Nghiên cứu thiết kế máy búa rung lực ly tâm 50n tấn phục vụ thi công tác các công trình xây dựng và giao thông​

Trong các thiết bị hạ chìm cọc vào lòng đất thì máy búa rung có nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại búa va đập khác như: Kết cấu đơn giản, kíchthước nhỏ gọn, tính cơ động và năng xuấ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LƯƠNG VĂN ĐÀI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY BÚA RUNG

LỰC LY TÂM 50 TẤN PHỤC VỤ THI CÔNG

CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG VÀ GIAO THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Hà Nội - 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LƯƠNG VĂN ĐÀI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY BÚA RUNG

LỰC LY TÂM 50 TẤN PHỤC VỤ THI CÔNG

CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG VÀ GIAO THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ CƠ GIỚI HÓA

NÔNG - LÂM NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS PHẠM VĂN NGHỆ

Hà Nội - 2011

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được bản luận văn này, trong suốt thời gian qua tôi đãnhận được sự quan tâm, giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân Nhân dịp nàycho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thày giáo

hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Văn Nghệ đã dành nhiều thời gian chỉ

bảo tận tình và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị cho tôi trong suốt thời gianthực hiện luận văn tốt nghiệp của mình

Tôi xin trân trọng cảm ơn Quý thầy cô khoa Đào tạo sau đại học, khoa

Cơ điện và công trình, khoa Chế biến Trường Đại học Lâm nghiệp đã nhiệttình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Cơ điện

và Nông nghiệp Nam Bộ cùng các anh, chị đồng nghiệp nơi tôi đang công tác

đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và thựchiện luận văn này

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõnguồn gốc

Hà Nội, ngày 9 tháng 9 năm 2011

Người thực hiện

Lương Văn Đài

MỤC LỤC

- TRANG PHỤ BÌA

- LỜI CẢM ƠN i

- MỤC LỤC ii

- DANH MỤC CÁC KÍ HỆU, CHỮ VIẾT TẮT iv

- DANH MỤC CÁC BẢNG vii

- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THị viii

- MỞ ĐẦU 1

Chương 1- TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung về công tác đóng, hạ cọc trong gia cố nền móng 3 1.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy búa rung trên thế giới và ở trong nước 9

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 9

1.2.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy búa rung ở trong nước 13

Chương 2- MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu của đề tài 15

2.2 Đối tượng nghiên cứu 15

2.3 Phạm vi nghiên cứu 15

2.4 Phương pháp nghiên cứu 16

Chương 3-CƠ SỞ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY BÚA RUNG 3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy búa rung 18

3.4 Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy búa rung 20

3.3 Mô hình cơ học máy búa rung 24

3.4 Các phương pháp tính khả năng hạ cọc bằng búa rung 29

Chương 4- TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC MÁY BÚA RUNG LỰC LY

TÂM 50 TẤN

4.1 Xác định vận tốc góc, mômen quán tính 31

4.2 Tính tổng độ cứng lò xo 32

4.3 Tính dao động của hệ 32

4.4 Tính công suất cần thiết của động cơ và chọn động cơ điện 32

Chương 5- TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ KIỂM NGHIỆM BỀN CÁC CHI TIẾT CHÍNH MÁY BÚA RUNG 5.1 Tính toán các bộ truyền 33

