 Các sơ đồ đào đất của máy ủi 14

Hình 1.2 Máy ủi DZ271 16

Hình 1.3 Sơ đồ cắt đất 17

Hình 2.1 Máy ủi khi đào và chuyển đất gặp chướng ngại 28

Hình 2.2 Mô hình ĐLH máy ủi khi đào và chuyển đất 29

Hình 2.3 Hoạt động cắt của xích và bánh xe 30

Hình 2.4 Các dạng phân bố áp suất 32

Hình 2.5 Mô hình khảo sát tương tác xích - đất 33

Hình 2.6 Sơ đồ lực tác động lên lưỡi ủi khi đào và chuyển đất 35

Hình 2.7 Sơ đồ lực tác dụng lên lưỡi ủi khi đào và di chuyển đất 36

Hình 2.8 Sơ đồ máy ủi khi đào và chuyển đất gặp chướng ngại 39

Hình 2.9 Mô hình động lực học máy ủi khi gặp chướng ngại 40

Hình 2.10 Sơ đồ xác định chiều dày phoi cắt của máy ủi 43

Hình 2.11 Biểu diễn một số dạng mấp mô tiêu biểu của nền đất 44

Hình 2.12 Mô hình tính động lực học hệ truyền lực máy ủi DZ271 46

Hình 2.13 Kết cấu và kích thước khung đẩy máy ủi DZ271 49

Hình 3.1 Sơ đồ lực tác dụng lên cụm khung đẩy và lưỡi ủi 60

Hình 3.2 Sơ đồ khối (sơ đồ thuật toán) của chương trình tính toán động lực học máy ủi 64

Hình 3.3 Khối đầu vào cho các tọa độ suy rộng 65

Hình 3.4 Khối đầu vào cho vận tốc ban đầu 65

Hình 3.5 Khối tích phân gia tốc để tìm vận tốc 66

Hình 3.6 Khối tích phân vận tốc để tìm vị trí và chuyển vị 66

Hình 3.7 Sơ đồ thuật toán Matlab Simulink giải hệ PTVP chuyển động 68

Hình 3.8 Mô hình 3D của máy ủi DZ271 thiết kế trên Inventor 69

Hình 3.9 Quỹ đạo của dao cắt trong quá trình đào và di chuyển đất 72

Hình 3.10 Sự thay đổi của lực cản đào đất Pd theo thời gian 72

Hình 3.11 Sự thay đổi của lực cản đào đất Pd theo thời gian 73

Hình 3.12 Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian 75

Hình 3.13 Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian 76

Hình 3.14 Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian 81

Hình 3.15 Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian 82

Hình 3.16 Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian 83

Hình 3.17 Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian 84

Hình 3.18 Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian 85

Hình 3.19 Sự thay đổi của phản lực RF theo thời gian 87

Hình 4.1 Đoàn cán bộ tại hiện trường thực nghiệm 90

Hình 4.2 Máy ủi DZ271 để làm thực nghiệm 90

Hình 4.3 Cảm biến đo lực LCV-A 92

Hình 4.4 Đồ gá cảm biến đo lực LCV-A 92

Hình 4.5 Đồng hồ đo tốc độ vòng quay HHT13 93

Hình 4.6 Cảm biến đo khoảng cách H7 95

Hình 4.7 Cảm biến đo tốc độ GSS25 96

Hình 4.8 Thiết bị ghi và xử lý tín hiệu Dewetron 3020 97

Hình 4.9 Các mô đun của phần mềm Dasylab 11 98

Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo trên DaSyLab 11 99

Hình 4.11 Sơ đồ lực tác dụng lên máy ủi thử nghiệm 101

Hình 4.12 Đo độ chặt của đất bằng thiết bị Dornhin 104

Hình 4.13 Sơ đồ bố trí các cảm biến và liên kết thiết bị đo 106

Hình 4.14 Vận tốc di chuyển của máy theo thời gian 108

Hình 4.15 Vận tốc di chuyển của máy theo thời gian 110

Hình 4.16 Sự thay đổi lực cản đào theo thời gian 111

Hình 4.17 Sự thay đổi lực cản đào theo thời gian 112

Hình 4.18 Sự thay đổi lực cản đào Pd theo thời gian 113

Hình 4.19 Sự thay đổi lực cản đào Pd khi gặp chướng ngại 114

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong công cuộc xây dựng và bảo vệ Tổ quốc, xây dựng đường tuần tra biên giới (TTBG) là một trong các hạng mục quan trọng của dự án xây dựng Quốc phòng Khi thi công đường TTBG phải thực hiện nhiều công đoạn như: Khai tuyến, thông tuyến, giải phóng mặt bằng, khắc phục chướng ngại, làm mặt đường, nền đường, lề đường, rãnh thoát nước v.v…, trong đó lượng công việc phải sử dụng máy ủi để thi công là rất lớn

Những nghiên cứu, khảo sát thực tế trên một số tuyến đường tuần tra biên giới cho thấy môi trường địa chất nơi đây rất phức tạp (đất cứng, đất lẫn

đá, nền đất và mặt đất mấp mô, ) Do vậy, việc thi công bằng máy ủi gặp nhiều khó khăn, lực cản tác dụng lên thiết bị công tác (TBCT) máy ủi thay đổi đột ngột, biến thiên trong phạm vi quá rộng gây nên tải trọng động lớn làm tăng tần suất hỏng hóc, giảm năng suất máy khi sử dụng Vấn đề trên đặt ra yêu cầu xác định quy luật tác dụng của tải trọng động lên các bộ phận máy ủi,

từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm tải trọng động cho các bộ phận công tác, nâng cao hiệu quả sử dụng máy

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là giảm tải trọng động tác động lên các

bộ phận, nhất là thiết bị công tác của máy ủi trong quá trình đào và chuyển đất

ở khu vực đất cứng, đất lẫn đá, mặt đất mấp mô, những đặc trưng về đất ở đường tuần tra biên giới phía Bắc nước ta

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các máy ủi loại DZ271 (là loại máy ủi đang được sử dụng khá phổ biến trong thi công các đường tuần tra tại biên giới phía Bắc nước ta) và thiết bị công tác của chúng

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là sự kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm, tính toán số và thực nghiệm

Về phương pháp lý thuyết, luận án đã sử dụng lý thuyết động lực học

hệ nhiều vật để xây dựng mô hình động lực học và thiết lập hệ phương trình

vi phân chuyển động của cơ hệ Vấn đề mô phỏng bằng phần mềm đã được áp dụng để xác định một số thông số động lực học trong mô hình khảo sát Phương pháp tính toán số được áp dụng để giải hệ phương trình vi phân chuyển động và khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của các thông số cần quan tâm (như vận tốc di chuyển của máy, chiều dày phoi cắt, hệ số cản của giảm chấn

và hệ số độ cứng của lò xo thuộc hệ treo) đến tải trọng động Phương pháp thực nghiệm được áp dụng để xác định giá trị của một số thông số đầu vào và đầu ra nhằm kiểm chứng sự đúng đắn của mô hình toán đã đươ ̣c thiết lâ ̣p

