Tính toán thiết kế lu bánh lốp tự hành đầm nền đất 12 tấn

Máy lu là thiết bị chuyên dùng cho công tác đầm nén các nền móng công trình, nhằm cải thiện kết cấu của vật liệu nền móng, đảm bảo cho nền móng công trình đạt đợc độ chặt cần thiết, ổn đ

l-ớc đầu Trong sự nghiệp đó, việc xây dựng cơ sở hạ tầng là thực sự cần thiết và giao thông vận tải đóng một vai trò vô cùng quan trọng đối với sự phát triển kinh

tế, xã hội của mọi miền tổ quốc

Để xây dựng các công trình xây dựng, thủy lợi, giao thông vân tải nh : hệ thống đê điều, trạm thuỷ điện, nhà ga, sân bay, bến cảng và đặc biệt là các tuyến

đờng bộ thì một trong những thiết bị không thể thiếu đó là các máy và thiết bị

đầm lèn đất

Trong thi công các tuyến đờng bộ thì việc lu lèn là công việc thiết yếu từ công đoạn tạo nền để vào các công trờng đến khi hoàn thành công trình Hiện nay ở hầu hết các đơn vị thi công, duy tu, bảo dỡng đờng thì máy cần trang bị

đầu tiên phải nói đến đó là các máy và thiết bị đầm lèn Máy lu là thiết bị chuyên dùng cho công tác đầm nén các nền móng công trình, nhằm cải thiện kết cấu của vật liệu nền móng, đảm bảo cho nền móng công trình đạt đợc độ chặt cần thiết,

ổn định dới tác dụng của tải trọng bản thân, tải trọng xe chạy, các tác nhân thời tiết và các yếu tố bên ngoài khác Ngoài ra công tác lu lèn còn có tác dụng :

Nâng cao cờng độ nền móng làm cho các lớp trên của nền móng có mô

đun biến dạng cao nhất, giảm bớt đợc chiều dày mặt công trình mà không ảnh ởng tới cờng độ của nó

h-Tăng cờng khả năng chịu cắt của đất, nâng cao độ ổn định của mái đắp, nền đắp khó bị sụt lở

Giảm tính thấm nớc của đất, nâng cao tính ổn định của đất đối với nớc, giảm chiều cao mao dẫn giảm nhẹ độ co rút của đất khi bị khô hanh.

Kết luận: Đầm lèn là quá trình làm thu nhỏ dần thể tích của các hạt

đất( hay vật liệu), làm cho khe hở không khí giữa chúng mất đi, tổ chức của các hạt đất( vật liệu) đợc sắp xếp và nén lại, độ bền chặt của mặt nền tăng, đủ chịu tác dụng của tải trọng thay đổi trên nó Mặt khác, đầm lèn còn có tác dụng chống lún, chống nứt, chống thấm cho các công trình, nhất là các công trình xây dựng nền đờng, đờng sân bay, cầu cảng, công nghiệp Vì vậy chất lợng nền móng công trình ngoài việc phụ thuộc vào thành phần hạt trong đất, trạng thái của vật liệu còn phụ thuộc nhiều đến tính năng, tác dụng của phơng tiện lu lèn và phơng pháp

lu lèn Chất lợng đầm lèn đợc xác định bởi 2 thông số quan trọng là tỷ trọng đất

và mô đun biến dạng

1.2 Phân loại máy lu bánh lốp

Hiện nay trên thị trờng có rất nhiều loại máy lu bánh lốp của nhiều hãng thuộc nhiều quốc gia khác nhau nh : Liên Xô, Watanabe(Nhật Bản), Sa kai(Nhật Bản), Caterpillar(Mỹ), và trong một số nhà máy cơ khí của Việt Nam cũng đã chế tạo thành công loại lu bánh lốp Các loại máy lu bánh lốp đ… ợc phân loại nh sau:

Máy đầm loại nhỏ : 5 ữ 15 tấn.

Máy đầm loại vừa : 15 ữ50 tấn.