5.2 Chọn ổ bi 35

5.3 Xác định kích thước quả văng 35

5.4 Tính lò xo bộ gây rung 37

5.5 Thiết kế hệ thống thanh treo dẫn hướng của lò xo 44

5.6 Tính chọn xy lanh kẹp cọc 44

5.6 Sơ đồ hệ thống thủy lực 45

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

y1’ Vận tốc không thứ nguyên của bộ gây rung

yn Độ lún không thứ nguyên của cọc

D1 Giá trị dịch chuyển tới hạn của Perkov-Shaevich mm

s Lực cản thân cọc trên một đơn vị diện tích kPa

dc Chiều rộng của cọc ván m

m1 Module bánh răng chủ động

m2 Module bánh răng bị động

d1 Đường kính vòng chia bánh răng chủ động mm

d2 Đường kính vòng chia bánh răng bị động mm

d max Biến dạng lớn nhất lò xo dưới mm

Pd max Lực lớn nhất tác dụng vào lò xo dưới N

Pd min Lực nhỏ nhất tác dụng vào lò xo dưới N

Ptrmax Lực lớn nhất tác dụng vào lò xo trên N

Ptrmin Lực nhỏ nhất tác dụng vào lò xo trên N

DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN

3.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy búa rung điện 18

5.3 Bản vẽ chi tiết kẹp cọc

5.4 Bản vẽ chi tiết móc treo (hình chiếu đứng )

5.5 Bản vẽ chi tiết móc treo (hình chiếu cạnh và hình cắt đứng)

5.6 Bản vẽ chi tiết vỏ hộp rung

5.7 Bản vẽ chi tiết nắp hộp rung

5.8 Bản vẽ chi tiết đệm dẫn hướng

5.9 Bản vẽ chi tiết quả văng

5.10 Bản vẽ chi tiết trục quả văng

5.11 Bản vẽ chi tiết nắp vòng bi

5.12 Mô hình tổng thể của búa rung

5.13 Mô hình 3D cụm móc treo

5.14 Mô hình 3D hộp rung

TT Tên hình Trang

5.15 Đặt lực, điều kiện biên, chia lưới bộ phận rung

5.16 Đặt lực, điều kiện biên, chia lưới mỏ kẹp

5.17 Đặt lực, điều kiện biên, chia lưới móc treo

5.18 Điểm tập trung ứng suất bộ phận móc treo

5.19 Gán vật liệu cho hộp rung

5.20 Biến dạng móc treo khi mô phỏng

5.21 Hướng di chuyển kim loại của móc treo khi biến dạng

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN

3.2 Giá trị s (Lực cản thân cọc trên một đơn vị diện tích) theo 30

phương pháp Turker

5.1 Hệ số điều chỉnh (dùng trong tính toán lò xo) 40

MỞ ĐẦU

Nước ta hiện nay đang ở trong thời kỳ hội nhập và phát triển, việc thicông các công trình xây dựng công nghiệp và giao thông như đường xá, cầucống, nhà máy, nhà ga, bến cảng… là rất lớn Trong thi công các công trìnhxây dựng và giao thông, xử lý nền móng là một công đoạn quan trọng, nóquyết định đến chất lượng cũng như tuổi thọ của công trình

Nhu cầu về máy móc phục vụ thi công nền móng ở nước ta hiện nay rấtlớn Hàng năm chúng ta phải tốn khá nhiều ngoại tệ để nhập khẩu máy mócthiết bị dùng để thi công nền móng Theo Hiệp hội Doanh nghiệp cơ khí ViệtNam, với nhu cầu xây dựng lớn như hiện nay, mỗi năm nước ta phải bỏ ra từ

3 - 4 tỷ USD để nhập các loại máy xây dựng, trong đó tỷ lệ máy đóng cọcnhập khẩu chiếm khoảng 35%

Trong các thiết bị hạ chìm cọc vào lòng đất thì máy búa rung có nhiều

ưu điểm vượt trội so với các loại búa va đập khác như: Kết cấu đơn giản, kíchthước nhỏ gọn, tính cơ động và năng xuất cao, làm việc chắc chắn, cọc không

bị vỡ, giá thành đóng cọc rẻ hơn 2 đến 3 lần so với các loại búa khác, có thểđóng cọc và nhổ cọc Đặc biệt chúng làm việc rất hiệu quả trên nền đất cát tơi,xốp, ở những địa hình chật hẹp, chen cấy, khu nơi dân cư…

Hiện nay, rất nhiều công ty xây dựng và thi công cầu có nhu cầu trang

bị các loại máy búa đóng cọc, và xu hướng là mua các loại máy búa rung donhững ưu điểm như đã nêu trên Tuy nhiên, phần lớn loại thiết bị này đượcnhập khẩu từ Trung Quốc, Nhật Bản, Nga, Mỹ… Chúng ta chủ yếu mới dừnglại ở việc khai thác sử dụng, sửa chữa máy búa rung Tuy phức tạp về thiết kếnhưng máy búa rung không đòi hỏi công nghệ chế tạo đặc biệt Dựa trên cácchủng loại, mẫu mã sẵn có trong nước, có thể khẳng định rằng nước ta hoàn

toàn có thể thiết kế, chế tạo được máy búa rung bằng công nghệ hiện nay củaViệt Nam.

Xuất phát từ thực tế đó, tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế máy búa rung lực ly tâm 50 tấn phục vụ thi công các công trình xây dựng và giao thông”.

Mặc dù việc sử dụng máy búa rung trong thi công nền móng các côngtrình xây dựng và giao thông được dùng khá rộng rãi trên thế giới và ngàycàng phổ biến ở nước ta, tuy nhiên những tài liệu về nghiên cứu, tính toán,thiết kế máy búa rung lại rất hạn chế, đặc biệt đây là lĩnh vực còn khá mới mẻ

ở nước ta hiện nay Vì vậy, đề tài nhằm góp phần làm phong phú thêm tư liệu

về phương pháp nghiên cứu, tính toán máy búa rung Đồng thời từ các kết quảnghiên cứu, tiến tới ta tự chế tạo trong nước, không phải nhập khẩu loại thiết bịnày mà trước nay Việt Nam vẫn phải nhập, góp phần cơ khí hóa và hiện đại hóatrong ngành xây dựng, cải thiện và bảo vệ môi trường, thúc đẩy sự phát triển côngnghiệp bền vững, thực hiện chủ trương chính sách của Đảng, nhà nước về côngnghiệp hóa và hiện đại hóa trong giai đoạn hiện nay

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu chung về công tác đóng, hạ cọc trong gia cố nền móng