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

Luận án giải quyết một trong những bài toán phức tạp của cơ học, đó là bài toán khảo sát động lực học của máy ủi làm việc trong điều kiện địa hình rừng núi phía Bắc Việt nam Tính phức tạp nằm ở cả bản thân cơ hệ khảo sát

và tải trọng mà nó phải chịu

Xoay quanh bài toán đó, luận án cần giải quyết hàng loạt các vấn đề có liên quan như: thu thập bộ số liệu phản ánh những tính chất cơ lý đặc trưng của đất đường tuần tra biên giới, xây dựng mô hình khảo sát động lực học, thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động, xác định giá trị các thông số động lực học trong mô hình, tìm quy luật tác dụng của ngoại lực (đặc biệt là lực cản phát sinh trong quá trình đào và chuyển đất), giải hệ phương trình vi phân chuyển động để xác định đáp ứng động lực học của hệ và nhiều tính toán khảo sát cần thiết khác

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Những kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở lý luận để định hướng việc cải tiến một số bộ phận, nhất là thiết bị công tác của máy ủi DZ271 nhằm tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả sử dụng

Phương pháp luận của luận án có thể được vận dụng trong nghiên cứu động lực học của một số loại máy khác hay để xây dựng các bài thí nghiệm phục vụ đào tạo của Học viện Kỹ thuật Quân sự

6 Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo, các nội dung chính của luận án được chia thành 4 chương

Chương 1 - Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương này đề cập đến

các vấn đề về môi trường đất nói chung, đất đường tuần tra biên giới nói riêng, kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước về những nội dung có liên quan, từ đó đề ra mục tiêu và nhiệm vụ của luận án

Chương 2 - Mô hình khảo sát động lực học máy ủi Trên cơ sở tìm hiểu kết cấu thực và điều kiện làm việc thực tế của máy ủi DZ271, chương 2 của luận án đề xuất mô hình khảo sát động lực học của nó Những nội dung liên quan trực tiếp đến việc xây dựng mô hình khảo sát động lực học ở đây bao gồm: các giả thiết đơn giản hóa, sơ đồ mô hình, xác định các thông số động lực học trong mô hình (các khối lượng và mômen quán tính khối lượng, hệ số

độ cứng của các lò xo và hệ số cản của các giảm chấn, lực kéo và các lực cản), thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động và phương pháp chung để giải hệ phương trình vi phân chuyển động

Chương 3 - Khảo sát tải trọng động máy ủi – Đề xuất giải pháp giảm tải trọng động Chương này sử dụng phần mềm Matlab Simulink để giải hệ phương trình vi phân chuyển động nhằm xác định các thông số mô tả đáp ứng

và tải trọng động tác dụng lên bộ phận công tác của máy ủi Bằng cách thay

đổi giá trị của các thông số đầu vào liên quan đến cụm lò xo - giảm chấn k2, c2trong miền cho phép của chúng để tìm ra giá trị thích hợp cho phép giảm thiểu tải trọng động tác dụng lên bộ phận công tác khi gặp phải chướng ngại trong quá trình làm việc

Chương 4 - Nghiên cứu thực nghiệm Chương này trình bày các cơ sở

lý thuyết liên quan đến thực nghiệm, giới thiệu một số kết quả thực nghiệm xác định các tính chất cơ lý của đất, xác định quy luật tác dụng của lực cản đào & di chuyển đất và sự thay đổi của các thông số liên quan đến lực này nhằm chuẩn hóa bộ thông số đầu vào cho việc khảo sát động lực học máy ủi

và kiểm nghiệm độ tin cậy của công thức lý thuyết tính lực cản đào đất đã xây dựng ở chương 3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về môi trường đất

1.1.1 Môi trường đất tự nhiên

Đất trong tự nhiên được chuyển hóa từ đá thành đất theo ba quá trình liên tiếp: quá trình phong hóa (gồm phong hóa vật lý và phong hóa hóa học), quá trình chuyển dời và quá trình trầm tích Các quá trình này diễn ra trong một khoảng thời gian rất dài (ước tính hàng vạn năm), kết hợp với sự tác động đồng thời của nhiều yếu tố như nhiệt độ, gió, nước, v.v…, để hình thành nên lớp đất trên bề mặt trái đất như hiện nay

Đất trong tự nhiên phân bố ở phía trên lớp đá đã bị phong hóa và chịu sự tác động tương hỗ của các hạt ở thể rắn, lỏng, khí Quan hệ định lượng giữa các phân tử tạo thành đất luôn biến đổi dưới các tác động địa chất, vật lý và

cơ học bên ngoài Trong thành phần các nhóm hạt của đất thì các hạt rắn nhỏ

và cực nhỏ hoạt động mạnh và có diện tích bề mặt lớn Tính chất cơ học của mỗi loại đất như tính ổn định về kết cấu, tính chống nén, sức bền khi chịu ngoại lực, v.v không chỉ phụ thuộc vào cỡ hạt, mà còn phụ thuộc vào thành phần chất khoáng, hàm lượng các chất hữu cơ, chủ yếu là các chất keo Tất cả những yếu tố đó tạo thành tính không đồng nhất về cơ học của các loại đất Các loại đất sét, đất cát, đất tảng là kết quả của các quá trình phân hủy tự nhiên và chuyển hóa của hai loại đất đá và đất pha đá Các loại đất trên được tạo ra bởi các hòn, các cục, các phần tử nhỏ của đất, nước, muối hòa tan cũng như các dung dịch và hơi

Như vậy, đất là môi trường phức tạp, phân tán rời rạc, không đồng nhất

và được cấu tạo bởi ba pha: pha cứng (các hạt cứng), pha lỏng (nước) và pha khí (không khí và hơi) Tính chất cơ lý của đất thay đổi tùy thuộc vào tính chất và thành phần của các pha chứa trong đất

1.1.1.1 Phân loại đất

Có nhiều quan điểm phân loại đất đá tự nhiên:

 Theo nguồn gốc phát sinh, trạng thái và độ bền cơ học, đất được chia thành 5 loại [11], [57], [64]:

- Đá: là loại đất rắn chắc (đá hoa cương, đá tảng, đá vôi.v.v…) không

thấm nước, có độ bền nén giới hạn, có giá trị lớn hơn 5.106 N/m2, thường tập hợp thành từng dải, từng tầng hay các tảng lớn Thiết bị công tác của máy làm đất không thể gia công được loại đất này, khi khai thác loại đất này cần phải sử dụng phương pháp khoan nổ để bóc tách các tảng đá ra khỏi khối, sau đó sử dụng các máy gia công vật liệu để tạo ra các loại đá có kích thước nhỏ hơn

- Pha đá: là những lớp, những tảng đất không rắn chắc bằng đá, có độ

bền nén nhỏ hơn 500.104N/m2, và là loại không thấm nước Cách khai thác loại đất này cũng giống như loại đá nói trên

- Đất tảng: là những tảng, những hòn được tạo ra trong quá trình

chuyển hóa tự nhiên từ hai loại đất trên và có độ bền chắc kém hơn Loại đất này có thể sử dụng máy làm đất với một số thiết bị công tác như lưỡi ủ i, lưỡi xới, gầu xúc có răng để gia công loại đất này

