Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do việt nam chế tạo

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo” là công trình nghi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -** -

NGUYỄN ANH NGỌC

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ

KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA MÁY ĐÓNG CỌC HỘ LAN ĐƯỜNG

Ô TÔ DO VIỆT NAM CHẾ TẠO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -** -

NGUYỄN ANH NGỌC

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ

KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA MÁY ĐÓNG CỌC HỘ LAN ĐƯỜNG

Ô TÔ DO VIỆT NAM CHẾ TẠO

Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ

XÂY DỰNG NÂNG CHUYỂN

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS NGƯT Nguyễn Văn Vịnh và PGS TS NGƯT Nguyễn Bính, những người Thầy đã luôn định hướng, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo tại Bộ môn Máy xây dựng - Xếp dỡ, các nhà khoa học của Trường Đại học Giao thông Vận tải, Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, Học viện Kỹ thuật quân sự, Trường Đại học Xây dựng, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Trường Đại học Công nghệ Giao thông, Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải… đã giúp đỡ và góp ý cho tôi trong quá trình nghiên cứu và viết luận án của mình

Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Giao thông Vận tải, phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Cơ khí, Phòng Khoa học công nghệ, Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Trung tâm đào tạo thực hành và chuyển giao công nghệ Giao thông Vận tải cùng các phòng ban chức năng trong Nhà trường đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để đạt được kết quả mong muốn

Xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Công ty TNHH Thương mại và Xây dựng Linh

Hà cùng Công ty Cổ phần Xây dựng và quản lý bảo trì đường bộ Sông Hồng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện đo đạc thực nghiệm thiết bị tại hiện trường

để hoàn thành luận án

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều về mặt thời gian, cũng như ủng hộ về vật chất lẫn tinh thần để giúp tôi hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

Nguyễn Anh Ngọc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo” là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và tài liệu trong luận án là

trung thực và chưa được công bố trong bất kì công trình nghiên cứu nào Tất cả những nội dung tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Tác giả luận án

Nguyễn Anh Ngọc

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN ix

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ẢNH xii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của luận án 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 2

6 Điểm mới của luận án 3

7 Bố cục và nội dung nghiên cứu của luận án 3

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Tổng quan về hệ thống hộ lan đường ô tô 6

1.1.1 Vai trò của hệ thống hộ lan 6

1.1.2 Tổng quan về cấu tạo của hệ thống hộ lan 6

1.1.3 Nhu cầu về hệ thống hộ lan đường ô tô ở Việt Nam 8

1.2 Tổng quan về đặc điểm địa chất và các thông số địa kỹ thuật thuộc vùng

đồng bằng Bắc Bộ 8

1.2.1 Đặc điểm địa chất thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ 8

1.2.2 Các thông số kỹ thuật của đất 9

1.3 Tổng quan về công tác cơ giới hóa thi công cọc hộ lan 11

1.4 Tổng quan về máy đóng cọc hộ lan MHP-01 được chế tạo tại Việt Nam 14

1.4.1 Sơ đồ cấu tạo tổng thể của máy 14

1.4.2 Đặc tính kỹ thuật của máy 15

1.4.3 Nguyên lý làm việc của máy MHP-01 15

1.5 Tổng quan các công trình đã nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan

đến luận án 19

1.5.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học hệ thống

truyền động thủy lực 19

1.5.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học máy 25

1.5.3 Tổng quan các công trình nghiên cứu về máy đóng cọc hộ lan 33

1.5.4 Phân tích và nhận xét về các công trình nghiên cứu đã công bố liên

quan đến luận án 37

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 39

CHƯƠNG 2:NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ĐÓNG CỌC

HỘ LANĐƯỜNG Ô TÔ DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 40

2.1 Nghiên cứu động lực học hệ khung sàn máy trong quá trình làm việc 40

2.1.1 Nghiên cứu động lực học hệ khung sàn máy khi đóng cọc 40

2.1.2 Nghiên cứu động lực học hệ khung sàn máy khi nhổ cọc 54

2.2 Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy đóng cọc

hộ lan trong quá trình làm việc 62

2.2.1 Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực của máy MHP-01 62

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động thủy lực của máy

MHP-01 63

2.2.3 Nghiên cứu động lực học xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa trong

các quá trình làm việc 64

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 80

CHƯƠNG 3:NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ĐÓNG CỌC HỘ LAN ĐƯỜNG Ô TÔ DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 82

3.1 Mục đích thực nghiệm 82

3.2 Các thông số thực nghiệm 82

3.3 Địa điểm tiến hành thực nghiệm 82

3.4 Đối tượng thực nghiệm và các thiết bị đo 82

3.4.1 Đối tượng thực nghiệm 82

3.4.2 Lựa chọn đầu đo và thiết bị đo 83

3.5 Sơ đồ khối tiến hành thực nghiệm 85

3.6 Bố trí đầu đo và thiết bị đo 85

3.7 Kết quả thực nghiệm và xử lý số liệu 88

3.7.1 Xử lý kết quả đo thực nghiệm 88

3.7.2 Kết quả thực nghiệm 88

3.8 Phân tích và so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết 93

3.8.1 Áp suất dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa 94

3.8.2 Chuyển vị và chuyển vị góc của khung sàn máy 96

3.8.3 Lực tác dụng lên nền tại hai bánh xe 99

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 103

CHƯƠNG 4:KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THÔNG SỐ

ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA MÁY ĐÓNG CỌC HỘ LAN ĐƯỜNG Ô TÔ DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 104

4.1 Khảo sát ảnh hưởng của thông số làm việc của máy đến các thông số động

lực học của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi đóng cọc 104

4.1.1 Ảnh hưởng của đường kính xi lanh đến các thông số động lực học

của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi đóng cọc 104

4.1.2 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi của dầu thủy lực đến các thông số

động lực học của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi đóng cọc 106

4.2 Khảo sát ảnh hưởng của thông số làm việc của máy và thông số của nền

đất đến các thông số động lực học của hệ khung sàn máy khi đóng cọc 108

4.2.1 Ảnh hưởng của độ cứng lốp bánh xe đến các thông số động lực học

của hệ khung sàn máy khi đóng cọc 108

4.2.2 Ảnh hưởng của yếu tố địa chất, nền móng đến các thông số động lực

học của hệ khung sàn máy khi đóng cọc 110

4.3 Xác định một số thông số hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô theo quan điểm ĐLH 113

4.3.1 Xác định thông số hợp lý của đường kính xi lanh thủy lực nâng hạ cần

treo búa 115

4.3.2 Xác định thông số hợp lý của mô đun đàn hồi của dầu thủy lực 116

4.3.3 Xác định thông số hợp lý của lưu lượng riêng của bơm thủy lực 117

4.3.4 Xác định thông số hợp lý của tốc độ quay của bơm thủy lực 119

4.3.5 Xác định thông số hợp lý của độ cứng lốp bánh xe 120

4.3.6 Xác định thông số hợp lý của tần số đập của búa thủy lực 121

4.3.7 Xác định thông số hợp lý của khối lượng khung sàn máy 122

4.3.8 Đề xuất các thông số hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô theo quan điểm động lực học 123