Máy đầm loại nặng : 50 ữ100 tấn, có thể lên tới 200 tấn.

c. Căn cứ vào số lợng trục bánh :

Loại 1 trục

Loại dùng trục riêng (có nhiều đoạn trục)

Đầm bánh lốp : do đặc điểm cấu tạo của đầm bánh lốp nên việc sử dụng có những u điểm sau:

Tốc độ lu lèn lớn, năng suất cao

Vận chuyển máy dễ dàng, thuận tiện

Cấu tạo đơn giản

Thích ứng với mọi loại đất do tăng giảm đợc trọng lợng

và áp suất hơi trong bánh, chất lợng đầm lèn tốt

Vì vậy có thể sử dụng đầm bánh hơi ở nhiều công đoạn khác nhau.1.3 Những yêu cầu cơ bản của phơng tiện đầm lèn nền đất

1.3.1 Những yêu cầu cơ bản

Công tác đầm nén nền, móng, mặt đờng cần đạt đợc những yêu cầu:

Lớp móng đờng, mặt đờng phải đạt độ chặt cần thiết sau khi kết thúc quá trình đầm lèn

Trong quá trình đầm nén, tải trọng đầm nén không phá hỏng cấu trúc bên trong của nền đờng, và lớp bề mặt phải đạt đợc độ bằng phẳng nhất định, không

có hiện tợng sóng lợn, không để lại vệt bánh đầm

Để đạt đợc các yêu cầu trên, công tác đầm nén cần phải giải quyết tốt các yêu cầu sau:

Phải chọn đợc phơng tiện đầm lèn phù hợp đối với từng loại đất

Bề dày đầm lèn phải đợc đảm bảo tốt nhất

Số lần đầm lèn, thời gian đầm lèn, tốc độ đầm lèn của các máy đầm

Kỹ thuật thi công và phơng pháp tổ chức thi công, sơ đồ làm việc.

1.3.2 Chọn máy đầm lèn để phục vụ thi công

Hiện nay có các phơng pháp thi công đầm lèn sau:

Đầm lèn do lực tĩnh ( máy đầm chân cừu, máy đầm bánh hơi, bánh

thép ).…

Đầm lèn do rung động ( dùng máy đầm rung động)

Đầm lèn do lực động ( dùng các máy đầm rơi, nổ ).…

Trong quá trình thi công tuỳ thuộc từng loại đất mà việc lựa chọn máy đầm lèn

là khác nhau để đạt đợc yêu cầu đối với từng công trình Đối với đầm bánh hơi và

đầm bánh thép đợc sử dụng cho hầu hết các loại đờng, tuy nhiên đầm bánh hơi hay đợc dùng đầm lèn các lớp mặt đờng bằng vật liệu có sức cản đầm lèn không cao lắm nhng độ ẩm tơng đối lớn, ví dụ: nền đất gia cố, mặt đờng bê tông

atphan Còn đầm bánh cứng thích hợp với những nền có sức cản lớn nh… ng tính nhớt không cao lắm ví dụ nh móng đờng bằng đá hoặc đầm giai đoạn đầu của các lớp vật liệu Trong những trờng hợp không có đầm bánh hơi để đầm lèn các loại vật liệu có tính nhớt mà phải dùng đầm bánh thép thì có thể tăng thời gian tác dụng bằng cách giảm tốc độ đầm lèn và tăng số lợt đầm lèn lên Ngoài ra để đảm bảo các yêu cầu trên tốt nhất nên dùng nhiều loại máy đầm, giai đoạn đầu đầm nhẹ, sau đó chuyển sang đầm có tải trọng vừa và cuối cùng là đầm nặng.Việc lựa chọn các loại đầm phải tuân thủ đúng quy trình nếu không sẽ ảnh hởng đến chất lợng nền móng công trình Để thay đổi áp lực của máy đầm lèn xuống nền đờng

có thể tăng giảm tải trọng hoặc thay đổi áp suất hơi trong bánh Tuỳ theo kết cấu trọng lợng máy có thể phân bố đều cho mỗi bánh hoặc phân bố không đều Để

đảm bảo chất lợng đầm lèn đều đặn kết cấu máy theo kiểu phân bố đều là rất tốt Kiểu phân bố trọng lợng máy không đều cho các máy thực ra chỉ có lợi khi máy làm việc gặp nền lồi lõm.Vì vậy nên phân bố kết cấu máy theo kiểu phân bố đều

là tốt nhất

Sơ đồ lu đi theo đờng vòng

Kết luận : Ngày nay đầm bánh hơi tự hành ngày càng đợc dùng rộng rãi và phổ biến ở nớc ta, với u điểm vợt trội so với đầm bánh thép khi có cùng trị số áp suất đè lên đất nh nhau( vì bánh hơi diện tích đợc đầm lèn lớn hơn, thời gian tác dụng lực lâu hơn, do đó chiều sâu ảnh hởng cũng lớn hơn) hiện nay đầm bánh hơi không thể thiếu trong việc thi công đờng bộ.

Chơng 2 : Tính toán thiết kế tổng thể máy lu bánh lốp

2.1 Lựa chọn các thông số quan trọng của đầm bánh hơi

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy đầm bánh hơi đầm nền đất.

Máy đầm bánh hơi đầm nền đất gồm có các bộ phận chính nh sau :

2.1.2 áp suất hơi trong bánh.

Ta biết rằng áp suất hơi trong bánh nếu quá lớn thì bánh hơi sẽ gần nh bánh thép Mặt khác, nếu áp suất bánh hơi quá nhỏ thì áp suất đè xuống nền đất sẽ nhỏ, không đủ để đất biến dạng Qua nghiên cứu sự liên hệ giữa áp suất hơi trong bánh và chiều sâu ảnh hởng H đối với mỗi loại đất ta thấy áp suất p nên có những trị số sau đối với mỗi loại đất để có đợc chiều sâu ảnh hởng H lớn nhất

- Với đất dời : p = 2 (KG/cm2)

- Với đất nửa dời, nửa dẻo : p = 3 ữ 4 (KG/cm2)

- Với đất dẻo p = 5 ữ 6 (KG/cm2 )

2.1.3 Độ hở giữa 2 bánh hơi sát nhau

Số bánh hơi 6 chiếc

Vệt bánh không cần chú ý tới vì vệt gai khi làm việc cũng sẽ trở thành vệt trơn

do bị đất bám dính Các bánh hơi sắp đặt cách nhau 1 kẽ hở e Trị số emax đợc xác

định trên cơ sở bảo đảm chất lợng đầm lèn đều đặn tối thiểu cho phép

Theo kinh nghiệm thì:

emax= ( 0,3 ữ 0,4).b

Trong đó : b là bề rộng của lốp Chọn loại lốp có ký hiệu 12,00 - 20

12000 = 1500 (KG).

- Trị số biến dạng của bánh lốp trên nền cứng đợc xác định theo công thức :

2.1.5 Số lần lu lèn và chiều sâu ảnh hởng H 0

Thực nghiệm cho thấy : số lần lu lèn đối với mỗi loại đất là khác nhau

Đất nửa rời : n = 2 ữ 3 (lần)

Đất nửa rời, nửa dẻo : n = 3 ữ 4 (lần)

Đất dẻo : n = 5 ữ 6 (lần)

Chiều dày tối u của lớp đất đợc đầm

H0 = 0,18 1 − ψ

.

1

p Q W

áp suất hơi trong bánh p = 5 ữ 6 [kG/cm2]

Phạm vi tốc độ : 2,88 ữ 13,32( km/h)

2.2 Tính toán ổn định của máy lu bánh lốp đầm nền đất

2.2.1 Tính toán ổn định của máy lu bánh lốp đầm nền đất.

a Xác định vị trí trọng tâm của máy.

Việc xác định chính xác trọng tâm của máy là tơng đối phức tạp vì vậy

để thuận tiện cho tính toán ta giả thiết cho tải trọng phân bố trên hai trục tỷ lệ với số bánh lốp trên trục đó

Hình 2.2: Sơ đồ tính toán xác định trọng tâm

2 2 1

1

2 1

.

4000

l P l

P

l l

2 1

2 1

9000

3000

4000

l l

l l

b Tính toán ổn định của máy theo phơng dọc.

Khi máy chuyển động trên đờng dốc có thể bị mất ổn định( bị lật đổ hoặc

bị trợt) dới tác dụng của các lực và mô men hoặc bị lật đổ khi chuyển động ở tốc độ cao, tuy nhiên máy lu bánh lốp ít khi chuyển động ở tốc độ quá cao khi làm việc cho nên khả năng bị lật do chuyển động ở tốc độ cao có thể bỏ qua

- Trờng hợp lu bánh lốp chuyển động lên dốc với vận tốc nhỏ và ổn định, ta

Hình 2.3: Sơ đồ tính toán ổn định của máy lu trên nền nghiêng dọc

Lấy mô men với các điểm A và B ta đợc :

Z1 =

L

h P G

r f b

G cos α ( − b) − ( sin α + j). g

Z2 =

L

h P G

r f a

d Tính toán ổn định của máy theo phơng ngang.

*Tính ổn định động ngang của máy lu khi chuyển động trên đờng nghiêng ngang

Giả thiết là, trọng tâm xe nằm trong mặt phẳng đối xứng dọc, lực và mô men tác dụng lên máy lu bao gồm :

-Trọng lợng của máy lu G đợc phân ra làm hai thành phần theo phơng

nghiêng ngang β

- Các phản lực thẳng góc từ đờng tác dụng lên bánh xe Z’ và Z’’

- β : Góc nghiêng ngang của đờng

- Các phản lực ngang Y’ và Y’’

Hình 2.4 : Sơ đồ tính toán ổn định của máy lu trên nền nghiêng ngang

Dới tác dụng của các lực và mô men, khi góc β tăng dần tới góc giới hạn, xe

bị lật quanh điểm A (A là giao tuyến của mặt phẳng thẳng đứng qua trục bánh

xe bên trái và mặt đờng) lúc đó Z’’ = 0, áp dụng công thức (2 – 31,[10]) và rút gọn ta có:

Z’’ =

C

h G

C

G cos βd . g sin βd2

Tgβđ =

1200 2 2075

⇒βđ = 40050’

*Tính ổn định động ngang của máy lu khi chuyển động quay vòng trên đờng nghiêng ngang

Y'' Z''

G Z'

đổ quanh mặt phẳng đi qua O1( là giao tuyến giữa mặt đờng và mặt phẳng thẳng góc qua trục bánh xe bên phải) ứng với vận tốc giới hạn và hợp lực Z’’ =

0 Sử dụng công thức (2-31,[10]), và thay giá trị Pl =

R g

) sin 2 cos (

) sin cos

2

B

g l jn m

vn =

) sin 2 cos

.(

sin 2 cos

( sin

cos

2

.(

d d

g

d d

m m d g d

C h

G

R g

C h

P h

C

G

β β

β β

β β

d d

g

tg h C

tg h

C R g

β

β β

2 / 1

cos 2 / (

+

−

Trong đó :

βđ : góc dốc giới hạn khi xe quay vòng bị lật đổ

R : bán kính quay vòng của bánh xe

2.2.2 Tính lực cản di chuyển của máy lu bánh lốp đầm nền đất.

Lực cản di chuyển của máy lu bánh lốp đợc tính theo công thức sau :

∑ W = W1 + W2 + W3 (kG) ( 8.11,[1] )

Trong đó :

W1 : Lực cản di chuyển thuần túy, (kG)

G : Trọng lợng lớn nhất của đầm( khi máy có tải trọng tối đa),kG

f1 : hệ số cản di chuyển, đợc lấy giá trị lớn nhất ứng với lợt đầm đầu tiên

Đối với đầm bánh hơi : f1 = 0,12 ữ 0,15 Ta chọn f1 = 0,15

W3 = G g..t v ( kG) ( 8.14 ,[1] )

Trong đó :

G : Trọng lợng lớn nhất của máy đầm

v : Tốc độ di chuyển ổn định của máy sau khi khởi động (m/s)

chọn v = 2,0 (m/s)

t : thời gian khởi động, t = 2 ữ 3 (s)

g : gia tốc rơi tự do, (m/s2)

Khi đó :

W3 =

t g

v G

.

W3 =

2 81 , 9

2 12000

= 1223 (kG) 2.3 Tính công suất động cơ dẫn động

Nđc =

η 270

v : Vận tốc di chuyển của máy [km/h]

: hiệu suất truyền động từ động cơ đến trục chủ động

Lấy sơ bộ η = 0,8

v = 2,0 (m/s) = 7,2 (km/h)

Khi đó ta có công suất động cơ dẫn động là:

Nđc =

η 270

.v W

∑

Nđc =

8 , 0 270

2 , 7 4223

= 140,8 (ml) Chọn động cơ có công suất Nđc = 150 (ml)

2.3.1 Kiểm tra bất phơng trình kéo bám cản– –

Một trong những điều kiện để máy hoạt động bình thờng trong khai thác là phải thỏa mãn bất phơng trình kéo – bám – cản cổ điển sau :

TB ≤ T

Σ W ≤ TB

Trong đó :

T - sức kéo phát triển từ phía động cơ

TB – sức kéo xuất phát từ điều kiện bám (sức bám)

Σ W – tổng trở lực cản di chuyển

Theo đây sức kéo từ phía động cơ truyền động tới bộ di chuyển cần nhỏ hơn hoặc bằng sức bám phát triển từ cơ chế máy – nền Sức bám cần lớn hơn hoặc bằng tổng trở lực cản di chuyển Đạt đợc điểm này máy vận hành sẽ ổn định hơn, tức là làm việc không bị trợt, hoặc bị trợt ít trong phạm vi giới hạn Ngợc lại thì máy sẽ vận hành không ổn định, nhanh chóng dẫn đến trợt hoàn toàn (100%) Tuy nhiên ngay trong những trờng hợp cụ thể với những thời điểm khác nhau, bất phơng trình trên có thể có những lúc thỏa mãn hoặc không thỏa mãn, đó là do các trị số của các thành phần trong đó luôn thay đổi, vai trò của ngời thợ lái chính là để điều khiển và bảo đảm sự thỏa mãn bất phơng trình này

Theo định nghĩa sức kéo T đợc tính theo công thức sau :

T = .K η

V

N

( 1.107, [1] )

Trong đó :

N : công suất động cơ danh nghĩa

V : tốc độ di chuyển khi làm việc ổn định của máy lu bánh lốp

K : hằng số biến đổi thứ nguyên K = 270

η : hiệu suất truyền động

Nh vậy : rõ ràng là sức kéo T có thể thay đổi trong một phạm vi rất rộng khi công suất động cơ thay đổi( do tăng giảm ga) và tốc độ di chuyển thay đổi thay

đổi (do sang số)

Thay số ta tính đợc T nh sau:

T = 270 0 , 8

2 , 7

Đối với máy lu đầm nền đất đợc tính toán thì cầu chủ động là cầu trớc, theo tính toán ở trên trọng lợng máy phân bố ở cầu

Chơng 3 : Tính toán thiết kế một số cụm chi tiết chính

Của máy lu bánh lốp

3.1 Tính toán khung chính của máy lu bánh lốp đầm nền đất. 3.1.1 Tải trọng

Để có thể tính toán thiết kế kết cấu khung của máy lu bánh lốp đầm nền

đất ta cần phải xác định hệ thống lực tác dụng lên nó

Việc xác định hệ thống lực tác dụng lên khung của máy lu bánh lốp xuất phát từ việc phân tích ngoại lực tác dụng lên máy một cách toàn diện Ta xét sơ

đồ lực tác dụng lên máy lu bánh lốp tự hành với đầu kéo nh hình vẽ Trong quá trình làm việc các ngoại lực tác dụng lên máy lu bánh lốp gồm có :

- Trọng lợng của đầu kéo Gm.

- Trọng lợng của thùng gia tải và của tải trọng chất ở trong thùng

- Lực tiếp tuyến T1 tác dụng lên bánh dẫn( lực kéo quy đổi trên các bánh dẫn) Lực T1 đợc xác định nhờ tính toán sức kéo ở trên

bỏ qua trong quá trình tính toán

Nh vậy các lực cha biết trong số các ngoại lực chỉ còn lại các phản lực theo phơng đứng là R1 và R2 xuất hiện ở các bánh xe Các lực này đợc xác định từ các phơng trình cân bằng mô men với các điểm A và B ta có :

Σ MB = 0

⇔ Gc e + Gm (c + d + e) – R1 (d + e) = 0

⇔ R1 =

e d

e d c G e

G c m

+

+ +

.

Thay số : Gc = 9000 (kG) ; Gm = 3000 (kG) ; c = 700 mm;

) 100 3200 700

.(

3000 100

9000

+

+ +

+

= 3909 (kG)

- Σ MA = 0

⇔ Gc d – Gm c – R2 (d + e) = 0

⇒ R2 =

e d

c G d

G c m

+

−

s G b R l

3909 1200

l

s G b R l l

3909 )

615 1200 (

H×nh 3.3 :M« h×nh kh«ng gian hÖ thèng khung kÐo vµ khung chÝnh.

ChiÕu RE , RK, FK lªn ph¬ng cña thanh CB ta cã :

Ta thấy khung đối xứng hai bên nên ta chỉ cần xét sơ đồ phẳng sau :

cos

909 ( 8 cos 5 , 10161 8

cos 5 ,

cos

RDz =

2

8 sin ) 5 , 5661 ( 8 sin 5 , 10161 8

cos

Hình 3.5 : Biểu đồ mô men uốn trong mặt phẳng đứng

Giá trị mô men uốn trong mặt cắt bất kỳ I – I đợc xác định theo công thức:

MuII = RBz l + RBx l

Từ đó ta có mô men tại C là :

MuC = - 763,2 3260 + 2291,35 3260 = 4981769 (Nmm)

3.1.3 Tính toán mặt cắt ngang khung chính :

Khung chính đợc coi nh 1 dầm tổ hợp có mặt cắt thay đổi, các kích thớc cơ bản là khẩu độ dầm và chiều cao của dầm

Khẩu độ của dầm đợc định sơ bộ theo kinh nghiệm thực tế là l = 3260 mmChiều cao của dầm

Chiều cao của dầm phải thoả mãn yêu cầu về mặt độ cứng cũng nh về mặt kinh tế Theo kinh nghiệm ta lấy chiều cao của dầm nh sau:

14

1 17

1 ữ

≈

l h

⇒ h = 3260 (

14

1 17

1 ữ ) (mm)

Chọn sơ bộ chiều cao của dầm :h = 229 (mm)

* Xác định mặt cắt bản bụng :

Đối với mặt cắt bản bụng cần định kích thớc chiều cao hb và chiều dày

δb của nó Ta xác định hb theo công thức kinh nghiệm sau :

δb ≥ 7 + 229

1000 3

a ≥ l.

60 1

⇒ a ≥

60

3260 = 54 (mm) Chän a = 80 (mm)

M« men qu¸n tÝnh nguyªn cña dÇm :

9 , 498176

Jd = 3565 (cm4)

h :lµ chiÒu cao cña dÇm, h = 229 (mm)

§èi víi dÇm liªn kÕt hµn th×

3

h h

u

δ

Jc = 2 Fc

2 0

) 3 , 887 3565 (

6 , 12

δc = 0,969 (cm) LÊy δc = 1 (cm)

đó đã đợc thỏa mãn Vì vậy ở đây ta chỉ kiểm tra cờng độ chịu uốn của dầm theo công thức sau:

J : là mô men quán tính của dầm hàn đối với trục trung hòa của nó Với dầm hàn thì ta có :

J = Jc + Jb

J = 2 Fc

12

2

2

3 2

b b c

1 2

σu = .

8 , 4325

9 , 498176

2 24

Hình 3.6 : Mặt cắt của khung chính tại C và D

Ta tính chọn mặt cắt tại B và O, do tính đối xứng của khung chính về 2 bên nên

ta chỉ xét một bên, bên kia cũng tơng tự Ta đa về dạng mô hình sau để xác định mặt cắt tại B :

Khi đó trọng lợng khung đợc tính theo công thức sau:

l q M

2

4981769 −

Hình 3.7 : Mặt cắt khung chính tại B và O

Kiểm tra mặt cắt tại B :

Mô men quán tính đối với trục trung hòa :

JB = 2 Fc

12

2

2

3 2

b b c

1 2

ứng suất tại mặt cắt tại B là :

σuB = .2h

J M

σuB = .202

5 , 2832

67 , 437512

σuB = 1544,6 ( N/cm2 ) < [σu] =16000 (N/cm2)

Vậy mặt cắt tại B thỏa mãn

* Xét đoạn thanh ngang phía trớc :

Theo đặc điểm chịu lực của thanh ngang ta đa về mô hình tính nh sau:

Biểu đồ mô men uốn :

Mô men xoắn dầm ngang khung chính đợc xác định nh sau :

Hình 3.9 : Mặt cắt ngang của thanh ngang phía trớc

Mô men chống uốn của mặt cắt :

Wx = 0,1 D3 (1 - α4)

Với : α = D d = 180150

Suy ra :