- Đất cát: là lớp đất gồm những hạt nhỏ có kích thước từ 0,05mm đến

2mm, là kết quả của quá trình bị ăn mòn của đá Khi khai thác loại đất này, có thể sử dụng các dạng khác nhau của thiết bị công tác của máy làm đất như lưỡi ủi, lưỡi xới, v.v…

- Đất sét: là sản phẩm cuối cùng của quá trình ăn mòn các lớp đất ở

trên Đất sét thường có kích thước hạt nhỏ hơn 0,05mm Để gia công loại đất này, có thể sử dụng các dạng thiết bị công tác của các máy làm đất đất giống như đối với đất cát

 Theo kích thước hạt, đất được phân thành các loại như trong bảng 1.1 (theo tài liệu [26])

Ba ̉ng 1.1 Phân loại đất theo kích thước hạt

Loại đất Đất sét Đất bụi Đất cát Đá nhỏ

và sỏi Đá cục Đá tảng,

đá hộc Kích thước

V Mecghen cứng, đất đồi núi khô cứng 20,0÷21,5 1,30÷1,45

 Dựa vào mức độ thi công và thành phần hạt trong đất, theo [11], [26], [57], [64] đất được phân cấp như sau:

- Theo phương pháp thi công bằng các dụng cụ thủ công, đất được phân thành 9 cấp Trong đó, đất từ cấp I đến cấp IV, có thể dùng xẻng, mai, cuốc

để thi công Đất từ cấp VI đến cấp VIII phải dùng cuốc chim, đất cấp IX phải dùng xà beng hoặc choòng và búa mới đào được

- Theo phương pháp thi công cơ giới, đất được phân thành 11 cấp, 5 cấp đầu là đất hoặc đất lẫn đá dăm và sỏi, có thể thi công bằng máy, 6 cấp còn lại

là đá, phải thi công bằng phương pháp nổ mìn Các cấp đất có thể thi công bằng máy làm đất được thể hiện trong bảng 1.3 [26], [57], [64]

Cấp đất càng cao thì lực cản cắt riêng và lực cản đào riêng càng lớn, dẫn đến lực cản cắt và lực cản đào càng tăng Thi công với đất rắn có cấp đất cao thì năng suất máy sẽ giảm so với đất mềm có cấp đất thấp hơn

Bảng 1.3 Phân cấp đất theo thi công bằng cơ giới

Cấp

I

Đất đồng bằng, đất canh tác không lẫn rễ cây Đất cát khô hoặc á cát

có độ ẩm tự nhiên Đất từ nơi khác mang đến đổ xuống có độ ẩm tự nhiên và đã bị nén chặt

II

Đất á sét tơi, mềm Đất hoàng thổ ẩm, tơi xốp Đất cát mềm có lẫn sỏi, cuội chiếm ít hơn 10% thể tích chung của đất Đất đồng bằng lẫn rễ cây ít hơn 10% thể tích của đất

III

Đất á sét chặt, có độ ẩm tự nhiên; Đất hoàng thổ ẩm và chặt Đất đồng bằng hoặc đất mùn thực vật có lẫn rễ cây chiếm từ 10 ÷ 15% thể tích chung của đất

IV

Đất sét khô, chặt; Đất á sét có lẫn đá, sỏi nhỏ hoặc rễ cây chiếm 15

÷ 25% thể tích; Đất hoàng thổ khô chặt; Đất mặt đồi trung du có lẫn gốc cây Sim, cây Mua

V

Đất đồi khô, rắn, có lẫn sỏi nhỏ hoặc đá dăm Đất sét nặng, cứng có lẫn

rễ cây hoặc sỏi chiếm 25 ÷ 30% thể tích đất; Đất lẫn đá núi đã được khai phá bằng thuốc nổ; Đất lẫn đá vôi phong hóa nằm trong đất

Qua nghiên cứu, khảo sát đất đường TTBG người ta thấy đất đường TTBG tương đương đất cấp IV

1.1.1.2 Một số đặc tính cơ lý của đất

Khi thi công đất bằng máy ủi, một số đặc tính cơ lý của đất có ảnh hưởng lớn đến quá trình đào và chuyển đất của máy ủi Cụ thể:

- Trọng lượng riêng của đất

Trọng lượng riêng của đất là trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở độ ẩm

tự nhiên:

GV

Trọng lượng riêng của đất tự nhiên tỷ lệ thuận với trọng lượng thể tích đất khô, tỷ lệ nghịch với độ ẩm và độ rỗng của đất Trọng lượng riêng của đất

tự nhiên phụ thuộc vào thành phần hạt, độ ẩm và độ rỗng của đất

Trọng lượng riêng của đất càng lớn thì lực cản cắt riêng càng lớn, dẫn đến lực cản cắt và lực cản đào tăng, năng lượng tiêu hao trong quá trình thi công đất càng cao Trọng lượng riêng của đất phụ thuộc vào loại đất (xem

bảng 1.2)

- Thành phần hạt của đất

Thành phần hạt của đất được xác định theo tỷ lệ phần trăm kích thước của các hạt đất có trong mẫu thí nghiệm Theo [11], [57],kích thước hạt đươ ̣c sắ p xếp như trong bảng 1.4

Ba ̉ng 1.4 Phân loại đất theo kích cỡ hạt

Kích cỡ

(mm) 40 2  4 0,25  2 0,05  0,25 0,005  0,05 < 0,005 Loại Đá Sỏ i Cát Cát tinh Hạt bu ̣i Bụi sét

- Độ ẩm của đất

Độ ẩm là tỷ số trọng lượng của mẫu đất được khảo sát có chứa nước với

trọng lượng của khối đất đó ở trạng thái khô với nhiệt độ 100oC – 105oC tính theo % Khi độ ẩm của đất thay đổi, trọng lượng riêng, lực kết dính, góc ma sát trong, góc ma sát ngoài và do đó lực cản đào và cắt cũng thay đổi Khi độ

ẩm giảm, lực cản cắt và đào tăng, năng suất máy giảm

- Độ chặt của đất

Độ chặt của đất thể hiện mật độ các hạt đất trong một đơn vị thể tích đất

và được biểu diễn bằng chỉ số Đornhin C Độ chặt của đất tỷ lệ thuận với trọng lượng thể tích khô của đất và tỷ lệ nghịch với độ ẩm Độ chặt phụ thuộc vào cấp đất và có ảnh hưởng lớn đến lực cản cắt đào đất Khi độ chặt tăng, lực cản cắt tăng và được xác định theo [70]:

1,35 c

trong đó:

Pc – lực cản cắt theo phương tiếp tuyến (N),

A – hệ số phụ thuộc vào chiều rộng cắt, góc cắt;

h – chiều dày phoi cắt (m)

- Hệ số ma sát trong, hệ số ma sát ngoài

Lực ma sát phát sinh khi các hạt đất chuyển dịch tương đối với nhau gọi

là lực ma sát trong của đất, đặc trưng bởi hệ số ma sát trong Hệ số ma sát trong của đất có giá trị lớn khi độ ẩm tương đối của đất nhỏ Hệ số ma sát trong có ảnh hưởng lớn đến lực cản cắt và đào đất, hệ số ma sát trong của đất tăng thì lực cản cắt tăng [22]

Lực cản do ma sát giữa đất và bề mặt kim loại của thiết bị cắt đào đất được gọi là lực ma sát ngoài Lực ma sát ngoài có giá trị đáng kể trong lực cản đào đất Nó được đặc trưng bởi hệ số ma sát ngoài tgn của đất (n - góc

ma sát ngoài của đất) Hệ số ma sát ngoài của đất phụ thuộc vào tính chất cơ -

lý của đất và trạng thái bề mặt kim loại

Lực cản do ma sát ngoài tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt kim loại tiếp

xúc với đất khi áp lực riêng nén đất là không đổi Khi dao cắt bị mòn, lực cản

do ma sát ngoài và lực cản cắt tăng lên đáng kể

Trị số của hệ số ma sát ngoài phụ thuộc chủ yếu vào kích cỡ hạt đất, độ

ẩm và chất lượng công nghệ gia công bề mặt của thiết bị công tác Độ ẩm càng lớn, chất lượng gia công bề mặt càng cao thì hệ số ma sát càng giảm Như vậy, đất là môi trường đa vật thể, có tính chất cơ lý phụ thuộc vào bản chất và quá trình phong hóa đá gốc Các loại đất khác nhau có tính chất

cơ lý khác nhau Tính chất này có thể được thay đổi theo sự tác động của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và có ảnh hưởng lớn đến quá trình đào

và chuyển đất bằng các máy làm đất nói chung, máy ủi nói riêng

1.1.2 Môi trường đất đường tuần tra biên giới

Xây dựng hệ thống đường tuần tra biên giới là một chủ trương lớn của Đảng và Nhà nước, được Chính phủ giao cho Bộ Quốc phòng tổ chức thực hiện Đây là công trình trọng điểm có vị trí đặc biệt quan trọng trong chiến lược bảo vệ chủ quyền, an ninh biên giới quốc gia Công trình này còn tạo điều kiện

để nhân dân các dân tộc biên giới phát triển kinh tế, văn hóa, xã hội,

Hệ thống đường tuần tra biên giới được xây dựng trên địa bàn 25 tỉnh biên giới đất liền từ Quảng Ninh đến Kiên Giang Tổng chiều dài theo quy hoạch là 10.196 km, trong đó đường dọc biên được xây dựng trong khu vực vành đai biên giới trong phạm vi 1.000m tính từ biên giới quốc gia trở vào với nền đường rộng 5,5m, mặt đường bê tông xi-măng đá 24, M300 dày 18cm Giai đoạn I (2007 - 2013) đã hoàn thành 1930km, trong đó hoàn thành, thông tuyến toàn bộ 1280km mặt đường bê tông xi măng

Giai đoạn 2 (2014 - 2020) triển khai trên địa bàn 17 tỉnh biên giới đất liền miền Đông và Tây Nam bộ với quy mô hơn 1200km, trong đó xây dựng mới 876km, nâng cấp cải tạo 324km Tiêu chuẩn đường cấp 6 đồng bằng, nền đường rộng 6,5m, mặt đường rộng 5,5m dày 0,18m, tưới nhựa, không làm bê tông như các tuyến miền núi hiện nay, những nơi đi qua khu dân cư thì mở

- Về địa hình Đồi núi nhấp nhô, mặt đất mấp mô không bằng phẳng do

sự phân hóa của môi trường đất tự nhiên

- Về tính chất cơ lý của đất Theo [13], đất đường TTBG một số tỉnh biên giới phía Bắc nước ta chủ yếu là đất sét khô chặt, đất đỏ bazan xen lẫn các mảnh đá phong hóa, đá mồ côi Lượng đá, sỏi, cuội lẫn trong đất chiếm 15÷20% thể tích Kết quả khảo sát tính chất cơ lý của đất đường TTBG các tỉnh Sơn La, Cao Bằng, Lạng Sơn theo [13], được thể hiện trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Tính chất cơ lý đất đường tuần tra biên giới

Khu vực Tính chất cơ lý

Sơn La Cao Bằng Lạng Sơn

Như vâ ̣y, theo số liê ̣u thống kê khảo sát đất đường TTBG các tỉnh Sơn

La, Cao Bằng, Lạng Sơn, đố i chiếu vớ i các bảng 1.2 và 1.3 ta thấy đất ở các nơi này tương đương với đất cấp IV

Loại đất như vậy sẽ khiến cho việc thi công bằng máy làm đất nói chung, máy ủi nói riêng gặp nhiều khó khăn, phức tạp Lực cản đào đất thay đổi đô ̣t

ngột, sinh ra tải tro ̣ng đô ̣ng tác dụng lên máy, khi đó máy làm việc không ổn định, năng suất máy giảm Vì thế, cần phải xác định quy luật biến thiên của tải trọng động TBCT máy ủi, đưa ra giải pháp kỹ thuật làm giảm tải tro ̣ng đô ̣ng, nâng cao hiệu quả sử dụng khi máy ủi đào và chuyển đất, góp phần nâng cao năng suất máy, đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cho các đơn vị đang thi công

1.2 Tổng quan về máy ủi sử dụng trên đường tuần tra biên giới

1.2.1 Khái quát về máy ủi

 Máy ủi là loại máy chiếm tỷ trọng lớn trong các loại máy làm đất, là loại máy chủ đạo trong nhóm máy đào và vận chuyển đất Do cấu tạo đơn giản, khả năng cơ động tốt, lại cho năng suất cao nên các máy ủi được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng các công trình dân dụng và quốc phòng

 Những công việc mà các máy ủi có thể đảm nhiệm là:

- Đào đắp các công trình có độ cao, độ sâu của nền đến ± 2 m

- Định hình mặt đường, san bằng bề mặt công trình, làm phẳng các mái dốc, tạo độ chênh cao

- Ủi hoặc san rải vật liệu như đá dăm, cát, đá, sỏi, vun đống vật liệu

- Làm công tác chuẩn bị cho các công trình như bóc bỏ lớp thực vật, làm sạch hiện trường

- Kéo hoặc đẩy làm di chuyển các phương tiện khác, lắp thêm các TBCT chuyên dụng để thực hiện những chức năng riêng biệt

 Máy ủi có thể được phân loại theo khá nhiều tiêu chí khác nhau như công suất của động cơ, giá trị lực kéo, cơ chế điều khiển, cách thức di chuyển, hay kết cấu của TBCT Máy ủi DZ271 được luâ ̣n án khảo sát là loại máy ủi thường, di chuyển bằng xích, điều khiển nâng, ha ̣ lưỡi ủi bằng thủy lực

 Các máy ủi làm viê ̣c theo chu kỳ Mỗi chu kỳ làm viê ̣c của máy bao gồ m 3 giai đoạn:

- Cắ t và tích đất trước lưỡi ủi

- Chuyển đất về phía trước và đổ đất

- Chạy không tải về vi ̣ trí cũ và tiếp tu ̣c chu kỳ mới

Trong 3 giai đoạn kể trên, giai đoạn cắt và tích đất trước lưỡi ủi là giai đoạn đáng được quan tâm khảo sát hơn cả, bởi vì đây là giai đoạn làm việc nặng nề nhất của máy Quá trình cắt và tích đất phía trước lưỡi ủi có thể được thực hiện theo ba sơ đồ như biểu diễn trên hình 1.1

cáp điều khiển nâng ha ̣ lưỡi ủi ở tra ̣ng thái căng

1.2.2 Máy ủi thi công trên đường tuần tra biên giới

Như đã trình bày, do địa hình và tính chất cơ lý của đất đường tuần tra biên giới là rất phức tạp nên để nâng cao hiệu quả sản xuất, cần sử dụng các

máy móc và thiết bị thi công cho phù hợp với tính năng kỹ thuật của chúng

Vì đi ̣a hình đường tuần tra biên giới thường châ ̣t he ̣p, khẩu đô ̣ đường nhỏ (khoảng 35m) nên chỉ có các loại máy ủi cỡ nhỏ và cỡ trung bình mới phù

hợp với công việc thi công nhằm ta ̣o khuôn da ̣ng lề đường và nền đường Các loại máy ủi hiện có như C100, T100, T130, DZ171, DZ271 sản xuất tại Nga và được nhập vào Việt Nam từ những năm chiến tranh cho tới năm

2009 Từ năm 2010 trở đi, do nhu cầu nâng cao chất lượng công trình và giảm thời gian thi công, hoặc do sự phát triển của công nghệ xây dựng mà các loại máy mới và hiện đại như B-10M, B-11, B-12, được nhập về khá nhiều Theo kết quả thống kê về 10 loại máy ủi của 10 đơn vị Công binh đang thi công trên đường TTBG (phụ lục 02), máy ủi DZ271 chiếm tỷ lệ 18,75% trong biên chế của Binh chủng Công binh, 35,29% trong xây dựng các công trình chiến đấu và làm đường TTBG Các máy ủi hiện đại có công suất lớn như B-10M, B-11, B-12 được triển khai sử dụng chưa nhiều (chỉ chiếm 5,88%) vì một số lý do như tính năng kỹ thuật của máy quá vượt trội so với nhu cầu khai thác, hoặc do yêu cầu phải bảo đảm lượng dự trữ phục vụ sẵn

sàng chiến đấu

Theo đó, máy ủi DZ271 là loại máy ủi đang được sử dụng phổ biến trong xây dựng các công trình chiến đấu và làm đường TTBG của lực lượng Công binh Đây là loại máy đóng vai trò chủ đạo trong việc làm công tác chuẩn bị cho các công trình thi công

1.2.3 Khung đẩy máy ủi

Máy ủi DZ271 gồm hai khung đẩy, mỗi bên một cái, được thiết kế, chế tạo dạng “khuỷu” (xem hình 1.2) Đầu gần khuỷu của khung đẩy liên kết với khung gầm máy ủi, đầu kia liên kết với lưỡi ủi, cùng bằng khớp bản lề Đầu

khuỷu được thiết kế lệch tâm so với đường truyền lực Khi có lực (tải trọng) tác dụng lên lưỡi ủi, kết cấu lệch tâm cho phép khung đẩy có khả năng biến dạng đàn hồi do uốn Điều này có tác dụng làm giảm một phần lực va chạm truyền trực tiếp từ chướng ngại lên thân máy

Hình 1.2 Máy ủi DZ271

Khung đẩy là chi tiết truyền lực chủ yếu giữa thân máy và lưỡi ủi trên máy ủi DZ271 Trạng thái chịu lực của khung đẩy phụ thuộc vào từng giai đoạn làm việc cụ thể của nó trong 3 giai đoạn làm việc mà ở trên đã đề cập Nói chung, trạng thái chịu lực của khung đẩy là phức tạp, gồm cả uốn và nén Tuy nhiên, trong giai đoạn làm việc nặng nề nhất của máy ủi là đào và di chuyển đất, trạng thái chịu lực chủ yếu của khung đẩy là chịu nén (một phần khung đẩy tại vị trí khuỷu chịu uốn)

1.3 Tổng quan về nghiên cư ́ u sự tương tác giữa lưỡi ủi với môi trường đất

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tương tác

Các công trình [11], [20], [22], [26], [64] cho thấy, bên cạnh các tính chất

cơ lý của đất thì các thông số về dao cắt cũng ảnh hưởng lớn đến các thành phần lực cản đào trong quá trình tương tác Các yếu tố thuộc về dao cắt là góc

cắt, chiều rộng và chiều dày phoi cắt, tốc độ di chuyển của dao cắt

- Ảnh hưởng của góc cắt  của dao cắt

Góc cắt của dao cắt  (hình 1.3) là thông số cơ bản ảnh hưởng lớn đến quá trình cắt đất của máy ủi Theo [11], [26], [64], góc cắt được tính theo công thức:

Hi ̀nh 1.3 Sơ đồ cắt đất

Góc cắt  ảnh hưởng đến năng lượng tiêu hao cho quá trình cắt đất và lực cản tác dụng lên thiết bị công tác của máy ủi

Góc cắt càng tăng thì lực cản cắt càng tăng Theo [11], [26], [64], khi góc cắt >55o thì lực cản cắt tăng nhanh, ứng với mỗi độ tăng của góc cắt  thì lực cản cắt tăng 1,5% Khi góc cắt  giảm thì lực cản cắt giảm, theo công thức (1.3) nếu góc cắt  < 45o thì góc sau  và góc sắc  giảm Góc sau  nhỏ

sẽ làm tăng thành phần phản lực thẳng đứng của đất khi ấn sâu dao cắt vào đất trong quá trình cắt Còn nếu góc sắc  nhỏ thì độ bền của dao cắt không đảm bảo Theo [11], [26], [64], góc sau hợp lý của dao cắt nằm trong khoảng

=3035o và như vậy góc cắt  hợp lý của dao cắt là =50  55o

- Ảnh hưởng của chiều rộng và chiều dày phoi cắt

Chiều rộng và chiều dày phoi cắt có ảnh hưởng lớn đến lực cản cắt đất

và được xác định theo công thức:

1

trong đó:

k – lực cản cắt riêng, kN/m2; phụ thuô ̣c vào cấp đất

- Vớ i đất cấp I: k = 10  55kN/m2,

- Vớ i đất cấp II: k = 55  110kN/m2,

- Vớ i đất cấp III: k = 110  170kN/m2,

- Vớ i đất cấp IV: k = 170  200kN/m2,

b – chiều rộng phoi cắt, m

h – chiều dày phoi cắt, m

Từ công thức (1.4) ta thấy, lực cản cắt tiếp tuyến P1 tăng khi chiều rộng

b và chiều dày h của phoi cắt tăng Với mỗi loại máy ủi xác định có chiều rộng b của lưỡi ủi (chiều rộng phoi cắt) không đổi, lực cản cắt tiếp tuyến chỉ phụ thuộc vào chiều dày phoi cắt h và lực cản cắt riêng k

- Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển của dao cắt

Tốc độ di chuyển của dao cắt ảnh hưởng đến lực cản cắt đất của máy ủi, theo công thức sau (theo [11], [26], [57]):

 

2 c

b – chiều rộng phoi cắt (m),

h(x) – chiều dày phoi cắt (m),

 – trọng lượng riêng của đất (kN/m3),

vc – tốc độ di chuyển của dao cắt (m/s),

 – góc cắt (độ),

 – góc tạo bởi quỹ đạo chuyển động của dao và phương chuyển động của phần tử đất về các phía (đô ̣),

g – gia tốc trọng trường (m/s2)

Công thức (1.5) cho thấy lực cản cắt tỷ lệ thuận với diện tích tiết diện ngang của phoi cắt và bình phương tốc độ di chuyển của dao cắt Góc cắt càng lớn, tốc độ cắt của dao cắt càng tăng thì lực cản cắt tăng càng nhanh Ngoài lực cản cắt, khi đào và chuyển đất, máy ủi còn chịu lực cản di chuyển của khối đất lăn trước lưỡi ủi, lực cản khi đất cuộn lên phía trên lưỡi ủi

và lực cản ma sát do đất trượt dọc lưỡi ủi Các lực này không những phụ thuộc vào hệ số ma sát giữa đất và đất, giữa đất và thép mà còn phụ thuộc chủ yếu vào thể tích khối đất lăn trước lưỡi ủi và góc cắt của dao cắt Thể tích khối đất trước lưỡi ủi càng lớn thì lực cản tác dụng lên máy làm việc càng lớn Việc xác định các thành phần lực cản này sẽ được trình bày ở chương 2 của luận án Như vâ ̣y, khi máy ủi làm viê ̣c (lưỡi ủi tương tác với nền đất), lực cản cắt đất là mô ̣t hàm của các thông số góc cắt, chiều rô ̣ng và chiều dày phoi cắt, tốc

đô ̣ cắt và đô ̣ cứng của đất Với mỗi mô ̣t máy ủi xác đi ̣nh thì lực cản cắt chỉ còn phụ thuô ̣c vào chiều dày phoi cắt, tốc đô ̣ cắt, đô ̣ cứng của đất Sự ảnh hưởng

củ a các thông số này đến lực cản cắt đất, lực cản đào đất sẽ được khảo sát trong chương 3

1.3.2 Ta ̉ i trọng động máy ủi

Tải tro ̣ng đô ̣ng là tải tro ̣ng thay đổi theo thời gian với tốc độ đột ngột, làm phát sinh các lực quán tính

Khi máy ủi làm việc trong môi trường đất lẫn đá, lưỡi ủi thường va vào các chướng ngại như đá, rễ cây, v.v…, tại dao cắt phát sinh ra tải tro ̣ng đô ̣ng tác động lên máy làm cho máy hoạt động không ổn định Có ba trường hợp xảy ra:

- Thiết bị di chuyển xích không bị trượt và đang di chuyển tịnh tiến, lực kéo PK lớn hơn lực cản Pc và nhỏ hơn lực bám Pb (Pc < PK < Pb), máy vượt qua được chướng ngại Trong trường hợp này, tải trọng động phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của máy trong giai đoạn trước khi gặp chướng ngại

- Thiết bị di chuyển xích không bị trượt, nhưng lực kéo nhỏ hơn cả lực bám và lực cản (PK < Pb < Pc), máy không vượt qua được chướng ngại, dẫn đến chết máy

- Thiết bị di chuyển xích bị trượt hoàn toàn, lực kéo lớn hơn lực bám và nhỏ hơn lực cản (Pb < PK < Pc), máy không vượt qua được chướng ngại

Phản lực từ chướng ngại tác dụng lên dao cắt lưỡi ủi bao gồ m hai thành

phần: a) Lực cản tĩnh, được tính theo lực đẩy lớn nhất của máy kéo, xác định theo điều kiện bám, phu ̣ thuô ̣c vào tro ̣ng lượng của máy ủi và loại đất nơi máy

làm việc; b) Tải trọng động tác dụng lên dao cắt lưỡi ủi, phụ thuô ̣c vào vâ ̣n tố c di chuyển củ a máy, đô ̣ cứng của TBCT, đô ̣ cứng của chướng nga ̣i vâ ̣t Luận án nghiên cứu trường hợp thứ nhất, máy ủi vượt qua được chướng ngại, trong trường hợp này, lực cản đào tác dụng lên lưỡi ủi thay đổi đột ngột, sinh ra lực quán tính, thông qua lưỡi ủi và khung đẩy tác dụng lên hệ truyền động của máy, làm cho động cơ máy cơ sở làm việc không ổn định hoặc chết máy Do đó, chu kỳ làm việc của máy tăng, hiệu quả sử dụng máy giảm

Việc xác định tải tro ̣ng đô ̣ng trên TBCT máy ủi khi gă ̣p chướng nga ̣i sẽ đươ ̣c trình bày trong chương 2 của luâ ̣n án Khảo sát ảnh hưởng vâ ̣n tốc di chuyển củ a máy đến tải tro ̣ng đô ̣ng và biện pháp giảm tải trọng động được trình bày trong chương 3 của luận án

1.3.3 Tổng quan về các kết qua ̉ nghiên cứu trong và ngoài nước

Môi trường đất là môi trường rất phức tạp, kém đồng nhất, do vậy TBCT của máy đào đất và phương pháp đào cũng rất khác nhau Điều này dẫn đến việc xuất hiện những cách tiếp cận khác nhau trong xác định lực cản cắ t đất

và đào đất Các công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề này như sau:

- Viện sỹ V.P Goritrackin, đã nghiên cứu quá trình đào đất của máy cày nông nghiệp Theo V.P Goritrackin [26], [45], [46], [64], [67], lực cản sinh ra trong quá trình tương tác của TBCT máy cày với môi trường đất phu ̣ thuô ̣c vào nhiều yếu tố, trong đó vâ ̣n tốc di chuyển của máy cày đóng vai trò quan tro ̣ng Tuy nhiên,công trình của V.P Goritrackin chỉ sử du ̣ng được ở môi trường đất đồng nhất, có đô ̣ ẩm cao

- N.G Dombrovski đã tiến hành nghiên cứu thực nghiê ̣m lực cản cắt đất

và đào đất trên nhiều loại máy làm đất Ông đã lập ra một bảng thống kê các lực cản cắt đất và đào đất cho các loại đất và cấp đất khác nhau Theo N.G Dombrovski [11], [26], [64], [67], lực cản cắ t đất phụ thuô ̣c vào tiết diê ̣n phoi cắ t (chiều rộng và chiều dày) và cấp đất Công thức tính theo phương pháp

củ a N.G Dombrovski đơn giản nhưng đươ ̣c sử du ̣ng phổ biến Tuy nhiên, đô ̣ chính xác chưa cao, khi sử du ̣ng cần phải lựa cho ̣n cẩn thâ ̣n các hê ̣ số

- GS.TSKH A N Zelenhin, bằng kết quả nghiên cứu thực nghiê ̣m của mình, đã đưa ra công thức để tính lực cản đào đất Theo A N Zelenhin [11], [70], [72], lực cản đào đất gồm ba thành phần: lực cản cắt đất, lực cản do di chuyển khố i đất vào lòng lưỡi ủi và lực cản do đất di chuyển cuô ̣n lên phía trên lưỡi ủi Tổng lực cản của đất tác du ̣ng lên lưỡi ủi được xác đi ̣nh theo công thức:

P 9,81.10 Ch 1 2,6b 1 0,01   K.K bh9,81.10 V tg   (1.6) trong đó :

C – Chỉ số va đâ ̣p Dornhin,

h – chiều dày phoi cắt (m),

b – chiều rộng phoi cắt (m),

 - góc cắt của dao cắt (đô ̣),

K – hệ số chất tải, phu ̣ thuô ̣c vào chiều cao lưỡi ủi,

K1 – lực cản đào riêng do nén phoi cắt vào lòng lưỡi ủi (kN/m2),

Vd – thể tích khố i đất lăn trước lưỡi ủi (m3),

 - tro ̣ng lượng riêng của đất (kN/m3)

t – góc ma sát trong của đất (đô ̣)

Công thứ c tính lực cản của đất của A N Zelenhin có xét đến ảnh hưởng cơ lý

củ a đất đến lực cản đào Theo A N Zelenhin, lực cản đào phu ̣ thuô ̣c vào độ cứng của đất và chiều dày phoi cắt h theo số mũ 1,35, khi chiều dày phoi cắt tăng thì lực cản đào tăng nhanh

- Ju.A Vetrov, nghiên cứ u ảnh hưởng của các yếu tố đến lực cản cắt đất Theo Ju.A Vetrov, [11], [ 26], [56], [57], lực cản cắt đất được xác đi ̣nh bởi:

kv – hệ số kể đến ảnh hưởng của các yếu tố vâ ̣t lý trong quá trình cắt đất;

F – diện tích tiết diện ngang của phoi cắt (m2),

 – trọng lượng riêng của đất ở trạng thái tơi (kN/m3),

 - góc cắt của dao cắt (độ),

 - góc ta ̣o bởi quỹ đa ̣o chuyển đô ̣ng của dao và phương chuyển đô ̣ng

củ a các phần tử đất về các phía (đô ̣),

vc – tốc độ chuyển động của dao cắt (m/s),

g – gia tốc rơi tự do (m/s2)

Theo công thức (1.7), lực cản cắt đất tỉ lê ̣ thuâ ̣n với diện tích tiết diện ngang của phoi cắt và bình phương tốc đô ̣ chuyển động của dao cắt Khi tăng tố c độ cắt và chiều dày phoi cắt thì lực cản cắt tăng nhanh Công thức xác định lực cản cắt đất của Ju.A Vetrov đã kể đến tương đối đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình tương tác, nên có độ chính xác khá cao đối với đất cấp III, cấp IV, do đó có thể sử dụng tính toán lực cản đào trong quá trình tương tác của lưỡi ủi với môi trường đất Tuy nhiên, do tính chất cơ lý của đất rất phức tạp, phụ thuộc vào điều kiện cụ thể nên vẫn rất cần các nghiên cứu tiếp theo

- Trong [78], khi nghiên cứu cải tiến các phần tử của hệ thống truyền động thủy cơ máy ủi bánh xích, A.V Struckop đã nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động đến hệ thống truyền động cơ khí và thủy cơ máy ủi, từ đó đưa

ra kết luận rằng máy ủi sử dụng biến mô men thủy lực, dao động xoắn trong truyền tải của hệ thống thủy cơ giảm 15  35%, nhờ vậy động cơ không bị quá tải khi làm việc

- D.V Danilevich [62] đã nghiên cứu quá trình tương tác của TBCT máy

ủi với môi trường đất Ông đã sử dụng máy tính điện tử để mô phỏng và xác định chính xác hình dạng bề mặt trượt Từ đó lựa chọn được bộ thông số hợp

lý của TBCT có tính đến đặc điểm và tính chất của quá trình cắt đất, hoạt động của máy cũng như các yếu tố ngẫu nhiên khác

- S.G Asmolop [48] nghiên cứu tự động hóa quá trình đào đất của máy ủi với việc sử dụng hệ thống điện tử và phần mềm có thể tự động điều khiển lưỡi

ủi nhằm thay đổi chiều dày phoi cắt và góc cắt theo vận tốc của động cơ

Ở Việt Nam, các nghiên cứu về động lực học máy ủi có liên quan đến TBCT cũng đã được nhiều tác giả quan tâm, nghiên cứu

- Tác giả Vũ Thế Lộc, Vũ Thanh Bình [20], đã có những nghiên cứu cơ bản về máy làm đất bằng phương pháp quy dẫn, đã xác định được các thông

số kết cấu, thông số độ cứng để tính toán khảo sát các tham số của máy ủi trong chuyển động tịnh tiến có va đập khi đào và chuyển đất Các phương trình vi phân chuyển động cấp hai dạng không thuần nhất với hệ số hằng mô

tả các biên độ dao động của máy theo hàm thời gian

- Theo [11], khi nghiên cứu về máy làm đất nói chung, máy ủi nói riêng, các tác giả Phạm Hữu Đỗng, Hoa Văn Ngũ, Lưu Bá Thuận đã có những nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cơ bản đến lực cản cắt Khi máy ủi đào và chuyển đất gă ̣p chướng ngại, vâ ̣n tốc ban đầu của máy, đô ̣ cứng của TBCT và của chướng ngại ảnh hưởng đáng kể đến lực đô ̣ng

- Tác giả Nguyễn Văn Vịnh [30], đã nghiên cứu cơ bản đô ̣ng lực ho ̣c các

máy xây dựng và xếp dỡ bằng cách xác đi ̣nh các thông số qui dẫn (như khố i

lươ ̣ng qui dẫn, đô ̣ cứng qui dẫn, phần tử giảm chấn qui dẫn) để tính toán động lực học của máy với một hay nhiều khối lươ ̣ng chuyển đô ̣ng ti ̣nh tiến, chuyển

đô ̣ng ti ̣nh tiến có va đâ ̣p v.v… để xác đi ̣nh tải tro ̣ng đô ̣ng tác đô ̣ng lên TBCT Như vâ ̣y, tính đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về đô ̣ng lực

học máy ủi, lực cản cắt, lực cản đào đất và tải tro ̣ng đô ̣ng tác đô ̣ng lên TBCT

máy ủi, nhưng vấn đề giảm tải tro ̣ng đô ̣ng TBCT máy ủi khi đào và chuyển đất ở môi trường đất phức tạp, đặc trưng đất đường tuần tra biên giới Viê ̣t Nam thì chưa có tác giả nào nghiên cứu hoă ̣c công bố

Những nghiên cứu ở trên cho thấy, lực cản đào phụ thuộc vào nhiều yếu tố (tính chất cơ lý của đất, hình da ̣ng và kết cấu của TBCT, đă ̣c trưng hình ho ̣c

củ a phoi cắt, tốc đô ̣ di chuyển của máy v.v…) Khi khảo sát, các tác giả đã giả thiết rằng những yếu tố trên không thay đổi và khi đó , lực cản cắt chỉ phu ̣ thuộc vào các thông số hình ho ̣c của lưỡi ủi Điều này khác xa so với điều kiện thi công thực tế, đă ̣c biê ̣t là khi máy ủi thực hiện nhiệm vụ khai thác ở môi trường đất đồi núi đă ̣c trưng đất đường TTBG phía Bắc Viê ̣t Nam

Đề tài “Nghiên cứu giảm tải trọng động của máy ủi trong thi công đường

tuần tra biên giơ ́ i” có ý nghĩa khoa ho ̣c và thực tiễn trong viê ̣c nâng cao hiê ̣u

quả sử du ̣ng khi thi công đường TTBG phía Bắc nước ta

1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

1.4.1 Mục tiêu cu ̉ a luận án

Mục tiêu của luận án là xây dựng quy trình khảo sát động lực học máy ủi DZ271 hoạt động trong điều kiện đường tuần tra biên giới Trên cơ sở đó luận

án sẽ đề xuất các giải pháp giảm tải trọng động tác dụng lên các bộ phận máy,

kể cả các hoạt động cải tiến, nhằm nâng cao hiệu quả khai thác và kéo dài tuổi thọ của chúng

1.4.2 Nhiệm vụ của luận án

Để đạt được các mục tiêu ở trên, luận án cần thực hiện các nhiê ̣m vu ̣ nghiên cứu sau:

- Xây dựng mô hình khảo sát động lực học máy ủi DZ271, bao gồm các nội dung: giới thiệu mô hình, xác định các thành phần của mô hình (giá trị của các thông số động lực học, đặc điểm và quy luật tác dụng của các lực), thiết lập

hệ phương trình vi phân chuyển động và đề xuất phương pháp giải bằng số hệ phương trình vi phân chuyển động

- Khảo sát về mặt lý thuyết các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động tác dụng lên thiết bị công tác máy ủi Thông qua đó sẽ tìm ra được giá trị hơ ̣p lý của các thông số thiết kế và vận hành trong việc giảm tải tro ̣ng đô ̣ng tác dụng lên thiết bị công tác của máy

- Tiến hành thực nghiệm để xây dựng bộ dữ liệu đầu vào phục vụ cho quá trình tính toán, khảo sát động lực học, đồng thời kiểm tra sự đúng đắn của một số công thức đã được xây dựng khi tính toán lý thuyết

- Dựa trên các kết quả khảo sát lý thuyết và thực nghiệm để đề xuất các giải pháp phù hợp nhằm nâng cao hiê ̣u quả sử du ̣ng và tăng tuổi thọ của máy

Kết luận chương 1

1 Đất là môi trường rất phức tạp, có đặc tính cơ lý khác nhau tùy theo

vùng miền Đất đường tuần tra biên giới vừa mang đặc tính của đất nói chung, vừa có đặc tính riêng như mặt đất mấp mô, không bằng phẳng, trong đất lẫn nhiều đá và rễ cây (chiếm từ 15 đến 20% thể tích) Nghiên cứ u tổng quan về môi trường đất cho phép xác đi ̣nh được các tính chất cơ lý của nó, đồng thời định lượng được sự tác động của chúng trong khảo sát động lực học máy ủi

2 Khi máy ủi gặp chướng ngại trong giai đoạn đào và chuyển đất sẽ

phát sinh tải trọng động tác dụng lên các bộ phận Điều này không chỉ dẫn đến sự không ổn định và sự giảm hiệu quả trong quá trình làm việc, mà còn rút ngắn tuổi thọ của máy Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động (chiều dày phoi cắt, tố c độ di chuyển của máy và đô ̣ cứng của đất) làm căn cứ

để đề xuất các biê ̣n pháp giảm tải tro ̣ng đô ̣ng tác dụng lên các bộ phận máy là việc làm cần thiết

3 Máy ủi DZ271 hiện đang được sử dụng phổ biến (chiếm tỷ lệ khoảng

18,75% trong biên chế và 35,29% tổng số máy móc) trong xây dựng các công trình phục vụ chiến đấu của lực lượng công binh, kể cả hệ thống đường tuần tra biên giới Đây sẽ là đối tượng nghiên cứu của luận án

4 Trên cơ sở tìm hiểu các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về động lực ho ̣c máy ủi, về lực cản cắt và tải tro ̣ng đô ̣ng máy ủi, tác giả đã đưa ra được mu ̣c đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luâ ̣n án

lý thuyết động lực học hệ nhiều vật Các đại lượng có mặt trong hệ phương trình vi phân chuyển động như khối lượng hoặc mômen quán tính khối lượng,

độ cứng của các lò xo thực sự và lò xo mô hình, hệ số cản của các giảm chấn thực sự và giảm chấn mô hình, lực kéo của máy, lực cản của đất (có tính đến các đặc trưng về đất tại khu vực đường tuần tra biên giới) đều được xác định Cuối chương trình bày phương pháp giải hệ phương trình vi phân chuyển động để xác định đáp ứng của hệ và để phục vụ cho các tính toán khảo sát sẽ được triển khai ở chương 3

2.2 Xây dựng mô hình khảo sát động lực học máy ủi DZ271

2.2.1 Cấu trúc tổng quan của máy ủi DZ271

Hình 2.1 biểu diễn một máy ủi loại DZ271 đang ở trong trạng thái đào và

di chuyển đất Máy ủi bao gồm các khâu (bộ phận) cơ bản như sau:

- Khâu 1: bánh sao chủ động

- Khâu 2: khung gầm

- Khâu 3: khung đẩy và lưỡi ủi

- Khâu 4: thân máy

Các khâu được liên kết với nhau như sau Khung gầm 2 liên kết với thân máy 4 bằng khớp bản lề A và cụm lò xo - giảm chấn Khung đẩy mang lưỡi ủi 3 liên kết với khung gầm 2 bằng khớp bản lề F, với thân máy bằng 2

xy lanh thủy lực nâng hạ lưỡi ủi

Những đặc điểm cấu tạo và liên kết nêu trên là quyết định trực tiếp đến khả năng chuyển động tương đối giữa các khâu của máy ủi Cấu trúc trên cùng với hệ lực tác dụng trên máy và các giả thiết đơn giản hóa là những căn

cứ chính để xây dựng mô hình khảo sát động lực học của máy ủi

Hi ̀nh 2.1 Máy ủi khi đào và chuyển đất gặp chướng ngại

(1 - Bánh sao chủ động; 2 - Khung gầm; 3 - Khung đẩy và lưỡi ủi; 4 - Thân máy ủi)

2.2.2 Ca ́ c giả thiết xây dựng mô hình

Mô hình khảo sát động lực học máy ủi DZ271 được xây dựng với việc thừ a nhận các giả thiết sau:

- Máy ủi gồm 4 khâu như mô tả trên hình 2.1 Khối lượng phân bố của các khâu được quy về khối lượng tập trung đặt tại trọng tâm Các trọng tâm này cùng nằm trong mặt phẳng đối xứng thẳng đứng của máy

- Chuyển động của các điểm thuộc các khâu chỉ diễn ra trong mặt phẳng thẳng đứng (mô hình phẳng)

- Khi máy ủi đào và chuyển đất gặp chướng ngại, thiết bị di chuyển xích không bị trượt và đang thực hiện chuyển động tịnh tiến

- Khung đẩy máy ủi được coi là một khâu đàn hồi có hệ số độ cứng dọc

là k2 và hệ số cản dọc là c2

- Bỏ qua ma sát trong các khớp động