Việc xử lý nền móng cho các công trình xây dựng và giao thông đã có

từ rất lâu Theo dòng phát triển của lịch sử, quy mô các công trình và côngnghệ xử lý nền móng đã có những bước tiến dài Hiện nay, trong gia cố nềnmóng cho các công trình lớn, thời hạn phục vụ lâu dài người ta áp dụng cácloại móng cọc Đây là loại móng đảm bảo khả năng xây dựng công trình trêncác nền đất yếu có sức chịu tải nhỏ Những ưu điểm cơ bản của việc áp dụngmóng cọc là rút ngắn thời gian thi công, giảm bớt công tác nặng nhọc chocông nhân, giảm bớt khối lượng thép, bê tông, giảm khối lượng công tác làmđất và tăng chất lượng công trình…

Có rất nhiều phương pháp đóng, hạ cọc trong gia cố nền móng Mỗiphương pháp có tính ưu việt riêng và phù hợp với từng yêu cầu của mỗi côngtrình Các phương pháp thường sử dụng hiện nay là: khoan cọc nhồi, ép cọctĩnh, dùng lực va đập, dùng thiết bị rung động

1.1.1 Phương pháp khoan cọc nhồi.

Cọc nhồi được chế tạo bằng cách rót trực tiếp vậy liệu (bê tông, bê tôngcốt thép, cát) vào những lỗ cọc làm sẵn trong lòng đất ngay tại mặt bằng thicông công trình

Theo phương pháp tạo lỗ cọc khoan nhồi, thi công cọc nhồi được chia thành hai loại cơ bản sau:

+ Tạo lỗ cọc bằng cách đóng ống kim loại, đầu dưới bịt đế cọc vào lòngđất, sau đó rót vật liệu tạo cọc vào lòng ống ống kim loại có thể để nguyên với vaitrò là thành ống hoặc rút khỏi lòng đất trong quá trình rót vật liệu bằng thiết bịchuyên dùng, còn đế cọc nằm lại trong lòng đất

+ Tạo lỗ cọc bằng phương pháp khoan chuyên dùng Các thiết bị khoanrất đa dạng, như tạo lỗ bằng phương pháp cơ học, phương pháp vật lý, hay là theocách đưa đất từ lỗ khoan lên theo dạng liên tục hay chu kỳ,…

Phương pháp khoan cọc nhồi có đặc điểm sau:

- Ưu điểm:

+ Cọc được chế tạo tại chỗ, có kích thước và chiều dài tuỳ ý, khôngmất công vận chuyển hay phải làm các công tác phụ khác như cưa, cắt, nối cọc…sau khi đóng cọc

+ Thi công cọc nhồi trên các máy khoan tạo lỗ tránh được các lực xungkích gây ảnh hưởng xấu đến các công trình xung quanh, không gây tiếng ồnlớn Vì vậy trong những năm gần đây thi công cọc nhồi đã nhanh chóng xâmnhập vào các công trình trong thành phố

+ Có thể thi công trên các công trường có điều kiện mà không thể thi công bằng phương pháp đóng cọc khác

+ Chi phí đầu tư máy móc thiết bị ban đầu lớn nên giá thành của nó cũng khá cao

+ Khó kiểm tra chính xác chất lượng cọc sau khi thi công

+ Gây ô nhiễm môi trường do có chất thải là dung dịch bentonít

+ Phải xây dựng trạm trộn bê tông tại công trường hoặc phụ thuộc địađiểm của trạm trộn bê tông khác và công suất của trạm đó (do phụ thuộc thời gian

bê tông đông cứng từ lúc trộn bê tông đến lúc đổ xong cọc),…

thi công ít do ở nước ta chưa có nhiều công trình lớn, nên hiệu quả kinh tế khi

sử dụng loại máy này thấp

- Búa hơi tác động kép: áp suất của hơi nước hoặc không khí nén vừadùng để nâng đầu quả búa lên cao, vừa dùng để đẩy đầu quả búa rơi nhanh xuống đầu cọc

Cả hai loại búa hơi nói trên đều tốn nhiều năng lượng và đòi hỏi phải

có trang thiết bị đi kèm như nồi hơi hoặc máy nén khí, ống dẫn hơi ép…

1.1.3.2 Búa Diezel

Búa Diezel làm việc theo nguyên lý động cơ đốt trong hai kỳ: Lúc đầu

bộ phận xung kích được kéo lên bằng tời, nhiên liệu được phun vào buồngnén ngay khi bộ phận xung kích được thả rơi, không khí và nhiên liệu bị nén

và nóng lên biến thành một hỗn hợp ở trạng thái sương mù Khi đủ nhiệt độ,

“bụi hơi’’ nhiên liệu bị bốc cháy cùng với không khí nén sẽ gây nổ Áp suất

khí cháy tác động đóng cọc xuống và phần xung kích bị nẩy lên tiếp tục một chu kỳ khác.

