Nghiên cứu thiết kế hợp lý hóa các thông số kết cấu làm việc của thiết bị san dầm trục lăn thi công bê tông mái kênh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Y Z NGUYỄN XUÂN CHIẾN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỢP LÝ HÓA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU & LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ SAN ĐẦM TRỤC LĂN THI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Y Z

NGUYỄN XUÂN CHIẾN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỢP LÝ HÓA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU & LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ SAN ĐẦM TRỤC LĂN THI CÔNG BÊ TÔNG MÁI KÊNH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY & THIẾT BỊ XÂY DỰNG, NÂNG CHUYỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 01/2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỒNG NGÂN Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Họ tên Cán bộ chấm nhận xét 1: Chữ ký:

Học hàm: Học vị:

Cán bộ chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Họ tên Cán bộ chấm nhận xét 2: Chữ ký:

Học hàm: Học vị:

Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày… tháng… năm 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Tp HCM, ngày tháng năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN XUÂN CHIẾN Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 11/12/1985 Nơi sinh: Nghệ An

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị xây dựng, nâng chuyển

MSHV: 10300434

Khóa (năm trúng tuyển): 2010

I-TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỢP LÝ HÓA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU

& LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ SAN ĐẦM TRỤC LĂN THI CÔNG BÊ TÔNG MÁI KÊNH

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

− Phân tích tình hình thi công bê tông mái kênh và mặt đường trong nước và trên thế giới

− Phân tích lựa chọn phương án thiết kế máy

− Thiết kế hợp lý các thông số kết cấu và làm việc của cụm san đầm trục lăn

− Tính toán mô phỏng quá trình làm việc của cụm san đầm trục lăn

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày 20 tháng 06 năm 2011

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 04 tháng 01 năm 2012

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Phó giáo sư, Tiến sĩ NGUYỄN HỒNG NGÂN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH (Họ tên và chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Hồng Ngân Người Cô đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Em cũng xin chân thành cảm ơn đến các Thầy Cô thuộc bộ môn Cơ giới hóa Xí nghiệp và Xây dựng, các Thầy Cô thuộc khoa Cơ khí và các Thầy Cô Trường Đại học Bách khoa Tp HCM nói chung, đã giảng dạy dạy, truyền đạt cho em những kiến thức hữu ích trong những năm qua

Kế đến, em xin cảm ơn Bố Mẹ đã luôn ủng hộ, động viên em khi em theo đuổi trên con đường học vấn này

Cuối cùng, em xin cảm ơn đến các anh em, bạn bè đã nhiệt tình đóng góp ý kiến xây dựng, luôn tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập

Em đã và luôn cố gắng hết mình để hoàn thành tốt luận văn này, vì kiến thức và thời gian có hạn nên trong quá trình thực hiện cũng không tránh khỏi những thiếu xót Rất mong được sự chỉ dẫn thêm của các Thầy Cô và các bạn, để em có thêm kiến thức

và kinh nghiệm cho quá trình làm việc và học tập sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh Ngày 04 tháng 01 năm 2012

Nguyễn Xuân Chiến

TÓM TẮT

Nội dung chính của luận văn là tính toán thiết kế hợp lý các thông số kết cấu và làm việc của thiết bị san đầm trục lăn, mô phỏng mô hình làm việc của bộ phận đầm lèn Nội dung bao gồm:

Chương 1:

Trình bày tổng quan về tình hình thi công bê tông mái kênh và mặt đường trong

và ngoài nước Nhu cầu của thị trường trong nước đối với thiết bị trên Giới thiệu một

số mẫu máy của các hãng trên thế giới Mục tiêu của đề tài

Chương 4:

Thiết kế và kiểm nghiệm bền, chuyển vị khung kết cấu thép bằng phần mềm

Ansys

Kết luận và kiến nghị

MỤC LỤC

Lời nói đầu 1

Chương I 2

1.1 Tình hình thi công trong nước .2

1.2 Tình hình thi công trên thế giới .4

1.3 Mục tiêu của đề tài luận văn 10

1.4 Kết luận 10

Chương II 11

2.1 Tham khảo các thiết kế đã có 11

2.1.1 Patten 4993869 11

2.1.2 Tổ hợp máy thi công bêtông mái kênh 13

2.1.3 Máy C 450 hãng Gomaco 14

2.2 Giới thiệu về thiết bị thiết kế 17

Chương III 20

3.1 Thiết kế các thông số kết cấu và làm việc của cụm san đầm trục lăn .20

3.1.1 Lý thuyết về làm chặt cấu kiện bê tông bằng rung động .21

3.1.2 Thiết kế cơ cấu rung .32

3.1.3 Thiết kế cơ cấu di chuyển bộ công tác .42

3.1.4 Thiết kế cơ cấu san .60

3.2 Xây dựng mô hình .76

3.2.1 Lý thuyết dao động cơ hệ hai bậc tự do .76

3.2.2 Mô hình lý cụm rung .81

3.2.3 Mô hình toán cụm rung .82

3.3 Tính toán các thông số của phương trình chuyển động và mô phỏng 83

3.4 Kết luận 87

Chương 4 88

4.1 Thiết kế kết cấu khung 88

4.2 Tính toán kiểm nghiệm bền khung .90

4.3 Kết luận 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93

Phụ lục 1 96

Phụ lục 2 101

Phụ lục 3 106

Phụ lục 4 111

Phụ lục 5 118

Lý lịch trích ngang 123

LỜI NÓI ĐẦU

Nước ta đang trên đà phát triển, nên nhu cầu về xây dựng cơ sở hạ tầng ngày càng lớn Cơ giới hóa nghành xây dựng sẽ giải quyết được nhu cầu to lớn trên Vì chính việc cơ giới hóa sẽ làm tăng năng suất lao động, tăng chất lượng công trình và giảm thiểu thời gian thi công