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 125

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127

I Kết luận 127

II Kiến nghị 128

III Hướng nghiên cứu tiếp theo 128

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 129

TÀI LIỆU THAM KHẢO 130

 nb Tốc độ quay danh nghĩa của bơm thủy lực vòng / s

 P b Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực Pa

d Đường kính cán pít tông của XLTL m

Ký hiệu Diễn giải Đơn vị

m Khối lượng quy dẫn của sàn máy và các cụm chi tiết khác lắp

trên sàn máy (trừ cần và búa) về trọng tâm của sàn máy kg

Ký hiệu Diễn giải Đơn vị

4

S Độ cứng quy dẫn của buồng ắc quy thủy lực N / m

R Khoảng cách từ chốt liên kết của cần treo búa với xi lanh nâng

2

R Khoảng cách từ trọng tâm của sàn máy đến điểm E m

l Khoảng cách từ trọng tâm của khối lượng m2 đến điểm E m

b Khoảng cách từ hình chiếu trọng tâm của khung sàn máy đến

hai điểm tiếp xúc của bánh xe bên trái và bên phải xuống nền m

30

q Góc nghiêng ban đầu của cần treo búa so với phương ngang rad

 Độ lún tĩnh của khung sàn máy do trọng lượng bản thân máy m

2

 Góc nghiêng của R2 so với mặt sàn máy rad

 Góc nghiêng của nền máy đứng so với phương ngang rad

y1

 Mô men quán tính quy dẫn của sàn máy và các chi tiết khác

khi sàn máy quay quanh trục O1Y1

l Chiều dài tay biên của động cơ diezel m

r Bán kính trục khuỷu của động cơ diezel m

dc

 Tốc độ quay của động cơ diezel vòng / phút

e Khoảng cách từ khối tâm của khung sàn máy đến tâm cổ trục

của động cơ theo phương song song với khung sàn máy m

h Khoảng cách từ khối tâm của khung sàn máy đến tâm cổ trục

của động cơ theo phương vuông góc với khung sàn máy m

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN

BTL Búa thủy lực

ĐLH Động lực học ĐCD Điểm chết dưới ĐCĐT Động cơ đốt trong ĐCHL Đóng cọc hộ lan ĐCT Điểm chết trên ĐCTL Động cơ thủy lực NCS Nghiên cứu sinh TĐTL Truyền động thủy lực XLTL Xi lanh thủy lực

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các tải trọng tính toán thiết kế cơ học đối với hệ thống hộ lan 6

Bảng 1.2 Giá trị kích thước chế tạo và kích thước thi công của cọc hộ lan 7

Bảng 1.3 Mạng lưới hệ thống giao thông đường ô tô của Việt Nam đến năm 2025 8

Bảng 1.4 Độ chặt của đất cát qc được xác định dựa theo sức kháng mũi xuyênLoại đất cát 10

Bảng 1.5 Chỉ số ma sát R đối với đất nền vùng Hà Nội và lân cận 10 f Bảng 1.6 Góc ma sát trong của đất cát được xác định phụ thuộc vào q 10 c Bảng 1.7 Mô đun biến dạng Ε của đất nền 11 0 Bảng 1.8 Thông số kỹ thuật của máy đóng cọc hộ lan MHP-01 15

Bảng 1.9 Thông số kỹ thuật của máy ZGY60 35

Bảng 2.1 Giá trị các thông số chạy chương trình khi đóng cọc 49

Bảng 2.2 Các giá trị thông số chạy chương trình cho xi lanh thủy lực nâng hạ cần

khi đóng cọc 70

Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật của đầu đo áp suất 520.954S 83

Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật của đầu đo lưu lượng R5S7HK75 84

Bảng 3.3 Các thông số kỹ thuật đầu đo chuyển vị CDP-50 84

Bảng 3.4 Các thông số kỹ thuật đầu đo lực nén LFT 84

Bảng 3.4 Bảng đánh giá sai số lý thuyết - thực nghiệm của áp suất dầu trong xi

lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 94

Bảng 3.5 Bảng đánh giá sai số lý thuyết - thực nghiệm của áp suất dầu trong xi

lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 95

Bảng 3.6 Bảng đánh giá sai số lý thuyết - thực nghiệm của chuyển vị thẳng

đứng q và chuyển vị góc1 q của khung sàn máy khi đóng cọc 97 2 Bảng 3.7 Bảng đánh giá sai số lý thuyết - thực nghiệm của chuyển vị thẳng

đứng q và chuyển vị góc1 q của khung sàn máy khi nhổ cọc 98 2 Bảng 3.8 Hệ số lực động tại bánh xe A và B khi đóng cọc 99

Bảng 3.9 Bảng đánh giá sai số lý thuyết - thực nghiệm của lực tác dụng lên nền

tại bánh xe A và B khi đóng cọc 100

Bảng 3.10 Hệ số lực động tại bánh xe A và B khi nhổ cọc 101

Bảng 3.11 Bảng đánh giá sai số lý thuyết - thực nghiệm của lực tác dụng lên nền

tại bánh xe A và B khi nhổ cọc 102

Bảng 4.1 Hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực nâng hạ cần

treo búa khi D thay đổi 115 xl

Bảng 4.2 Hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực nâng hạ cần

treo búa khi Ed thay đổi 116

Bảng 4.3 Hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực nâng hạ cần

treo búa khi Vb thay đổi 118

Bảng 4.4 Hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực nâng hạ cần

treo búa khi n thay đổi 119 b Bảng 4.5 Hệ số lực động tại bánh xe A, B khi S , S1 2 thay đổi 120

Bảng 4.6 Hệ số lực động tại bánh xe A, B khi fbúa thay đổi 121

Bảng 4.7 Hệ số lực động tại bánh xe A, B khi m1 thay đổi 122

Bảng 4.8 Giá trị một số thông số hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô 123

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ẢNH

Hình 1.1 Cấu tạo và kích thước của thanh hộ lan 7

Hình 1.2 Cấu tạo các loại cọc hộ lan 7

Hình 1.3 Kích thước thi công cọc hộ lan 7

Hình 1.4 Sự phân bố địa chất ở vùng đồng bằng Bắc Bộ 9

Hình 1.5 Mặt cắt địa chất ở vùng đồng bằng ven biển và đồng bằng Bắc Bộ 9

Hình 1.6 Liên kết giữa cột dẫn hướng búa với khung máy 12

Hình 1.7 Các dạng khung máy cơ sở - bộ di chuyển và bố trí bộ công tác đóng cọc trên khung máy 13

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô MHP-01 14

Hình 1.9 Sơ đồ mô tả chu trình đóng cọc của máy MHP-01 16

Hình 1.10 Trạng thái khi máy bắt đầu nâng búa 17

Hình 1.11 Trạng thái khi máy nâng búa đến vị trí cao nhất 17

Hình 1.12 Trạng thái khi máy tiến hành đóng cọc 18

Hình 1.13 Trạng thái khi máy nhổ cọc 18

Hình 1.14 Sơ đồ tính toán các hệ dẫn động thủy lực với dòng chảy hở của dầu thủy lực 19

Hình 1.15 Đường đặc tính của van an toàn 21

Hình 1.16 Mô hình tính toán động lực học búa va đập thủy lực 23

Hình 1.17 Mô hình nghiên cứu động lực học hệ xi lanh thủy lực điều khiển cần khoan của máy khoan đá kiểu tuần hoàn ngược 24

Hình 1.18 Mô hình vật lý của máy bánh lốp 26

Hình 1.19 Mô hình thiết lập phương trình sóng dao động khi đóng cọc 28

Hình 1.20 Mối quan hệ giữa lực cản tác dụng lên cọc và chiều sâu đóng cọc 29

Hình 1.21 Mối quan hệ giữa ứng suất cắt và tỉ trọng D 29 r Hình 1.22 Mô hình động lực học khi máy nâng cọc và quay đồng thời 31

Hình 1.23 Sơ đồ cấu tạo của máy đóng cọc hộ lan (cơ cấu công tác đóng cọc được lắp ở đầu phía trước của máy cơ sở) 33

Hình 1.24 Sơ đồ mạch thủy lực dẫn động nâng búa thông qua hệ truyền động cáp 34

Hình 1.25 Sơ đồ cấu tạo của máy đóng cọc hộ lan ZGY60 35

Hình 1.26 Sơ đồ cấu tạo của cơ cấu dịch chuyển ngang giá búa 35

Hình 1.27 Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực của máy ZGY60 36

