Nghiên Cứu Cơ Sở Khoa Học Tính Toán, Thiết Kế Hợp Lý Máy Đào Cỡ Siêu Nhỏ Có Ưu Thế Thi Công

KC vc Nhóm thông số kết cấu vận chuyển đất ĐH Nhóm thông số động học ĐR Mô hình toán học tổng quát quá trình làm việc của bộ phận công tác P dc Lực cản công tác theo phương di chuyển N

TRẦN VĂN VIẾT

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT

KẾ HỢP LÝ MÁY ĐÀO CỠ SIÊU NHỎ CÓ ƯU THẾ THI

Hà Nội - Năm 2020

TRẦN VĂN VIẾT

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT

KẾ HỢP LÝ MÁY ĐÀO CỠ SIÊU NHỎ CÓ ƯU THẾ THI

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Phạm Quang Dũng, Trường Đại học Xây dựng đã trực tiếp hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành được luận

án này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Máy xây dựng, Khoa

Cơ khí Xây dựng và các nhà khoa học của Trường Đại học Xây dựng, Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Trường Đại học Công nghệ giao thông Vận tải, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và nhiều nhà khoa học khác đã trực tiếp đọc và góp ý vào các nội dung của luận án

Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Xây dựng, Khoa Đào tạo Sau đại học, Khoa Cơ khí Xây dựng, phòng nghiên cứu thực nghiệm cơ khí, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành nhiệm vụ và đạt được kết quả mong muốn

Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong gia đình, bố mẹ, anh chị em trong gia đình, bạn bè thân thiết đã tạo điều kiện và động viên tôi để hoàn thành luận án này

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án tiến sỹ “Nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán, thiết

kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp ở Việt Nam” là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong

luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tất cả những nội dung tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn đầy đủ

Người cam đoan

Trần Văn Viết

MỤC LỤC

Trang

L ỜI CẢM ƠN ………

L ỜI CAM ĐOAN ………

M ỤC LỤC ………

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU ………

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……….………

DANH MỤC CÁC BẢNG ………

MỞ ĐẦU ………

1 Lý do lựa chọn đề tài ………

2 Mục đích, nội dung nghiên cứu ………

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ………

4 Cơ sở khoa học………

5 Phương pháp nghiên cứu ………

6 Đóng góp mới của luận án ………

7 Cấu trúc của luận án ………

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ………

1.1 Tình hình cơ giới hóa thi công công tác đất trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ ở Việt Nam ………

1.2 Tổng quan về máy đào cỡ siêu nhỏ ………

1.2.1 Máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ ………

1.2.2 Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục ………

1.3 Tổng quan các công trình nghiên cứu về quá trình làm việc của bộ phận công tác máy đào đất ………

1.4 Công dụng và các yêu cầu đối với máy đào cỡ siêu nhỏ cần thiết lập ……

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA BỘ PHẬN CÔNG TÁC MÁY ĐÀO CỠ SIÊU NHỎ ………

i

ii iii

vi

x

xi

1

1

2

2

2

3

3

4

6

6

9

9

11

19

30

34

2.1 Nguyên tắc thiết lập máy đào cỡ siêu nhỏ và đề xuất phương án đối với bộ

phận công tác của máy ………

2.2 Phân tích cấu trúc quá trình làm việc của bộ phận công tác ………

2.3 Xây dựng mô hình toán học cho công đoạn cắt đất của bộ phận công tác ……

2.3.1 Nghiên cứu động học quá trình làm việc của bộ phận công tác ………

2.3.2 Xác định các thành phần lực cản cắt đất trên mỗi lưỡi cắt ………

2.3.3 Xác định các thông số kỹ thuật cơ bản (các thông số đầu ra) cho công đoạn cắt đất của bộ phận công tác ………

2.4 Xác định các thông số kết cấu hợp lý của lưỡi cắt ………

2.4.1 Đặt bài toán ………

2.4.2 Phương pháp xác định ………

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA BỘ PHẬN CÔNG TÁC ………

3.1 Chương trình và phương pháp tiến hành nghiên cứu thực nghiệm …………

3.1.1 Chương trình nghiên cứu thực nghiệm ………

3.1.2 Phương pháp NCTN trên cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm …………

3.2 Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm ………

3.2.1 Mô hình nghiên cứu thực nghiệm ………

3.2.2 Thiết bị đo ………

3.2.3 Thiết lập mô hình đất và mô hình bộ phận công tác ………

3.3 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ………

3.3.1 Kiểm chứng bằng thực nghiệm mô hình toán học cho công đoạn cắt đất … 3.3.2 Nghiên cứu tối ưu các thông số kỹ thuật của bộ phận công tác bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố ………

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ……

4.1 Phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ ………

4.2 Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm máy đào cỡ siêu nhỏ MDM-1E dẫn động

34

37

43

43

47

48

51

51

54

58

58

58

59

66

66

69

74

75

75

77

90

90

bằng động cơ điện ………

4.2.1 Tính toán thiết kế máy ………

4.2.2 Chế tạo và thử nghiệm máy ………

KẾT LUẬN ……… ………

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ ………

TÀI LIỆU THAM KHẢO … ………

PHỤ LỤC 1 (CHƯƠNG 2) ………

PHỤ LỤC 2 (CHƯƠNG 3) ………

PHỤ LỤC 3 (CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN) ……….…

96

96

100

104

106

107 PLI PLII PLIII

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU

δ Góc cắt - góc giữa mặt trước lưỡi cắt và hướng cắt Độ

 Góc sắc - góc giữa mặt trước và mặt sau của lưỡi cắt Độ

β Góc sau - góc giữa mặt sau của lưỡi cắt và hướng cắt Độ

b Chiều rộng lưỡi cắt và chiều rộng của phoi đất cm

h Chiều dày phoi đất (chiều sâu cắt đất) cm

v c Vận tốc cắt - Vận tốc di chuyển của lưỡi cắt theo hướng cắt m/s

k 1 Hệ số cản cắt riêng

1 Hệ số lấy theo trạng thái nền đất và lưỡi cắt (theo công thức 1.2)

A Hằng số xác định theo tính chất cơ lý của nền đất

z Hệ số kể đến ảnh hưởng của góc cắt và các thông số b, c

h 1 Chiều dày vùng đất bị nứt của phoi cắt cm

P c Lực cản ở phần đất bị nứt vỡ của hai bên lưỡi cắt N

P cc Lực cản cắt thuần túy ở hai cạnh lưỡi cắt phía dưới phần đất bị nứt vỡ N

F M Diện tích mặt cắt trước mũi lưỡi cắt cm2

F c Diện tích tiết diện phần đất bị nứt vỡ ở hai bên lưỡi cắt cm2

L cc Chiều dài cạnh cắt thuần túy ở hai cạnh lưỡi cắt cm

p M Lực cản cắt riêng tại vùng trước mũi lưỡi cắt N/cm2

p c Lực cản riêng tại phần đất bị nứt vỡ ở hai bên N/cm2

p cc Lực cản cắt riêng tại cạnh cắt thuần túy ở hai bên N/cm

m M Lực cản riêng vùng trước mũi lưỡi cắt N/cm2

m c Hệ số lực cản cắt riêng tại vùng trước mũi lưỡi cắt

m cc Hệ số lực cản riêng tại phần đất bị nứt vỡ ở hai bên

ĐV Nhóm thông số đầu vào

KC cđ Nhóm thông số kết cấu cắt đất

KC vc Nhóm thông số kết cấu vận chuyển đất

ĐH Nhóm thông số động học

ĐR Mô hình toán học tổng quát quá trình làm việc của bộ phận công tác

P dc Lực cản công tác theo phương di chuyển N

L VC Độ xa vận chuyển đất theo nguyên lý văng ly tâm m

v r Vận tốc dài trong mặt phẳng quay của rôto m/s

P i Lực cản cắt trên mỗi lưỡi cắt theo phương tiếp tuyến N

N i Lực cản cắt trên mỗi lưỡi cắt theo phương pháp tuyến N

µ Góc ma sát ngoài giữa đất và thép Độ

 Góc nghiêng đường xoắn ốc là tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động

E cđ Chi phí năng lượng riêng cho bộ phận công tác trong quá trình cắt đất Wh/m3

X Giá trị mã hóa của thông số điều khiển thứ i

i Khoảng biến thiên giá trị thực của thông số điều khiển thứ i

Y Mô hình biểu thị bằng phương trình hồi quy bậc 2

G Hàm phương sai theo chuẩn Kohren

y Giá trị trung bình thực nghiệm của hàm tại thí nghiệm thứ i

ˆyi Giá trị tính toán theo mô hình tại điểm i

*

k Số các hệ số trong mô hình hồi quy

m Số lần lặp của mỗi thí nghiệm i

Y(X) Hàm mục tiêu dạng hồi quy bậc hai hoặc tuyến tính

G(X) Hàm điều kiện dạng hồi quy bậc hai hoặc tuyến tính

p 01 Giá trị trung bình của áp lực dầu trong xilanh thủy lực ở công đoạn cắt

p dc Áp lực dầu trung bình trong xilanh thủy lực cho cả chu kỳ N/cm2

p q Áp lực dầu trung bình trong mô tơ thủy lực cho cả chu kỳ N/cm2

p m1 Giá trị trung bình cực trị của áp lực dầu trong xilanh thủy lực ở thời

điểm sập lõi đất, lấy trung bình cho 3 chu kỳ N/cm

2

p m2 Giá trị trung bình cực trị của áp lực dầu trong mô tơ thủy lực ở thời

điểm sập lõi đất, lấy trung bình cho 3 chu kỳ N/cm

θmax Độ dốc khi máy di chuyển lớn nhất Độ

θmin Độ dốc khi máy di chuyển nhỏ nhất Độ

  Pdc dk Giá trị giới hạn đối với lực cản công tác theo phương di chuyển theo

min

Gm ax Trọng lượng lớn nhất của máy N max

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ (micro-excavator) 10 Hình 1.2 Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục 12

Hình 1.3 Sáng chế số 459563 – Bộ phận công tác máy đào đất và nạo vét

Hình 1.4 Sáng chế số 308158 –Bộ phận công tác đào –vận chuyển đất

Hình 1.5 Sáng chế số 291006 – Máy đào cỡ siêu nhỏ (CHLB Nga) 14 Hình 1.6 Sáng chế số 2798314 – Cơ cấu đào đất (Mỹ) 15 Hình 1.7 Máy đào cỡ siêu nhỏ ZMTI-1 16 Hình 1.8 Bộ phận công tác máy đào cỡ siêu nhỏ theo GPHI số 4364476 18 Hình 1.9 Sơ đồ cắt đất bằng lưỡi cắt hình nêm 21 Hình 1.10 Tính không gian của vệt cắt 23 Hình 1.11 Vị trí tương đối của lưỡi cắt so với nền đất 23 Hình 1.12 Lực cản cắt đất phụ thuộc vào kích thước phoi đất 24 Hình 1.13 Sơ đồ xác định các thành phần lực cản tiếp tuyến 25

Hình 2.1 Bộ phận công tác máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên

Hình 2.2 Cấu trúc quá trình làm việc của bộ phận công tác 43 Hình 2.3 Sơ đồ biểu diễn chuyển động của bộ phận công tác 44 Hình 2.4 Sơ đồ tác động tương hỗ giữa lưỡi cắt và nền đất 47 Hình 2.5 Sơ đồ đặt lực cản cắt đất lên bộ phận công tác 49 Hình 2.6 Đồ thị hàm E cđ = f(,) 56 Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo mô hình nghiên cứu thực nghiệm 68

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn thủy lực 69

Hình 3.3

Kết quả đo áp lực dầu dẫn động mô tơ thủy lực và xy lanh thủy

lực ở trạng thái có tải cho trường hợp c = 7 cm, v = 1,5 m/ph và

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật của một số máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ 11 Bảng 1.2 Đặc tính kỹ thuật của máy chế tạo thử nghiệm ZMTI-1 và ZMTI-

Bảng 3.2 So sánh các giá trị đầu ra giữa lý thuyết và thực nghiệm 77 Bảng 3.3 Giá trị các hệ số dạng thực hàm E 82 Bảng 3.4 Bảng giá trị các thông số tại điểm tối ưu bộ dữ liệu số 11876 89 Bảng 4.1 Bảng giá trị các thông số tại điểm tối ưu giữa bộ dữ liệu số 12336

BẢNG KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

NCKH Nghiên cứu khoa học

CHLB Cộng hòa liên bang

GPHI Giải pháp hữu ích

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Máy đào là loại thiết bị chủ lực trong thi công xây dựng các công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông, thủy lợi và khai thác mỏ, góp phần nâng cao năng suất, giảm nhẹ sức lao động nặng nhọc của con người, hạ giá thành, rút ngắn thời gian thi công, nâng cao chất lượng công trình và đảm bảo an toàn

Tuy nhiên, trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ, khối lượng thi công nhỏ lẻ thì việc sử dụng các loại máy đào cỡ nhỏ, cỡ vừa và lớn là không thể thực hiện được hoặc cho hiệu quả kinh tế không cao Do còn thiếu các thiết bị làm đất

cỡ siêu nhỏ gọn nhẹ, cơ động mà khối lượng công tác đất trong điều kiện nêu trên buộc phải thi công bằng sức lao động thủ công nặng nhọc với năng suất và hiệu quả kinh tế rất thấp Tình trạng tương tự cũng có thể xảy ra ngay cả đối với các nước công nghiệp phát triển

Ở Việt Nam, do điều kiện tự nhiên và lịch sử phát triển kinh tế xã hội mà số

nằm trong địa bàn chật hẹp, lối vào nhỏ từ 1÷3m, cùng với đó là các công trình hạ tầng có quy mô nhỏ tại các khu phố cũ, khu dân cư trong thành phố như hạ ngầm đường cáp điện, cáp viễn thông, đường ống cấp thoát nước…Khối lượng công tác đất khi thi công hoặc cải tạo các công trình này là khá lớn, bao gồm: đào rãnh đặt đường ống cấp thoát nước, đặt đường cáp ngầm; đào các hố móng nhỏ xây nhà hoặc xây tường bao Tại các khu vực ngoại thành và nông thôn, khối lượng công tác đất phục vụ sản xuất nông nghiệp, kinh tế vườn và trang trại như đào rãnh cấp thoát nước, đánh luống, đào rãnh đặt đường ống tưới tiêu trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao cũng khá lớn song nằm rải rác, phân tán và hệ thống đường nông thôn chưa đồng bộ, việc đưa các loại máy đào đất hiện có đến thi công trong các điều kiện nêu trên ở cả đô thị và nông thôn, là không thực hiện được hoặc cho hiệu quả không cao Vì vậy mà khối lượng công tác đất nêu trên thường phải thi công bằng sức lao động thủ công nặng nhọc, năng suất thấp, chi phí cao do chưa có máy

đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong địa bàn chật hẹp, trong khi nhu cầu thực tế của loại máy này là không nhỏ Vì những lý do trên mà đề tài: “Nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán, thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp ở Việt Nam” được đặt ra là một yêu cầu cấp thiết

2 Mục đích, nội dung nghiên cứu

Mục đích của luận án là nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các yếu tố ảnh

hưởng đến máy đào đất thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp để thiết kế và chế tạo thử nghiệm máy đào cỡ siêu nhỏ ở Việt Nam, đáp ứng nhu cầu thực tế, đạt năng suất và hiệu quả cao

Để đạt được mục đích nêu trên, nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Nghiên cứu xây dựng nguyên tắc thiết lập máy và đề xuất mới phương án đối với bộ phận công tác của máy đào cỡ siêu nhỏ, đáp ứng yêu cầu đặt ra đối với máy

- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định các thông số và chế độ làm việc hợp lý của bộ phận công tác đã đề xuất, làm cơ sở cho việc thiết kế máy đào cỡ siêu nhỏ

- Xây dựng phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ; thiết

kế và chế tạo thử nghiệm mẫu máy đào cỡ siêu nhỏ MDM – 1E theo các yêu cầu đặt

ra đối với máy

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục, chuyên dùng để thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ, thay thế sức lao động thủ công nặng nhọc

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Máy đào cỡ siêu nhỏ dùng để thi công rãnh đào có chiều rộng đến 0,4m; chiều sâu đến 1m, trên nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát có độ cứng đến cấp III, trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ 1 ÷ 3m

4 Cơ sơ khoa học

Luận án xây dựng cơ sở lý thuyết quá trình làm việc bộ phận công tác mới của máy đào cỡ siêu nhỏ chuyên dùng để thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp dựa trên các cơ sở khoa học sau:

- Lý thuyết cắt đất của viện sỹ Vétrôv;

- Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm cực trị đa yếu tố

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

5.1 Về lý thuyết

- Phân tích tổng quan về máy đào cỡ siêu nhỏ và các công trình nghiên cứu quá trình làm việc của máy để xây dựng các nguyên tắc thiết lập máy và đề xuất mới phương án bộ phận công tác

- Sử dụng lý thuyết cắt đất để xây dựng mô hình toán học cho công đoạn cắt đất của bộ phận công tác; khảo sát đa yếu tố để xác định giá trị hợp lý các thông số kết cấu của lưỡi cắt bằng chương trình máy tính viết trên nền Matlab

6 Đóng góp mới của luận án

6.1 Về phương diện khoa học

- Đã đề xuất được bộ phận công tác đào đất mới có cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo, cho chi phí năng lượng riêng và chi phí kim loại riêng nhỏ do kết hợp được công đoạn cắt đất và vận chuyển đất trong cùng một cụm chi tiết và làm việc theo nguyên lý cắt đất từ nền thành phoi, không cắt đất trên toàn bộ tiết diện rãnh đào phối hợp với vận chuyển bằng văng ly tâm

- Bằng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, đã làm rõ được quy luật thay đổi của các thông số đầu ra, bao gồm: chi phí năng lượng riêng, lực cản

công tác theo phương di chuyển và mô men cản quay rô to, phụ thuộc vào các thông

số kết cấu và động học của bộ phận công tác, theo đó xác định được các thông số và chế độ làm việc hợp lý của bộ phận công tác đã đề xuất, làm cơ sở cho việc thiết kế máy đào cỡ siêu nhỏ

6.2 Về phương diện thực tiễn

Xây dựng được phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ dùng cho kỹ sư Máy xây dựng; thiết kế, chế tạo thử nghiệm mẫu máy đào cỡ siêu nhỏ MDM – 1E là cơ sở cho việc tiếp tục đầu tư nghiên cứu hoàn thiện để tạo ra được loại máy đào cỡ siêu nhỏ mới ở Việt Nam, đáp ứng nhu cầu thực tế, đem lại hiệu quả cao

7 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương, kết luận, tài liệu tham khảo và các công trình đã công bố

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này trình bày tình hình cơ giới hóa thi công công tác đất trong điều kiện địa hình chật hẹp ở Việt Nam, tổng quan về máy đào cỡ siêu nhỏ và các công trình nghiên cứu về quá trình làm việc của máy đào đất Thông qua việc phân tích, đánh giá để đặt ra các yêu cầu đối với máy đào cỡ siêu nhỏ, rút ra các kết luận có tính định hướng cho quá trình nghiên cứu và đề ra nhiệm vụ nghiên cứu của luận

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm để xác định các thông số hợp lý của

bộ phận công tác

Chương này xây dựng chương trình và phương pháp tiến hành nghiên cứu, thực nghiệm; chuẩn bị cơ sở vật chất cho nghiên cứu thực nghiệm; kiểm chứng bằng thực nghiệm mô hình toán học đã xây dựng ở chương 2; sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm cực trị đa yếu tố để xác định các phương trình hồi qui của các hàm mục tiêu, theo đó xử lý dữ liệu để tạo ra được nguồn dữ liệu xác định miền giá trị hợp lý của các thông số kết cấu và động học, làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ

Chương 4 Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án

Chương này xây dựng phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ; áp dụng để thiết kế, chế tạo, thử nghiệm máy đào cỡ siêu nhỏ MDM – 1E dẫn động bằng động cơ điện

Kết luận

Trình bày các kết luận chính, các kết quả thu được của luận án

Luận án đã kế thừa và phát triển kết quả của đề tài NCKH cấp thành phố Hà Nội, mã số 01C-01/06-2013-2 “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy đào cỡ siêu nhỏ

có chế độ làm việc liên tục” do Thầy hướng dẫn chủ trì và NCS là thành viên chính Nội dung luận án đã được công bố trong các công trình sau:

- Mô hình nghiên cứu thực nghiệm là kết quả của đề tài NCKH cấp Trường trọng điểm và được công bố trên tạp chí Công nghiệp nông thôn;

- Nội dung và kết quả nghiên cứu ở Chương 2 và Chương 3 được công bố trên tạp chí Cơ khí Việt Nam và tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng;

- Máy đào cỡ siêu nhỏ dẫn động bằng động cơ điện MDM-1E và bộ phận công tác của máy đã được cấp bằng độc quyền sáng chế số 24312: “Máy đào đất cỡ siêu nhỏ dẫn động bằng động cơ điện”, được cấp theo Quyết định số 6168w/QĐ-SHTT, ngày 27/05/2020 của Cục sở hữu trí tuệ, Bộ Khoa học và Công nghệ

Luận án được thực hiện tại Bộ môn Máy xây dựng và Phòng nghiên cứu thực nghiệm cơ khí, trường Đại học Xây dựng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình cơ giới hóa thi công công tác đất trong điều kiện địa hình chật

hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ ở Việt Nam

Công tác đất là một công việc hết sức nặng nhọc và chiếm khối lượng cũng như chi phí rất lớn trong thi công xây dựng, trong đó công tác đào đất là công đoạn nặng nhọc và chiếm khối lượng lớn nhất Do quá trình đô thị hoá ở nước ta hiện nay diễn ra hết sức nhanh và rộng khắp mà khối lượng công tác đất trong xây dựng là rất lớn và ngày càng tăng

Tại hầu hết các đô thị ở nước ta hiện nay, ngoài các công trình công cộng, trụ

sở cơ quan và các khu đô thị mới được qui hoạch bài bản thì luôn tồn tại các khu

là các con ngõ, ngách có chiều rộng từ 1 ÷ 3 m Tại các địa bàn này, việc đào các hố móng nhỏ để xây nhà hoặc xây tường bao, đào rãnh đặt đường ống cấp nước sạch, cống thoát nước hoặc hạ ngầm cáp điện, cáp viễn thông… thường phải sử dụng sức lao động thủ công nặng nhọc, năng suất rất thấp và chi phí cao do chưa có loại máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ Trong một số trường hợp có thể sử dụng máy đào một gầu cỡ nhỏ, cỡ siêu nhỏ song cho hiệu quả kinh tế không cao do chi phí cho việc vận chuyển máy đến nơi thi công lớn mà khối lượng thi công nhỏ, mật độ người tham gia giao thông trong các khu dân cư là rất lớn Về nền đất tại các khu vực này thường là đất san nền, tương đương với nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát… có độ cứng đến cấp III, có thể

nước, cáp điện, cáp viễn thông thì rãnh đào phải có chiều rộng khoảng 0,4 m và chiều sâu tối đa 0,8 ÷ 1,0 m [3], [9]

Tại các thành phố lớn như Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh, do mất cân bằng giữa sự phát triển đô thị và gia tăng dân số trong thành phố mà dẫn tới tình trạng quá tải về nhiều mặt, trong đó có các hệ thống điện, nước và hệ thống thông tin

Chính vì vậy mà trong thời gian qua, các nhà lãnh đạo một mặt lập qui hoạch mới cho thành phố, mặt khác tiến hành tu bổ cải tạo hệ thống điện, nước, thông tin, trong đó khối lượng hạ ngầm cáp điện lực, cáp viễn thông, đường ống nước dọc vỉa

hè các tuyến phố cũ là rất lớn Điển hình như thành phố Hà Nội, vấn đề hạ ngầm cáp viễn thông, điện lực nhằm đảm bảo an toàn và cảnh quan đô thị đã được đề cập đến tại hội nghị “Hà Nội – Hợp tác đầu tư” do UBND thành phố Hà Nội tổ chức hồi đầu tháng 6/2016, theo đó các doanh nghiệp cung cấp dịch vụ di động và Tổng công

ty Điện lực Hà Nội đã cam kết đầu tư 3.500 tỷ đồng để hạ ngầm dây, cáp thông tin

và cáp điện thuộc lưới điện trung áp [23] Theo danh mục các tuyến phố dự kiến hạ ngầm cáp điện, cáp viễn thông giai đoạn 2016-2021 của Sở Thông tin và Truyền thông Hà Nội, thành phố sẽ ngầm hóa tại 180 tuyến phố, với tổng chiều dài 170,1km; trong đó có 115 tuyến phố thuộc địa bàn 4 quận nội thành cũ: Hoàn Kiếm, Đống Đa, Ba Đình, Hai Bà Trưng và 65 tuyến phố thuộc các quận: Tây Hồ, Cầu Giấy, Thanh Xuân, Hoàng Mai, Long Biên, Nam Từ Liêm, Bắc Từ Liêm [23] Hiện nay ở Việt Nam chưa có loại máy chuyên dùng nào để đào rãnh hạ ngầm cáp điện, cáp viễn thông cho năng suất cao Việc thi công bằng máy đào một gầu cho hiệu quả thấp vì loại máy này có chế độ làm việc theo chu kỳ cho năng suất thấp và không phù hợp với yêu cầu đào rãnh theo tuyến, còn đối với các tuyến phố nhỏ hoặc ngõ trong khu phố cổ thì công việc này chủ yếu được thi công bằng sức lao động thủ công nặng nhọc Cấu trúc của nền đất trên vỉa hè thường là: lớp trên cùng là lớp gạch block hoặc lớp gạch lát (khi đào rãnh thường bóc lớp này lên và lát lại sau khi lấp rãnh), phía dưới là lớp vữa 5% xi măng dày khoảng 100mm (lớp vữa

xi măng này không cứng hơn nền đất cấp III) và dưới lớp vữa xi măng thường là đất san nền, tương đương với nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát,… có độ cứng đến cấp III Theo báo cáo biện pháp kỹ thuật thi công hạ ngầm cáp, ống nước dọc theo vỉa hè các tuyến phố ở Hà Nội của Công ty cổ phần đầu tư và xây dựng Bưu điện thì rãnh đào phải có chiều rộng 0,2 ÷ 0,4 m và chiều sâu 0,6 ÷ 1,0 m [3]

Tại các khu vực ngoại thành và khu vực nông thôn, khối lượng công tác đất phục vụ sản xuất nông nghiệp, phục vụ kinh tế vườn và trang trại như đào rãnh cấp

thoát nước, đào hố trồng cây, đánh luống… là khá lớn, đặc biệt là nhu cầu đào rãnh đặt hệ thống đường ống phục vụ tưới tiêu trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao ngày càng nhiều Tuy nhiên, khối lượng công tác đất nêu trên thường không tập trung mà nhỏ lẻ, phân bố rải rác, phân tán với hệ thống đường giao thông nông thôn không đồng bộ làm cho việc đưa các loại máy đào đất hiện có đến thi công không đem lại hiệu quả cao, trong nhiều trường hợp phải sử dụng sức lao động thủ công nặng nhọc Tình trạng nêu trên là do còn thiếu loại máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục cho năng suất cao, gọn nhẹ, cơ động, có thể dễ dàng đưa máy đến nơi thi công bằng nhiều loại phương tiện khác nhau, kể cả phương tiện vận chuyển thô sơ, với chi phí thấp Về nền đất ở khu vực ngoại thành và nông thôn thì loại nền đất phổ biến vẫn là đất á sét trung bình, á cát, đất cát có độ cứng đến cấp III với độ

là cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao;

- Hầu hết các trường hợp đã phân tích nêu trên cho thấy nền đất mà máy phải thi công thường là đất san nền, đất vườn tương đương với nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát có độ cứng đến cấp III; có thể lẫn gạch đá nhỏ, khối lượng riêng của đất

ở trạng thái chặt 1700 ÷ 1850 kg/m3, hệ số tơi của đất k t =1,1 ÷ 1,3 và độ ẩm 22÷26% Kích thước yêu cầu đối với rãnh đào thường là: chiều rộng khoảng 0,4 m

và chiều sâu khoảng 0,6 ÷ 1,0 m;

- Để có thể thiết lập được loại máy đào cỡ siêu nhỏ mới đáp ứng được các yêu cầu đặt ra thì trước tiên cần phải tiến hành nghiên cứu tổng quan về các loại máy

đào cỡ siêu nhỏ, tổng quan các công trình nghiên cứu về quá trình làm việc của máy đào đất, qua đó rút ra các kết luận có tính chất định hướng cho quá trình nghiên cứu

và xác định mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu

1.2 Tổng quan về máy đào cỡ siêu nhỏ

1.2.1 Máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ

Máy đào một gầu là loại máy làm việc theo chu kỳ, theo công dụng thì máy đào một gầu dùng để đào, tích đất trong gầu và đổ thành đống hoặc đổ lên phương tiện vận chuyển khác Máy đào một gầu cỡ nhỏ, cỡ vừa và cỡ lớn về cơ bản có cấu tạo tương tự như nhau, bao gồm các bộ phận: khung bệ và hệ thống di chuyển (bánh xích hoặc bánh lốp); động cơ, thông qua hệ thống truyền động (thường là truyền động thủy lực), dẫn động các cơ cấu di chuyển, cơ cấu quay (quay toàn vòng), hệ chân chống và các xilanh của các thiết bị công tác dạng gầu (xilanh cần, xilanh tay gầu và xilanh gầu); hệ thống điều khiển và cabin cho người điều khiển

Khác với máy đào một gầu cỡ nhỏ (mini-excavator), máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ (micro-excavator) thường có khối lượng dưới một tấn, kích thước bao nhỏ nhất

có thể (chiều rộng máy không vượt quá 1m), dung tích gầu thường 10 ÷ 30 lít, chiều

và giá thành máy 3.000 ÷ 10.000 Bảng Anh [58], [60], [61] Điển hình là máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ của các hãng Powerfab, Microturbo (Anh); Kaho, Komatsu, Kobelco (Nhật); Talpino (Ý); Cubota (Mỹ) Đặc tính kỹ thuật của một số loại máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ cho ở Bảng 1.1

Về công dụng, máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ chuyên dùng để thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ, nơi mà các loại máy đào một gầu khác không thể thi công được Vì vậy mà cấu tạo của máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ có đặc điểm riêng sau: ngoài trọng lượng và kích thước nhỏ gọn nhất có thể thì máy phải dễ lắp đặt và vận chuyển đến nơi thi công; hệ thống di chuyển có thể tự hành hoặc kéo theo, có thể gấp gọn lại khi vận chuyển máy đến nơi thi công bằng phương tiện vận chuyển cỡ nhỏ; máy có thể quay toàn

vòng hoặc không quay toàn vòng Trên Hình 1.1a là máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ Kobelco PCO-3 (Nhật Bản) với hệ thống di chuyển tự hành bằng xích, quay toàn vòng được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam Máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ Talpino (Ý) trên Hình 1.1b là loại máy có trọng lượng, kích thước thuộc loại nhỏ nhất: hệ thống di chuyển là loại kéo theo với hai bánh lốp; khi vận chuyển đến nơi thi công, hai chân chống phía trước thu lại bằng xy lanh thủy lực và phần sau của máy gồm chân chống thứ ba và bệ đứng của người lái có thể gấp gọn lại bằng xy lanh thủy lực; khi người lái đứng trên bệ để điều khiển máy thì trọng lượng của người lái đóng vai trò đối trọng để đảm bảo ổn định cho máy trong trạng thái làm việc Có thể thấy rằng, ngay cả với mẫu máy Talpino là loại máy đào nhỏ gọn nhất thì trong điều kiện địa hình thi công chật hẹp, lối vào 1 ÷ 2 m cũng chưa thực sự thuận tiện và cho hiệu quả thi công cao do loại máy này có thiết bị công tác khá cồng kềnh

Ưu điểm của máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ là máy có tính vạn năng cao, có thể đạt được chiều sâu đào và bán kính đào lớn Tuy nhiên, loại máy này có nhược điểm

là cho năng suất không cao do có chế độ làm việc theo chu kỳ; khối lượng và kích thước máy chưa thật gọn nhẹ, tính cơ động chưa cao, có thể thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ song cho hiệu quả kinh tế không cao; giá thành máy nhập khẩu cao và khả năng nội địa hóa khi chế tạo loại máy này ở Việt Nam thấp và yêu cầu quy mô đầu tư lớn do phải dùng hệ thống truyền động thủy lực và thiết bị công tác đòi hỏi trình độ công nghệ chế tạo cao

Hình 1.1 Máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ (microexcavator)

a – máy đào Kobelco PCO-3 (Nhật Bản); b – máy đào Talpino (Ý)

Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật của một số máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ

1.2.2 Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục

Từ giữa thập kỷ 80 của thế kỷ XX, trên thị trường châu Âu xuất hiện loại máy đào cỡ siêu nhỏ (Micro digging machine) có chế độ làm việc liên tục, kích thước rất nhỏ gọn và cho năng suất cao, thường cao hơn từ 1,5 đến 2 lần và giá thành giảm 2 đến 2,5 lần so với máy đào một gầu Các loại máy này dùng để đào rãnh hẹp đặt đường ống cấp thoát nước, đường cáp ngầm; đào các hố móng nhỏ trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ… Điển hình là máy đào cỡ siêu nhỏ

có chế độ làm việc liên tục của các hãng Case, Cubota, Bobcat (Mỹ); Melroe Europe (Bỉ); A.F.Trenchers Ltd (Anh) … [32], [59], [61]

Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục với bộ phận công tác là truyền động xích có gắn các răng cắt và gạt đất cho ở Hình 1.2 Ở trạng thái di chuyển tới nơi làm việc, bộ phận công tác của máy được nhấc lên (Hình 1.2b) Ở trạng thái làm việc (Hình 1 2a), bộ phận công tác được ấn xuống nền đất nhờ xy lanh thủy lực và mô tơ thủy lực dẫn động xích cùng với các răng cắt chuyển động

a) b)

Hình 1.2 Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục

a – Máy ở trạng thái làm việc; b – Máy ở trạng thái không làm việc

để đào đất Khi đào tới độ sâu yêu cầu thì giữ cố định bộ phận công tác ở vị trí đó đồng thời di chuyển máy, chuyển động của các răng cắt và lưỡi gạt đất gắn trên các vấu của mắt xích là tổng hợp của chuyển động tịnh tiến của máy và chuyển động của xích để cắt đất thành phoi và phoi đất tách ra khỏi nền được dịch chuyển lên phía trên mặt đất và được gạt sang một bên nhờ vít vận chuyển Loại máy này thường dùng để đào các loại rãnh hẹp và sâu, có thể thi công trên nền đất tương đối cứng có lẫn gạch và đá nhỏ trong điều kiện địa hình chật hẹp để đặt đường ống nhỏ hoặc đường cáp ngầm Mẫu máy Case TL70 (Mỹ) có khối lượng 275 kg; kích thước rãnh (sâu x rộng) 0,61 x 0,102 m; máy có công suất 5,2 kW với năng suất đào 5,2÷7

5,6 kW, có khối lượng 365 kg; kích thước máy (rộng x cao x dài) 0,815x1,2x1,7 m; kích thước hào (sâu x rộng) 0,915 x 0,15 m; máy có công suất 5,6 kW với năng suất

cứng có lẫn gạch và đá nhỏ (kể cả lớp mặt cứng) với chiều sâu đào khá tốt Tuy nhiên kích thước, khối lượng máy chưa thật nhỏ gọn, năng suất chưa cao và đặc biệt

là các bộ phận của máy yêu cầu trình độ công nghệ chế tạo cao (truyền động thủy lực, xích, răng cắt …), khó nội địa hóa và giá thành cao

Một trong những hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng được các hãng chế tạo quan tâm là: bộ phận công tác của máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục luôn được cải tiến thông qua các sáng chế và giải pháp hữu ích Trong các sáng chế và giải pháp hữu ích này, các cụm chi tiết thực hiện chức năng đào và vận chuyển đất được tổ hợp trong cùng một bộ phận công các, dùng để đào rãnh, hố móng, đào và nạo vét kênh mương Chức năng đào đất được thực hiện bởi các lưỡi cắt, răng cắt hình nêm, lưỡi phay cắt đất hoặc vít xoắn, còn chức năng vận chuyển đất được thực hiện bởi rô to với các cánh vận chuyển đất theo nguyên lý văng ly tâm Chúng được tổ hợp trong một bộ phận công tác và được dẫn động từ một nguồn thông qua bộ truyền hoặc từ hai nguồn dẫn động riêng [33], [37], [40], [48], [49], [50], [51] Điển hình cho hướng nghiên cứu cải tiến này là các sáng chế và giải pháp hữu ích sau:

- Sáng chế số 459563 của CHLB Nga [57] (Hình 1.3)

Bộ phận công tác với chức năng

cắt đất bằng vít xoắn dùng để đào và

nạo vét kênh mương Khi bộ phận công

tác quay và được hạ xuống nền đất, đất

được cắt và chuyển lên rô to bằng các

cánh vít sau đó đất được vận chuyển ra

ngoài bằng văng ly tâm Vỏ chứa 3 có

tác dụng tạo thành một khoang kín

chứa đất đã được cắt bởi cánh vít, làm

cho đất sau khi tách ra khỏi nền chỉ di

chuyển theo chiều của trục vít lên rô to

vận chuyển đất theo nguyên lý văng ly

rô to; 5 Ổ đỡ dưới của vít

- Sáng chế số 308158 (CHLB Nga) [56] (Hình 1.4)

Ở sáng chế này, bộ phận công tác thực hiện chức năng đào đất bằng cụm các lưỡi phay cắt đất 3 và đất tách ra từ nền được vận chuyển lên bằng rô to 2 và máng dẫn hướng 4 theo nguyên lý văng ly tâm Ở trạng thái làm việc, động cơ dẫn động máy di chuyển về phía trước đồng thời dẫn động quay rô to 2 và từ rô to 2 đến cụm các lưỡi phay cắt đất 3 thông qua bộ truyền trục vít - bánh vít

Hình 1.4 Sáng chế số 308158 -Bộ phận công tác đào-vận chuyển đất (CHLB Nga)

1 Khung máy; 2 Rô to; 3 Cụm các lưỡi phay; 4 Máng dẫn hướng

- Sáng chế số 291006 của CHLB Nga [55] (Hình 1.5)

Hình 1.5 Sáng chế số 291006 – Máy đào cỡ siêu nhỏ (CHLB Nga)

1 Tang; 2 Răng cắt hình nêm;3 Máng dẫn hướng; 4 Động cơ điện;

5 Rô to; 6 Các cánh chuyển đất; 7 Động cơ điện

Trong sáng chế này, bộ phận công tác thực hiện chức năng đào đất bằng tang

1 có gắn các răng cắt hình nêm 2, dẫn động bằng động cơ điện 4, đất tách ra từ nền được dẫn hướng bằng máng 3 vào rô to vận chuyển đất theo nguyên lý văng ly tâm

5 với các cánh chuyển đất 6 Rô to 5 được dẫn động bằng động cơ điện 7 Máy tự di chuyển được do các răng cắt 2 ăn vào nền đất khi tang 1 quay và được trợ giúp một phần do người điều khiển đẩy thông qua càng lái

do người điều khiển đẩy thông qua càng lái 9 Trong sáng chế này, bộ phận công tác thực hiện chức năng đào đất bằng các lưỡi phay cắt đất và đất tách ra từ nền sau đó được vận chuyển ra khỏi rãnh đào bằng rô to theo nguyên lý văng ly tâm

Hình 1.6 Sáng chế số 2798314 – Cơ cấu đào đất (Mỹ)

1 Động cơ đốt trong; 2 Bộ truyền đai; 3 Trục truyền; 4 Bộ truyền đai;

5 Rô to văng ly tâm; 6 Cụm lưỡi phay; 7 Trục ra; 8 Bộ truyền; 9 Càng lái

- Máy đào đất cỡ siêu nhỏ của Trường Đại học Xây dựng Kiev (KISI) -

ZMTI

Trường Đại học Xây dựng Kiev (KISI), Ucraina đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thành công máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục ZMTI, dẫn động bằng động cơ điện hoặc động cơ đốt trong, rất nhỏ gọn, cho năng suất cao,

có ưu thế thi công trong địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ Đặc tính kỹ thuật của máy cho ở Bảng 1.2 [83], [84], [86], [87]

Bộ phận công tác của máy ZMTI-1 và ZMTI-2e gồm cụm lưỡi phay cắt đất 1

và rô to văng ly tâm 2 Chuyển động của cụm lưỡi phay 1 được truyền từ rô to 2 thông qua bộ truyền Trục vít – Bánh vít ( không thể hiện trên Hình 1.7)

Hình 1.7 Máy đào cỡ siêu nhỏ ZMTI-1

a) Máy ZMTI-1 dẫn động bằng động cơ đốt trong; b) Máy ZMTI-2e dẫn động

bằng động cơ điện

1 Cụm lưỡi phay cắt đất; 2 Rô to văng ly tâm; 3 Động cơ điện; 4 Bánh xe

di chuyển; 5 Khớp giới hạn mô men; 6 Bộ truyền xích; 7 Càng lái; 8 Chân

chống; 9 Hộp giảm tốc trục vít – bánh vít

Phương án truyền – dẫn động của máy là phương án dẫn động chung (hình 1.7b) Động cơ 3, thông qua bộ truyền xích 6, dẫn động trục vít của hộp giảm tốc 9 cùng rô to văng ly tâm 2 và cụm lưỡi phay 1 quay để cắt – vận chuyển đất; đồng

thời trục vít dẫn động bánh vít của hộp giảm tốc 9 đồng trục với các bánh xe di chuyển 4 quay để máy chuyển động tịnh tiến về phía trước

Máy nằm lọt trong rãnh đào, cụm lưỡi phay 1 vừa quay vừa chuyển động tịnh tiến để cắt đất và phần đất cắt ra được vận chuyển khỏi rãnh đào bằng rô to 2 theo nguyên lý văng ly tâm

Bảng 1.2 Đặc tính kỹ thuật của máy chế tạo thử nghiệm ZMTI-1 và ZMTI-2e

bánh xe di chuyển là không đổi, không có khả năng điều chỉnh và kết hợp linh hoạt hai chuyển động này để tạo ra chế độ làm việc hợp lý đối với từng loại nền đất

- Giải pháp hữu ích số 4364476 của CHLB Nga [85], [89]

Theo giải pháp hữu ích này, quan điểm chi phí năng lượng riêng nhỏ, cấu tạo đơn giản và nhỏ gọn là bộ phận công tác có chức năng đào và vận chuyển đất được kết hợp trong cùng một cụm chi tiết của bộ phận công tác dạng rô to và không cắt đất trên toàn bộ tiết diện rãnh đào Trên Hình 1.8 là bộ phận công tác theo giải pháp hữu ích số 4364476 của CHLB Nga

bộ đất trong tiết diện rãnh đào và không tổn hao năng lượng qua bộ truyền trục vít – bánh vít như ở bộ phận công tác của máy ZMTI) Đất trong lòng rãnh đào được vận chuyển lên thành dòng theo nguyên lý văng ly tâm nhờ các cánh chuyển đất 3 và máng dẫn hướng 5 Như vậy, bộ phận công tác theo GPHI số 4364476 có cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, có nguyên lý làm việc tối ưu, chi phí kim loại riêng và chi phí năng lượng riêng nhỏ, rất phù hợp với máy đào cỡ siêu nhỏ, đặc biệt là có thể thi

công ở nền đất có lẫn gạch, đá nhỏ Tuy nhiên, các đĩa cắt đất hình sao có cấu tạo còn phức tạp, yêu cầu cao về vật liệu chế tạo và độ tin cậy, độ an toàn thấp khi làm việc ở tốc độ cao, tải trọng động lớn do kích thước đĩa nhỏ làm cho ổ và trục của đĩa

có độ cứng nhỏ Mặt khác, khi đĩa hình sao quay trên chu vi của tiết diện rãnh đào thì các mũi của cánh sao tỳ vào nền đất gây lực va đập và cắt đất tách thành phoi ở cạnh bên của cánh sao, chỉ phù hợp với nền đất tương đối cứng và khô, không hiệu quả và dễ bị bết dính đối với nền đất có độ cứng đến cấp III và độ ẩm cao

Như vậy, qua phân tích tổng quan về các loại máy đào cỡ siêu nhỏ, có thể rút

- Bộ phận công tác theo GPHI số 4364476 có cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, cần phải cải tiến cụm chi tiết thực hiện chức năng cắt đất để khắc phục các nhược điểm đã phân tích ở trên

1.3 Tổng quan các công trình nghiên cứu về quá trình làm việc của bộ phận

công tác máy đào đất

Quá trình làm việc của bộ phận công tác máy đào đất bao gồm các công đoạn cắt, đào đất và vận chuyển đất luôn là đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học nhằm xác định được chính xác lực cản công tác, nắm được bản chất và qui luật của quá trình để đưa ra được phương án tối ưu về kết cấu cũng như chế độ làm việc của

bộ phận công tác, làm cơ sở để thiết kế hợp lý máy đào đất

Theo kết quả phân tích tổng quan về máy đào cỡ siêu nhỏ ở Mục 1.2 thì bộ phận công tác máy đào cỡ siêu nhỏ mà đề tài cần nghiên cứu có quá trình làm việc gồm công đoạn cắt đất và vận chuyển đất bằng rô to văng ly tâm Vì vậy, trong mục

này cần tập trung phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu về lý thuyết cắt đất

và về rô to văng ly tâm nhằm rút ra những kết luận mang tính định hướng, làm cơ

sở cho việc xây dựng các nguyên tắc thiết lập máy cũng như giải quyết các nhiệm

vụ nghiên cứu của luận án

Quá trình cắt đất của bộ phận công tác máy đào đất được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và công bố khá đầy đủ như: Đômbrôvski [10], [63]; Zelenhin [62], Gill and Berg [38], [53]; McKyes [44], [45]; Vétrôv [63], [64]; Phêđôrôv [65]; Abezgauz [66]; Rútnhep [67]; Balôvnhép [68], [76]; …

Chức năng cắt đất của bộ phận công tác máy đào đất được thực hiện bởi các lưỡi cắt, răng cắt hình nêm, lưỡi phay đất hoặc vít xoắn … song nhiều nhà khoa học

đã tiến hành nghiên cứu cả lý thuyết và thực nghiệm và cùng có kết luận chung là: việc sử dụng lưỡi cắt hoặc răng cắt hình nêm tách đất từ nền thành phoi là phương pháp cắt đất có hiệu quả cao, tốn ít năng lượng, dễ thực hiện và dễ tạo nên hình dạng bề mặt nền đất theo yêu cầu [54], [62], [63], [64], [76] Trên thực tế thì bộ phận công tác của phần lớn các loại máy đào đất đều áp dụng phương pháp cắt đất tạo thành phoi tách ra khỏi nền đất, đặc biệt là trong quá trình cắt đất, vị trí tương đối giữa lưỡi cắt và nền đất cũng như các thông số hình học của phoi đất không đổi hoặc ít thay đổi sẽ làm cho lực cản cắt đất ổn định, giảm tải trọng động Cơ sở lý thuyết cắt đất hiện nay đang được phổ biến và áp dụng rộng rãi là của các nhà khoa học lớn như Đômbrôvski, Zelenhin, Vétrôv Các phương pháp tính lực cản cắt đất

thường xác định lực cản cắt theo phương tiếp tuyến P và pháp tuyến N (hình 1.9)

với các thông số cơ bản sau:

- Góc cắt δ: góc giữa mặt trước lưỡi cắt và hướng cắt;

- Góc sau β: góc giữa mặt sau của lưỡi cắt và hướng cắt (mặt tầng đào),

δ=+β, β nhỏ thì ma sát lớn làm lưỡi cắt chóng mòn;

- Chiều rộng lưỡi cắt cũng là chiều rộng phoi đất b;



P N

v

Hướng cắt

- Chiều dày phoi cắt hay chiều sâu cắt đất h;

- Vận tốc cắt v c: vận tốc di chuyển của lưỡi cắt theo hướng cắt

Hình 1.9 Sơ đồ cắt đất bằng lưỡi cắt hình nêm

a) Quỹ đạo cắt theo đường thẳng b) Quỹ đạo cắt theo đường cong

Phương pháp Đômbrôvski xác định lực cản cắt đất trên cơ sở kích thước phoi đất và các thông số thực nghiệm tùy theo loại đất [63]:

pháp tuyến N, công thức không có quy luật thực toán chặt chẽ, chưa kể đến ảnh

hưởng của các nhân tố đến quá trình cắt đất như góc cắt, vị trí tương đối giữa lưỡi

cắt và nền đất …, khó áp dụng khi nghiên cứu lựa chọn phương án hợp lý đối với các bộ phận công tác mới

Phương pháp Zelenhin xác định lực cản cắt đất hoàn toàn dựa trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm [10], [62]:

Trong đó: A – hằng số xác định theo tính chất cơ lý của nền đất;

c z , b – chiều dày và chiều rộng của phoi đất (c z – cm; b – m);

 - góc cắt, độ;

z – hệ số kể đến ảnh hưởng của góc cắt và các thông số b, c z Như vậy, phương pháp Zelenhin cho độ chính xác cao hơn phương pháp Đômbrôvski do đề cập đến một số nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cắt đất, song công thức này khó áp dụng trong thực tế do có nhiều hệ số thực nghiệm và phức tạp khi tính toán

Phương pháp Vétrôv xác định lực cản cắt đất dựa trên cơ sở nghiên cứu, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cắt đất như: các dạng lưỡi cắt tạo thành phoi; tính không gian của vệt cắt; vị trí tương đối của lưỡi cắt so với nền đất;

tương quan chiều dày h so với chiều rộng b của phoi đất; ảnh hưởng của độ mòn,

cùn của lưỡi cắt; ảnh hưởng của dạng phoi đất tùy thuộc vào loại nền đất; ảnh

hưởng của góc cắt δ; ảnh hưởng của vận tốc cắt, sự kết dính của đất vào lưỡi

cắt,…[63], [64]

Đối với lưỡi cắt đơn giản hình nêm là lưỡi cắt phẳng có cạnh trước của lưỡi cắt vuông góc với hướng cắt (Hình 1.9) mà đề tài cần nghiên cứu thì lực cản cắt đất, theo Vétrôv, phụ thuộc vào các nhân tố sau [63], [64]:

- Tính không gian của vệt cắt

Khi cắt đất, lưỡi cắt tạo ra vùng đất bị cắt và vùng đất bị nứt, tạo thành vệt

lưỡi cắt Góc θ với nhiều loại đất là khoảng 30o ÷ 35o (Hình 1.10)

Hình 1.10 Tính không gian của vệt cắt

Theo tiết diện vệt cắt: vùng (1) là đất bị cắt trước lưỡi cắt, chủ yếu là đất có ứng suất trượt và nén, vùng (2) đất bị phá vỡ do cạnh lưỡi cắt gây ra, chủ yếu là tách và trượt còn vùng (3) là đất thuần túy bị cắt bởi cạnh bên của lưỡi cắt

- Vị trí tương đối của lưỡi cắt so với nền đất (Hình 1.11)

bình hành (hai cạnh bên đều là cắt thuần túy) Đối với trường hợp cắt lấn (Hình 1.11d) thì chỉ có một cạnh bên có vùng nứt và cắt thuần túy; còn trường hợp cắt hớt (Hình 1.11e) thì chỉ có lực cản cắt ở vùng trước lưỡi cắt (trường hợp này ít gặp) Như vậy, khi tính toán thiết kế máy đào đất cần phải phối hợp vị trí tương đối giữa các lưỡi cắt sao cho xảy ra cắt lấn, cắt hớt là chủ yếu thì sẽ giảm được lực cản cắt đất

- Lực cản cắt đất phụ thuộc vào chiều dày h, chiều rộng b của phoi đất và

tương quan giữa chúng

Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm, lực cản cắt tiếp tuyến P phụ thuộc vào

t¨ng phi tuyÕn

P

Hình 1.12 Lực cản cắt đất phụ thuộc vào kích thước phoi đất

Lực cản cắt tại giá trị b o là ứng với chiều sâu vệt cắt h T (chiều sâu tới hạn) có chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất Lực cản cắt đất do 2 cạnh bên gây ra nứt đất ở vùng (2) có lực cản riêng (cho một đơn vị diện tích tiết diện) nhỏ hơn 2 ÷ 4 lần so với lực cản riêng ở vùng (1) (xem Hình 1.10) Tương quan này được bảo toàn đến

nứt không tăng theo nữa khi đạt h T

tăng góc cắt δ đến 60o Mặt khác, việc giảm góc cắt δ xuống dưới 30o sẽ làm góc sắc

đồng thời tăng lực cản cắt do mòn cùn Góc sau β nhỏ cũng làm tăng ma sát giữa

theo loại nền đất) Như vậy, khi nghiên cứu xác định giá trị hợp lý của góc cắt thì

miền giá trị biến thiên của nó là δ = 30o ÷ 60o

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố nêu trên đến lực cản cắt đất đối với lưỡi cắt đơn giản hình nêm còn sắc, Viện sỹ Vétrôv đề xuất cách xác định lực cản cắt đất như sau [63]:

Lực cản tiếp tuyến P gồm 3 thành phần (hình 1.13):

lưỡi cắt b.h, phụ thuộc vào góc cắt δ và loại nền đất (lực cản cắt riêng);

Hình 1.13 Sơ đồ xác định các thành phần lực cản tiếp tuyến

- P c: Lực cản ở phần đất bị nứt vỡ của hai bên lưỡi cắt, tỷ lệ với diện tích tiết

phụ thuộc vào chiều rộng vệt cắt b, và góc cắt δ;

(h - h 1 ), tỷ lệ với chiều sâu vệt cắt h và phụ thuộc vào loại nền đất, không phụ thuộc vào chiều rộng vệt cắt b và góc cắt δ

p M = φ.m M - lực cản cắt riêng tại vùng trước mũi lưỡi cắt, với m M là lực cản

của góc cắt (khi δ = 45o thì φ = 1), N/cm2;

p c - lực cản riêng tại phần đất bị nứt vỡ ở hai bên, N/cm2;

p cc - lực cản cắt riêng tại cạnh cắt thuần túy ở hai bên, N/cm

Công thức (1.4) có thể viết dưới dạng:

P = φ.m M bh + 2m c h 2 + 2m cc h , N (1.6)

Trong các công thức (1.5) và (1.6), các hệ số φ, m M , m c hay p c , m cc hay p cc là thành phần đặc trưng cho nền đất đã được xác định khá đầy đủ bằng thực nghiệm cho các loại nền đất khác nhau [19], [21], [26], [27], có thể tra bảng để tính toán thiết kế

Công thức (1.5) và (1.6) là công thức xác định lực cản tiếp tuyến P đối với

vệt cắt ban đầu (Hình 1.11a) có tiết diện hình thang cân (xem Hình 1.10 và 1.13)

Đối với các vệt cắt khác thì lực cản tiếp tuyến P được xác định như sau:

- Vệt cắt ban đầu có tiết diện hình chữ nhật hoặc hình bình hành (Hình 1.11c)

có hai cạnh bên đều là cắt thuần túy thì k 1 = 0, m c = p c = 0, m cc = p cc và:

P = φ.m M F M + m cc L cc , N (1.7)