Trước nhu cầu thực tế đó, được sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Hồng Ngân, tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu thiết kế hợp lý hóa các thông số kết cấu và làm việc của thiết bị san đầm trục lăn thi công bê tông mái kênh” Đây là đề tài xuất phát thực tế từ yêu cầu báo giá của thiết bị của Công ty cổ phần LICOGI 16 đối với

bộ môn Cơ giới hóa Xí nghiệp và Xây dựng, khoa Cơ khí, đại học bách khoa Tp HCM Tuy rằng thiết bị này đã được sản xuất ở nhiều nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Ý…, nhưng giá thành của nó quá cao không phù hợp với điều kiện thi công ở Việt Nam

Mong rằng đề tài của tôi sẽ đóng góp một phần vào cơ sở lý thuyết và dựa vào

đó để có thể chế tạo thành công thiết bị Thúc đẩy quá trình cơ giới hóa nghành xây dựng của Việt Nam phát triển

ρCHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THI CÔNG BÊ TÔNG

MẶT ĐƯỜNG VÀ MÁI KÊNH

1.1 Tình hình thi công trong nước

1.2 Tình hình thi công trên thế giới

1.3 Mục tiêu của đề tài luận văn

1.4 Kết luận

1.1 Tình hình thi công bê tông trong nước

Ở nước ta, tính đến hết năm 2008 cả nước đã có gần 2.000km đường bằng bê tông xi măng, chiếm khoảng hơn 2,5% tổng chiều dài các tuyến đường giao thông

cả nước (Trang thông tin chuyên ngành kiến trúc và xây dựng Việt Nam)

Phát biểu tại Hội thảo “Sử dụng xi măng trong xây dựng kết cấu hạ tầng GTVT” vừa được tổ chức ngày 20/12 tại Bộ GTVT, Bộ trưởng Đinh La Thăng nhấn mạnh: Trong xây dựng phát triển kết cấu hạ tầng, ngành GTVT là một trong những ngành

có nhu cầu tiêu thụ xi măng lớn nhất đất nước Hầu hết các công trình giao thông quan trọng như cầu, cống, sân bay, bến cảng đều sử dụng vật liệu bê tông xi măng,

bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực

Do đó mà có thể thấy nhu cầu về thiết bị thi công mặt đường bê tông ximăng

là rất lớn

Tuy nhiên, việc thi công bê tông mặt đường cũng như bê tông mái dốc ở nước

ta, từ khâu như cấp, rải, san, đầm, lèn, hoàn thiện bề mặt bêtông đều được thực hiện chủ yếu bằng lao động thủ công và bán cơ giới Điều này khiến năng suất lao động thấp, công nhân phải lao động nặng nhọc, chất lượng công trình không cao và thời gian thi công dài

Hình 1.1 Công trình kiên cố hóa kênh Bắc, Tp Phan Rang−Tháp chàm

Hình 1.2 Thi công xây dựng hệ thống giao thông cụm dân cư Núi Tháp

Năm 2009 các nhà khoa học Việt Nam (TS Nguyễn Hồng Ngân, TS Nguyễn Danh Sơn và nhóm cộng sự) đã chế tạo thành công tổ hợp thiết bị thi công bê tông mái kênh và đã đưa vào ứng dụng thực tế

Hình 1.3 Tổ hợp thiết bị thi công bê tông mái kênh được sử dụng tại

công trình thủy lợi kênh Phước Hòa - Bình Phước

Có thể nói đây là tổ hợp máy đầu tiên do Việt Nam chế tạo và đã được đưa vào thi công thành công − kênh Phước hòa Mang lại hiệu quả hết sức thiết thực

1.2 Tình hình thi công ngoài nước:

Việc sử dụng bê tông xi măng để xây dựng đường giao thông đã và đang được nhiều nước trên thế giới thực hiện, nhất là trên các trục đường giao thông chính, đường cao tốc Các nước trong khu vực châu Á, như Trung Quốc, Thái lan loại mặt đường bê tông xi măng chiếm từ 30 đến 40% tổng chiều dài các đường cao tốc và đường trục chính Tại Áo tỷ lệ đường BTXM chiếm 67% cho đường cao tốc và ở Australia là 70% (Bộ giao thông vận tải − chuyên trang Khoa học và Công nghệ) Đối với thiết bị thi công thì việc nghiên cứu và ứng dụng tổ hợp thiết bị đã được thực hiện từ những năm 1965 (Mỹ) Hiện nay có nhiều hãng của nhiều các quốc sở hữu công nghệ này như: GOMACO (Mỹ), UNISTEEL (Bỉ), MASSENZA (Italy)…

Một số mẫu thi công bêtông của hãng GOMACO như: 450, 650,

SL-750, C-450, C-SL-750, CP-650, CP-650S, GP-2600…

Một số mẫu thi công bêtông mái kênh của hãng UNISTEEL như: RCP 750, PVR 1001, RCT 750, FS 750…

Một số mẫu thi công bêtông mái kênh của hãng MASSENZA như: TR 4500HS, MCP 4500HS, TR 6000HS, MCP 6000HS…

Hình 1.4 Tổ hợp thi công SL-450 của hãng GOMACO đang thi công mái kênh

Hình 1.5 Tổ hợp thi công C-450 của hãng GOMACO đang thi công mái kênh

Hình 1.6 Tổ hợp thi công C-450 của hãng GOMACO đang thi công bờ kè

Hình 1.7 Tổ hợp thi công C-700 của hãng GOMACO đang thi công mặt cầu

Hình 1.8 Tổ hợp thi công CP-650 của hãng GOMACO đang thi công mái kênh

Hình 1.9 Tổ hợp thi công CP-650s của hãng GOMACO

đang thi công kênh tiết diện hình thang

Hình 1.10 Tổ hợp thi công RCP 750 của hãng UNISTEEL đang thi công mái kênh

Hình 1.11 Tổ hợp thi công RCT 750 của hãng UNISTEEL

đang thi công mái kênh

Hình 1.12 Tổ hợp thi công MCP 6000HS của hãng MASSENZA

đang thi công mái kênh

1.3 Mục tiêu của luận văn:

Thiết kế hợp lý các thông số kết cấu và làm việc của thiết bị san đầm trục lăn thi công hoàn thiện bề mặt bê tông, năng suất 100 m2/h Tính toán mô phỏng thiết bị san đầm trục lăn

1.4 Kết luận

Tổ hợp thiết bị thi công bê tông có khả năng ứng dụng rất rộng rãi trên thực tế:

CHƯƠNG II

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1 Tham khảo các thiết kế đã có

Tác giả: Ewald R Ulmer, Murray A Rowe,

Tóm tắt: Máy hoàn thiện bề mặt bêtông Phần tử hoàn thiện bao gồm một hay nhiều trống hoàn thiện được gắn trên một xe con với một bộ phận rung được lắp sao cho nó tác dụng lên trống hoàn thiện, bộ phận gây rung này được tạo nên từ một cặp phần tử rung để tạo nên lực đầm thông qua khung Chúng được lắp trên một dầm sao cho lực đầm theo phương ngang bị khử và chỉ còn lực đầm theo phương thẳng đứng tác dụng vào bêtông

Hình 2.1 Patent 4993869

FIG.1, FIG.2 trong hình 3.1 là hình chiếu đứng và chiếu cạnh của máy hoàn thiện bề mặt bêtông bao gồm hai trống hoàn thiện được bố trí trên một khung và vít san

FIG.1A là hình cắt trích từ FIG.1 mô tả liên kết giữa trống lăn, khung và phần tử gây rung

Hình 2.2 Patent 4993869

FIG.4, FIG.5 mô tả nguyên lý hoạt động của bộ phận tạo rung Bộ phận đầm lèn được tạo dao động từ hai trục lệch tâm quay ngược chiều nhau, trong một vòng quay thì các lực gây rung sẽ được cộng hưởng theo phương đứng hoặc triệt tiêu theo

phương ngang tùy vào vị trí góc của bánh lệch tâm Do đó trống sẽ tác dụng lực đầm theo phương đứng vào bề mặt bêtông

2.1.2 Thiết bị san và đầm bêtông mái kênh

Tác giả: TS Nuyễn Hồng Ngân, TS Nguyễn Danh Sơn, cùng thành viên bộ môn Cơ Giới Hóa Xí Nghiệp − Xây dựng, Trường ĐH Bách khoa Tp.HCM

Hình 2.3 Thiết bị san − đầm bêtông mái kênh

Thiết bị bao gồm khung chính có cấu trúc ba mặt được lắp trên cơ cấu di chuyển để di chuyển dọc bờ kênh, trong lòng khung có lắp đặt ray di chuyển

Bộ phận san − đầm được bố trí trong lòng khung và tựa trên ray di chuyển, nhờ vào cơ cấu dẫn động mà bộ phận này có khả năng di lên xuống theo bề mặt mái kênh

Hình 2 4 Cụm công tác trên thiết bị san − đầm bê tông mái kênh

Cụm công tác san − đầm bao gồm một trống lăn được lắp trên xe, phần tử rung được lắp trong lòng trống lăn, do đó mà kết cấu nhỏ gọn Vì sử dụng một phần

tử rung nên xuất hiện các lực theo phương ngang do đó mà kết cấu thiết bị đòi hỏi phải có độ cứng chắc

Liên kết giữa các chi tiết chủ yếu là đinh tán, là loại liên kết chịu được tải trọng động do lực đầm gây ra

Cơ cấu thay đổi chiều cao đầm cho phép điều chỉnh vô cấp, rất tiện cho việc căn chỉnh

− Điều khiển cầu di chuyển, lu rung, lu quay bằng nút bấm

− Điều khiển vận tốc di chuyển xe lu bằng nút thay đổi tốc độ

2.1.3 Máy C 450 hãng Gomaco

∗ Khung rộng 7,32m gồm:

Bao gồm các đoạn khung được sản xuất theo các module có chiều dài cố định là 3,66m ( 12ft), 2,44m ( 8 ft),1,22m ( 4 ft), 0,61m ( 2ft) Các khung này được làm bằng thép cường lực cao, nối với nhau bằng chốt thép đóng mở nhanh Bằng cách nối thêm khung hoặc rút ngắn bớt khung, máy C450X cho phép rải bêtông với

chiều rộng lớp rải thay đổi từ 2,7m đến 41,76m (khi đó khung dài là 3,66m đến

42,67m) Khi nối khung dài trên 23,16m, ta cần dùng một số thanh thép gia cường

phía trên khung

Khung chạy trên các bánh xe Bánh xe chạy trên ray Các chân bánh xe có thể điều chỉnh được chiều cao Ray có thể có dạng hình tròn hoặc vuông tuỳ theo lựa chọn của người mua Tốt nhất là dùng các ống thép tròn sẵn có tại địa phương

để làm ray theo thiết kế nhà sản xuất (Chúng tôi sẽ cung cấp thiết kế)

Trên khung có gá động cơ, môtơ thuỷ lực, bảng điều khiển,

Ghi chú:

− Với khung tiêu chuẩn 7,32m máy có thể rải bêtông trong khoảng rộng từ 2,75m đến 6.40m Nếu cần rải rộng hơn thì mua thêm khung để nối dài Chiều rộng rải nhỏ hơn chiều dài khung 0,91m

− Khung có thể nối dài tối đa 42.67m

− Khi rải rộng quá 23,60m cần mua thêm giằng gia cường

− Cần tham khảo chúng tôi để có cấu hình phù hợp

∗ Khối điều khiển

− Hệ điều khiển động cơ

− Két nhiên liệu 34 liter

− Két dầu thuỷ lực 57,9 liter

− Bộ làm mát dầu thủy lực dùng quạt điện có rơ le tự động

− Khối điều khiển tốc độ di chuyển máy và tốc độ di chuyển

− Hệ thống tự động điều khiển máy tiến sau mỗi vệt rải

− Sàn công tác cho người điều khiển

∗ Hệ thống khung đỡ bộ phận công tác

− Két nhiên liệu 34,1 liter

− Két dầu thuỷ lực 34,1 liter

− Tám con lăn với vòng bi kép chịu tải lớn

∗ Hệ thống thiết bị công tác

− 1 guồng xoắn rải bêtông đường kính 254 mm , quay thuận

− 1 guồng xoắn rải bêtông đường kính 254 mm , quay ngược

− 1 bàn xoa làm nhẵn mặt bêtông

Hình 2.5 Bộ công tác san − đầm hai trống lăn (bảng báo giá của hãng Gomaco)

Ngoài ra:

− Bánh xe có hai vai, đường kính 83mm dùng cho ray hình vuông hoặc tròn

51mm

− Bộ phận gạt vật liệu làm sạch ray, tấm chắn bảo vệ chân và bánh xe

− Kích nâng hạ thủ công để điều chỉnh chiều cao khung

∗ Thiết bị tùy chọn thêm:

− Nếu cần nối thêm khung để rải rộng hơn

− Nếu cần tăng công suất rải từ 150m2/ giờ lên 300m2/giờ

• Dùng trống lăn kép thay vì dùng trống lăn đơn

• Bao gồm hai trống lăn đường kính 254mm, dài 1,219 mm

− Đầm bàn thuỷ lực dùng khi có lưới thép đặt sát mặt bêtông

∗ Sau khi tham khảo các thiết kế đã có, em đưa ra được thiết bị san − đầm bêtông mặt đường như sau:

2.2 Giới thiệu về thiết bị thiết kế:

Chức năng: là thiết bị dùng để san, đầm lèn và hoàn thiện bề mặt bêtông mặt đường

Hình 2.6 Thiết bị san và đầm bêtông

Thiết bị này bao gồm các cụm:

Hình 2.7 Mô hình cụm công tác san đầm thiết kế

Cụm thiết bị bao gồm kết cấu thép và ba cơ cấu chính:

• Cơ cấu gây rung

• Cơ cấu vít san

• Cơ cấu di chuuyển cụm

Ngoài ra trên cụm còn có cơ cấu thay đổi chiều cao khung treo trống lăn được thực hiện thông qua hai tăng đơ

Thông số kỹ thuật thiết kế:

• Năng suất đầm: 95 m2/giờ

• Chiều sâu đầm: 300 mm

• Chiều dài lu (2 cái): 1200mm

• Chiều dài vít (2 cái): 600 mm

• Năng suất vít rải: 100 T/h

• Khoảng cách tâm hai ray di chuyển cầu: 9000 mm

• Vận tốc di chuyển bộ công tác: v = 0÷35 m/ph

• Vận tốc di chuyển cầu: 12 m/ph

CHƯƠNG III

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỢP LÝ HÓA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU VÀ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ SAN ĐẦM TRỤC LĂN

3.1 Thiết kế các thông số kết cấu và làm việc của cụm san đầm trục lăn

3.1.1 Lý thuyết về làm chặt cấu kiện bê tông bằng rung động

3.1.2 Thiết kế cơ cấu rung

3.1.3 Thiết kế cơ cấu di chuyển bộ công tác

3.1.4 Thiết kế cơ cấu san

3.2 Xây dựng mô hình

3.2.1 Lý thuyết dao động cơ hệ hai bậc tự do

3.2.2 Mô hình lý cụm rung

3.2.3 Mô hình toán cụm rung

3.3 Tính toán các thông số của phương trình chuyển động và mô phỏng

3.4 Kết luận

3.1 Thiết kế các thông số kết cấu và làm việc của cụm san đầm trục lăn

3.1.1 Lý thuyết về làm chặt cấu kiện bê tông bằng rung động

3.1.1.1 Tác dụng của rung động và các thông số ảnh hưởng đến việc làm chặt cấu

kiện bê tông

a Tác dụng của rung động

Trong công nghiệp sản xuất các cấu kiện bê tông và bê tông cốt thép, để làm

chặt hỗn hợp bê tông người ta thực hiện bằng các phương pháp sau: rung động, ép

hoặc quay ly tâm v.v… trong đó rung động được sử dụng phổ biến nhất vì thiết bị

đơn giản, phạm vi ứng dụng rộng, hiệu quả làm chặt cao và thích hợp với nhiều

dạng cấu kiện xây dựng

Dưới tác dụng của rung động, các hạt cốt liệu của hỗn hợp bê tông được

truyền năng lượng và chuyển động với các vận tốc khác nhau Khi này liên kết giữa

các hạt bị phá vỡ, nội ma sát giảm, hỗn hợp trở nên lưu động hơn, không khí được

đẩy ra ngoài và các hạt tiến lại gần nhau, làm cho khối lượng thể tích của bê tông

tăng lên (1,6 ÷ 1,65 lần) và khuôn được lấp đầy tốt hơn

Thiết bị làm chặt hỗn hợp bê tông bằng phương pháp rung cần đạt được những

yêu cầu sau: đảm bảo độ chặt và cường độ bê tông; độ tin cậy và tuổi thọ cao; năng

suất tạo hình cao; sử dụng và sửa chữa dễ; đảm bảo các tiêu chuẩn về tiếng ồn và

rung động đối với môi trường xung quanh Khuôn để tạo hình cấu kiện bê tông bằng

rung động phải có độ cứng vững cao để truyền được dao động một cách đồng đều

cho các bề mặt tiếp xúc với hỗn hợp bê tông, đảm bảo kích thước và hình dạng

chính xác của các cấu kiện bê tông

b Các thông số rung động ảnh hưởng đến quá trình làm chặt

Để việc làm chặt có hiệu quả, cần xác định đúng chế độ rung động, trong đó

có tốc độ dao động v(m/s), hoặc cường độ dao động (cm2/s3) Để có thể phá vỡ liên

kết giữa các hạt, tốc độ v (hoặc cường độ dao động) phải đạt được trị số nhất định

Tốc độ dao động v liên hệ với biên độ và tần số dao động qua biểu thức sau

(5.5)[2]:

)/)(

sin( t cm s A

trong đó:

• A − biên độ dao động, (cm);

• ω − tần số góc của dao động (rad/s);

• t − thời gian dao động (s)

Đối với mỗi loại hổn hợp bê tông, tốc độ dao động cò hiệu quả đến làm chặt sẽ

thay đổi từ vmin đến vmax Trị số giới hạn của tốc độ dao động đối với một số loại

hỗn hợp bê tông được giới thiệu ở bảng 3.1

Tốc độ dao động có hiệu quả tăng lên khi độ lưu động của hỗn hợp bê tông

giảm Hỗn hợp bê tông cốt liệu nhỏ sẽ được lèn chặt tốt khi tần số cao và biên độ

dao động nhỏ Ngược lại, đối với hỗn hợp bê tông cốt liệu lớn, thích hợp nhất là

biên độ dao động lớn Hiện nay chủ yếu sử dụng tần số dao động 50Hz (ứng với

3000 vòng/ph và ít sử dụng tần số 25Hz, 75 Hz hoặc cao hơn) Với hỗn hợp bê tông

có độ lưu động trung bình, biên độ dao động thường dùng từ 0,1 ÷ 0,5mm Với hỗn

hợp bê tông cứng, biên độ dao động thích hợp từ 0,4 ÷ 0,6mm

Cường độ rung động được biểu thị qua biểu thức sau (5.6)[2]:

(3.2)

) / ( 3 2 3

A

W = ω

Với hỗn hợp bê tông lưu động, cường độ rung có hiệu quả khoảng 80 ÷ 300

cm2/s3 khi biên độ dao động thích hợp từ A = 0,25 ÷ 0,5mm

Thời gian rung tạo hình ảnh hưởng trực tiếp đến độ lèn chặt của bê tông

Đương nhiên nếu thời gian rung quá ngắn sẽ không đạt được độ chặt cần thiết, song

nếu thời gian rung kéo dài sẽ sảy ra hiện tượng phân tầng làm giảm cường độ bê

tông Thời gian rung hợp lí đối với hỗn hợp bê tông có độ lưu động trung bình là 2

÷ 3 phút, còn đối với hỗn hợp bê tông cứng khoảng 3 ÷ 4 phút

Phương dao động và chiều truyền dao động cho hỗn hợp bê tông cũng ảnh

hưởng đến việc làm chặt Dao động theo phương vuông góc với bề mặt của bê tông

cho hiệu quả làm chặt tốt hơn theo phương tiếp tuyến Cùng dao động theo phương

vuông góc với mặt bê tông, song chiều dao động từ trên xuống dưới cho hiệu quả

cao hơn so với chiều dưới lên trên Với cùng dao động định hướng của khuôn, các

phần khác nhau của khuôn cũng sẽ tác động vào bê tông khác nhau Ví dụ với dao

động thẳng đứng của khuôn đặt trên bàn rung, mặt bàn rung dao động theo phương

vuông góc với lớp bề mặt bê tông, còn các thành khuôn sẽ dao động theo phương

tiếp tuyến với các mặt cạnh bên của cấu kiện bê tông

Dao động điều hòa và không điều hòa cũng ảnh hưởng khác nhau đến việc làm

chặt Để làm sáng tỏ, chúng ta hãy xét những lực tác động vào khối bêtông “m”

nằm trên mặt bàn khi mặt bàn dao động theo phương đứng vơii quy luật x0(t), hình

3.1

Phương trình vi phân chuyển động của khối lượng “m” là (5.7)[2]:

N Pb g m t mx mx

dt

x d

m = '' = − '' ( ) − − +

0 2

• mg − trọng lượng của khối bê tông

• Pb − lực bám của hỗ hợp bê tông với bàn

• N − phản lực của bàn tác dụng vào bê tông

Khi khối lượng bê tông m chuyển động cùng với bàn (x = 0) thì phản lực pháp

tuyến là (5.8)[2]:

Hình 3.1 Sơ đồ các lực tác dụng vào khối lượng m 1

(3.4)

b

P g m t mx

x'' ( ) = − + b

Qua đó thấy rằng chỉ sảy ra trường hợp bê tông tách rời khỏi mặt bàn khi gia

tốc của bàn rung mang giá trị âm Lúc hỗn hợp bê tông tách khỏi mặt bàn, không

không xảy ra hiện tượng

trên, gia tốc âm của bàn rung

không được vượt quá 7g

Bởi vậy, với dao động điều hòa cần khống chế biên độ gia tốc dao động không lớn

hơn 7g (hình 3.2) Với dao động không điều hòa (đưòng cong 2, hình 3.2 ) chỉ cần

khống chế môđun lớn nhất của gia tốc âm ( < 7 g), còn gia tốc dương có thể đạt

tới 20g Trị số lớn của gia tốc dương có tác dụng ép chặt hỗn hợp và thúc đẩy, việc

x

Hình 3.2 Đồ thị gia tốc dao động điều hòa (đường cong 1) và không điều hòa (đường cong 2)

Khối lượng hỗn hợp bê tông đưa vào khuôn ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ

dao động của khuôn Khối lượng hỗn hợp bê tông nạp vào khuôn tăng lên thì biên

độ daọ động giảm Trong tính toán lí thuyết, người ta coi bàn rung và hỗn hợp bê

tông là một hệ động lực học thống nhất Song hỗn hợp bê tông là môi trường nhớt

dẻo phức tạp nên việc xác định bằng lí thuyết ảnh hưởng của hỗn hợp bê tông trong

đao động là một việc khó khăn Trong thực tế, người ta đánh giá ảnh hưởng đó của

hỗn hợp bêtông bằng thực nghiệm thông qua hệ số liên kết k1 Hệ số liên kết k1

được định nghĩa theo công thức sau (5.10)[2]:

2

1 1

m

m

• m1 − khối lượng gia tải bàng thép, được đưa bổ sung đồng trục vào khuôn không

chứa liệu, sao cho biên độ dao động của hệ bị giảm đi tương đương với hệ dao động

có chứa hỗn hợp bê tông có khối lượng m2

• m2 − khối lượng hỗn hợp bê tông được đổ vào khuôn Hệ số k1 = 0,15 ÷ 0,4 tùy

thuộc loại hỗn hợp bê tông và bố trí cốt thép trong bê tông Hệ số k1 = 0,24 ÷ 0,25

đối với bê tông ít cốt thép; k1 = 0,3 − 0,4 đối với bêtông dày cốt thép

Hệ số liên kết k1, chưa kể tới các tổn thất năng lượng trong quá trình rung

động Để kể tới các tổn thất, trong sơ đồ tính toán người ta đưa vào sức cản nhớt

c Các phương pháp rung và thiết bị làm chặt hỗ hợp bê tông bằng rung động

Phụ thuộc vào phương truyền dao động vào hỗn hợp bê tông, người ta phân

biệt: máy rung bề mặt, máy rung đặt trong và máy rung thể tích Ở máy rung bề mặt

nguồn dao động được đặt trực tiếp lên bề mặt trên của hỗn hợp bê tông và dao động

được truyền từ bên trên vào trong lòng hỗn hợp bê tông Máy rung bề mặt được sử

dụng cho hỗn hợp bê tông lưu động với chiều dày lớp đầm chặt không lớn hơn

200mm Đặc biệt máy rung bề mặt được sử dụng để đầm chặt các mặt đường bê

tông cốt thép trong giao thông

Tên

Chày rung

Rung

cốt

pha

Đầm bàn

Chày cán cứng

Rung

vỏ

bunke

Đầm thước

Chày rung cán mềm

Bàn

rung

Máy (rung) chèn đá

Khối chày rung

Hình 3.3 Các thiết bị làm chặt hỗn hợp bê tông bằng rung động

Ở các máy rung bề mặt, người ta thường dùng các cơ cấu rung công dụng chung

Các máy rung đặt trong, được thả chìm sâu trong lòng hỗn hợp bê tông và rung động được truyền từ bên trong ra xung quanh Phương pháp truyền rung này rất có hiệu quả trong việc làm chặt hỗn hợp bê tông Máy rung đặt trong được dùng cho hỗn hợp bê tông lưu động và ít lưu động để tạo hình các cấu kiện dạng tấm, cột

và đặc biệt làm chặt các khối móng, cũng như trong các công trình thủy lợi

Ở máy rung thể tích, hỗn hợp bê tông được đưa vào khuôn cứng (hoặc vỏ, cốt pha) Dao động được truyền qua khuôn (vỏ, cốt pha) tới toàn bộ thể tích của hỗn hợp Bàn rung là loại máy rung thể tích được dùng để chế tạo các cấu kiện bê tông

và bê tông cốt thép từ các hỗn hợp bê tông cứng và từ tất cả các loại hỗn hợp bê tông lưu động

− Theo quỹ đạo chuyển động của khuôn, bàn rung được phân thành: bàn rung vô hướng (quỹ đạo tròn hoặc e-líp) và bàn rung định hướng (thẳng đứng hoặc hướng ngang)

− Theo dạng dao động, người ta phân biệt : dao động điều hòa, dao động không điều hòa và dao động nhiều tần số

có kẹp khuôn

Trong nhiều trường hợp, để tăng hiệu quả làm chặt, người ta kết hợp hai trong

số các phương pháp kể trên Thông thường phương pháp rung bên trong và rung thể tích thường kết hợp với rung bề mặt để tạo ra sản phẩm bền và đẹp

Ngoài phương pháp rung thuần túy, người ta còn kết hợp với các phương pháp khác để làm chặt hỗn hợp bê tông như: phương pháp rung − va đập; rung − dập; cán

− rung; rung − gia tải ; v.v

− Với phương pháp va − rung, do tạo được gia tốc dương lớn nên hiệu quả lèn chặt cao, tạo ra được bê tông cường độ cao và tính chống thấm cao

− Tạo hình bằng rung − ép (hình 3.4a): theo phương pháp này bê tông vừa được lèn chặt do lực ép của chày (1), vừa được làm chặt do rung động theo phương đứng của chày, nên có độ bền cao Ngoài ra, biên dạng của mặt chày ép sẽ tạo ra hình dạng bề mặt của cấu kiện

Hình 3.4 Các phương pháp kết hợp để tạo hình cấu kiện a) Rung − ép: 1 Chày rung − ép, 2 Khuôn, 3 Thùng b) Cán − rung: 1 Xà rung, 2 Bàn khuôn trượt, 3 Trục cán c) Lõi rung: 1 Lõi rung đặt trong, 2 Khuôn ngoài

− Phương pháp cán − rung (hình 3.4b): ở phương pháp này, hỗn hợp bê tông trong khuôn (2) được làm chặt vừa bằng rung động của xà rung (1), vừa được cán chặt bằng trục cán (3) Trong quá trình làm việc, bàn khuôn (2) được dịch chuyển

và bề mặt của cấu kiện cũng được định dạng nhờ biên dạng của mặt trục cán (3) Phương pháp này cho sản phẩm chất lượng cao và dễ cơ giới hóa, tự động hóa quá trình tạo hình (tốc độ di chuyển của bàn khuôn thường là 0,4 m/ph; chiều rộng trục cán 0,4m và thời gian làm chặt khoảng 1 phút)

− Phương pháp lõi rung (hình 3.4c) Theo phương pháp này chỉ có phần lõi (1) của khuôn được dao động theo phương đứng, phần ngoài (2) của khuôn được tăng cứng để căng được cốt thép ứng suất khi tạo hình

d Các cơ cấu gây rung

∗ Công dụng và phân loại

Những dao động của bộ phận công tác có thể được tạo ra, hoặc bởi những ngoại lực biến đổi (theo thời gian, không gian) hay bởi chuyển động cưỡng bức được định trước Trong trường hợp đầu, cơ cấu gây ra những ngoại lực biến đổi được gọi là cơ cấu gây rung Trong trường hợp sau gọi là cơ cấu tạo rung kiểu động học Cơ cấu này thường dùng là cơ cấu trục khủy − con trượt (cơ cấu cam và thủy lực ít được dùng), ở cơ cấu tạo rung kiểu động học, biên độ dao động không phụ thuộc vào tải trọng, Ngược lại, cơ cấu gây rung, biên độ dao động thay đổi, phụ thuộc vào trọng tải

Theo nguồn năng lượng dẫn động, người ta phân biệt cơ cấu gây rung điện từ,

cơ cấu rung điện − cơ, thủy lực (khí nén) hay được dẫn động bằng động cơ đốt trong

Theo nguyên tắc làm việc, người ta phân biệt cơ cấu gây rung ly tâm quay tròn, cơ cấu gây rung chuyển động qua lại

Theo quỹ đạo chuyển động có: cơ cấu gây rung vô hướng, cơ cấu gây rung định hướng, hoặc va − rung v.v

∗ Cơ cấu rung ly tâm

Sơ đồ các cơ cấu gây rung ly tâm được trình bày trên hình 3.5 Lực quán tính

ly tâm Fa khi khối lượng lệch tâm m0 quay tròn, được xác định bằng công thức (5.11)[2]:

− Cơ cấu gây rung ly tâm thông dụng

Hình 3.5a là sơ đồ của một cơ cấu rung thông dụng Khi khối lượng lệch tâm

(2) quay tròn, lực quán tính ly tâm Fa đặt tại trọng tâm của khối lượng (2) và quay

cùng với nó Lực kích thích này truyền vào vỏ máy qua các ổ bi Môđun của lực

kích thích không đổi, song chiều tác dụng của lực thay đổỉ từ 0° đến 360°

Hình 3.5 Các sơ đồ của cơ cấu rung ly tâm

Để các ổ bi đỡ trục quay không chịu tác động của lực quán tính ly tâm, người

ta sử dụng sơ đồ hình 3.5b Ở đây con lăn (2) chính là khối lượng lệch tâm và nó

được dẫn động quay qua nạng dẫn (3) Trục của con lăn (2) được đặt trong rãnh

trượt của nạng dẫn (3) Con lăn (2) được đặt trên các ổ bi nên khi nạng dẫn (3)

quay, con lăn vừa lăn tự do tại mặt trụ bên trong của vỏ (1), vừa tự quay quanh trục

của nó Nang dẫn (3) cũng được đặt trên các ổ bi Khi nang dẫn (3) quay tròn, con

lăn (2) quay, lệch tâm với trục quay nên tạo ra lực quán tính ly tâm Lực này trực

tiếp tác động vào vỏ máy (1) mà không qua các ổ bi Lực quán tính có trị số không

đổi, song chiều tác dụng thay đổi Tần số góc của lực kích thích trùng với tần số góc

của nạng dẫn động (3)

− Cơ cấu gây rung ly tâm hành tinh

Các cơ cấu rung ly tâm hành tinh tạo ra hai tần số dao động khác nhau : tần số

góc của chuyển động quay tròn quanh trục quay vồ tần số góc của chuyển động lăn

hành tinh Theo cấu tạo, người ta phân biệt cơ cấu rung ly tâm hành tinh tiếp xúc

ngoài (hình 3.5c) và tiếp xúc trong (hình 3.5d) Ở sơ đồ (hình 3.5c), con lăn (2) có

gắn khối lượng lệch tâm và được dẫn động quay qua trục quay đặt tại đường trục

của vỏ (1) Khi truyền mômen xoắn với tốc độ góc ω, con lăn (2) gắn khối lượng

lệch tâm, vừa quay quanh trục quay chính với vận tốc góc ω, lại vừa lăn không trượt

tại mặt trong của vỏ (1) với vận tốc góc ωh (5.12)[2]:

• D − đường kính mặt trong của vỏ (đường lăn)

• d − đường kính lăn của con lăn

Các lực quán tính ly tâm và lực tiếp tuyến sinh ra đều truyền trực tiếp vào vỏ

(1) của cơ cấu gây rung Để đảm bảo điều kiện lăn không trượt của con lăn (2), cần

duy trì lực ma sát giữa con lăn và đường lăn, ở cơ cấu rung ly tâm hành tinh tiếp

xúc trong, con lăn (2) gắn khối lượng lệch tâm lăn không trượt với mặt ngoài của

chốt cố định (3) Chốt cố định (3) được đặt đúng tâm của vỏ và gắn chặt với vỏ (1)

Trường hợp này, tốc độ góc quay của chuyển động quay hành tinh là

ω

Các cơ cấu rung ly tâm vẽ trên hình , đều tạo ra rung động vô hướng vì chiều

của lực kích thích thay đổi 0o ÷ 360o Nếu điểm đặt lực của lực quán tính ly tâm

tổng hợp trùng với trọng tâm của máy thì quỹ đạo dao động sẽ là đường tròn, nếu

không trùng thì quỹ đạo sẽ là đường elip

− Cơ cấu gây rung ly tâm định hướng

Để tạo ra rung động li tâm định hướng, người ta có thể dùng bộ gây rung ly tâm hai trục (hình 3.6) hoặc bộ gây rung ly tâm quả lắc (hình3.7)

Hình 3.6 Bộ gây rung ly tâm hai trục Hình 3.7 Bộ gây rung ly tâm quả lắc

Ở sơ đồ hình 3.6 người ta đặt hai trục lệch tâm chung trong một vỏ máy để tạo

ra dao động định hướng

Để đạt được mục đích trên hai trục lệch tâm này phải thỏa mãn các điều kiện sau:

1 Môđun lực quán tính ly tâm của chúng phải bằng nhau

2 Tốc độ quay của hai trục là như nhau

3 Chiều quay của hai trục ngược nhau

Khi các điều kiện trên được thỏa mãn các thành phần lực Fy1 và Fy2 (hình 3.6) triệt tiêu nhau, còn các thành phần Fx1 và Fx2 được cộng vào hợp lực của các lực quán tính li tâm đặt tại điểm A và có hướng vuông góc với trục y

Cơ cấu gây rung ly tâm định hướng kiểu quả lắc được vẽ ở hình 3.7 Trong trường hợp này, cơ cấu gây rung ly tâm có khối lượng m1 được treo tại trục lắc O Ở trục treo O , người ta đạt các chi tiết đàn hồi chống xoắn để con lắc có thể dao động được góc α theo phương đứng Nếu các chi tiết đàn hồi này có hệ số độ cứng, cản xoắn thích hợp thì chúng ảnh hưởng không đáng kể đến qũy đạo chuyển động của

bộ phận công tác Khi này, thành phần thẳng đứng của lực quán tính ly tâm có tác động đến dao động, còn thành phần ngang chủ yếu tạo ra mômen xoắn và được các chi tiết đàn hồi tiếp nhận

3.1.2 Thiết kế cơ cấu rung

3.1.2.1 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý làm việc của cơ cấu rung

Hình 3.9 Kết cấu cụm rung

Mômen xoắn trên trục động cơ (1) truyền

qua khớp nối (2) đến trục (5), làm các trục quay,

trên các trục này có lắp các bánh lệch tâm (3),

khi các bánh lệch tâm quay tạo ra lực ly tâm Cả

hai trục mang bánh lệch tâm được lắp trên một

dầm (khung) do đó khi quay ngược chiều nhau

chỉ tạo ra lực kích động theo phương đứng để

đầm bêtông, còn các lực theo phương ngang bị

3.1.2.2 Xác định lực kích thích gây rung

Dựa trên cơ sở lý thuyết, lựa chọn tần số dao động của hệ là 50 Hz (ứng với

vận tốc 3000 vòng/phút) Biên độ dao động là A = 0,4mm ứng với bê tông có độ lưu

động trung bình (độ sụt 6 ÷ 8 cm)

− Lực kích rung theo (trang 259)[5] được xác định như sau:

trong đó:

• mr – khối lượng dao động (kg)

• ω − tần số góc của bánh lệch tâm (rad/s)

− Khối lượng dao động được tính theo công thức (3.57)[5]:

trong đó:

• mk = 0 – khối lượng khuôn (kg)

• mm = 534 – khối lượng máy tham gia dao động (kg) (tính sơ bộ)

• k.mbt – khối lượng bêtông tham gia dao động (kg)

• k = 0,3 − hệ số thực nghiệm, kể đến lượng bê tông gắn chặt vào khối lượng

dao động cùng trống rung (trang 257)[5]

mbt − khối lượng bêtông được đầm lèn (kg)

h S

• ρ = 2,5 − trọng lượng riêng của bêttông (kg/m3)

• S − tiết diện phần bêtông đầm lèn (m2)

Với kích thước mỗi trống đầm D = 250(mm), chiều dài l = 1200mm Giả thiết

sau mỗi lần đầm khoảng 30(mm) bêtông thừa

lại sau quá trình san, S được tính như sau:

)(389952

,

0

)(3899521200

.48,162