Hình 2.1 Mô hình động lực học hệ khung sàn của máy khi đóng cọc 41

Hình 2.2 Chuyển vị thẳng đứng q của khung sàn máy khi đóng cọc 50 1 Hình 2.3 Vận tốc q của khung sàn máy khi đóng cọc 51

Hình 2.4 Gia tốcq1 của khung sàn máy khi đóng cọc 51

Hình 2.5 Chuyển vị gócq của khung sàn máy khi đóng cọc 52 2 Hình 2.6 Vận tốcgóc q của khung sàn máy khi đóng cọc 52 2 Hình 2.7 Gia tốc gócq của khung sàn máy khi đóng cọc 52 2 Hình 2.8 Lực tác dụng lên nền tại bánh xe A khi đóng cọc 53

Hình 2.9 Lực tác dụng lên nền tại bánh xe B khi đóng cọc 54

Hình 2.10 Mô hình động lực học hệ khung sàn máy khi nhổ cọc 55

Hình 2.11 Chuyển vị thẳng đứng q1 của khung sàn máy khi nhổ cọc 58

Hình 2.12 Vận tốc q1của khung sàn máy khi nhổ cọc 59

Hình 2.13 Gia tốc q của khung sàn máy khi nhổ cọc 59 1 Hình 2.14 Chuyển vị góc q của khung sàn máy khi nhổ cọc 60 2 Hình 2.15 Vận tốcgóc q của khung sàn máy khi nhổ cọc 60 2 Hình 2.16 Gia tốc góc q của khung sàn máy khi nhổ cọc 60 2 Hình 2.17 Lực tác dụng lên nền tại bánh xe A khi nhổ cọc 61

Hình 2.18 Lực tác dụng lên nền tại bánh xe B khi nhổ cọc 61

Hình 2.19 Sơ đồ hệ truyền động thủy lực máy đóng cọc hộ lan đường ô tô MHP-01 62

Hình 2.20 Quá trình làm việc của máy khi đóng cọc bằng búa thủy lực kết hợp với lực ép của xi lanh nâng hạ cần 64

Hình 2.21 Mô hình động lực học của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi đóng cọc 66

Hình 2.22 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi

đóng cọc 70

Hình 2.23 Áp suất dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 72

Hình 2.24 Chuyển vị của xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 72

Hình 2.25 Vận tốc của xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 72

Hình 2.26 Gia tốc của xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 73

Hình 2.27 Quá trình làm việc của máy đóng cọc hộ lan khi nhổ cọc bằng xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa 74

Hình 2.28 Mô hình động lực học của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi tiến hành nhổ cọc 75

Hình 2.29 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi

nhổ cọc 77

Hình 2.30 Áp suất dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 77

Hình 2.31 Chuyển vị của xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 78

Hình 2.32 Vận tốc của xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 78

Hình 2.33 Gia tốc của xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 78

Hình 3.1 Hình ảnh máy MHP-01 tại hiện trường làm thực nghiệm 83

Hình 3.2 Sơ đồ đo đạc thực nghiệm máy đóng cọc hộ lan đường ô tô 85

Hình 3.3 Sơ đồ bố trí thiết bị đo các thông số động lực học máy khi đóng cọc 86

Hình 3.4 Sơ đồ bố trí thiết bị đo các thông số động lực học máy khi nhổ cọc 87

Hình 3.5 Nối các đầu đo vào các vị trí cần đo và thiết bị thu thập tín hiệu 87

Hình 3.6 Áp suất của dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc

(thực nghiệm) 89

Hình 3.7 Áp suất của dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc

(thực nghiệm) 89

Hình 3.8 Chuyển vị thẳng đứng q và chuyển vị góc1 q của khung sàn máy khi 2 đóng cọc (thực nghiệm) 90

Hình 3.9 Lực tác dụng lên nền tại hai bánh xe khi đóng cọc (thực nghiệm) 91

Hình 3.10 Chuyển vị thẳng đứng q và chuyển vị góc1 q của khung sàn máy khi 2 nhổ cọc (thực nghiệm) 92

Hình 3.11 Lực tác dụng lên nền tại hai bánh xe khi nhổ cọc (thực nghiệm) 93

Hình 3.12 So sánh áp suất của dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc 94 Hình 3.13 So sánh áp suất của dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi nhổ cọc 95

Hình 3.14 So sánh chuyển vị thẳng đứng q của khung sàn máy khi đóng cọc 96 1 Hình 3.15 So sánh chuyển vị góc q của khung sàn máy khi đóng cọc 96 2 Hình 3.16 So sánh chuyển vị thẳng đứng q1của khung sàn máy khi nhổ cọc 97

Hình 3.17 So sánh chuyển vị góc q2 của khung sàn máy khi nhổ cọc 98

Hình 3.18 So sánh lực tác dụng lên nền tại bánh xe A khi đóng cọc 99

Hình 3.19 So sánh lực tác dụng lên nền tại bánh xe B khi đóng cọc 99

Hình 3.20 So sánh lực tác dụng lên nền tại bánh xe A khi nhổ cọc 101

Hình 3.21 So sánh lực tác dụng lên nền tại bánh xe B khi nhổ cọc 101

Hình 4.1 Biên độ dao động của áp suất dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc với giá trị D thay đổi 105 xl Hình 4.2 Biên độ dao động của lực ép xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc với giá trị D thay đổi 105 xl Hình 4.3 Biên độ dao động của áp suất dầu trong xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc với giá trị E thay đổi 106

Hình 4.4 Biên độ dao động của lực ép xi lanh thủy lực nâng hạ cần khi đóng cọc

với giá trị Ed thay đổi 107 Hình 4.5 Biên độ dao động của chuyển vị thẳng của khung sàn máy khi đóng

cọc với giá trị độ cứng lốp S , S1 2 thay đổi 108 Hình 4.6 Biên độ dao động của chuyển vị góc của khung sàn máy khi đóng cọc

với giá trị độ cứng lốp S , S thay đổi 108 1 2Hình 4.7 Biên độ dao động của lực tác dụng lên nền tại bánh xe A khi đóng cọc

với giá trị độ cứng lốp S , S1 2 thay đổi 109 Hình 4.8 Biên độ dao động của lực tác dụng lên nền tại bánh xe B khi đóng cọc

với giá trị độ cứng lốp S , S thay đổi 109 1 2Hình 4.9 Biên độ dao động của chuyển vị thẳng của khung sàn máy khi đóng cọc

với tính chất của nền thay đổi 111 Hình 4.10 Biên độ dao động của chuyển vị góc của khung sàn máy khi đóng cọc

với tính chất của nền thay đổi 111 Hình 4.11 Biên độ dao động của lực tác dụng lên nền tại bánh xe A khi đóng cọc

với với tính chất của nền thay đổi 111 Hình 4.12 Biên độ dao động của lực tác dụng lên nền tại bánh xe B khi đóng cọc

với với tính chất của nền thay đổi 112 Hình 4.13 Quy trình xác định các thông số hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường

ô tô theo quan điểm động lực học 114 Hình 4.14 Quan hệ giữa hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực

nâng hạ cần treo búa khi D thay đổi 116 xlHình 4.15 Quan hệ giữa hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực

nâng hạ cần treo búa khi E thay đổi 117 dHình 4.16 Quan hệ giữa hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực

nâng hạ cần treo búa khi V thay đổi 118 bHình 4.17 Quan hệ giữa hệ số áp suất động và hệ số lực động của xi lanh thủy lực

nâng hạ cần treo búa khi n thay đổi 119 bHình 4.18 Quan hệ giữa hệ số lực động tại bánh xe A, B khi S , S thay đổi 120 1 2Hình 4.19 Quan hệ giữa hệ số lực động tại bánh xe A, B khi fbúa thay đổi 121 Hình 4.20 Quan hệ giữa hệ số lực động tại bánh xe A, B khi m thay đổi 122 1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ở Việt Nam trong những năm gần đây, cơ sở hạ tầng giao thông đường ô tô đã phát triển rất nhanh chóng, đòi hỏi việc bảo đảm an toàn chạy xe là một vấn đề đặc biệt phải quan tâm; trong đó có công tác xây dựng hệ thống lan can phòng hộ (hay còn gọi là hệ thống hộ lan) hai bên lề đường Qua tính toán sơ bộ đối với các tuyến quốc lộ chính trong cả nước thì nhu cầu khối lượng hệ thống hộ lan là rất lớn Nếu kể cả thi công hệ thống mới và thay thế hệ thống cũ thì tổng chiều dài của hệ thống cọc hộ lan ở nước ta hiện nay đã lên tới hàng ngàn km