+ Rất cơ động, dễ thi công và có thể làm việc ở những điều kiện khắcnghiệt như: ở trên sông, ở đầm lầy, ở các vùng cao mà các phương pháp kháckhông làm được;

+ Không cần trang bị các trạm cung cấp năng lượng (nồi hơi, máy ép khí, ống dẫn);

+ Búa dễ thao tác, cho năng suất cao;

+ Hệ số hiệu dụng tốt hơn búa hơi, năng lượng nổ truyền trực tiếp vào phần xung động của búa

+ Chỉ hạn chế đóng những cọc thẳng hoặc có độ xiên tối đa 3:1 đến 4:1.+ Không hiệu quả khi đóng cọc trong đất yếu: Khi nổ, cọc lún xuốngnhiều, thủ búa không đủ năng lượng bật lên cao, do đó buồng nén không đủ áp lực

và nhiệt độ đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu cho chu kỳ sau Do đó phải thao tác lại từđầu, năng xuất giảm

+ Khi đóng cọc gây ra lực chấn động làm ảnh hưởng tới các công trìnhxung quanh, đồng thời nó còn tạo ra tiếng ồn Do nhược điểm này mà phươngpháp chỉ được áp dụng với các công trình xa khu dân cư

1.1.4 Phương pháp dùng lực rung động - Búa rung

Nguyên tắc làm việc của búa rung là dùng năng lượng do rung động gây

ra kết hợp với lực va đập của búa Trong quá trình đóng cọc, cọc lún do rungđộng với một tần suất nào đó, vì thế mà giảm được ma sát sinh ra giữa cọc vàđất Mặt khác trọng lượng bản thân giữa cọc và búa làm cọc lún sâu vào nền đất

Để truyền dao động từ quả búa xuống cọc, mũ cọc cần được liên kết với

cọc và quả búa vì vậy còn gọi là kẹp cọc Để thực hiện chức năng kẹp cọc, mũcọc thường được sử dụng hai loại truyền động cơ bản là cơ khí và thuỷ lực.

Có 2 loại búa rung: loại dùng điện (thi công với xe cẩu) và loại thuỷ lựcgắn trên máy đào (excavator) Tần số rung thường trong khoảng từ 20 đến 40

Hz Lực ly tâm do búa tạo ra có thể lên đến 4000 kN (tương đương 400 tấn)

Sơ đồ nguyên lý máy búa rung Búa rung làm việc tại công trườngĐóng cọc bằng rung động thuần tuý thì ít hiệu quả khi trở lực tại mũicọc lớn Các búa va – rung thì hiệu quả hơn trong những tình huống này bởi

vì chúng sinh ra xung lực lớn cũng như tạo ra biên độ cao và tốc độ lớn để cọcthắng được trở lực lớn tại mũi cọc Khi không được cung cấp năng lượng, bộgây rung của búa sẽ ở một vị trí trung gian

Khe hở tác động của búa là khoảng cách giữa điểm đập của bộ gâyrung và cái đe khi bộ gây rung ở vị trí trung gian, hay lúc không làm việc

Có ba lựa chọn cho khe hở này:

- Khe hở âm: Không có khe hở khi ở vị trí trung gian, một lực được đặttrên bộ gây rung khi máy không hoạt động Trong trường hợp này chế độ làm việccủa búa rung phụ thuộc đáng kể vào việc kiểm soát hệ số tốc độ phục hồi R’ Do

đó, khi độ sâu cọc, đặc điểm đất hoặc thay đổi trọng lượng cọc, các điều chỉnh hệthống sẽ xấu đi và máy sẽ không hoạt động đúng

- Khe hở dương: Một khe hở dương là có một khoảng cách giữa điểmđập và cái đe khi ở vị trí trung gian Nếu khoảng cách vượt quá biên độ dao độngcủa hệ thống mà không có giới hạn một, có thể rung động không có tác động, và vì

lý do này khe hở phải được giới hạn

- Khe hở bằng 0: Với khe hở bằng 0, bộ gây rung dừng ở vị trí lại trênđầu cái đe này Tại khe hở này, thay đổi các điều kiện của hệ thống điều khiển sẽ ítảnh hưởng đến búa nhất Ngoài ra, tốc lực tối đa được tạo ra bởi quả văng của bộgây rung là lúc khe hở bằng 0

Vì sự lựa chọn lò xo cho búa rung có khe và không có khe hở là khácnhau, các phương thức cho búa rung với khe hở dương hoặc âm bị bỏ qua chongắn gọn

Búa va - rung được sử dụng phổ biến để đóng loại cọc bê tông Chúng

có khả năng tạo ra các lực đóng cần thiết để khắc phục trở kháng cao Khi búalàm việc, cọc tiếp nhận lực rung cùng với lực va đập do vậy cọc thường hạxuống nhanh hơn Nhờ có lực va đập nên khối lượng búa có thể giảm đi Búa

va - rung làm việc rất tốt trên nền đất pha sét Số lần va đập từ 400 đến 500nhát/phút

Do hiệu quả cao, mang lại lợi ích kinh tế lớn nên ngày nay máy búarung được sử dụng rộng rãi ở nước ta và trên thế giới Nhược điểm của máybúa rung là lực gây rung có thể làm ảnh hưởng lớn đến các công trình ở bêncạnh trong quá trình làm việc

1.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy búa rung trên thế giới và ở trong nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Sự phát triển thiết bị rung - tác động để đóng các đối tượng khác nhauvào trong đất bắt đầu tại Liên Xô năm 1940

Năm 1949 những máy búa rung đầu tiên

đã được chế tạo và sử dụng tại nướcNga theo nguyên tắc của tiến sĩ Barcan,

đó là những máy búa rung loại BT5 sửdụng khối lệch tâm Loại búa này có lựckích là 214kN và tần số dao động41,67Hz, máy được trang bị một mô tơđiện 28kw Những máy búa đầu tiên đãđược sử dụng để xây dựng công trìnhthuỷ điện Gorki, búa đã được dùng đóng

Hình 1.3 3700 cọc dài từ 9 đến 12 mét với thờiBúa rung BT5 do Liên Xô sản xuất gian đóng là 2-3 phút cho một cọc

Từ đó nước Nga đã tiếp tục phát triển một số lượng lớn các máy đóngcọc hoạt động bằng rung và cả những máy khoan đất Vào năm 1950, lần đầutiên nước Nga cũng cấp giấy phép của họ cho người Nhật, trong một khoảngthời gian dài người Nhật đã có một vài công ty phát triển các loại búa rung

Từ đó đến nay loại kỹ thuật này đã phát triển khắp nơi trên thế giới, với cáccông ty như PTC ở Pháp; Mueller, Tunkersvaf MGF ở Đức; Tomen ở Nhật vàICE Europe ở Thụy Sỹ

Người Mỹ đã chế tạo máy rung dùng thuỷ lực MKT V-10 đầu tiên vàonăm 1969, mặc dù cả hai hãng Vulcan và Foster đều đã giới thiệu loại máyđóng cọc bằng rung động của Nhật và Pháp vào đầu thập niên 1960 Loại máynày có một đặc điểm khác với các máy búa rung hiện tại Điểm đầu tiên đó là

hệ thống treo, thông thường V-10 sử dụng lò xo thép để giảm độ rung cho cầncẩu và móc Hiện giờ hầu hết các loại máy đều sử dụng lò xo cao su Điểmthứ hai liên quan tới bánh lệch tâm Bánh lệch tâm của V-10 thường kéo dàisuốt trên trục Một động cơ được nối với một trong những bánh lệch tâm, cáccặp bánh răng truyền lực làm quay những bánh lệch tâm còn lại của máy Hầuhết các máy ngày hôm nay đều gắn các cặp bánh lệch tâm từ trước ra sau trênmột trục cho phép điều chỉnh mômen tĩnh, và chúng gắn trực tiếp với động cơhoặc thông qua bộ bánh răng thay đổi tốc độ.

Ngày nay máy búa rung đã phát triển rất đa dạng về chủng loại, nóthích hợp cho nhiều điều kiện thi công khác nhau Từ những máy sinh lực lytâm dưới 50 tấn (không có dải điều chỉnh lực) đến những loại sinh lực lớn hơn

50 tấn (có dải điều chỉnh lực) Cụ thể thì hầu hết các hãng chế tạo máy búarung hiện nay đều phát triển sản phẩm của mình theo 3 dạng sau:

- Máy có tần số thấp : Là những loại máy đóng cọc bằng rung động cótần số từ 5 đến 10 Hz, dùng để đóng những loại cọc nặng, lực cản mũi cọc lớn, nhưcác cọc ống thép dài lớn và các cọc bê tông Các loại máy này có

khuynh hướng sử dụng momen tĩnh bánh lệch tâm lớn Một ví dụ về loại máynày là lại VPM -170 của Nga do Bộ giao thông vận tải của Nga chế tạo rộngrãi nhất trên đất nước Loại máy này tạo được động lực lớn nhất là 1700kNứng với tần số lớn nhất là 9,17 Hz và moment tĩnh bánh lệch tâm là 510 kg.m.Loại máy này được thiết kế chủ yếu để đóng các ống có đường kính đến 2m

Tổ chức Tomen ở Nhật cũng đã sản xuất nhiều máy loại này

- Máy có tần số trung bình : Là những máy có tần số rung từ 10 đến 30

Hz được sử dụng cho các loại cọc ván, cọc ống nhỏ Đó là loại búa B-402

được dùng để đóng cọc ván Larssen cho công trình xây dựng đường hầm ở St.peterburg Loại máy này có lực động tối đa là 270 kN ứng với tần số dao động

là 23,8 Hz và moment tĩnh bánh lệch tâm cực đại của nó là 12kg.m

- Máy có tần số cao: Là những máy có tần số kích lớn hơn 30Hz, gồm

có hai loại:

+ Thứ nhất là những loại có tần số trong khoảng 30-40Hz chúng đượcthiết kế với mục đích ít gây ảnh hưởng dao động tới công trình Những loạinày được đồng thời phát triển ở cả châu Âu (hãng ICE, Tun kers, PTC) và ở

