Thiết kế máy ép cọc thủy lực 200tấn

Trừ các loại cọc nhỏ có thể đóng bằng phương pháp thủ công, còn tất cả cácloại cọc có chiều dài và khối lượng lớnđều phải dùng thiết bị như: Máy khoancọc nhồi, búa Diezel, Máy ép cọc tĩn

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY THI CÔNG NỀN MÓNG

Trong xây dựng,đóng cọc là một trong những công đoạn hầu như không thểthiếu để gia cố nền móng trước khi thi công công trình Các công trình cànglớn bao nhiêu thì yêu cầu nền móng của nó càng phải vững chắc bấy nhiêu.Tùy theo điều kiện địa chất và qui mô công trình mà người ta tính toán thiết

kế, lựa chọn loại cọc cho phù hợp Cọc có nhiều cỡ, nhiều loại khác nhau: Cọcnhỏ có thể làm bằng loại tre gỗ, cọc lớn có thể làm bằng thép, bê tông cốt thép

Ở nước ta hiện nay, trong xây dựng công trình , nhất là công trình cảng, nhàcao tầng đã sử dụng những cọc ống thép , bê tông cốt thép lớn, chiều dài có thểlên tới 40m, khối lượng lên tới 30Tấn

Trừ các loại cọc nhỏ có thể đóng bằng phương pháp thủ công, còn tất cả cácloại cọc có chiều dài và khối lượng lớnđều phải dùng thiết bị như: Máy khoancọc nhồi, búa Diezel, Máy ép cọc tĩnh…Mỗi loại máy có những ưu nhượcđiểm khác nhau, tùy theo điều kiện địa lý, điều kiện xã hội và yêu cầu thi công

mà người ta lựa chọn loại máy thi công cho phù hợp

Sau đây ta đi sâu tìm hiểu những ưu nhược điểm của từng loại máy:

1.1 Máy búa Diezel.

Trong các công trình xây dựng ngoài khu vực dân cư hầu hết người ta sửdụng máy búa Diezel để gia cố nền móng.

Đặc điểm hoạt động của loại máy này là sử dụng nguồn năng lượng Diezel tạolực xung kích làm chìm cọc

1.1.1 Ưu điểm của loại máy này

Búa Diezel có năng suất cao, đóng cọ có thể chịu được tải trọng lớn từ 1,8 –3,5T Ngoài ra việc sử dụng máy búa đóng cọc Diezel còn đem lại về lợi íchkinh tế như giá thành cọc rẻ do cấu tạo đơn giản dễ sử dụng, có khả năng hoạtđộng độc lập, tính cơ động cao không phụ thuộc vào nguồn năng lượng bênngoài

Sử dung máy búa Diezel có thể tháo lắp và vận chuyển dễ dàng, thời gianchuẩn bị nhanh

1.1.2 Nhược điểm

Do sử dụng Diezel là nguồn năng lượng để gây lực xung kích do vậy dễgây ô nhiễm môi trường, quá trình hoạt động phát ra tiếng nổ làm chấn độngcác công trình lân cận và ảnh hưởng đến người dân Không được sử dụng trongkhu vực dân cư, gần đô thị hay các công trình lớn, nếu thi công gần nơi có cáccông trình xung quanh thì phải có các biện pháp làm giảm tiếng ồn, giảm độchấn động, dẫn đến chi phí cao, giá thành cọc đắt

Ngoài ra quá trình làm việc khí thải của dầu Diezel còn gây ô nhiễm môitrường, ảnh hưởng đến sức khoẻ của người dân, môi trường sinh thái

1.2 Máy khoan cọc nhồi

Ngày nay việc thi công các công trình lớn đòi hỏi cọc chịu tải trọng cao màcác loại máy búa đóng cọc không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật thì người tathường phải sử dụng thiết bị thi công là máy khoan cọc nhồi

Có thể thi công trên các công trường mà các phương pháp thi công kháckhông đáp ứng được, khả năng cơ động cao.

9 2

7

8 3

6

5

10 4

1

vụ cho quá trình thi công phức tạp, phải tạo đường cho xe vận chuyển bê tôngvào chân công trình để rót bê tông tươi hoặc phải xây dựng trạm trộn bê tôngtươi ngay tại chân công trường, chi phí phụ tốn làm gia thành cọc cao

1.3.Phương pháp đóng cọc bằng búa rung.

Đây là phương pháp làm chìm cọc dựa trên nguyên lý biến ma sát khôthành ma sát ướt Sử dụng hiệu quả trên nền đất cát và đất có độ tơi xốp cao Máy búa rung có kết cấu đơn giản, sử dụng dễ dàng , tháo lắp nhanh chóng Tuy nhiên do phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu bên ngoài nên khả năng cơđộng không cao, không hiệu quả trên nền đất cứng hoặc gặp đá mồ côi

1.4 Máy ép cọc bấc thấm.

Công nghệ ép bấo thấm chủ yếu được áp dụng trong công tác thi công cầu

và thi công đường bộ ở nước ta Đặc điểm của phương pháp này là hút nướctheo phương thẳng đứng để xử lý nền đất yếu, làm tăng nhanh thời gian kếtcứng của đất, rút ngắn thời gian sụt lún của đất

Quá trình làm việc thao tác nhanh , gọn có khả năng cơ giới hoá thi côngcao, chiều sâu bấc thấm có thể đạt tới 40m , năng suất cao, kinh tế hơn so vớithi công bằng cọc cát, cọc vôi xi măng

+ Nhược điểm của phương pháp này là không áp dụng đối với nền đất yếu

1.5.Máy ép cọc tĩnh :

Đặc điểm của phương pháp này là làm chìm cọc nhờ hệ thống xi lanh thuỷlực do đó không gây tiếng ồn lớn, không làm ảnh hưởng tới khu dân cư, khônglàm ảnh hưởng tới các công trình lân cận

Ngoài ra máy ép cọc tĩnh có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử dụng, chiphí đầu tư ban đầu không cao

Tuy nhiên phương pháp này còn có những nhược điểm như khả năng cơđộng không cao, khối lượng thi công ít, năng suất thấp, không sử dụng hếtmáy phục vụ nên chi phí giá ca máy cao do đó giá thánh cọc đắt.

1.6 Cọc cát , gia cố vôi xi măng

Đặc điểm của phương pháp gia cố bằng cọc cát, vôi xi măng đó là sử dụngnguồn nguyên liệu có sẵn nên chi phí mua vật liệu thấp, giá thành cọc thấpkinh tế hơn so với các loại hình thi công khác

Quá trình thi công bằng công nghệ cũ do phải để lại mũ cọc nên ngày nay ítđược sử dụng, thay vào đó là công nghệ mới nên có thể lấy mũ cọc lên, giảmchi phí thi công

Phương pháp này có những nhược điểm là không hiệu quả với nền đất yếu

04 03 02 01

05

Chương 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TỔNG THỂ.

2.1 Tổng quan về các loại máy ép cọc thuỷ lực.

2.1.1 Máy ép cọc thuỷ lực kiểu nửa quang treo, nửa vít me.

Cọc được đưa vào giá dẫn hướng nhờ hệ thống cần trục, sau đó thông qua

hệ thống truyền động thuỷ lực làm chìm cọc suống, tốc độ ép cọc được thựchiện nhờ hệ thống hộp số hoặc van phân phối

Đặc điểm của loại máy ép kiểu quang treo này có ưu điểm là khả năng tháolắp nhanh chóng, cơ động hơn so với loại vít me

2 7000

8

9

1 2 3 4 5 6 7

6 - Dầm ngang gia tải

7 - Mũi neo gia tải

Hình 2.3 Máy ép cọc loại nhỏ

2.2.Lựa chọn phương án thiết kế :

Với đề tài tính toán thiết kế máy ép cọc thuỷ lực lực ép Qmax = 200Tấn quathực tế tìm hiểu ta có thể thiết kế theo các phương án sau:

2.2.1 Phương án 1: Máy ép kiểu vít me

a Cấu tạo máy ép như hình vẽ

- liên kết quang treo

- xi lanh nấp vào trong

01 02 03 04

07

08 09

05 06

Chế tạo dầm dọc, dầm ngang phức tạp hơn, tốn kém hơn

Khó khăn cho việc chăm sóc bảo dưỡng hệ xi lanh

2.2.2 Phương án 2 Loại vít me dùng 4 xi lanh

- Dầm dọc với dầm ngang, giữa dầm được liên kết bằng bu lông

- Xi lanh được bố trí nấp vào bên trong

Chế tạo dầm dọc, dầm ngang phức tạp hơn, tốn kém hơn.

Khó khăn cho việc chăm sóc và bảo dưỡng hệ xi lanh

2.2.4 Lựa chọn phương án thiết kế:

Qua đánh giá các phương án chúng ta đi đến lựa chọn thiết kế theo phương

án 3 Để thiết kế máy ép cọc thủy lực 200 Tấn

Đặc điểm thiết kế máy :

Có 2 xi lanh thủy lực bố trí 2 bên khung ép

Sơ bộ chọn kích thước như hình vẽ (Hình 2.7)

Sơ bộ chọn chiều cao máy

Chiều cao của khung ép L1 = 8000mm

Chiều cao khung cố định L2 = 5000 mm

Bề rộng máy L3 = 2500mm

Thép làm cột ép là loại thép góc C45 có c = 360MPa

2.3 Tính toán thiết kế tổng thể máy.

Sơ bộ ta thiết kế máy có các thông số sau:

Chiều dài dầm chủ - L1 = 9000mm

Chiều cao giá di động - L2 = 8000mm

Chiều cao giá cố định - L3 = 5000mm

Chiều rộng khung tĩnh: 820x575 mm

Lòng trong khung ép : 430x430 mm

xilanh 2

xilanh 1

06

07 08

05

04 03

02

01

®c M

Hình 3.1 Sơ đồ truyền động thủy lực

+ Đặc điểm cấu tạo:

Hệ thống TĐTL có nhiệm vụ truyền công suất từ động cơ đến hệ xi lanh đểsinh công ép cọc làm chìm cọc Ngoài ra hệ thống còn có nhiệm vụ điều khiển

hệ xi lanh trong quá trình ép cọc

chiều dai giá dẫn hướng 5000mm

ηc - Hiệu suất cơ khí của xi lanh thủy lực, thường lấy ηc = 0,96 ÷ 0,98

Để ép được lực ép là 100Tấn thì lực sinh ra trên cán piston phải là:

4 1

10 100



c

P P

4

10 100 4

) ( 7 , 261 96

, 0 6 , 1

1 20 14 , 3

10 100

Chọn xi lanh của ASHUN có : Series HROA, có Dxl = 300mm

Xi lanh chế tạo bằng thép các bon STK – 13A~C

Áp suất làm việc từ 1MPa ÷ 21MPa ( 10Kg/cm2÷210Kg/cm2)

Nhiệt độ làm việc từ -300 ÷ 1000C, tốc độ làm việc của xi lanh v = 500 mm/s

Hình 3.2 Xi lanh ép cọc

+ Tính chọn công suất động cơ:

Ta có công suất tiêu thụ của xi lanh lực:

Công suất động cơ phải thỏa mãn yêu cầu:



lv dm

N

N  (3 - 6) Trong đó:

Nlv - Công suất làm việc của hệ thống;

η - Hiệu suất truyền, η = 0,8

Thay Nlv = Np = 20 (kw)

Ta được:

25 ( )

8 , 0

Vp - Tốc độ dịch chuyển cán piston (m/ph)

Q - Lưu lượng để đẩy cán piston (m3/ph)

ηQ - Hiệu suất lưu lượng của xi lanh, ηQ = 0,98

Từ ( 3 - 7) ta cú:

Q p

V D Q



 4

2

 ( 3 – 8) Thay D = 300 (mm) = 0,3 (m), Vp 0,6 m/ph vào ( 3 - 8) ta được:

0 , 043 ( / ) 43 ( / )

98 , 0 4

6 , 0 3 , 0 14 ,

86

ph l

Q Q

b

xl



ηb - Hiệu suất của bơm, ηb = 0,93

Theo các tính toán ở trên thì ta có thể lựa chọn một số thông số của các cơcấu trong bộ phận thủy lực của máy nh sau :

Chọn bơm thủy lực của ASHUN có : series HVP – 40 Kiểu bơm hớng trụcthay đổi đợc lu lợng, có áp suất làm việc tối đa là : p = 21 (MPa) Lu lợng củabơm là : Q = 120 (l/ph), tốc độ vòng quay là : n = 800 (v/ph) – 2500(v/ph)

Khối lợng của bơm : + Kể cả phần chân đế : 12,5 (kg)

+ Không chân đế : 9,5 (kg)

Nh vậy theo các điều kiện công tác của bơm nh trên ta có động cơ điện cầnthiết để có thể quay bơm :

Chän van an toµn gi÷ ¸p suÊt ë 20 MPa cña ASHUN cã : series SBG – 10 ,

¸p lùc t¸c dông lín nhÊt lµ : p = 21 MPa Lu lîng cho qua lµ : 400 (l/ph)

Van phân phối làm nhiệm vụ phân chia dòng dầu cao áp vào các đường ốngkhác nhau để điều khiển hệ xi lanh thủy lực theo các tín hiệu điều khiển.

Van phân phối có nhiều loại theo đặc điểm điều khiển: loại điều khiển bằngcần gạt, loại điều khiển bằng nam châm điện, hay áp lực dầu Để thuận tiệnvớimáy ép cọc thủy lực ta lựa chọn van phân phối điều khiển bằng cần gạt

Chän van ph©n phèi ®iÒu khiÓn tay

- Lo¹i cã kho¸ : DMT – 03 –3C4, cã lu lîng 100 (l/ph) Khèi lîng 3,7 kg

- Lo¹i kh«ng cã kho¸ : DMG - 03 –3D4, cã lu lîng 100 (l/ph) Khèi lîng3,7kg.

Hình 3.4 Van phân phối

+ Tính toán thùng đựng dầu:

Trong hệ thống thủy lực thùng dầu có các công dụng :

- Dự trữ toàn bộ lượng dầu cần thiết phục vụ cho hệ thống

Máy ép cọc làm việc ở chế độ gián đoạn vì vậy ta chọn Z = 0,28

Thay số vào ( 3 - 9) ta được:

330 , 25 ( ) 330 , 25 10 ( )

28 , 0

47 ,

Vậy ta chọn thùng có kích thước là: 900 x 600 x 700 = 378.106 (mm3)

su tổng hợp.

Tính chọn ống dẫn đường ống cao áp:

Qua thực tế đo ngoài hiện trường chọn ống có đường kính ngoài

D = 45(mm), độ dày thành ống 7,5 (mm) lựa chọn ống chịu áp lực tới 20MPa

Ta kiểm tra trạng thái chảy của dòng dầu khi ở tốc độ lớn nhất có thể:

Áp dụng công thức (5 - 1), [7]



d v

R c  . ( 3 - 10)

10 47 ,

92 3

s cm F

3 14 , 218

Hình 3.6.Cột ép

a Lựa chọn hình thức kết cấu:

Khung ép trượt trên khung tĩnh có nhiệm vụ giữ cọc và dẫn hướng cọc

Ta chọn hình thức kết cấu như trên hình vẽ Do khung ép trượt trên khung tĩnhthông qua rãnh trượt và phần dưới liên kết với đầu piston nên kết cấu phần trên

có khác với phần dưới Ta có các mặt cắt của khung trượt như sau:

Hình 3.7 Mặt cắt A-A; TL 1:1

Hình 3.9.Biểu đồ nội lực

3.2.2.Biểu đồ mô men:

Hình 3.9 Biểu đồ mô men

Dựa trên biểu đồ nội lực ta thấy gái trị lơn nhất là F = 50T

Lực ép xuất hiện trên khung từ bản nối đến cuối khung khi ép ở hành trìnhnày

Trọng lượng bản thân kết cấu: Khung trượt được tạo từ khối nén nên khung

có trọng lượng bản thân : Gk =  V

 - Khối lương riêng của thép

V – Thể tích khối thép

- Do trong quá trình làm việc khung ép làm việc theo phương thẳng đứng

do đó tác dụng của tải trọng bản thân lên khung là không gây ảnh hưởng nênkhi tính toán ta bỏ qua trọng lượng bản thân

- Trong quá trình làm việc do khung ép trượt trên khung tĩnh nên xuấthiện lực ma sát

- Quá trình làm việc của máy ở ngoài trời nên xuất hiện Tải trọng gió tácdụng lên khung

- Do tải trọng gió tác dụng không đáng kể so với lực kéo của piston sinh

ra do đó khi tính toán ta cũng bỏ qua lực này

Ở đây ta coi phía dưới của khung chịu tác dụng của các chốt cứng, phảnlực từ cọc tác dụng lên khung tại vị trí cao nhất và vị trí thấp hơn một hànhtrình.

Do hành trình của piston là 1,5m Trong thực tế sử dụng thì quá trìnhlàm việc của piston thì là 1m, do vậy ta chia các khoang ra làm những đoạncách nhau 1m, với tấm bản dầy 300mm nên một hành trình của máy ép cóthể thực hiện được tới 1,3m

Khi tính toán ta thử kiểm tra với hai trường hợp và thấy tại vị trí caonhất thì nội lực có giá trị max, vì vậy ta xét trường hợp đe búa đặt tại vị trícao nhất

Xét trong mô hình không gian ta có các kết quả như (hình 3.8.),

(Hình 3.9.)

Dựa vào các kết quả tính từ phần mềm sap2000 ta thấy :

Nội lực tác dụng lên khung đứng là lớn nhất và đạt giá trị là:Fnl = 50T

ch - Ứng suất giới hạn chảy của vật liệu

n – Hệ số an toàn phụ thuộc vào trường hợp tổ hợp tải trọng và chế độlàm vệc của kết cấu (thường n = 1,33 ÷ 1,7)

360 ]

[    

Mặt cắt lựa chọn thỏa mãn điều kiệ sơ bộ

3.2.4 Kiểm tra độ bền thép góc khi chịu lực kết hợp

Lực cắt Qc nhỏ nên ta để đơn giản trong tính toán ta bỏ qua và lấy

Ta có :

3

58 , 125 7 , 4 16

1419 )

z a

58 , 125

10 57 , 1 10 4 , 60

10

3

7 2

4

mm N







  = 207,08 < [] = 240N/mm2

max



u yc

Chọn vật liệu thép C45 [] = 240 N/mm2

) ( 10 33 , 398 240

10 56 ,

9 7 3 3

mm

W yc 

3 3

2

10 33 , 398 6

.

mm h

(

.

6 2 2

h b

.

3 max

h h b

h = 350 mm

350 35

10 50 5 ,

.

mm h

10 56 , 9

mm N



350 35

10 57 , 1

mm N F

Vậy bản tì có mặt cắt đã chọn thỏa mãn điều kiện bền

3.2.7.Tính toán liên kết giữa bản tỳ với thanh thép góc:

Dùng mối hàn để liên kết giữa thanh thép góc và bản tỳ, ta có;

Mô men uốn - Mumax = 2,72 T.m

Lực cắt :Qc = 50T

Lực kéo : Nk = 3,57 T

Ta định dạng đường hàn:

Hình 3.15.

Ta có :

L = Lđ + 2Ln

Lđ – Chiều dài đường hàn

Ln – Chiều dài đường ngang

2

588700 6

580 15 7 , 0 6

7 , 0

mm L

k n

c

W

M F

N F

Ta được:

2 7 4

2 4

588700

10 72 , 2 6090

10 57 , 3 6090

10 50

Vậy mối hàn đảm bảo điều kiện bền

Tuy nhiên để đảm bảo khả năng làm việc tốt ta hàn thêm các tấm tăngcường, làm bằng thép góc không đều cạnh

Nối thêm vào các bản tỳ:

Cấu tạo như hình vẽ:

Số đoạn nối thêm là: t = 5 tấm

Chiều dài thép góc đều cạnh: 160x160x20

mkhung trượt= 1515,8 + 316,82 + 812,227 = 2653,85 ( kg )

3.2.2 Tính khung dẫn hướng.

Lực tác dụng lên khung dẫn hướng bao gồm:

- Phản lực tác dụng lên khung từ gối xi lanh

- Tải trọng gió tác dụng lên khung

- Trọng lượng bản thân khung

Tải trọng gió ta bỏ qua khi tính toán, trọng lượng bản thân khung ta bỏqua  Lực tác dụng lên khung chỉ còn là phản lực từ gối xi lanh

Ta sử dụng phầm mềm sap 2000 hỗ trợ tính toán, xây dựng mô hìnhtrong không gian ,ta có:

Mỗi bên chịu lực như nhau là phản lực từ gối xi lanh: Nxl = 200/2 =100T

Hình 3.18

Sau khi tính toán bằng phần mềm sap2000 ta có kết quả như hình vẽ:

Hình 3.19.

Hình 3.20.

Hình 3.21

Hình 3.22.

Góc B?n 

Hình 3.23

Hình 3.24.

ch – Giới hạn chảy của vật lệu

n – Hệ số an toàn phụ thuộc vào trường hợp tổ hợp tải trọng và chế độ làmviệc của kết cấu ( thường n = 1,33 – 1,7)

360 ]

[    

Từ ( 3-7 ) ta có:

F N

] [ 



Thay N = 49,18 T = 49,18.104 KG

[] = 240MPa = 2400KG/cm2

Suy ra ta có: F  174,16 (cm2)