Trước đây, cọc hộ lan được thi công bằng cách đổ móng bê tông cho từng cọc Nhưng hiện nay các nhà thầu đã áp dụng công nghệ mới, sử dụng các thiết bị cơ giới

để đóng cọc trực tiếp xuống nền lề đường Công nghệ này đã làm tăng năng suất thi công cọc, giảm giá thành (vì không cần chi phí vật liệu cho bê tông chân cọc) và đặc biệt là không làm cản trở giao thông trong quá trình thi công Tuy vậy, các thiết bị thi công cọc hộ lan ở Việt Nam hiện nay đang phải nhập từ nước ngoài với giá thành đắt

và không chủ động được trong thi công

Xuất phát từ vấn đề nêu trên, hiện nay một số cơ sở sản xuất ở Việt Nam đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy đóng cọc hộ lan (ĐCHL) cho đường ô tô Tuy nhiên, việc thiết kế chế tạo máy hiện tại chỉ dựa trên kinh nghiệm chép hình theo mẫu máy nước ngoài, chưa có cơ sở khoa học để xác định được những giá trị hợp lý của các thông số kỹ thuật máy Chính vì vậy, việc nghiên cứu động lực học (ĐLH) của máy ĐCHL làm cơ sở cho việc xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy là một

vấn đề rất đáng được quan tâm Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo” có tính cấp thiết, tính thời sự và có ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu của luận án

Xây dựng được cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý theo quan điểm ĐLH của máy ĐCHL đường ô tô do Việt Nam chế tạo Khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy ĐCHL, nhằm hoàn thiện kết cấu, nâng cao hiệu quả của quá trình khai thác và sử dụng máy

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

Máy ĐCHL đường ô tô do Việt Nam chế tạo, cọc hộ lan, nền đất để thi công cọc

hộ lan

b Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu ĐLH của máy ĐCHL đường ô tô MHP-01 do Việt Nam chế tạo hiện đang được sử dụng trong thi công cọc hộ lan và có các thông số kỹ thuật như trong bảng 1.8

- Cọc ống thép hở tiết diện nhỏ, có kích thước cho trước

- Nền đất mà máy đóng cọc ở trên đó, cụ thể là nền đất cấp phối (nền đắp) ở lề đường Quốc lộ thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ, có độ chặt tiêu chuẩn K 0,95 0,98= 

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án đã sử dụng các phương pháp: nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm và khảo sát

a Nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu ĐLH hệ thống TĐTL của máy: Xây dựng sơ đồ các mạch thủy lực

và mô hình ĐLH hệ thống TĐTL của máy tương ứng với các trạng thái làm việc; thiết lập các hệ phương trình vi phân dựa trên phương trình cân bằng lưu lượng và phương trình cân bằng lực, giải các hệ phương trình vi phân bằng Matlab Simulink để xác định các thông số ĐLH của hệ TĐTL

- Nghiên cứu ĐLH hệ khung sàn của máy: Xây dựng mô hình ĐLH hệ khung sàn

của máy; thiết lập các phương trình chuyển động của hệ khung sàn của máy dựa trên phương trình Lagrange loại II và tiến hành giải hệ phương trình chuyển động bằng Matlab để xác định các thông số ĐLH của hệ khung sàn máy

b Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm bằng cách tiến hành đo đạc trên máy ĐCHL đang làm việc tại hiện trường để kiểm chứng độ tin cậy, độ chính xác của mô hình lý thuyết và các kết quả tính toán lý thuyết, đồng thời xác định một số thông số đầu vào cho việc giải mô hình ĐLH

c Phương pháp khảo sát

Sử dụng phần mềm Matlab và các mô hình toán học đã xây dựng từ nghiên cứu lý thuyết để khảo sát sự ảnh hưởng của một số yếu tố đến các thông số ĐLH, làm cơ sở

để xác định các thông số hợp lý của máy ĐCHL theo quan điểm ĐLH (hệ số động lực

là nhỏ nhất và thỏa mãn điều kiện là nhỏ hơn hệ số động lực cho phép)

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

a Ý nghĩa khoa học

- Nghiên cứu ĐLH của các phần tử thủy lực của máy ĐCHL như xi lanh thủy lực (XLTL) nâng hạ cần treo búa ứng với các trường hợp làm việc điển hình của máy là đóng và nhổ cọc; thiết lập hệ phương trình vi phân và giải hệ phương trình vi phân để xác định các thông số ĐLH của XLTL

- Nghiên cứu ĐLH của hệ khung sàn máy trong các trường hợp làm việc điển hình là đóng và nhổ cọc; thiết lập hệ phương trình chuyển động dưới dạng tổng quát và giải các

hệ phương trình chuyển động để xác định các thông số ĐLH của hệ khung sàn máy

- Nghiên cứu thực nghiệm trên một máy ĐCHL cụ thể đang làm việc tại công trường thi công cọc hộ lan để kiểm chứng độ tin cậy của mô hình và các kết quả tính toán lý thuyết

- Luận án đã xây dựng được chương trình mô phỏng của máy ĐCHL trong các trường hợp làm việc điển hình Bằng các chương trình mô phỏng đó, luận án đã khảo sát, xây dựng được cơ sở khoa học để đề xuất các thông số kỹ thuật hợp lý của máy ĐCHL theo quan điểm ĐLH bằng tính toán lý thuyết

- Các kết quả nghiên cứu thu được là tài liệu tham khảo có ích cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo máy ĐCHL ở trong nước

b Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu của luận án về việc đề xuất các thông số kỹ thuật hợp lý có thể giúp cho các đơn vị chế tạo hay khai thác máy ĐCHL tham khảo trong việc cải tiến thiết kế, chế tạo ra các máy ĐCHL có chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao

- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích phục vụ cho công tác đào tạo thuộc lĩnh vực máy thi công hộ lan đường ô tô

6 Điểm mới của luận án

- Máy ĐCHL do Việt Nam chế tạo là một loại máy mới, các thông số kỹ thuật đưa ra đều xuất phát từ tính toán tĩnh theo kinh nghiệm của người thiết kế đối với những máy loại khác Trong thực tế hoạt động của máy, lực động gây ra bởi lực xung kích của búa là rất lớn, ảnh hưởng đến độ bền, tuổi thọ của kết cấu máy và các phần tử thủy lực trong hệ thống truyền động, do đó vấn đề này cần được quan tâm nghiên cứu

- Luận án đã tiến hành nghiên cứu ĐLH của máy, bao gồm ĐLH của hệ khung sàn và ĐLH của hệ thống TĐTL để xác định các thông số ĐLH đặc trưng của hệ như

áp suất dầu thủy lực; chuyển vị, vận tốc và gia tốc của XLTL nâng hạ cần treo búa; chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ khung sàn máy; lực tác dụng lên nền tại các bánh xe của máy…

- Luận án đã tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số ĐLH đặc trưng của hệ, xác định các hệ số động của lực và áp suất dầu trong hệ thống Từ đó xây dựng quy trình các bước xác định thông số kỹ thuật hợp lý của máy ĐCHL trong điều kiện chế tạo và sử dụng tại Việt Nam Quy trình này cũng có thể áp dụng cho các loại máy ĐCHL khác