Mỹ (Vulcan) Ưu điểm của những loại này lực kích truyền trong đất tới cáccông trình lân cận thấp Nhưng tần số của máy này không đủ cao để cải thiệnviệc đóng và trong một số trường hợp những máy này có vấn đề về việc thắnglực cản tại mũi cọc

+ Thứ hai là những loại máy làm việc ở chế độ cộng hưởng, một trongnhững loại phổ biến của nhóm máy này là máy cộng hưởng Bodinee Guild,những máy đầu tiên được giới thiệu vào đầu những năm 1960 Nguyên lýchính của loại máy cộng hưởng này là đưa cọc vào làm việc ở chế độ cộnghưởng vì vậy làm cho cọc đóng và nhổ dễ dàng Những máy cộng hưởng làmviệc ở trong dãy tần số từ 90-120 HZ, trong phần lớn các trường hợp tần sốlàm việc của các máy bằng hai lần tần số truyền sóng của cọc Khả năng đápứng này phụ thuộc vào hệ búa và hệ cọc Đối với những cọc có chiều dài quálớn việc liên kết cọc búa thực sự khó khăn Mặc dù về nguyên tắc những loạibúa này có một tiềm năng lớn lao, nhưng sự phức tạp về cơ khí đã hạn chếviệc sử dụng rộng rãi

Hiện nay có một số nước chế tạo máy búa rung với số lượng lớn là: NhậtBản, Nga, Mỹ, Hàn Quốc… các sản phẩm do các nước trên sản xuất không chỉphục vụ có hiệu quả nhu cầu sử dụng ở trong nước mà một lượng lớn máy sảnxuất ra được xuất khẩu sang các nước khác trong đó có Việt Nam

Nói chung, máy búa rung của các nước công nghệ tiên tiến đều cónhững đặc điểm cấu tạo sau:

- Khung máy được hàn từ thép tấm 10-15 mm

- Bộ quả văng (dùng để điều chỉnh lực ly tâm) được cố định với trục quay bởi các then và chốt có độ bền cao.

- Máy được dẫn động bởi một động cơ điện có khả năng làm việc trongnhững môi trường khắc nghiệt (chịu cháy, nổ) thông qua bộ truyền đai và bộtruyền bánh răng

- Các ổ đỡ trục của máy, do chịu va đập mạnh trong quá trình làm việc nên cần có cấu tạo đặc biệt, cần được thường xuyên bôi trơn

- Các mỏ cặp (tĩnh và động) được chế tạo bằng thép có độ bền cao, chịumài mòn và va đập

- Nguồn điện áp làm việc của máy 380/220 V, phù hợp với các mạngđiện hạ thế sẵn có Các động cơ điện và động cơ của bơm dầu được bảo vệ bằngrơle nhiệt để đề phòng bị cháy khi làm việc quá tải

Hình 1.4: Búa rung MODEL VM2-2500EH

công xuất 150 kW do Nhật Bản sản xuất

Tuy có cấu tạo đơn giản nhưng máy phải có độ bền cao, làm việc tin cậy nhờ

hệ thống điều khiển Trong các trường hợp có sự cố như tụt áp suất làm việccủa xilanh thuỷ lực mỏ kẹp, quá tải động cơ, v.v thì hệ thống điều khiển sẽ

tự động dừng máy

1.2.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy búa rung ở trong nước

Trước đây, việc thi công nền móng các công trình xây dựng và giaothông ở nước ta thường dùng các loại búa va đập cồng kềnh, tính năng cơđộng kém, gây nhiều tiếng ồn, dễ làm hư hỏng đầu cọc Hiện nay, việc thicông các tòa nhà cao tầng trong thành phố rất cần các máy thi công nền mónggọn nhẹ, hiệu quả, không gây ồn, không làm ảnh hưởng tới các công trìnhxung quanh Các công trình thi công trên nền đất dính, đất cát (trụ cầu bắc quasông) cần những cọc khoan nhồi cỡ lớn (đường kính tới 3m, sâu 40 m hoặchơn) cũng có nhu cầu sử dụng những máy búa rung cỡ lớn Điều đó thể hiệnrằng máy búa rung là thiết bị có vai trò rất quan trọng đối với mọi công ty xâydựng có qui mô từ nhỏ đến lớn Tuy vậy, hầu hết các loại búa rung dùng trongthi công nền móng hiện nay ở nước ta đều được nhập từ các nước như: NhậtBản, Nga, Mỹ, Hàn Quốc… Chúng ta chủ yếu mới chỉ dừng lại ở việc khaithác sử dụng, sửa chữa máy búa rung Đã có nhiều công trình nghiên cứuchính thức và không chính thức về máy búa rung Một số trường đại học đã cónhững nghiên cứu về loại máy này như: Đại học Khoa học tự nhiên thuộcĐHQG Hà Nội, Đại học Thái Nguyên, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh,Đại học Bách khoa Hà Nội, trong đó trường Đại học Bách khoa Hà nội đãnghiên cứu chế tạo một số máy búa rung, tuy đã được đưa vào sử dụng songvẫn còn nhiều bất cập Công ty TNHH B&T đã nghiên cứu và chế tạo máybúa rung công suất 120 kW nhằm đáp ứng nhu cầu đóng cọc cỡ lớn Hiệnchưa thấy tài liệu nào nói về loại máy búa này

Tóm lại:

Trong việc thi công nền móng các công trình xây dựng và giao thông,với những ưu điểm vượt trội, máy búa rung ngày nay được ưa chuộng và sửdụng rộng rãi ở trong và ngoài nước Nhu cầu sử dụng máy búa rung ở nước

ta hiện nay rất lớn, tuy nhiên hầu hết đều phải nhập khẩu từ các nước tiên tiến.Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ở trong nước, không phải nhập khẩu cácloại máy này là hết sức cần thiết đối với nước ta hiện nay

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là tính toán xác định được các thông số động lựchọc của máy búa rung có lực ly tâm 50 tấn phù hợp với điều kiện thi công ởnước ta Tính toán, thiết kế được các chi tiết của máy búa rung đảm bảo làmviệc ổn định theo công suất thiết kế

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy búa rung dùng trong thi côngnền móng các công trình xây dựng và giao thông, có lực ly tâm 50 tấn, đây làloại máy phù hợp với khả năng của các nhà thầu thi công các công trình trungbình

2.3 Phạm vi nghiên cứu

Do thời gian có hạn, nên đề tài chỉ tập trung vào các nội dung sau:

1 Thu thập các số liệu cần thiết cho thiết kế Nghiên cứu, phân tích tínhnăng làm việc của các chủng loại máy tương đương của nước ngoài Lựa chọn máythiết kế với các thông số kỹ thuật xác định Nghiên cứu động lực học kết cấu, daođộng của hệ nhiều vật để tìm ra các thông số, kích thước cho thiết kế sơ bộ

2 Nghiên cứu, tính toán và thiết kế các chi tiết chính của máy như: quả văng, lò xo, bulông dẫn hướng lò xo, bánh răng, hộp rung…

3 Ứng dụng khai thác phần mềm chuyên dụng để kiểm nghiệm bền cáckết cấu theo mô hình thiết kế sơ bộ Tìm phương án tối ưu và lựa chọn môhình thiết kế phù hợp nhất: đơn giản về kết cấu

2.4 Phương pháp nghiên cứu

Máy búa rung dao động với tần số xác định do quả văng lệch tâm gây

ra Lực rung ly tâm truyền vào cọc kết hợp với trọng lượng bản thân máy vàcọc làm cho cọc lún sâu vào nền đất Khi nhổ cọc, mỏ kẹp vẫn kẹp chặt cọc,máy búa rung tạo lực rung kết hợp với cần trục kéo dần cọc lên

Việc thiết kế máy búa rung đòi hỏi nắm vững những cơ sở lý thuyết vềđộng lực học, những nguyên tắc thiết kế trong công nghệ chế tạo máy vànhững nét đặc thù của công nghệ thi công đóng cọc Ngoài ra cần thu thập sốliệu khảo sát địa chất tại các vùng khác nhau để thiết kế chế độ làm việc củamáy sao cho phù hợp với nhiều loại đất Các máy búa rung nhập ngoại củaNga, Nhật Bản làm việc ổn định, có độ tin cậy cao Các chủng loại máy búađược dùng phổ biến hiện nay ở Việt Nam của các nước này sẽ được dùng làmmẫu tham khảo cho thiết kế sơ bộ Sản phẩm máy búa được chế tạo vì vậy sẽ

có chất lượng cao trong khi lại phù hợp hơn với các điều kiện địa lý, khí hậuViệt nam

Để thuận lợi cho thi công các công trình khác nhau với điều kiện địachất khác nhau thì máy phải điều chỉnh được lực lệch tâm để có chế độ làmviệc tối ưu Cần thiết kế các quả văng lệch tâm quay với tần số xác định để tạo

ra lực lệch tâm phù hợp cho việc đóng cọc Có thể điều chỉnh lực rung thôngqua vận tốc quay của quả văng hoặc khối lượng lệch tâm của quả văng (hoặc

bộ biến tần) Thiết kế sẽ được thực hiện theo phương pháp tiên tiến hiện naytrên thế giới là “thiết kế thuần lý”: các tính toán sơ bộ được mô phỏng vàkiểm nghiệm bằng phần mềm cho tới khi đạt yêu cầu mới được đưa vào sảnxuất Điều đó cho phép đạt được hiệu quả kinh tế cao Máy được kiểm tra về

độ bền, độ cứng, bền mỏi với các phần mềm CATIA Nếu thiết kế máy nhưphương pháp truyền thống: sử dụng phương pháp giải tích để tính toán độbền, tần số dao động của máy thì sẽ gặp nhiều khó khăn do máy búa là một hệ

phức tạp gồm nhiều vật, kết quả theo phương pháp giải tích sẽ không chínhxác dẫn đến sẽ phải chỉnh sửa nhiều khi sản xuất, các thông số của máy khôngthực sự như mong muốn Trong vài thập kỷ gần đây, cùng với sự phát triểnnhanh chóng của công nghệ thông tin, mô phỏng số quá trình đã được áp dụngrộng rãi trong thiết kế và sản xuất cơ khí Với sự trợ giúp của các phần mềmchuyên dụng người thiết kế nhanh chóng phân tích các phương án, các thông

số công nghệ để tìm ra thiết kế tối ưu Chu trình thiết kế - chế tạo - thửnghiệm được rút ngắn mà sản phẩm lại đạt chất lượng cao

Theo phương pháp thiết kế truyền thống, nếu sản phẩm chưa đạt yêucầu thì quá trình phải thực hiện lại gây tốn kém không ít về thời gian và tiềncủa Đồng thời phương pháp này cũng không cho phép thay đổi mẫu mã mộtcách linh hoạt Sản phẩm thiết kế thử luôn luôn được kiểm tra đánh giá theocác yêu cầu kỹ thuật của các mẫu máy có sẵn của nước ngoài (Nga, NhậtBản) Hơn nữa, khi cần thiết kế các máy búa rung có thông số kỹ thuật khácnhau theo phương pháp thuần lý thì sẽ tiết kiệm được rất nhiều thời gian dotận dụng được các số liệu, mô hình của thiết kế trước đó Người thiết kế chỉviệc thay đổi các thông số đầu vào và nhanh chóng nhận được kết quả thiết kếđáng tin cậy

Chương 3

CƠ SỞ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY BÚA RUNG

3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy búa rung

3.1.1 Cấu tạo của máy búa rung:

Thông thường cấu tạo máy búa rung gồm các bộ phận cơ bản sau: bộgây rung, động cơ, lò xo, khung, bệ gia trọng, móc treo và bộ phận kẹp cọc(hình 3.1)

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy búa rung điện

Bộ gây rung gồm các bánh lệch tâm (quả văng) được dẫn động bởimotor thông qua bộ truyền cơ khí (bánh răng, dây đai hoặc xích) Trong quá

trình quay các quả văng luôn đối nhau Tần số rung của búa bằng tốc độ quay

của các quả văng; biên độ của dao động tỷ lệ với momen của các quả văng

Động cơ được lắp trên bệ gia trọng, bệ này đặt trên hệ lò xo gắn với bộ

gây rung được cấu tạo là hộp truyền động Độ cứng của hệ lò xo được tính

toán sao cho tần số dao động riêng của bệ gia trọng nhỏ hơn nhiều tốc độ

quay của trục gây rung, điều đó tạo cho động cơ điều kiện làm việc tốt hơn,

tăng tuổi thọ cho động cơ

3.1.2 Nguyên lý làm việc của máy búa rung:

m0 - Khối lượng của quả văng;

r - Bán kính lệch tâm của các quả văng;

- Tần số góc của quả văng

Lực này chia thành hai thành phần: các thành phần nằm ngang (F2) tự

triệt tiêu lẫn nhau do các quả văng cứ đôi một quay ngược chiều, còn thành

gây ra lực kích thích dọc tim cọc.

3.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy búa rung

- Tần số góc của các quả văng, rad/s ( = 2 );

0 - Tần số dao động riêng của bộ gây rung, rad/s;

C0

mVới :

(3.4)Trong đó:

R' = hệ số phục hồi tốc độ phục hồi tốc độ, (0< R’<1)

v2 = Vận tốc phần rung ngay sau khi tác động, m/s;

v1 = Vận tốc phần rung ngay trước khi tác động, m/s

Để tuổi thọ của máy lớn nhất, vận tốc tác động v1 không quá 2 m/s.Theo [9] hệ số phục hồi tốc độ được xác định bởi công thức:

(3.5)

Trong đó:

e - Hệ số phục hồi tác động giữa bộ gây rung và hệ thống khung - cọc;

M - Tổng khối lượng của cọc và khung, kg;

Trong đóng cọc bê tông cốt thép tỷ lệ khối lượng của bộ gây rung vàkhối lượng của cọc phải được 1:1 và không dưới 1:2

3.2.3 Tham số bộ gây rung

2i

αm - Hệ số, xem xét sự thay đổi của tốc độ tác động tối ưu, với khe hở

âm = 1,1-1,2

3.2.3.2 Mômen lệch tâm các quả văng

Tính mômen của các quả văng dựa vào tốc độ cực đại:

K mv1(1 )(1 R')

(3.7)

Yêu cầu bộ cấp điện cho búa được dựa vào sự khác biệt giữa động năngcủa bộ gây rung trước và sau khi tác động:

N

ct

3.2.3.4 Biên độ dao động của hệ

Biên độ dao động của bộ gây rung khi tác động đúng giới hạn: