Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam

Đề tài nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong điều kiện thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam để tìm ra quy luật thay đổi của các thông số động lực học trong các trường hợp làm việc điển hình của máy. Dựa trên các kết quả nghiên cứu đã thu được, luận án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm động lực học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Hà Nội - 2018

Luận án hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.NGND Nguyễn Đăng Điệm

PGS.TS Lê Quang Hanh

vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước là thiết bị phục vụ việc ép các loại cọc bêtông cốt thép đúc sẵn hay các loại cọc thép vào trong nền móng với nhiều ưu điểm Hiện nay, hầu hết các chủng loại máy ép cọc thủy lực di chuyển bước đang được sử dụng đều được nhập khẩu từ nước ngoài với chi phí khá cao Các đơn vị sản xuất trong nước chưa có nhiều cơ sở khoa học để tính toán, thiết kế

và chế tạo loại thiết bị này Một trong những vấn đề cần quan tâm là việc nghiên cứu động lực học của máy ứng với các trạng thái làm việc điển hình như quá trình cẩu cung cấp cọc, quá trình ép cọc và quá trình di chuyển máy sẽ làm

cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế tối ưu thiết bị dựa trên cơ sở tính toán động, tính toán mỏi, tuổi thọ và ổn định của thiết bị, đồng thời cũng cho phép khuyến nghị được các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thống

số làm việc), tăng hiệu quả trong thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị trong

nước Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di

chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam” được đặt ra là

một yêu cầu cấp thiết

2 Mục tiêu của đề tài

Đề tài nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong điều kiện thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam để tìm ra quy luật thay đổi của các thông số động lực học trong các trường hợp làm việc điển hình của máy Dựa trên các kết quả nghiên cứu đã thu được, luận án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm động lực học

Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo

có ích cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo cũng như khai thác sử dụng máy ép cọc di chuyển bước ở Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu:

Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước sử dụng trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam

- Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề liên quan đến luận án

- Nghiên cứu động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong các quá trình cung cấp cọc, quá trình ép cọc và quá trình di chuyển máy

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

- Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

a Ý nghĩa khoa học:

- Tác giả đã nghiên cứu xây dựng bài toán động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước khi hệ thống cần trục cung cấp cọc làm việc và nghiên cứu xây dựng bài toán động lực học của các phần tử thủy lực thuộc máy ép trong quá trình ép cọc và di chuyển máy Nghiên cứu này giúp cho việc xác định các thông số động lực học của mô hình trong quá trình cung cấp cọc như chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực căng cáp động, lực động tác dụng vào các chân chống máy và trong quá trình ép cọc, di chuyển máy như áp suất động, vận tốc, lưu lượng, độ dịch chuyển của cọc và máy Từ đó, đã đưa ra các giá trị hệ số động tương ứng với các quá trình làm việc của máy Các kết quả nghiên cứu thu được đóng góp một phần có ích cho việc tính toán, thiết kế tối ưu thiết bị dựa trên cơ sở tính toán động, tính toán mỏi, tuổi thọ và ổn định của thiết bị

- Quá trình thực nghiệm trên một máy ép cọc thủy lực di chuyển bước đang làm việc tại công trường với các thiết bị đo đạc hiện đại và qui trình thực nghiệm hợp lý đã khẳng định được độ tin cậy của mô hình lý thuyết và là cơ sở

để xây dựng phương pháp thực nghiệm trên các loại máy ép cọc thủy lực khác

- Tác giả đã xây dựng được chương trình mô phỏng của máy ép cọc thủy lực

di chuyển bước trong trường hợp làm việc tổng quát và các trường hợp điển hình Bằng các chương trình mô phỏng đó, luận án đã khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học của máy và từ đó khuyến nghị các thông

số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước theo quan điểm động lực học

b Ý nghĩa thực tiễn:

- Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể giúp cho các đơn vị chế tạo hay khai thác máy ép cọc thủy lực di chuyển bước tham khảo trong việc cải tiến thiết kế, chế tạo ra các máy ép cọc thủy lực có chỉ tiêu kính tế - kỹ thuật cao

- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích phục vụ cho công tác đào tạo thuộc lĩnh vực máy ép cọc thủy lực

6 Điểm mới của luận án

- Luận án đã xây dựng được mô hình ĐLH máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ở các trường hợp làm việc điển hình nâng cọc có kể đến độ chùng cáp và vừa nâng cọc vừa quay bằng mô hình ĐLH trong không gian Đồng thời, luận

án cũng đã xây dựng được mô hình ĐLH hệ thống TĐTL của cơ cấu kẹp cọc,

ép cọc và di chuyển dọc máy Ứng dụng thành công phần mềm Simulink đề giải phương trình chuyển động phi tuyến nhiều bậc tự do

Matlab Luận án đã xác định được các đặc trưng dao động, lực căng cáp động, lực động tác dụng vào các chân máy theo góc quay của mâm quay, áp suất động trong các xi lanh thủy lực, hệ số động ứng với các trường hợp làm việc bất lợi của loại máy ép cọc nghiên cứu

- Tiến hành thực nghiệm máy ép cọc thủy lực di chuyển bước làm việc theo điều kiện thực tế với các trường hợp làm việc điển hình của máy như nâng cọc

có kể đến độ chùng cáp, vừa nâng cọc vừa quay, kẹp cọc, ép cọc và di chuyển dọc của máy

- Luận án đã xây dựng qui trình các bước xác định thông số kỹ thuật hợp lý của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng

ở Việt Nam theo quan điểm động lực học và xác định được bộ thông số hợp lý (thông số kết cầu và thông số làm việc) của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ86B (Bảng 4.12) Quy trình này cũng có thể áp dụng cho loại máy ép cọc thủy lực di chuyển bước khác

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

Máy ép cọc thuỷ lực di chuyển kiểu bước thích hợp thi công với các công trình xây dựng dân dụng, xây dựng các công trình cầu vượt Máy thường sử dụng để ép các loại cọc có đường kính vừa và lớn, quá trình ép - hạ cọc xuống nền đất yếu bằng lực ép tĩnh do các xi lanh thủy lực tạo ra (thường sử dụng ép cọc bê tông cốt thép) Ngoài ra, máy còn có khả năng tự cung cấp cọc nhờ một cần trục được trang bị trên máy, cần trục này cũng được sử dụng để tự tháo lắp

và vận chuyển các thiết bị của máy ép (trừ một số bộ phận) Cọc được ép xuống

nền tạo thành các đài cọc, áp lực từ công trình truyền xuống các đài cọc, thông qua đó truyền tới nền đất cứng

Hình 1.3 Hình ảnh máy ép cọc thủy lực di chuyển kiểu bước

Hình 1.5 Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

1- Chân thuyền; 2- Sàn công tác; 3- Cabin điều khiển bộ máy ép, bộ máy di chuyển; 4- Xi lanh chân máy; 5- Dầm gia tải; 6- Khung ép; 7- Xi lanh ép; 8- Cần trục cung cấp cọc; 9- Dầm liên kết chân máy; 10- Cụm bánh sắt

Nguyên lý làm việc: Cọc từ bãi cọc được cần trục dạng ống lồng (8) cẩu lên

đưa vào trong hộp kẹp cọc Cọc sau khi được kẹp chặt bằng các xi lanh thuỷ lực, các xi lanh ép cọc (7) sẽ đẩy hộp kẹp cọc cùng cọc đi xuống, nhờ đó cọc được đi sâu vào trong lòng đất Sau khi hết hành trình của xi lanh ép, xi lanh kẹp cọc sẽ co lại để nhả má kẹp, đồng thời điều khiển cho các xi lanh ép co lại, kéo cả hộp kẹp cọc đi lên Tiếp tục, điều khiển xi lanh kẹp kẹp chặt cọc và ép cọc đi xuống Khi kết thúc quá trình ép cọc tại một vị trí, máy ép cọc sẽ di

chuyển đến vị trí ép cọc mới, quá trình di chuyển này được thực hiện nhờ các xi lanh thủy lực với 2 xi lanh bố trí dọc máy, 2 xi lanh bố trí ngang máy và 4 xi lanh bố trí theo phương thẳng đứng (4) Bằng việc kết hợp các xi lanh thủy lực này mà máy có thể di chuyển tiến, lùi, sang trái, sang phải hoặc quay

1.2 Tổng quan các công trình đã nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận án

1.2.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu về kết cấu máy ép cọc thủy lực

di chuyển bước

Đã có nhiều công trình của các nhà khoa học Trung Quốc, Hungary, Việt Nam và các nước khác nghiên cứu về kết cấu thép đã được trình bày trong các tài liệu [33], [49], [52], [58], [61], [62], Từ các công trình nghiên cứu này NCS đã nhận thấy: các công trình nghiên cứu về kết cấu thép mà các tác giả đã

đề cập chủ yếu tính toán, thiết kế trên quan điểm tĩnh học Hiện vẫn chưa có công trình nào nghiên cứu các lực động phát sinh trong quá trình làm việc của máy, từ đó làm cơ sở cho việc tính toán kết cấu thép theo quan điểm động lực học

1.2.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

a) Nghiên cứu động lực học cần trục

Trên thế giới và trong nước đã có nhất nhiều công trình nghiên cứu về động lực học cần trục, các nhà khoa học của Bonia, Ba Lan, Korea và các ngước khác nghiên cứu về lĩnh vực này được thể hiện trong các tài liệu [38], [40], [44], Qua các nghiên cứu này, tác giả nhận thấy các kết quả nghiên cứu tập trung phân tích quỹ đạo chuyển động của hàng, lực phát sinh trong các khâu, khớp và phân tích tần số dao động Tuy nhiên, việc nghiên cứu động lực học cần trục được lắp trên máy ép cọc thủy lực di chuyển bước như một tổ hợp máy hoàn chỉnh thì chưa có nhiều công trình nghiên cứu, việc xác định các lực động phát sinh trong quá trình làm việc của máy như lực động trong cáp, lực động tác dụng lên các chân máy còn chưa được quan tâm

b) Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực

Đã có nhiều nhà khoa học Trung Quốc, Hungary, Việt Nam và các nước khác nghiên cứu về động lực học hệ thống truyền động thủy lực thể hiện trong các tài liệu [50], [51], [52], [60], [65], Từ các công trình nghiên cứu này, tác giả nhận thấy: các công tình nghiên cứu động lực học của hệ thống các xi lanh

thủy lực kẹp cọc và ép cọc có kể đến ảnh hưởng của các yếu tố địa chất, nền móng,… đến các thông số động lực học (áp suất, lưu lượng, lực động,v.v.) vẫn chưa được đề cập nhiều

1.2.3 Các nghiên cứu về thực nghiệm máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

Có nhiều công trình của các nhà khoa học Trung Quốc và các nước khác nghiên cứu về thực nghiệm để xác định ứng suất động trong thiết bị thể hiện trong các tài liệu [58], [69], Qua các nghiên cứu này, tác giả nhận thấy rằng việc đo đạc thực nghiệm trên các máy thực để xác định lực căng cáp động trong cáp thép nâng hàng, lực động tác dụng vào các chân đỡ máy, áp suất động trong

xi lanh ép cọc, xi lanh di chuyển máy, vận tốc ép cọc vẫn chưa được đề cập nhiều

KẾT LUẬN CHƯƠNG I VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Qua phân tích tình hình nghiên cứu của các tác giả trong nước và trên thế giới về những vấn đề liên quan đến nội dung của đề tài đã được đề cập, tác giả nhận thấy còn một số điểm tồn tại mà đè tài cần quan tâm giải quyết như sau:

1 Có nhiều công trình nghiên cứu về động lực học cần trục (cần trục tháp,

cần trục cột quay, cần trục ô tô, ) và động lực học hệ thống thủy lực của máy Tuy nhiên, việc nghiên cứu động lực học cần trục được lắp trên máy ép cọc thủy lực di chuyển bước như một tổ hợp máy hoàn chỉnh thì chưa có nhiều công trình nghiên cứu, việc xác định các lực động phát sinh trong quá trình làm việc của máy như lực động trong cáp, lực động tác dụng lên các chân chống máy và

hệ số động lực làm cơ sở cho việc tính toán động, tính toán mỏi, tuổi thọ và ổn định của thiết bị thì còn chưa được đề cập đến Đồng thời, việc nghiên cứu động lực học của xi lanh ép cọc cũng chưa đề cập đến ảnh hưởng của các yếu tố địa chất, nền móng,… đến các thông số động lực học như áp suất, lưu lượng, lực động, của máy trong thi công các công trình ở Việt Nam

2 Do vậy, luận án đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu động lực học của máy ép

cọc thủy lực di chuyển bước trong điều kiện thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam nhằm xác định các tải trong động tác dụng vào máy làm cơ sở cho việc tính toán, thiết kế tối ưu thiết bị dựa trên cơ sở tính toán động, tính toán mỏi, tuổi thọ và ổn định của thiết bị Đồng thời, từ đó có thể khuyến nghị một

số thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm động lực học

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI

CHUYỂN BƯỚC 2.1 Nghiên cứu động lực học máy khi nâng cọc

2.1.1 Nghiên cứu động lực học máy khi hệ thống cần trục nâng cọc có xét đến độ chùng của cáp

Mô hình động lực học được thể hiện như hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình động lực học khi máy nâng cọc có xét đến độ chùng cáp

Trong đó: 1- Mô men quán tính quy dẫn của mô tơ thủy lực nâng cọc và khớp nối, kg.m2; m2- Khối lượng quy dẫn của cần trục về một điểm nằm trên cần, kg;

m3- Khối lượng của đối trọng cần trục, kg; m4- Khối lượng của cọc, kg; a- Bội suất cáp; S1- Độ cứng quy dẫn của cáp, N/m; K1- Hệ số dập tắt dao động quy dẫn của cáp, Ns/m; Dt- Đường kính của tang cuốn cáp, m; i1- Tỷ số truyền từ động cơ thủy lực, qua hộp giảm tốc đến tời nâng; q30- Góc lệch ban đầu của cáp thép cùng với cọc tại đỉnh cần trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (mặt phẳng X1O1Z1 ), rad; - Góc lệch ban đầu xét trong mặt phẳng nằm ngang của

đường tâm cần của cần trục so với trục OX, rad; - Góc nghiêng của cần so với mặt phẳng nằm ngang; OXYZ- Hệ trục tọa độ tuyệt đối; q1- Chuyển vị góc của trục động cơ thủy lực, rad; q2- Chuyển vị của cọc theo đường trục của cáp thép, m; q3- Góc lắc của cáp thép cùng với cọc xung quanh đỉnh cần trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (mặt phẳng X1O1Z1 ), rad;M(q )1 - Đặc tính cơ của mô tơ

thủy lực dẫn động cụm puly móc câu của cơ cấu nâng thuộc cần trục cấp cọc Sau khi tác giả tiến hành viết công thức cho các hàm thế năng, động năng, hao tán và sử dụng phương trình Lagrange II để viết hệ PTCĐ

Một đầu cọc nâng lên, một đầu cọc chạm đất

Cọc thoát khỏi nền Triệt tiêu

cáp

Hình 2.9 Lực căng của cáp thép trong trường hợp nâng hàng có độ chùng cáp

2.1.2 Nghiên cứu động lực học máy khi hệ thống cần trục vừa nâng cọc và quay

Mô hình động lực học được thể hiện như hình 2.10

a) Mô hình động lực học; b) Sơ đồ cơ cấu quay; c) Sơ đồ cơ cấu nâng hạ cọc Hình 2.10 Mô hình động lực học trong trường hợp máy nâng cọc và quay đồng thời

Trong đó: Ngoài các ký hiệu như phần nâng cọc có xét đến độ chùng cáp, còn

có thêm các ký hiệu sau: 5- Mô men quán tính quy dẫn của mô tơ thủy lực quay mâm quay và khớp nối, kg.m2; 6- Mômen quán tính quy dẫn của mâm quay, kg.m2; S2- Độ cứng quy dẫn của cơ cấu quay, Nm/rad; q3- góc lắc của cọc trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (X1O1Z1); q4- góc lắc của cọc trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1); q5- chuyển vị góc của động

cơ cơ cấu quay, rad; q6- chuyển vị góc của mâm quay cần trục, rad;M(q )5 - Đặc tính cơ của cơ cấu quay thuộc cần trục

Sau khi tác giả tiến hành viết công thức cho các hàm thế năng, động năng, hao tán và sử dụng phương trình Lagrange II để viết hệ PTCĐ Tiến hành các bước tính toán và biến đổi cần thiết, NCS có được hệ phương trình chuyển động viết dưới sạng thu gọn như sau:

f cos q q -f cosq sinq cosq q -cosq cosq (L+f sinq cosq ).q -2cos q q q

q +(Lcosq +f sinq ).q +f sinq cosq q -[f cos q sinq cosq -L.sinq sinq ].q

-2q q -2sinq q q +2f cosq cos q q q +g.cosq sinq 0 (2.44)

[θ /m +(L+f sinq cosq ) +f sin q ]q -Lsinq q -f cosq sinq cosq q

+f (Lcosq +f sinq ).q +f sinq sinq cosq q -f Lsinq q +2f cosq sinq cosq q q

cosq +f sinq ).q q -2[sinq cosq (L+f sinq cosq )+f sin q ].q q

+2f cosq sin q q q +2f cosq cosq (L+f sinq cosq ).q q

M i

X: 0.2 Y: 9353

X: 30.9 Y: 8105

Hình 2.25 Lực căng trong cáp trường hợp nâng cọc và quay đồng thời

2.1.3 Xác định lực tác dụng lên các chân chống của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước

Mô hình xác định các lực tác dụng lên các chân chống của máy như sau:

Hình 2.26 Mô hình xác định lực tác dụng lên các chân chống của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong trường hợp máy nâng cọc và quay

Trong đó: Gm- Trọng lượng của sàn máy (kể cả đối trọng của máy), N; G2- Trọng lượng cần của cần trục, N; G3- Trọng lượng đối trọng của cần trục, N;

GQ- Trọng lượng của cọc, N; Fc(t)- Lực căng cáp (thay đổi theo thời gian), N;

- Góc lệch ban đầu của đường tâm cần trục xét trong mặt phẳng nằm ngang (

= q60); Ri- Các lực tác dụng lên chân chống của máy, N; Llt- Khoảng cách giữa tâm của máy và tâm quay của cần trục, N; G- Tổng trọng lượng tác dụng lên 4 chân của máy (coi như G chia đều cho 4 chân chống của máy), N

Lực tác dụng lên từng chân chống được xác định như sau:

(4)

L lt

c

1