7 Bố cục và nội dung nghiên cứu của luận án

Bố cục và nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm các phần chính sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Tổng quan về hệ thống hộ lan đường ô tô, đặc điểm địa chất và các thông số địa

kỹ thuật của vùng đồng bằng Bắc Bộ; tổng quan về công tác cơ giới hóa thi công cọc

hộ lan đường ô tô; tổng quan về cấu tạo và hoạt động của máy ĐCHL chế tạo tại Việt Nam Đánh giá tổng quan các kết quả nghiên cứu ở trong và ngoài nước về những vấn

đề có liên quan đến luận án như nghiên cứu ĐLH máy, ĐLH hệ thống TĐTL, nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy ĐCHL Thông qua việc phân tích các kết quả đã đạt được và

xu hướng nghiên cứu để nêu lên tính cấp thiết và hình thành các nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

Chương 2: Nghiên cứu động lực học của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo

Xây dựng sơ đồ các mạch thủy lực và mô hình ĐLH hệ TĐTL của máy tương ứng với các trạng thái làm việc của máy ĐCHL là đóng và nhổ cọc; thiết lập các hệ phương trình vi phân và giải hệ phương trình vi phân bằng phần mềm Matlab Simulink

để xác định các thông số ĐLH của hệ TĐTL

Xây dựng mô hình ĐLH của hệ khung sàn máy trong các trường hợp làm việc; thiết lập các phương trình chuyển động của hệ khung sàn máy và tiến hành giải hệ phương trình chuyển động bằng phần mềm Matlab để xác định các đặc trưng dao động của hệ khung sàn máy

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số động lực học của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo

Nghiên cứu thực nghiệm trên máy ĐCHL đã được chế tạo tại Việt Nam trong điều kiện máy đang làm việc tại hiện trường để kiểm chứng phương pháp tính toán cũng như kết quả tính toán các thông số kỹ thuật theo lý thuyết

Trình bày mục đích thực nghiệm, giới thiệu các thiết bị đo, đối tượng thực nghiệm và cách bố trí thiết bị đo cũng như thiết bị thu thập tín hiệu

Trình tự đo và ghi số liệu đo đạc thực nghiệm; xử lý kết quả đo và so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết

Chương 4: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến thông số động lực học và xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô do Việt Nam chế tạo

Trình bày các nghiên cứu về ảnh hưởng của đường kính XLTL nâng hạ cần treo búa, mô đun đàn hồi của dầu thủy lực, độ cứng của lốp bánh xe, tính chất của nền như cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc…đến các thông số ĐLH của máy ĐCHL (áp suất của dầu thủy lực, vận tốc và lực của XLTL nâng hạ cần treo búa, chuyển vị và chuyển vị góc của khung sàn máy, lực tác dụng lên nền tại các bánh xe…)

Xây dựng cơ sở khoa học để đề xuất các thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm ĐLH (hệ số động lực là nhỏ nhất)

Kết luận và kiến nghị

Trình bày các kết luận chính, các đóng góp mới của luận án và đề xuất hướng

nghiên cứu tiếp theo

Tài liệu tham khảo và các công trình đã công bố

Danh mục các tài liệu tham khảo và các công trình khoa học đã công bố liên quan đến luận án

Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Máy xây dựng - Xếp dỡ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về hệ thống hộ lan đường ô tô

1.1.1 Vai trò của hệ thống hộ lan

Trong mấy năm trở lại đây, hệ thống giao thông đường ô tô của Việt Nam phát triển rất nhanh Nhiều tuyến đường cao tốc và quốc lộ lớn đã được xây dựng mới, cải tạo và nâng cấp Hiện nay, tốc độ chạy xe trên các tuyến đường đã tăng cao hơn, cho nên để bảo đảm an toàn cho phương tiện và người tham gia giao thông thì cần phải đầu

tư các trang thiết bị an toàn như: đèn chiếu sáng, hệ thống vạch tín hiệu, cọc tiêu phòng hộ, hệ thống lan can phòng hộ (hệ thống hộ lan)… Trong đó, hệ thống hộ lan giữ vai trò rất quan trọng, được sử dụng giống như dải phân cách cứng giữa hai chiều của đường cao tốc và làm lan can cảnh báo giới hạn phần đường lưu thông trên đường đèo núi hiểm trở

1.1.2 Tổng quan về cấu tạo của hệ thống hộ lan

Theo [47], cấu tạo chung của hệ thống hộ lan gồm có: thanh hộ lan hai sóng hoặc

ba sóng, cọc hộ lan, tai nối, bu lông liên kết Thanh hộ lan và cọc hộ lan được thiết kế

và kiểm tra theo các yêu cầu chịu lực như trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các tải trọng tính toán thiết kế cơ học đối với hệ thống hộ lan

Yếu tố chịu lực Tải trọng tính toán, kN

Tôn lượn sóng làm thanh hộ lan chịu uốn giữa hai cọc:

- Theo chiều từ tim đường ra phía ngoài 9

- Theo chiều từ phía ngoài vào tim đường 4,5

Thép làm cọc hộ lan chịu lực đẩy ngang ở đầu cọc:

- Theo chiều vuông góc với chiều xe chạy 35

Dưới đây là phần giới thiệu tổng quan đối với hai chi tiết chính trong hệ thống hộ lan là thanh hộ lan và cọc hộ lan

1.1.2.1 Giới thiệu về thanh hộ lan

Thanh hộ lan là một chi tiết được làm bằng các dải tôn dạng sóng và được liên kết với cọc hộ lan theo dọc chiều dài đường để tạo nên dải lan can chắn phòng hộ Tôn có chiều dày ít nhất là 0, 4 cm , dải tôn có bề rộng ít nhất là từ 30 35 cm và được uốn lượn sóng để tăng độ cứng vững (hình 1.1)

Hình 1.1 giới thiệu

hình dáng và các kích

thước của dải tôn lượn

sóng được dùng làm

thanh hộ lan Chiều dài

của thanh hộ lan phụ

thuộc vào khoảng cách

giữa hai cọc hộ lan kề

nhau

Hình 1.1 Cấu tạo và kích thước của thanh hộ lan

Khi lắp đặt hai bên đường, các thanh hộ lan được lắp nối tiếp nhau

1.1.2.2 Giới thiệu về cọc hộ lan

Cọc hộ lan là loại cọc hở có tiết diện mặt cắt ngang khác nhau với chiều dài từ 2,1 2, 4 m , được làm từ vật liệu thép mạ kẽm Đầu phía dưới của cọc được đóng xuống nền đường, còn đầu phía trên được liên kết với thanh hộ lan

Cọc hộ lan gồm có ba loại: tiết diện chữ U , tiết diện tròn và tiết diện vuông Các loại tiết diện và ký hiệu kích thước của chúng được giới thiệu trên hình 1.2 Ký hiệu kích thước thi công cọc hộ lan được biểu thị trên hình 1.3

Hình 1.2 Cấu tạo các loại cọc hộ lan Hình 1.3 Kích thước thi công

cọc hộ lan

Giá trị các kích thước chế tạo và kích thước thi công của cọc hộ lan được giới thiệu trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Giá trị kích thước chế tạo và kích thước thi công của cọc hộ lan

Kích thước chế tạo, mm Kích thước thi công, mm

Cọc hộ lan đường giao thông ở Việt Nam đã được đưa vào thi công theo hai phương pháp: phương pháp thứ nhất là đào các hố có kích thước (0, 6 0, 6 0, 5  )mdọc theo lề đường, sau đó cho cọc vào hố rồi đổ bê tông làm móng giữ chân cọc Phương pháp thứ hai là đóng cọc trực tiếp vào nền đất lề đường, phương pháp này đã được áp dụng cách đây khoảng gần 10 năm và có nhiều ưu điểm nổi trội, nhưng để có điều kiện áp dụng thì cần phải có máy đóng cọc phù hợp và biện pháp thi công là theo

xu hướng cơ giới hóa

1.1.3 Nhu cầu về hệ thống hộ lan đường ô tô ở Việt Nam

Theo quy hoạch phát triển giao thông đường ô tô Việt Nam đến năm 2025 [43], thì nhu cầu mạng lưới hệ thống đường ô tô của cả nước cần có như trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Mạng lưới hệ thống giao thông đường ô tô của Việt Nam đến năm 2025

TT Các tuyến đường giao thông Chiều dài các tuyến (km)

A Hệ thống đường cao tốc Cần có cọc hộ lan trên chiều dài 2 131 km

B Hệ thống quốc lộ của cả nước:

Cộng B: 17.383 km Cần có cọc hộ lan từ 30 40% trên tổng chiều dài B, tương đương 6 084 km

Như vậy, nếu kể cả (A) và (B) thì tổng chiều dài đường giao thông ô tô của cả nước cần phải có hệ thống hộ lan là 8 215 km Nếu lắp cho cả hai bên lề đường, thì

nhu cầu về thi công cọc hộ lan phải tăng gấp đôi, lên tới 16 430 km Ngoài ra, hàng .năm trên các cung đường có hệ thống hộ lan, còn phải tiến hành công tác duy tu, sửa chữa, nâng cấp hoặc thay thế cọc cũ đã bị hư hỏng Điều này càng làm tăng thêm nhu

cầu của công tác cơ giới hóa thi công cọc hộ lan ở nước ta

1.2 Tổng quan về đặc điểm địa chất và các thông số địa kỹ thuật thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ

1.2.1 Đặc điểm địa chất thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ

Đất là môi trường tương tác với cọc hộ lan, là một trong các đối tượng nghiên cứu liên quan đến nội dung luận án, do vậy ở đây NCS xin được giới thiệu sự phân bố và đặc điểm địa chất thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ của Việt Nam

Theo [30], địa chất của vùng đồng bằng Bắc Bộ chủ yếu là loại trầm tích tam giác châu cũ và tam giác châu mới của hai con sông lớn là sông Hồng, sông Thái Bình và các chỉ lưu của chúng Vùng này có diện tích rộng (khoảng 15.000 km ) với ít địa 2hình đồi núi

Theo tài liệu địa chất kiến tạo Việt Nam thì vùng đồng bằng Bắc Bộ được hình thành trên một miền võng rộng lớn, đầu tiên chịu chế độ biển, rồi đến chế độ vũng hồ

và trên đó là trầm tích kỉ thứ tư

Xét về địa hình thì đây là miền đồng bằng thuộc loại hình bồi tụ Do các điều kiện địa chất và địa hình như vậy, cho nên chiều dày trầm tích kỉ thứ tư này rất lớn Sơ đồ phân bố địa chất ở vùng đồng bằng Bắc Bộ được giới thiệu trên hình 1.4

1.2.2 Các thông số kỹ thuật của đất

Để có số liệu cho việc tính toán và xác định ảnh hưởng của nền đất tới quá trình đóng cọc hộ lan [26], cần tham khảo các thông số địa kỹ thuật như: độ chặt của đất, chỉ

số ma sát R của nền đất, góc ma sát trong của đất, mô đun biến dạng f E của nền đất, ocường độ lực dính kết không thoát nước C của đất… Theo [30], giá trị của các thông u

số này được thể hiện qua các bảng 1.4, 1.5, 1.6, 1.7

Bảng 1.4 Độ chặt của đất cát q c được xác định dựa theo sức kháng mũi xuyên



Chặt Chặt vừa Rời

Đất cát hạt mịn

120



40 12040



Chặt Chặt vừa Rời

Đất cát lẫn bụi

100



30 10030



Chặt Chặt vừa Rời

Cát bụi bão hòa

70



20 70 20



Chặt Chặt vừa Rời

Bảng 1.5 Chỉ số ma sát R đối với đất nền vùng Hà Nội và lân cận f

Loại đất cát Giá trị q 10 Pa c, 5 Giá trị R % f,Đất cát hạt thô và hạt vừa 90 0,8

Bảng 1.7 Mô đun biến dạng Ε của đất nền 0

Loại đất Giá trị q 10 Pa c, 5 Giá trị α 0

dẻo chảy

7

 7



4,5 7,5

3 6 Bùn sét, bùn sét pha c

1.3 Tổng quan về công tác cơ giới hóa thi công cọc hộ lan

Hiện nay nhu cầu cơ giới hóa công tác thi công cọc hộ lan tăng lên rất lớn Việc sử dụng các máy chuyên dùng để đóng cọc là rất phổ biến, đem lại hiệu quả và năng suất cao, do đó nhiều nước trên thế giới đã thiết kế và chế tạo máy ĐCHL để sử dụng cho công tác thi công cọc như: Nhật Bản, Trung Quốc, Nga, Ý, Thổ Nhĩ Kỳ…

Các máy ĐCHL chuyên dùng của các nước trên thế giới khá đa dạng, có loại tự hành di chuyển trên bánh xích, bánh lốp hoặc có loại lắp trên xe cơ sở có sẵn… Những máy này có kết cấu khá gọn nhẹ, dễ vận hành Đặc biệt ở một số nước như Ý, Nhật Bản thì máy đóng cọc hộ lan có kết cấu khá hiện đại, công tác cơ giới hóa được thực hiện từ khâu đóng cọc cho đến việc lắp các tấm chắn hộ lan vào cọc sau khi đóng Tuy vậy, việc nghiên cứu về máy ĐCHL ở các nước cũng chỉ dừng lại ở việc tính toán thiết kế các bộ phận của máy để chế tạo lắp ráp thành máy hoàn chỉnh với mục đích đưa vào thi công Công việc thiết kế máy đơn thuần thuộc về khâu tính toán xác định các thông số kỹ thuật của các bộ phận máy, trên cơ sở đó giải quyết công nghệ cho khâu chế tạo máy Còn việc nghiên cứu nâng cao để xác định kết cấu của máy sao cho hợp lý, đặc biệt là việc nghiên cứu xác định giá trị các thông số kỹ thuật (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy sao cho phù hợp với điều kiện thi công cụ thể phụ thuộc vào địa hình thi công, vào địa chất khu vực thi công và vào đặc tính kỹ thuật của cọc thì chưa được đề cập tới

Ở Việt Nam, năm 2014, lần đầu tiên máy ĐCHL được đưa vào khai thác trên tuyến QL3 tại Lào Cai bằng máy nhập từ Trung Quốc Từ năm 2014 đến 2017, số máy nhập

về Việt Nam chỉ có khoảng 5 chiếc vì từ năm 2015, Việt Nam đã tự thiết kế, chế tạo được máy này có giá thành thấp hơn và công tác phục vụ kỹ thuật (bảo hành, bảo trì) thuận lợi hơn Hiện nay, trong lĩnh vực chế tạo máy đóng cọc có 5 công ty, lĩnh vực dịch

vụ thương mại (bán, cho thuê máy) có 2 công ty và lĩnh vực thi công cọc có 5 công ty Trong đó có Công ty TNHH Xây dựng và thương mại Linh Hà với sự hợp tác của các nhà khoa học [6] là tiến hành nghiên cứu, thiết kế bài bản và chế tạo máy MHP-01 có các tính năng kỹ thuật tốt hơn Tuy nhiên, các máy ĐCHL hiện đang dùng ở Việt Nam

đều có một số điểm chung như sau:

- Xe cơ sở có khung máy dạng khung phẳng với bốn cụm bánh xe, trong đó có hai bánh lái phía trước Hai bánh chủ động lắp trên cùng một trục sau, tựa trên hai gối và không có bộ vi sai (do tốc độ di chuyển thấp, máy có kích thước nhỏ) Dẫn động di chuyển bằng bộ truyền xích từ động cơ thủy lực (ĐCTL) đến đĩa xích lắp trên trục

- Nguồn động lực hầu hết là động cơ diezel có công suất 20 25 kW

- Sơ đồ hệ TĐTL của các máy tương tự nhau Dùng búa thủy lực (BTL) treo trên cần đặt trên đầu cọc để đóng cọc bằng xung lực Thân búa có bốn cụm bánh trượt trong cột dẫn hướng Khi đóng cọc, cột ở vị trí thẳng đứng, được giữ và điều chỉnh bằng hai xi lanh thủy lực giữ và nghiêng cột Việc nâng hạ búa được thực hiện thông qua việc nâng hạ cần nhờ XLTL

Ngoài ra, có một số điểm khác nhau về cấu tạo của máy ĐCHL như sau:

a Về liên kết giữa cột dẫn hướng búa với khung máy

Qua khảo sát thực tế cho thấy có hai dạng liên kết giữa cột dẫn hướng búa với

khung máy, được mô tả trên hình 1.6

Hình 1.6 Liên kết giữa cột dẫn hướng búa với khung máy

a Cột dẫn hướng búa liên kết chốt ngang b Cột dẫn hướng búa đặt trên khớp cầu 1- Cột dẫn hướng búa; 2(a)- Chốt ngang; 2(b)- Khớp cầu; 3- Gối đỡ; 4- XLTL giữ và nghiêng cột dẫn hướng; α ,α - Góc nghiêng cột khi đóng cọc; 1 2  - Góc nghiêng ngang

khi máy đóng cọc trên đoạn đường dốc

Máy đóng cọc hộ lan có kết cấu như hình 1.6 a là dạng cột dẫn hướng liên kết với khung máy bằng chốt ngang Liên kết này không cho phép cột nghiêng trong mặt phẳng XOY ( = ), do đó khi đóng cọc trên đường dốc thì cọc sẽ nghiêng theo độ 00dốc của đường Còn máy đóng cọc hộ lan có kết cấu như hình 1.6 b là dạng cột dẫn hướng liên kết với khung máy bằng khớp cầu thì có khả năng khắc phục được hạn chế trên Tức là cột dẫn hướng có thể nghiêng trong mặt phẳng XOY (  00), cho phép máy đóng cọc ở những đoạn đường có độ dốc dọc của mặt đường lớn hơn 0

3,5 mà cột dẫn hướng cho búa và cọc vẫn theo phương thẳng đứng

b Về kết cấu khung máy cơ sở và vị trí đặt cột dẫn hướng búa

Các dạng kết cấu khung máy cơ sở và trị ví đặt cột dẫn hướng búa đóng cọc trên các loại máy đóng cọc hộ lan hiện có ở Việt Nam được mô tả trên hình 1.7

Hình 1.7 Các dạng khung máy cơ sở - bộ di chuyển và bố trí bộ công tác đóng cọc

trên khung máy

a Dạng khung thẳng, bánh lốp đơn, bộ công tác đóng cọc ở giữa xe; b Dạng khung thẳng, bánh lốp đơn, bộ công tác đóng cọc ở đầu xe; c Dạng khung cong thép hình (đơn), bộ lốp đôi, bộ công tác đóng cọc ở giữa xe; d Dạng khung cong tổ hợp thép

hình, bộ lốp sau kép, bộ công tác đóng cọc ở giữa xe

Qua thực tế vận hành cho thấy máy có kết cấu như hình 1.7 d có độ cứng vững và

độ ổn định cao hơn, được các đơn vị sử dụng để thi công đóng cọc nhiều hơn các máy

có kết cấu như hình 1.7 a, b và c

Trên cơ sở phân tích các đặc điểm về cấu tạo của máy ĐCHL như trên, NCS đã chọn máy MHP-01 là máy đóng cọc có kết cấu như hình 1.7 b và 1.7 d, là dạng kết

cấu có nhiều ưu điểm hơn để làm đối tượng nghiên cứu của luận án

1.4 Tổng quan về máy đóng cọc hộ lan MHP-01 được chế tạo tại Việt Nam

1.4.1 Sơ đồ cấu tạo tổng thể của máy

Theo [6], sơ đồ cấu tạo kết cấu và các chi tiết cơ bản của máy đóng cọc hộ lan MHP-01 được mô tả như trên hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo của máy đóng cọc hộ lan đường ô tô MHP-01

1- Cụm bánh xe bị động (bánh lái); 2- Động cơ diezel; 3- Máy phát điện; 4- Cụm điều chỉnh góc nghiêng; 5- Vô lăng lái; 6- Ghế ngồi điều khiển; 7- Van phân phối tay gạt; 8- Cụm bánh xe chủ động; 9- Thùng dầu thủy lực; 10- Cụm mái che; 11- Khung trung gian; 12- Giá đỡ mô tơ quay bơm; 13- Cụm làm mát dầu; 14- Thanh chống; 15- XLTL nâng hạ cần; 16- XLTL thay đổi góc nghiêng cột; 17- Cần treo búa; 18- Đoạn cột dẫn hướng búa phía trên; 19- Đèn chiếu sáng; 20- Đoạn cột dẫn hướng búa phía dưới; 21- Búa thủy lực; 22- Đầu đóng cọc; 23- Choòng rút cọc; 24- Cụm trụ lái; 25- Khung sát xi máy; 26- Khung ngang di trượt; 27- Cụm trục chủ động; 28- Cọc ống thép

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu ĐLH hệ khung sàn máy (mục 2.1), từ hình 1.8

ở trên, trong phạm vi luận án, “hệ khung sàn máy” được hiểu bao gồm các chi tiết và cụm chi tiết sau: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 25, 26

1.4.2 Đặc tính kỹ thuật của máy

Bảng 1.8 Thông số kỹ thuật của máy đóng cọc hộ lan MHP-01

TT Thông số kỹ thuật của máy Đơn vị đo Giá trị các thông số

Bơm thủy lực SAP-50/30 (Hàn Quốc)

12.10Tốc độ làm việc của bơm v / ph 1450

8

Búa thủy lực Hanwoo RHB 305 (Hàn Quốc)

Lưu lượng của búa thủy lực 3

m / s 10,8.10−4Tần số va đập của búa thủy lực lần/phút 130 170

Trọng lượng búa thủy lực kG 260

9 Tốc độ di chuyển của máy km / h 8 1 0

10 Tốc độ đóng cọc m / phút 0,3 0, 4

1.4.3 Nguyên lý làm việc của máy MHP-01

Máy đóng cọc hộ lan MHP-01 là máy chuyên dùng, có nhiệm vụ đóng cọc vào nền bằng xung lực của búa kết hợp với lực của XLTL nâng hạ cần treo búa; hoặc dùng

để nhổ cọc lên khỏi nền bằng XLTL khi cần thiết

Quá trình đóng cọc của máy MHP-01 được thực hiện theo quy trình như sau:

Rải đều dọc tuyến Khoảng cách 3m/ cọc

Máy dừng đúng vị trí đóng cọc

Dựng cọc theo phương đứng đúng vị trí đánh dấu

Nâng cần treo búa, đưa búa

lên cao trên 2,2 m

Thời gian 1 chu trình (chu kỳ) đóng cọc:

T = t + t + t + t + t  60  65 s

Các trạng thái làm việc điển hình của máy MHP-01 được trình bày như dưới đây

1.4.3.1 Trạng thái khi máy bắt đầu nâng

búa

Đặc điểm làm việc: Cột (13) gồm 2

đoạn thẳng đứng nối với nhau bằng bốn

bu lông và được tựa trên gối (G) tạo thành

cột đứng dẫn hướng búa Cần (8) và búa

(14) được nâng lên bằng XLTL (6) Khi

được nâng lên, búa (14) tì vào rãnh trong

của cột (13) qua 2 cặp con lăn: Cặp con

lăn 1 (CL1) ở phía trên và cặp con lăn 2

(CL2) ở phía dưới Các chi tiết (5), (12),

(9), (21) không ảnh hưởng đến quá trình

nâng búa

Hình 1.10 Trạng thái khi máy

bắt đầu nâng búa

1.4.3.2 Trạng thái khi máy nâng búa đến

vị trí cao nhất

Đặc điểm làm việc: Trong quá trình

nâng búa lên cao, XLTL (6) và thanh

giằng (5) nghiêng về phía bên phải Ở một

vài thời điểm khi tiến hành nâng búa, có

thể điều khiển XLTL (9) để quá trình

nâng cần (8) của XLTL (6) được dễ dàng

hơn Do có khoảng cách f giữa trọng tâm

của Qb và tâm con lăn nên tồn tại lực R1

và R2 nhưng cũng như ở trường hợp a lực

R2 này không xét đến mà nó sẽ dùng để

tính bền cho cột (13)

Hình 1.11 Trạng thái khi máy nâng búa

đến vị trí cao nhất

1.4.3.3 Trạng thái làm việc của máy khi

tiến hành đóng cọc và dịch chỉnh máy

Dịch chỉnh tâm búa vào vị trí đóng

Đưa cọc vào dưới búa Hạ búa bằng

XLTL (6) cho đế búa lọt vào đầu cọc,

kiểm tra vị trí đóng Điều khiển van thủy

lực cho BTL (14) làm việc Lực xung

x

P từ búa tác động lên đầu cọc, cọc chìm

dần vào đất, trong lúc này XLTL (6) vẫn

tiếp tục làm việc, co pít tông lại để kéo

cần (8) và búa (14) đi xuống Đến độ sâu

thiết kế thì dừng đóng Nâng búa lên cao,

dịch chuyển máy đến vị trí kế tiếp

Hình 1.12 Trạng thái khi máy tiến hành

đóng cọc

1.4.3.4 Trạng thái làm việc của máy khi

tiến hành nhổ cọc

Việc nhổ cọc sẽ được tiến hành trong

hai trường hợp: Cọc đóng vào vị trí có vật

cản cứng không thể xuống được và nhổ

cọc cũ khi cải tạo, mở rộng lề đường

Cụm thiết bị khi rút cọc gồm có:

14.1 Đầu búa thủy lực; 14.2 Đầu kẹp

cọc; 14.3 Chày nhổ cọc; 14.4 Đoạn côn

nhổ cọc

Hình 1.13 Trạng thái khi máy nhổ cọc

Sau khi đặt ba đoạn côn (14.4) vào trong đầu cọc, tiến hành nâng búa lên bằng lực

P4 (do xi lanh (6) nâng cần (8) lên) Do cọc hộ lan có đường kính d 160 mm và chiều sâu đóng cọc h 1,2 m , cho nên cần quan tâm đến lực cản khi nhổ cọc Có thể thay bộ côn (14.4) bằng sợi cáp móc qua thanh thép 20 xuyên qua lỗ có sẵn ở đầu cọc; thao

tác này thuận tiện hơn nhưng cần có sợi cáp treo vào chốt ngang phía dưới tấm ốp (14)

1.5 Tổng quan các công trình đã nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận án

1.5.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học hệ thống truyền động thủy lực

Trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều tác giả, nhiều công trình đã nghiên cứu

về ĐLH hệ thống TĐTL của các máy công tác nói chung và máy xây dựng nói riêng, như trình bày dưới đây:

* Theo [64], các tác giả Ю.П Майоров, В.Ф Кованский và các cộng sự đã giới thiệu kết quả nghiên cứu và phương pháp tính toán ĐLH của hệ thống TĐTL với dòng chảy hở của dầu thủy lực, thường gặp đối với: Dẫn động tời, bộ công tác khoan, băng chuyền, thiết bị sàng, cơ cấu gây rung, búa thủy lực va đập

- Mô hình vật lý:

Hình 1.14 Sơ đồ tính toán các hệ dẫn động thủy lực

với dòng chảy hở của dầu thủy lực

Các đại lượng trên sơ đồ hình 1.14 được ký hiệu như sau:

là công suất, mô men, số vòng quay, lưu lượng và áp suất của bơm thủy lực; Q - Lưu k

lượng van an toàn; n - Số vòng quay của ĐCTL; dc M , n - Tương ứng là mô men và ct ct

số vòng quay của bộ công tác

- Mô hình toán:

Phương trình chuyển động của hệ dẫn động được biểu thị theo dạng sau:

+ Phương trình của dòng chảy liên tục trong đường ống cao áp:

bộ công tác được quy dẫn về trục của động cơ thủy lực, kG.m ; 2  - Vận tốc quay dccủa động cơ thủy lực, rad ;  - Độ dịch chuyển của bộ công tác, rad

+ Đối với bơm có điều chỉnh thể tích công tác, thì thể tích công tác tức thời V no

có thể được biểu thị theo dạng sau:

bộ điều chỉnh và của sự tác động đối với hệ điều khiển

Ví dụ, đối với hệ dẫn động có công suất cố định, trong phạm vi làm việc của bộ điều

chỉnh

o

NX

P V n

=

 

 

Với: N - Công suất tạo ra bộ điều chỉnh

Đặc tính điều chỉnh tính toán của van

an toàn được biểu thị trên hình 1.15

Thông số của van an toàn Kp đặc

trưng cho độ dốc của đường đặc tính tĩnh

và được xác định như là tỷ số giữa lưu

lượng của van  Qk và độ sai lệch áp suất

của van an toàn

Lúc đó hệ phương trình được biểu thị dưới dạng:

Với: Vbo - Thể tích công tác định mức của bơm, 3

m ; X - Thông số điều chỉnh của bơm; n - Số vòng quay định mức của động cơ điện dẫn động bơm thủy lực; n p - Áp nsuất trong ống hút của hệ thống thủy lực, Pa ; p - Áp suất mở của van an toàn, Pa ; k

Với:  Qb - Lưu lượng định mức của bơm, m / s ; 3  - Hiệu suất định mức của bơm; ob

 P - Áp suất định mức của bơm, Pa b

* Theo [11], tác giả Chu Văn Đạt và các cộng sự đã công bố bài báo “Nghiên cứu

ảnh hưởng của áp suất và lưu lượng của dầu tới vận tốc và tần số đập trong búa thủy lực” Bài báo trình bày phương pháp tính toán ĐLH búa đập thủy lực trên cơ sở

phương trình cân bằng lưu lượng và phương trình chuyển động của pít tông đập trong quá trình làm việc của búa Từ đó các tác giả đã sử dụng phần mềm Matlab-Simulink

để khảo sát ảnh hưởng của áp suất và lưu lượng dầu tới vận tốc và tần số đập của pít tông búa

Nội dung tóm tắt bài báo như sau:

- Mô hình tính toán động lực học:

Hình 1.16 Mô hình tính toán động lực học búa va đập thủy lực

a- Giai đoạn nâng pít tông; b- Giai đoạn phanh pít tông; c -Giai đoạn đập

Ta có phương trình nhiệt động học của quá trình nạp ắc quy:

o o

P.V = P V

Với: V - Thể tích của ắc quy; P - Áp suất cấp cho búa

Hệ phương trình mô tả giai đoạn nâng pít tông:

ở khoang dưới; m - Trọng lượng pít tông; 1 x - Vị trí pít tông trong giai đoạn nâng búa 1

Hệ phương trình mô tả giai đoạn phanh dừng pít tông:

Hệ phương trình mô tả giai đoạn đập của pít tông: