Nghiên cứu động lực học thiết bị khoan xoay đập lắp trên máy đào phục vụ thi công hầm khẩu độ vừa và nhỏ

Luận án thực hiện các mục tiêu như sau: Xác định không gian làm việc thực tế của thiết bị khoan, từ đó làm cơ sở đề xuất điều chỉnh kết cấu máy; Khảo sát ảnh hưởng của đường kính xi lanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

BÙI VĂN TRẦM

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN XOAY ĐẬP LẮP TRÊN MÁY ĐÀO PHỤC VỤ THI

CÔNG HẦM KHẨU ĐỘ VỪA VÀ NHỎ

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

MÃ SỐ : 9.52.01.16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2019

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Người hướng dẫn khoa học:

1 - GS TS Chu Văn Đạt - Học viện Kỹ thuật Quân sự

2 - TS Nguyễn Lâm Khánh - Trường Đại học GTVT

PGS TS Vũ Công Hàm - Học viện Kỹ thuật Quân sự

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo quyết định số 4084/QĐ-HV, ngày 30 tháng 10 năm 2019 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi … giờ … ngày … tháng … năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia

- Thư viện Học viện Kỹ thuật quân sự

có thể giải quyết triệt để Do đó, luận án với đề tài: “Nghiên cứu động lực học thiết bị khoan xoay đập lắp trên máy đào phục vụ thi công hầm khẩu độ vừa và nhỏ” nhằm tạo cơ sở khoa học cho việc hoàn thiện thiết bị đã có, phục vụ thiết kế thiết bị mới và nâng cao hiệu quả khai thác thiết bị

2 Mục tiêu của đề tài

Luận án thực hiện các mục tiêu như sau: Xác định không gian làm việc thực tế của thiết bị khoan, từ

đó làm cơ sở đề xuất điều chỉnh kết cấu máy; Khảo sát ảnh hưởng của đường kính xi lanh thủy lực dẫn động các khâu và độ cứng đối tượng khoan đến rung động của giá khoan; Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học đề xuất phương án hoàn thiện thiết bị khoan đã có, phục vụ thiết kế chế tạo thiết bị mới và khuyến cáo người sử dụng máy

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Hệ giá đỡ thiết bị khoan lắp trên máy đào do Việt Nam chế tạo (loại thiết bị khoan do Binh chủng Công binh chế tạo, ký hiệu: MK-Z49) phục vụ khoan lỗ nổ mìn đường hầm khẩu độ vừa và nhỏ

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Lý thuyết động lực học hệ nhiều vật được áp dụng để xây dựng các mô hình vật lý - toán của cơ hệ Việc giải hệ phương trình

vi phân chuyển động của cơ hệ được thực hiện bằng chương trình tính toán số viết trong phần mềm MAPLE và MATLAB Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dùng để trình diễn quá trình làm việc và chuyển động lý tưởng của cơ hệ Thực nghiệm để xác định giá trị các thông số đầu vào cần thiết cho quá trình tính toán số và kiểm nghiệm những kết quả tính toán lý thuyết

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

5.1 Ý nghĩa khoa học

- Luận án đã xây dựng được mô hình và khảo sát động học, động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan chế tạo trong nước thi công đường hầm khẩu độ vừa và nhỏ, tính phức tạp của bài toán nằm ở cả bản thân cơ

hệ khảo sát và tải trọng động 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 liên quan đến thiết bị thi công đường hầm khẩu độ vừa và nhỏ, xây dựng mô hình khảo sát động học và động lực học, thiết lập hệ phương trình chuyển động, xác định giá trị các thông số động học và động lực học trong mô hình, hàm hóa được ngoại lực tác dụng vào cơ hệ, giải hệ phương trình chuyển động để xác định các thông số nghiên cứu

- Phương pháp luận của luận án có thể được vận dụng để nghiên cứu động học, động lực học trong không gian đối với hệ nhiều vật

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 04 chương

Chương 1 (Tổng quan vấn đề nghiên cứu) thống kê và phân tích các công trình nghiên cứu về đường hầm khẩu độ vừa và nhỏ, về thiết bị thi công đường hầm, về các nghiên cứu liên quan đến luận án, từ đó

đề ra mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

Chương 2 (Xác định không gian làm việc của máy khoan MK-Z49 và mô phỏng chuyển động) đề cập đến việc xác định không gian làm việc của máy khoan trên cơ sở nghiên cứu động học thuận, động học ngược hệ giá đỡ thiết bị khoan xét trong không gian Mô phỏng quá trình chuyển động của máy nhằm xác định vị trí các khâu, làm cơ sở kiểm chứng kết quả khảo sát lý thuyết Từ kết quả bài toán động học

và mô phỏng máy kiến nghị điều chỉnh kết cấu nhằm đảm bảo không gian thao tác đáp ứng được yêu cầu thi công

Chương 3 (Động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan) đề xuất mô hình khảo sát động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan trong không gian với những nội dung liên quan trực tiếp như: các giả thiết đơn giản hóa, sơ

đồ mô hình, xác định các thông số động lực học trong mô hình, thiết lập hệ phương trình chuyển động Cuối chương là việc đề xuất phương pháp giải hệ phương trình chuyển động; khảo sát ảnh hưởng của đường kính xi lanh dẫn động và độ cứng của đối tượng khoan đến rung của giá khoan

Chương 4 (Nghiên cứu thực nghiệm) trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến thực nghiệm, tổ chức thực nghiệm, xử ký và hồi quy số liệu thực nghiệm, sử dụng và đánh giá kết quả thực nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đường hầm quân sự và hộ chiếu gương khoan

Công trình ngầm nói chung và đường hầm nói riêng được dùng vào các mục đích khác nhau để phục

vụ các nhu cầu của nền kinh tế quốc dân như giao thông, thuỷ lợi, các tổ hợp ngầm của nhà máy thuỷ điện, các kho chứa nguyên liệu sản phẩm công nghiệp, khai thác tài nguyên của đất nước

Đường hầm quân sự (ĐHQS) thường được chọn ở những vùng rừng núi, những nơi hẻo lánh xa khu dân cư và đô thị Quá trình thi công tiến hành trong điều kiện khó khăn, không gian thi công chật hẹp, tuyến thi công kéo dài, điều kiện địa chất đa dạng, phức tạp do phải đáp ứng được các yêu cầu về mặt chiến thuật cũng như bảo đảm bí mật quân sự Khi thi công có thể gặp phải vùng địa chất phức tạp có độ cứng thay đổi từ lớp nọ sang lớp kia Đường đi đến địa điểm thi công thường phải qua những địa hình phức tạp, độ dốc lớn, đường hẹp, vực sâu… vì vậy khả năng cơ động các phương tiện, máy móc, bảo đảm

kỹ thuật cung cấp vật tư trong quá trình thi công cũng gặp không ít khó khăn, nguy hiểm Căn cứ vào công năng sử dụng, ĐHQS có thể được thiết kế với nhiều loại mặt cắt có kích thước khác nhau

khẩu độ sử dụng B của mặt cắt để phân loại thành các dạng đường hầm có khẩu độ lớn, vừa và nhỏ

Hộ chiếu gương khoan là tài liệu cơ sở, hướng dẫn thực hiện thi công khoan nổ, trong đó bao gồm: hướng dẫn cách thức, quy trình tổ chức triển khai công việc, các thông số kỹ thuật, biện pháp an toàn, giải pháp thực hiện, thời gian, địa điểm và khối lượng thi công, vật liệu, vv có sơ

đồ và bản vẽ kèm theo Đối với các công trình công binh, ĐHQS thông dụng thường thi công với

miền nghiên cứu của luận án (Hình 1.1)

1.2 Quy trình thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ

3

Một chu kỳ thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn bao gồm các công đoạn: khoan tạo lỗ đặt mìn, nổ mìn, hút khí độc, bốc xúc, gia cố vách, hoàn thiện hầm và đo đạc khảo sát (hình 1.2)

Hình Error! No text of specified style in document 2 Các bước

trong thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn

1 - Khoan tạo lỗ; 2- Nhồi thuốc nổ; 3- Nổ mìn;

4 - Hút khí độc; 5- Bốc xúc vật liệu nổ;

6- Sửa vách hầm; 7- Khoan lỗ neo khi cần; 8- Đo khảo sát

Trong các công đoạn đó, công tác khoan nổ đóng một vai trò rất quan trọng, là khâu đầu tiên trong thi công đường hầm, quyết định lớn đến chất lượng, tiến độ thi công đường hầm Công việc đó phức tạp, yêu cầu cường độ làm việc cao, cần độ chính xác và tỷ mỉ vì nó quyết định đến độ chính xác của đường hầm, đến toàn bộ tiến độ

và chất lượng thi công đường hầm Vì vậy, khâu khoan lỗ nổ mìn gồm các thao tác vận hành

và thiết bị khoan có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ và hiệu quả thi công đường hầm

1.3 Đặc điểm môi trường đất đá trong đường hầm quân sự

Dựa vào tính chất cơ lý của đất đá, người ta phân chia đất đá theo nguồn gốc tạo thành và theo hệ số

Trong mô hình nghiên cứu của luận án, độ cứng và độ cản nhớt của đá đặc trưng cho liên kết giữa mũi tỳ

trình Hsieh Hệ số độ cứng, độ cứng tương đương và độ cản nhớt của các loại đá có giá trị như bảng 1.1

Bảng 1.1 Độ cứng tương đương và độ cản nhớt các loại đá

Độ cứng tương đương

1.4 Đặc điểm của thiết bị khoan lỗ nổ mìn thi công đường hầm quân sự

Hình 1.3 Sơ đồ mô tả các quá trình làm việc

của máy khoan kiểu xoay đập

Trong ĐHQS thường sử dụng phổ biến thiết bị khoan xoay - đập vì đảm bảo được năng suất và chất lượng thi công Tuy nhiên, thiết bị này gây rung động giá khoan, làm sai lệch hướng khoan nên cần phải tập trung nghiên cứu động lực học giá khoan để đề xuất giảm rung, tăng năng suất và chất lượng thi công

Khoan xoay đập làm việc dựa trên sự kết hợp của các quá trình gồm: xoay liên tục, đập theo chu kỳ, luôn có lực dẫn tiến và quá trình làm sạch thoát phoi

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác lỗ khoan

1.5.1 Tiêu chuẩn áp dụng trong khoan nổ mìn

Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 9161-2012, chỉnh biên năm 2018) thì sai lệch lỗ khoan cho phép được tính theo chiều dài của cần khoan ngập vào trong đá, cứ mỗi mét dài cần khoan ngập vào trong đá thì độ rộng thêm của lỗ so với viền chuẩn có giá trị là 1.5 cm

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác lỗ khoan

Việc thiết kế hộ chiếu gương khoan và khoan lỗ chính xác có ý nghĩa quan trọng trong việc tạo ra biên dạng đường hầm đúng và giảm thiểu khối lượng đất đá thừa Bên cạnh đó, độ chính xác lỗ khoan còn giúp cho dây chuyền khoan nổ mìn làm việc nhịp nhàng, không phải dừng máy để điều chỉnh dẫn tới năng suất và hiệu quả thi công cao

Có nhiều nguyên nhân gây sai lệch lỗ khoan nhưng nguyên nhân rung lắc giá dẫn hướng mũi khoan khi thi công là nguyên nhân chính Vì vậy, cần tập trung nghiên cứu để xác định được sự ảnh hưởng của

độ cứng vững giá dẫn hướng thiết bị khoan đến sự sai lệch lỗ khoan

1.6 Tình hình nghiên cứu hệ giá đỡ thiết bị khoan lỗ nổ mìn

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ giá đỡ thiết bị khoan chế tạo trong nước, do đó những nội dung cần tìm hiểu phân tích, đánh giá để xây dựng phương pháp nghiên cứu phù hợp cho luận án gồm: Ngoại lực tác động vào hệ giá đỡ thiết bị khoan; động học và động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan 1.6.1 Xác định ngoại lực tác động vào cơ hệ

Trong thi công khoan nổ mìn, đã có nhiều công trình nghiên cứu quá trình đá bị phá hủy trong từng chu kỳ xoay hoặc đập rời rạc mà chưa có công trình nào nghiên cứu tương tác kết hợp xoay và đập của đầu búa để xác định ngoại lực Trong các biểu thức xác định ngoại lực thì giá trị tính toán phụ thuộc nhiều yếu tố như lực ấn giữ ban đầu, tiết diện mũi khoan, góc tiếp xúc của mũi khoan với đá, chế độ khoan và phụ thuộc vào cơ tính của đá khoan Mặt khác, nhiều thông số trong biểu thức phải xác định bằng thực nghiệm Vì vậy, với nội dung nghiên cứu của luận án và căn cứ điều kiện thực tế về năng lực của thiết bị đo, điều kiện thí nghiệm, nghiên cứu sinh áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để xác định ngoại lực

1.6.2 Động học và động lực học cơ hệ liên quan

Khi tiếp cận với thiết bị khoan lỗ nổ mìn, phần lớn các tác giả tập trung nghiên cứu về động lực học cụm đầu khoan, về chế độ làm việc của cụm đầu khoan, về tương tác mũi khoan với đá, về biến dạng của cần khoan, mà rất hiếm có tài liệu nào nghiên cứu về động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan Mặt khác, đối tượng nghiên cứu của luận án là cơ hệ nhiều vật được dẫn động bởi các xi lanh thủy lực, rung động của cơ hệ là do xi lanh thủy lực khi coi các khâu và khớp cứng tuyệt đối, không rơ lỏng Trong quá trình làm việc hệ giá đỡ này có vai trò giữ ổn định và dẫn hướng cụm đầu khoan Do đó, mục này trình bày tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về động lực học xi lanh thủy lực và cơ hệ mạch vòng, về động học máy khoan

1.6.2.1 Động lực học xi lanh thủy lực

Khi nghiên cứu về động lực học xy lanh thủy lực (ĐLHXL) có thể xét hoặc bỏ qua chất lỏng công tác,

có thể quy dẫn độ cứng tương đương hoặc tính toán trực tiếp Ưu điểm của bài toán quy dẫn độ cứng tương đương của xi lanh thủy lực là dễ thực hiện tuy nhiên kết quả tính toán chỉ đạt giá trị gần đúng, còn tính toán trực tiếp độ cứng của xi lanh thực hiện khó khăn hơn nhưng cho kết quả tương đối chính xác và tin cậy Mặt khác, áp suất và thể tích của dầu thủy lực trong các khoang của xi lanh có ảnh hưởng nhiều đến kết quả khảo sát động lực học xi lanh thủy lực Vì vậy, với mục tiêu đã đề ra luận án sử dụng lý thuyết tính toán động lực học xi lanh trực tiếp có xét đến môi chất công tác để xây dựng mô hình nghiên cứu của luận án 1.6.2.2 Động lực học cơ hệ mạch vòng

Tác giả GS.TSKH Đỗ Sanh và GS.TSKH Nguyễn Văn Khang đã trình bày khá kỹ các phương pháp giải

hệ nhiều vật có cấu trúc mạch vòng Để giải hệ phương trình chuyển động dạng này, tác giả sử dụng phương pháp khử nhân tử để đưa hệ phương trình vi phân - đại số về hệ phương trình vi phân thường Từ kết cấu và nguyên lý làm việc thực tế của hệ giá đỡ thiết bị khoan (phải tỳ vách gương khoan tạo ổn định hệ giá đỡ mới tiến hành làm việc) nên mô hình nghiên cứu động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan sẽ được giải theo hướng hệ nhiều vật có cấu trúc mạch vòng

1.6.2.3 Động học máy khoan nổ mìn

Về động học hệ giá đỡ thiết bị khoan đã có nhiều công trình nghiên cứu với kết cấu máy khoan cụ thể và

đa số áp dụng với máy khoan hầm khẩu độ lớn Qua phân tích và khảo sát các sản phẩm đã chế tạo trong nước, nghiên cứu sinh lựa chọn máy khoan nổ mìn do Nhà máy Z49 - Binh chủng Công binh chế tạo (ký hiệu thiết bị: MK-Z49) làm đối tượng nghiên cứu của luận án Mặc dù sản phẩm còn tồn tại một số hạn chế như: không thực hiện được một số vị trí lỗ khoan trên gương đào, giá khoan rung lắc làm ảnh hưởng đến độ chính xác của lỗ khoan và năng suất thi công, tuy nhiên so với những sản phẩm chế tạo trong nước thì nó có kết cấu hoàn thiện nhất, phù hợp được nhiều tiêu chí nhằm hoàn thiện và phát triển sản phẩm

Sơ đồ cấu tạo và thông số kỹ thuật chính của thiết bị khoan được thể hiện theo hình và bảng dưới đây:

3 4

12 13 6

14

7 10

Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo máy khoan nổ mìn MK-Z49

7- Giá tam giác;

8- Xi lanh nâng hạ giá dẫn hướng khoan; 9- Cơ cấu chống cong cần khoan;

10- Giá dẫn hướng khoan;

11- Mũi tỳ vào gương khoan;

12- Xi lanh lắc giá tam giác;

13- Xi lanh nâng hạ cần;

14- Lưỡi ủi;

15- Xi lanh lắc khâu đế

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trên cơ sở phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề nghiên cứu nhận thấy:

1 Đường hầm quân sự có khẩu độ vừa và nhỏ, được xây dựng ở những vùng rừng núi, nơi hẻo lánh

xa khu dân cư và đô thị Việc thi công đường hầm quân sự với thiết bị khoan xoay đập là công việc đặc thù trong điều kiện làm việc phức tạp, đặc biệt cần đảm bảo các điều kiện về chiến thuật và bí mật quân

sự Yêu cầu đặt ra với thiết bị phải nhỏ gọn, cơ động linh hoạt, hoạt động an toàn, ổn định và hiệu quả Với yêu cầu này thì thiết bị nhập ngoại không phù hợp mà phải tập trung phát triển và hoàn thiện thiết bị

đã có trong nước

2 Máy khoan lỗ nổ mìn MK-Z49 rất cần cho thi công đường hầm quân sự trong nước, tuy nhiên kết cấu của máy còn tồn tại nhiều hạn chế Kết cấu chính của máy MK-Z49 có máy đào là máy cơ sở liên kết với bộ công tác gồm hệ giá đỡ và cụm mũi khoan Hệ giá đỡ thiết bị khoan của máy có nhiệm vụ liên kết, nâng đỡ và dẫn hướng thiết bị khoan, có ảnh hưởng lớn tới chất lượng làm việc của máy khoan Trong quá trình làm việc, hệ giá đỡ là bộ phận trung gian giữa máy cơ sở và thiết bị công tác, chịu toàn bộ tải trọng tạo ra từ cụm thiết bị khoan, cần có kết cấu phù hợp để đảm bảo cho bộ phận công tác làm việc chính xác, ổn đinh trong các điều kiện hoạt động khó khăn Đây là vấn đề phức tạp, cần có các nghiên cứu chuyên sâu về động học và động lực học hệ giá đỡ Đó chính là mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

3 Đối tượng nghiên cứu là cơ hệ phức tạp thuộc loại cơ cấu không gian nhiều khâu, nhiều khớp, loại nửa hở nửa kín, chịu tương tác với môi trường (là loại cơ hệ chịu liên kết không lý tưởng) Việc nghiên cứu cơ hệ chịu liên kết không lý tưởng đòi hỏi cần kết hợp cả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Trong

mô hình nghiên cứu, coi các khâu của hệ giá đỡ thiết bị khoan của máy khoan MK-Z49 là cứng tuyệt đối thì rung động của cơ hệ là do dầu thủy lực trong xy lanh có tính nén Khi nghiên cứu động lực học xy lanh thủy lực sử dụng lý thuyết tính toán động lực học xy lanh trực tiếp có xét đến môi chất công tác

4 Bên cạnh việc nghiên cứu lý thuyết, luận án cần tiến hành nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các thông số đầu vào phục vụ việc khảo sát lý thuyết và kiểm chứng độ tin cậy của mô hình cũng như các kết quả khảo sát Đặc biệt sử dụng phương pháp thực nghiệm đo trực tiếp ngoại lực tác động vào cơ hệ khi làm việc sau đó hồi quy giá trị ngẫu nhiên và hàm hóa thành biểu thức ngoại lực

CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH KHÔNG GIAN LÀM VIỆC CỦA MÁY KHOAN MK-Z49 VÀ MÔ

PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG Nội dung của chương đề cập đến việc xác định không gian làm việc của máy khoan trên cơ sở nghiên cứu động học thuận, động học ngược hệ giá đỡ thiết bị khoan xét trong không gian Mô phỏng quá trình chuyển động của máy nhằm xác định vị trí các khâu, làm cơ sở kiểm chứng kết quả khảo sát lý thuyết Từ

kết quả bài toán động học và mô phỏng máy kiến nghị điều chỉnh kết cấu nhằm đảm bảo không gian thao tác đáp ứng được yêu cầu thi công

2.1 Khảo sát không gian làm việc của máy khoan nổ mìn MK-Z49

Máy khoan nổ mìn MK-Z49 có máy cơ sở là máy đào, hệ giá đỡ dạng cần gồm nhiều khâu liên kết với nhau bằng các khớp và được dẫn động bằng các xi lanh thủy lực (Hình 2.1) Không gian làm việc của mũi khoan phụ thuộc vào phạm vi làm việc của mỗi khâu trong hệ giá đỡ thiết bị khoan Để xác định được không gian thao tác của mũi khoan máy MK-Z49 phải nghiên cứu động học thuận hệ giá đỡ của máy Kết quả nghiên cứu động học thuận đặt ra yêu cầu cho bài toán động học ngược hệ giá đỡ nhằm hoàn thiện máy, đáp ứng được yêu cầu thi công

2.1.1 Kết cấu và nguyên lý hệ giá đỡ thiết bị khoan MK-Z49

Kết cấu và sơ đồ cấu tạo máy khoan lỗ nổ mìn chế tạo trong nước được thể hiện đầy đủ trên hình 1.4

và hình 2.1

Khâu 1 Khâu 2 Khâu 3 Khâu 4

Khâu 5 Khâu 6

Hình 2.1 Các khâu của hệ giá đỡ thiết bị khoan

Mô hình được chia làm 7 khâu gồm: khâu 1 (khâu đế, lắc ngang); khâu 2 (đốt dưới cần, quay lên xuống); khâu 3 (đốt trong cần, tịnh tiến); khâu 4 (chụp đỉnh cần, quay tròn); khâu 5 (khâu tam giác, lắc ngang); khâu 6 (giá trượt của mũi khoan, quay lên xuống); khâu 7 (cụm mũi khoan, cần khoan và mô tơ khoan, tịnh tiến dọc giá trượt) Các hệ tọa độ được xây dựng theo quy tắc tam diện thuận theo Các khâu còn lại của hệ giá đỡ được liên kết bởi các khớp và được dẫn động bởi các xi lanh

Trình tự làm việc của máy diễn ra trong hai quá trình chính:

- Bước đầu tiên xác định vị trí khoan, việc này rất quan trọng, ảnh hưởng đến vị trí và hướng của lỗ khoan, trong quá trình này khâu 7 (gồm có mô tơ khoan, cần khoan và mũi khoan) và máy cơ sở đứng yên, còn các khâu 1, 2, 3, 4, 5 và khâu 6 hoạt động (Hình 2.1) Nội dung này chính là bài toán động học

hệ giá đỡ thiết bị khoan

Hình 2.2 Liên kết giữa máy khoan với nền và vách

- Bước tiếp theo tiến hành ghim vách và giữ ổn định hệ giá đỡ thiết bị khoan đảm bảo đúng hướng

và vị trí mũi khoan theo yêu cầu, lúc này các khâu được giữ ổn định tại vị trí cân bằng nhờ các xi lanh thủy lực, máy cơ sở bám sát với nền, mũi ghim tỳ chặt với gương khoan (Hình 2.2)

Đặc trưng làm việc của máy khoan nổ mìn Z49 khác nhiều so với các máy xây dựng, khi làm việc hệ giá đỡ của máy khoan luôn ghim chặt và tỳ sát với gương khoan Do đó, khi giải bài toán động lực học phải áp dụng phương pháp phù hợp để xác định thông số nghiên cứu

MK-2.1.2 Động học thuận hệ giá đỡ máy khoan MK-Z49

2.1.2.1 Xây dựng mô hình

Với đặc điểm kết cấu và nguyên lý làm việc của máy khoan MK-Z49, khi xây dựng mô hình động học các giả thiết xây dựng bài toán như sau: Bộ công tác là một chuổi động hở bao gồm các khâu và khớp; Không có khe hở và rơ lỏng trong các khớp động; Các khâu được xem là cứng tuyệt đối; Cụm mũi khoan, cần khoan và mô tơ khoan đứng yên trong quá trình tìm vị trí khoan Bộ công tác của máy khoan được mô hình hóa và đặt hệ quy chiếu như hình 2.3

Dựa vào phương pháp ma trận Denavit - Hartenberg thiết lập hệ trục tọa độ nêu ở mục trên, áp dụng cho hệ giá đỡ thiết bị khoan chế tạo trong nước, xây dựng các hệ trục cụ thể như sau:

7

Khâu 6 Khâu 5

Khâu 4 Khâu 3

Hình 2.3 Hệ quy chiếu và mô hình động học hệ giá đỡ máy khoan MK-Z49

thuận

tắc tam diện thuận

2.1.2.2 Các tham số động học

Bảng 2.1 Bảng các tham số động học

Denavit - Hartenberg (D-H) Từ mô hình và hệ trục tọa độ ở trên ta xây dựng được bảng thông số Danavit-Hartenbeg như bảng 2.1

khi đã khoan thì các khâu khác được khóa cứng, do đó

động của các khâu khác Vì vậy, trong bài toán động học coi khâu 7 gắn cứng vào khâu 6

Ma trận truyền Hii 1,2, ,6 cỡ 4x4 biến đổi tọa độ từ một điểm trên hệ tọa độ khâu (i 1)x y zi1 i1 i1 tới khâu i   x y zi i i có dạng:

i

i i

i

aad

Các ma trận truyền D giữa hệ tọa độ gốc i  x y z0, ,0 0 tới khâu i  x y zi, ,i i:

D6, trong đó ma trận quay 0Ai biểu diễn theo dạng [[a11,a12,a13], [a21,a22,a23], [a31,a32,a33]]

2.1.2.3 Không gian thao tác

Không gian làm việc hay miền thao tác của điểm chấp hành là không gian mũi khoan quét đến được khi các khâu trong chuỗi hoạt động trong miền làm việc của nó Căn cứ không gian thao tác để xác định phạm vi hoạt động của máy, từ đó có phương án lựa chọn máy khoan ứng với hộ chiếu khoan cho trước Trong quá trình định vị trí khoan, các khâu của hệ giá đỡ có miền làm việc được xác định theo bảng 2.2

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật miền làm việc của các khâu

Giá trị

So với

6) đến gốc tọa độ cơ hệ, kết quả thu được không gian thao tác của mũi khoan của máy khoan MK-Z49 với kết quả thể hiện ở hình 2.4

9

Hình 2.4 Miền thao tác trong mặt phẳng YOZ

(Tọa độ X và Y trong miền không gian thể hiện

giá trị trên trục tọa độ y và z)

Nhận xét: Từ kết quả không gian thao tác của máy khoan MK-Z49, so sánh với hộ chiếu gương khoan trên hình 1.1, thấy rằng mũi khoan không thể làm việc

ở một số điểm khoan nằm phía dưới chân gương Máy khoan MK-Z49 đáp ứng được chiều sâu khoan và bề rộng thao tác, tuy nhiên chỉ khoan được điểm thấp nhất có cao độ là + 0.1784 m

Như vậy, máy khoan MK-Z49 không làm việc được ở những điểm chân gương khoan có cao độ + 0.1

m theo yêu cầu thiết kế, những điểm khoan này phải dùng phương pháp thủ công để hoàn thành

Do đó, để máy khoan MK-Z49 đáp ứng được miền làm việc theo yêu cầu, cần phải điều chỉnh hệ giá

đỡ, đây là nhiệm vụ của bài toán động học ngược hệ giá đỡ khi biết tọa độ điểm thao tác, yêu cầu tìm tọa

độ của các khâu thành phần Bài toán này được trình bày cụ thể ở mục tiếp theo

2.2 Nghiên cứu điều chỉnh hệ giá đỡ máy khoan MK-Z49 đáp ứng yêu cầu thi công

Để máy khoan MK-Z49 đáp ứng yêu cầu thi công như hộ chiếu gương khoan cho trước, cần tiến hành nghiên cứu động học ngược hệ giá đỡ máy khoan MK-Z49, từ đó đề xuất về phạm vi hoạt động của các khâu trong cơ hệ

2.2.1 Thiết lập phương trình động học

Trong đó: D q6( ) = H1.H2 H3 H4.H5.H6 là ma trận truyền giữa gốc tọa độ tới khâu 6

6

sin( ) sin( )cos( ) cos( ) sin( ) sin( )sin( )sin( ) cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) ( )

cos( )sin( ) cos( ) sin( )sin( ) cos( )sin( )sin( ) sin( ) cos( ) cos( ) cos( )

E E E

x y p

thức (2.7), chính là 6 phương trình xác định vị trí và hướng của mũi khoan

2.2.2 Giải bài toán động học ngược

2.2.2.1 Sơ đồ thuật toán

Sơ đồ thuật toán giải bài toán động học ngược hệ giá đỡ máy khoan MK-Z49 theo phương pháp Newton-Raphson được thể hiện cụ thể ở hình 2.5 Tiến hành khảo sát lần lượt từng điểm trên gương đào có

nên chỉ khảo sát các điểm điển hình ngoài viền gương là điểm A, B, C và D trên hình 1.1 Khi mũi khoan thi công được 04 điểm này thì các điểm còn lại trong mặt gương khoan theo thiết kế đều thực hiện được

Quá trình khoan diễn ra theo các bước gồm máy cơ sở đứng yên tại đường tâm hầm, lần lượt điều chỉnh hệ giá đỡ cụm khoan để khoan các điểm A, B, C và D Mỗi điểm khoan có vị trí và hướng theo yêu cầu của hộ chiếu gương khoan Các điểm lần lượt có tọa độ theo (x,y,z) khi máy cơ sở cách gương hầm

q2, q4, q5, q6, và dịch chuyển q3

2.2.2.2 Giải bài toán sử dụng chương trình tính viết trong phần mềm MATLAB

Kết quả giải bài toán động học ngược (Bảng 2.3), thấy rằng: Khi khoan nửa gương đào bên phải, giá

máy thực)





Hình 2.5 Sơ đồ thuật toán giải bài toán động học

ngược hệ giá đỡ máy khoan MK-Z49

Như vậy, khi khoan toàn gương đào thì

quay toàn vòng trên đỉnh khâu 3

Bảng 2.3 Kết quả giải biến khớp tại các điểm

Như vậy, để mũi khoan đáp ứng được yêu cầu thi công đối với gương hầm khẩu độ vừa và nhỏ thông dụng (Hình 1.1), cần điều

khâu 3

2.3 Mô phỏng hoạt động của máy khoan MK-Z49 sau khi điều chỉnh kết cấu

Mục đích của mô phỏng hoạt động máy nhằm kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết, xác định vị trí các khâu đặc biệt là khâu thao tác khi chưa đề cập đến rung động và xác định các thông số đặc trưng kết cấu của mỗi khâu làm đầu vào cho bài toán động lực học

Tiến hành mô phỏng hoạt động của máy nhằm tìm hướng và vị trí khoan tại các điểm khoan điển hình

có hướng và vị trí đúng yêu cầu thiết kế của gương khoan

Hình 2.7 Mô phỏng làm việc tại các điểm khoan điển hình

Nhận xét: Để mô phỏng hoạt động của máy tại các vị trí khoan khảo sát A, B, C và

D, tiến hành nhập tọa độ các khâu theo bảng 2.3, kết quả thu được hướng và vị trí của mũi khoan đáp ứng đúng yêu cầu của gương khoan

Từ kết quả mô phỏng máy khẳng định thuật toán động học ngược hệ giá đỡ máy khoan

đỉnh khâu 3 là tin cậy và khoa học

11

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Nội dung nghiên cứu của chương đã thu được những kết quả sau:

1 Đã khảo sát máy thực và xây dựng được mô hình động học của hệ giá đỡ máy khoan MK-Z49, tính toán động học thuận và xác định được miền làm việc thực tế của máy Từ kết quả không gian thao tác của máy khoan MK-Z49, so sánh với hộ chiếu gương khoan trên hình 1.2, thấy rằng mũi khoan không thể làm việc ở một số điểm khoan nằm phía dưới chân gương Máy khoan MK-Z49 đáp ứng được chiều sâu khoan và bề rộng thao tác, tuy nhiên chỉ khoan được điểm thấp nhất có cao độ là + 0.1784 m Như vậy, máy khoan MK-Z49 không làm việc được ở những điểm chân gương khoan có cao độ + 0.1 m theo yêu cầu thiết kế

trên đỉnh khâu 3, lúc đó mũi khoan thao tác đến điểm khoan thấp nhất có cao độ là -0,2092 m

3 Mô phỏng hoạt động của máy thực nhằm minh chứng kết quả tính toán động học và xác định đặc trưng hình học từng khâu làm thông số đầu vào cho mô hình động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan Kết quả mô phỏng hoạt động của máy khẳng định đường lối tính toán động học thuận, động học ngược hệ giá

đỡ thiết bị khoan là phù hợp, khoa học và chính xác

CHƯƠNG 3 ĐỘNG LỰC HỌC HỆ GIÁ ĐỠ THIẾT BỊ KHOAN Nội dung của chương trình bày cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu động lực học không gian

hệ giá đỡ thiết bị khoan nổ mìn sử dụng dạng thức hệ nhiều vật có cấu trúc nửa kín nửa hở, chịu tương tác môi trường (liên kết không lý tưởng) Việc nghiên cứu cơ hệ chịu liên kết không lý tưởng đòi hỏi sự kết hợp cả lý thuyết và thực nghiệm Luận án tiếp cận hướng nghiên cứu với một sản phẩm cụ thể do Viêt nam chế tạo, đó là máy khoan hầm MK-Z49; Từ kết quả nghiên cứu mô hình, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của đường kính các xy lanh thủy lực và độ cứng đối tượng khoan đến rung động của giá khoan 3.1 Lý do sử dụng phương trình Lagrange dạng nhân tử

Khi sử dụng phương trình Lagrange dạng nhân tử cho cơ hệ nhiều vật mạch vòng có các đặc điểm sau:

- Thông thường phương trình Lagrange loại 2 truyền thống thường áp dụng giải hệ các phương trình

vi phân của các tọa độ suy rộng độc lập Do đó, cơ hệ mạch vòng muốn áp dụng phương pháp này thì các tọa độ suy rộng phụ thuộc phải biểu diễn được dưới dạng giải tích tường minh thông qua các phương trình liên kết Việc này khó thực hiện vì phương trình liên kết là phương trình phi tuyến, việc tách các tọa

độ phụ thuộc ra dưới dạng giải tích là không khả thi

- Còn khi giải hệ phương trình vi phân - đại số (DAE) thì các tọa độ suy rộng, vận tốc suy rộng và các nhân

tử Lagrange phụ thuộc thời gian Do đó, các phản lực liên kết tại các khớp không cần giải phóng mà được xác định thông qua các nhân tử Lagrange Ưu điểm khi sử dụng các nhân tử Lagrange thì hệ phương trình chuyển động của

hệ nhiều vật chịu liên kết được xây dựng theo cả biến độc lập và biến phụ thuộc, dễ áp dụng với các phần mềm tính toán Khi đó, lực suy rộng và phương trình ràng buộc có thể biểu diễn giải tích tường minh qua các tọa độ suy rộng

và vận tốc suy rộng Mặt khác, động năng của cơ hệ trong hệ DAE được biểu diễn rất đơn giản thông qua các tọa

độ suy rộng độc lập và tọa độ suy rộng phụ thuộc

3.2 Mô hình động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan

3.2.1 Các giả thiết xây dựng mô hình

Với đặc điểm kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ giá đỡ thiết bị khoan nổ mìn chế tạo trong nước,

để xây dựng mô hình động lực học, một số giả thiết được nêu ra như sau:

+ Nền máy đứng, các khâu của chuỗi và máy cơ sở là cứng tuyệt đối;

+ Hệ giá đỡ là một chuỗi động kín bao gồm các khâu liên kết với nhau bởi các khớp và dẫn động bởi xilanh thủy lực, liên kết tại các khớp không có khe hở (liên kết hôlônôm giữ và dừng), bỏ qua ma sát (liên kết lý tưởng) và không có biến dạng đàn hồi, các xi lanh thủy lực bị khóa đường dầu vào - ra tại mỗi

vị trí trước khi khoan và xi lanh được coi là một phần tử đàn hồi do tính chịu nén của chất lỏng;

+ Mũi của khâu dẫn hướng khoan (khâu 6) được ghim tỳ và luôn tiếp xúc với vách gương khoan Khâu dẫn hướng cứng tuyệt đối nên không bị biến dạng xoắn do ngẫu lực gây ra từ mô men cản cắt; + Xem môi trường khoan là đồng nhất và có độ cứng ổn định

3.2.2 Mô hình khảo sát động lực học cơ hệ

Trên cơ sở kết cấu và hoạt động của máy thực, được mô tả chi tiết ở các hình 1.4 và hình 2.2 với mô

T



của cơ hệ theo phương pháp Denavit - Hartenberg Mô hình hệ giá đỡ thiết bị khoan có 06 khâu giữ và