Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do việt nam chế tạo TT

Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo” có tính thời sự và tính cấp thiết cao.. Mục tiêu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-o0o -

Nguyễn Thùy Chi

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP

LÝ CỦA BỘ CÔNG TÁC MÁY KHOAN CỌC NHỒI KIỂU

GẦU XOAY DO VIỆT NAM CHẾ TẠO

Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 9520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2021

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Nguyễn Đăng Điệm

2 TS Nguyễn Đình Tứ

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ cấp Trường họp

tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Vào hồi giờ, ngày tháng năm 20

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Hiện nay có nhiều thiết bị khác nhau được đưa vào sử dụng trong công tác thi công nền và móng các công trình xây dựng, trong đó có máy khoan cọc nhồi (MKCN) Các loại MKCN đang được sử dụng tại Việt Nam đều được nhập khẩu

từ nước ngoài với giá thành đắt và khó khăn nhất trong việc “nội địa hóa” sản phẩm là chế tạo bộ công tác của máy Xuất phát từ đó, các đơn vị sản xuất đang tìm cách nghiên cứu, tính toán thiết kế bộ công tác của máy để thay thế thiết bị ngoại nhập Tuy nhiên nội dung nghiên cứu cũng chỉ đang dừng lại ở chỗ là nghiên cứu thiết kế công nghệ phục vụ cho việc chế tạo máy, mà chưa đề cập tới nghiên cứu nâng cao về động lực học hệ thống truyền động thủy lực máy và thiết

kế tối ưu đối với MKCN Ngoài ra, đây là thiết bị chuyên dùng nên việc đó không phải dễ dàng, đòi hỏi phải có các nghiên cứu cơ bản, có cơ sở khoa học và đặc biệt là các bí quyết công nghệ trong chế tạo sản phẩm cơ khí phù hợp với trình

độ công nghệ của nước ta hiện nay Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu xác định các

thông số kỹ thuật hợp lý của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo” có tính thời sự và tính cấp thiết cao

2 Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu xác định được các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo lắp trên cần trục bánh xích Dựa trên các kết quả nghiên cứu thu được, luận án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy trong điều kiện khai thác tại vùng đồng bằng Bắc Bộ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu:

Bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500

b) Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực dẫn động bộ công tác và nghiên cứu xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan với đường kính lỗ khoan Ф = 1,5 m, chiều sâu khoan H = 70 m, làm việc tại vùng đồng bằng Bắc Bộ

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu

- Nghiên cứu động lực hệ thống truyền động thủy lực của bộ công tác máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay do Việt Nam chế tạo

- Nghiên cứu xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số động lực học của máy khoan cọc nhồi Hitachi CX500

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

a Ý nghĩa khoa học:

- Xây dựng mô hình động lực học động cơ thuỷ lực dẫn động mâm khoan

và động lực học hệ thống xi lanh thủy ép mâm khoan của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích tại Việt Nam tương ứng với các trạng thái làm việc của máy

- Xây dựng chương trình mô phỏng của máy khoan cọc nhồi trong các trường hợp làm việc điển hình, khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học của máy và từ đó khuyến nghị các thông số kỹ thuật hợp lý của MKCN theo quan điểm động lực học

- Xây dựng và giải bài toán tối ưu theo chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất từ đó xác định được các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu

b Ý nghĩa thực tiễn:

- Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể giúp cho các đơn vị chế tạo hay khai thác máy khoan cọc nhồi tham khảo trong việc thiết kế, chế tạo bộ công tác của máy có chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao, sử dụng để lựa chọn, vận hành thiết bị với các thông số làm việc hợp lý

6 Điểm mới của luận án

- Xây dựng và giải mô hình động lực học của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan và xi lanh thủy lực ép mâm khoan trên máy khoan cọn nhồi kiểu gầu xoay khi thi công tại vùng đồng bằng Bắc Bộ Việt Nam

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy từ đó khuyến cáo các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay theo quan điểm động lực học

- Thiết lập và giải bài toán tối ưu các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu khoan theo chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500

a Giới thiệu chung

Máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 là máy khoan mà trong đó bộ công tác kiểu gầu xoay được lắp trên máy

cơ sở là loại cần trục di chuyển bằng bánh xích của hãng Hitachi Đây là máy khoan được Nhật Bản sản xuất vào năm 1995, có cần khoan kiểu thanh kelly, được xem là loại thiết bị có năng suất cao, có thể khoan từ tầng địa chất mềm cho đến cứng như cát, sét, sỏi vv Ưu điểm lớn nhất là có thể khoan lỗ sâu tới 70

m, đường kính có thể lên đến 2000 mm với tốc độ di chuyển 1,7 km/h đem lại hiệu suất cao trong quá trình thi công Kết cấu máy khá đơn giản, người sử dụng

có thể dễ dàng điều khiển và vận hành trong quá trình làm việc Tuy giá thành đầu tư ban đầu cho máy khá đắt đỏ nhưng hiệu quả công việc lại tăng lên gấp nhiều lần so với các loại máy khác

Kích thước máy gọn nhẹ, di chuyển và thay đổi vị trí làm việc nhanh gọn, thuận lợi, ngoài ra còn có thể tự phục vụ nâng hạ các thiết bị và vật tư trong quá trình làm việc Do có bộ di chuyển bằng bánh xích, bề mặt tiếp xúc lớn lên mặt nền nên máy khoan nhồi CX500 có thể di chuyển dễ dàng trên vùng đất yếu, phù hợp với địa hình công trường có nhiều vật cản gồ ghề, sắc nhọn

Hình 1.2 Máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích

Hitachi CX500 1- Máy cơ sở CX500; 2- Thanh Kelly; 3- Giá đỡ mâm khoan 4- Mâm khoan; 5-

b Giới thiệu về bộ công tác

Bộ công tác của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 bao gồm: Cụm đầu khoan ED12 (bao gồm: mâm khoan, động cơ dẫn động mâm khoan, hộp giảm tốc hành tinh, xi lanh dẫn tiến mâm khoan…), thanh kelly và gầu khoan NCS lựa chọn loại gầu công tác là gầu xoay

vì gầu xoay dễ dàng có thể chế tạo được trong nước, phù hợp với điều kiện công nghệ, trình độ tay nghề của công nhân nước ta, ngoài ra có khả năng mua sắm một số chi tiết hay cụm chi tiết khác mà trong nước chưa chế tạo được Hiện nay

có nhiều loại gầu xoay tiêu chuẩn, tùy theo yêu cầu và tính chất công trình mà người ta lựa chọn các loại gầu khoan có đường kính khác nhau

Gầu xoay có đặc điểm cấu tạo khác biệt so với những loại khác là tại mỗi một điểm trên cạnh dao cắt thực hiện chuyển động tịnh tiến theo hướng đi sâu xuống dưới đất và kết hợp đồng thời cả chuyển động quay Trong quá trình biến dạng

và phá hủy đất đá, chuyển động của phoi đất được tách ra và trượt trên mặt trên của răng gầu đồng thời tích vào trong lòng gầu Tại thời điểm khoan, mỗi một điểm trên răng gầu thực hiện chuyển động tịnh tiến theo hướng đi sâu xuống dưới

và chuyển động quay Lượng ăn dao dọc của gầu trong quá trình khoan sẽ phụ thuộc vào lực ép gầu từ trên xuống cũng như giới hạn bền nén của đất đá, [34], [36] Mô men từ cần khoan truyền vào gầu sẽ tạo ra chuyển động quay của gầu Cấu tạo của gầu xoay như Hình 1.4 dưới đây:

Hình 1.4 Cấu tạo gầu xoay của máy khoan cọc nhồi

1- Mũi định vị; 2- Thành gầu; 3- Tay mở đáy gầu; 4- Đầu trên gầu khoan; 5- Mặt trên gầu khoan; 6- Gân tăng cường; 7- Bản lề đáy gầu; 8- Răng gầu

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

1.2.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học của máy khoan cọc nhồi

Đã có nhiều công trình của các nhà khoa học Trung Quốc, Việt Nam và các nước khác nghiên cứu về động lực học máy khoan cọc nhồi đã được trình bày trong các tài liệu [47],[63], [67], Từ các công trình nghiên cứu này có thể thấy rằng, các công trình chủ yếu tập trung nghiên cứu về động lực học của vành dẫn hướng cũng như mô phỏng động lực học cơ cấu giá dẫn hướng của máy khoan cọc nhồi còn động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy thì chưa được xét tới

1.2.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu về phân tích tối ưu hóa kết cấu của máy khoan cọc nhồi

Trên thế giới và trong nước đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về phân tích tối ưu hóa kết cấu của máy khoan cọc nhồi thể hiện trong các tài liệu [19], [35], [60], 62], [66] Qua các nghiên cứu này có thể thấy các tác giả đã tập trung vào các vấn đề dưới đây và còn tồn tại một số các nội dung như sau:

- Tối ưu hóa về chi phí nhiên liệu của thiết bị, việc tối ưu hóa các thông

số kết cấu và thông số làm việc của thiết bị chưa được đề cập đến

- Tối ưu hóa kết cấu thép của cần dạng hộp và vị trí lắp đặt bộ tời, việc tối ưu các thông số của gầu khoan chưa được thực hiện

- Xác định các thông số vận hành hợp lý của máy khoan cọc nhồi có bộ công tác là gầu khoan mở rộng đáy mà không phải là gầu khoan xoay hình trụ đứng Tối ưu hóa các thông số vận hành theo tiêu chí năng suất mở rộng đáy là lớn nhất mà chưa đề cập đến tiêu chí năng lượng riêng nhỏ nhất Việc tối ưu hóa các thông số kết cấu của gầu cũng chưa được xét đến

- Tối ưu hóa các thông số làm việc của gầu mở rộng đáy với địa chất tại

Tp Hồ Chí Minh khác với kiểu gầu xoay và tính chất đất của vùng đồng bằng Bắc Bộ mà luận án đề cập đến

1.2.3 Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết kế, chế tạo máy khoan cọc nhồi tại Việt Nam

Các công trình nghiên cứu về thiết kế, chế tạo máy khoan cọc nhồi tại Việt Nam tập trung tại các tài liệu [4], [5], [47]

Mục tiêu của [4] là giải quyết yêu cầu cấp bách của việc nội địa hóa cụm đầu khoan máy khoan cọc nhồi BG36 Tác giả [4] đã đề xuất ra được công suất cần

thiết khi khoan, đây cũng chính là bước tiền đề cho việc chế tạo trong nước các gầu khoan BG36 thay thế thiết bị nhập ngoại

Tác giả [47] tập trung nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ công tác khoan trong nước vì vậy, việc nghiên cứu, giải bài toán tối ưu để tìm ra bộ thông số hợp lý của gầu khoan chưa được đề cập đến

Tác giả [5] đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mâm quay truyền động hai động cơ thay thế mâm quay truyền động một động cơ cho máy khoan cọc nhồi Đây là đề tài nghiên cứu chỉ phục vụ việc chế tạo mâm quay không phải là nghiên cứu cơ sở lý thuyết để chế tạo toàn bộ bộ công tác của máy khoan cọc nhồi trong nước thay thế thiết bị nhập ngoại

Kết luận Chương 1 và định hướng nghiên cứu

1 Việc nghiên cứu tổng quan các công trình của các tác giả trong và ngoài nước về động lực học máy khoan cọc nhồi, tối ưu hóa thiết kế gầu khoan cũng như nghiên cứu thiết kế chế tạo gầu khoan trong nước ở Chương 1 cho thấy rằng:

Ở khía cạnh động lực học, các công trình trên đây chủ yếu là giới thiệu các phương pháp tính toán động lực học máy hoặc động học của cần khoan tuy nhiên động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực của máy có kể đến ảnh hưởng của nền móng công trình thì chưa được đề cập nhiều tới

Ở khía cạnh phân tích, tối ưu hóa kết cấu của máy khoan cọc nhồi tác giả chủ yếu thực hiện việc tối ưu hóa chi phí nhiên liệu, kết cấu thép của cần khoan, vị trí lắp đặt bộ tời , còn việc tối ưu các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu chưa được thực hiện Ngoài ra, việc xác định các thông số vận hành của máy khoan cọc nhồi chủ yếu được thực hiện với gầu khoan mở rộng đáy, còn gầu khoan xoay hình trụ có kể đến địa chất của vùng Đồng bằng Bắc Bộ cũng chưa được khai thác

Ở khía cạnh thiết kế, chế tạo máy khoan cọc nhồi tại Việt Nam các công trình chủ yếu là nghiên cứu, thiết kế công nghệ phục vụ cho việc chế tạo máy và cải tiến công nghệ khoan còn việc giải bài toán tối ưu để tìm ra bộ thông số hợp lý của gầu khoan trong điều kiện khai thác tại Việt Nam chưa được đề cập đến

2 Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan chung về các vấn đề liên quan đến luận

án xác định được nội dung các chương tiếp theo là:

Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực trên máy có kể đến ảnh hưởng của điều kiện địa chất, nền móng công trình Từ đó đề xuất các thông

số kỹ thuật hợp lý của bộ công tác theo quan điểm động lực học

Nghiên cứu đưa ra các mô hình tính toán để xác định lực cản, mô men cản tác dụng lên bộ công tác trong quá trình máy khoan làm việc có kể đến ảnh hưởng của điều kiện địa chất Việt Nam Từ đó nghiên cứu tính toán để xác định công suất cần thiết dẫn động động cơ quay mâm khoan

Xây dựng và giải bài toán tối ưu để xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của gầu khoan

Nghiên cứu thực nghiệm trên MKCN kiểu gầu xoay lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 do Việt Nam chế tạo

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC CỦA BỘ CÔNG TÁC MÁY KHOAN CỌC NHỒI KIỂU GẦU

XOAY DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 2.1 Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực dẫn động động

cơ thuỷ lực quay mâm khoan

Hình 2.2 Mô hình động lực học hệ truyền động thủy lực dẫn động

động cơ thủy lực quay mâm khoan

Trong đó: Vb1, Vd1: Lưu lượng riêng của bơm và động cơ thủy lực 1, m3/vòng;

Vb2, Vd2: Lưu lượng riêng của bơm và động cơ thủy lực 2, m3/vòng; nb1, nd1 : Số vòng quay của trục bơm và động cơ 1, vòng/s; nb2, nd2 : Số vòng quay của trục bơm và động cơ 2, vòng/s; pa: Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp của động cơ, Pa; pt: Áp suất của dầu công tác trong nhánh thấp áp của động cơ, Pa;

pat: Áp suất cài đặt của van an toàn, Pa; rb1, rd1: Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực 1 và động cơ thủy lực 1, (m3/s)/Pa; rb2, rd2: Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực 2 và động cơ thủy lực 2, (m3/s)/Pa; Ea: Biến dạng đàn hồi trong đường ống cao áp, m3/Pa; Qb: Lưu lượng tổng của 2 bơm, m3/s; Qb1: Lưu lượng của bơm số 1, m3/s; Qb2 : Lưu lượng của bơm số 2, m3/s; Qd: Lưu lượng tổng cần thiết qua 2 động cơ, m3/s; Qd1: Lưu lượng của động cơ 1; m3/s; Qd2: Lưu lượng của động cơ 2; m3/s; Qat : Lưu lượng dầu qua van an toàn, m3/s; Mqt1: Mô men quán tính của động cơ thủy lực 1, N.m; Mqt2: Mô men quán tính của động cơ thủy lực 2, N.m; Mc: Mô men cản chuyển động quay trên gầu khoan, N.m Mc1: Mô men cản chuyển động quay trên trục của động cơ thủy lực 1, N.m; Mc2: Mô men cản chuyển động quay trên trục của động cơ thủy lực 2, N.m

Thông qua việc thiết lập phương trình cần bằng lưu lượng và cân bằng lực thu được hệ phương trình vi phân sau:

Hình 2.6 Áp suất dầu trong khoang

cao áp của động cơ thủy lực dẫn động

mâm khoan

Hình 2.7 Vận tốc góc của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan

Hình 2.8 Tổng công suất của động

cơ thủy lực dẫn động mâm khoan

Hình 2.9 Tổng lưu lượng dầu cung cấp cho động cơ thủy lực dẫn động

mâm khoan

Hình 2.10 Số vòng quay của mâm khoan

2.2 Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực ép mâm khoan

Hình 2.11 Mô hình động lực học hệ truyền động thủy lực xi lanh ép mâm khoan

Trong đó: Vb: Lưu lượng riêng của bơm số 3, m3/vòng; nb: Số vòng quay của trục bơm số 3, vòng/s; rb: Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực số 3, (m3/s)/Pa;

pa: Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp của xi lanh, Pa; pt: Áp suất của dầu công tác trong nhánh thấp áp của xi lanh, Pa; pat: Áp suất cài đặt của van an toàn, Pa; E: Biến dạng đàn hồi trong đường ống cao áp, m3/Pa; Q: Lưu lượng

của bơm số 3, m3/s; Qxl: Lưu lượng cần thiết cung cấp cho xi lanh, m3/s; Qat: Lưu lượng dầu qua van an toàn, m3/s; Fc: Tổng lực cản quy dẫn về cán xi lanh trong quá trình làm việc, N

Sử dụng định luật bảo toàn năng lượng, viết cho phương trình dòng chảy liên tục của dầu công tác trong các đường ống và phương trình cân bằng lực Xét cho trường hợp khi gầu khoan bị kẹt, cần ép xi lanh để gầu khoan thoát qua điểm kẹt ta có hệ phương trình vi phân mô tả hoạt động của hệ thống truyền động thủy lực dẫn động

xi lanh thủy lực ép mâm khoan đi xuống như sau:

Ea.dpa

dt = Vb.nb.X(t) −

Vb [nb] (1 − ηb)[pb] pa− 2A1 vxl− (pa− pat) Kat

mqd

dve

dt = 2(pa A1− ptA2) ηc+ mqd g − FC

(2.33) Một số đồ thị là kết quả của việc giải hệ PTCĐ (2.33) được thể hiện như:

Hình 2.14 Áp suất dầu thủy lực trong

xi lanh ép mâm khoan

Hình 2.15 Lực ép của xi lanh ép mâm

khoan

Hình 2.16 Vận tốc của xi lanh ép mâm khoan

2.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy khoan cọc nhồi

2.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của các tầng địa chất đến các thông số động lực học của hệ thống truyền động thủy lực dẫn động mâm khoan

Sau khi chạy chương trình, các kết quả thu được như sau:

Hình 2.21 Áp suất dầu trong động

cơ dẫn động mâm khoan ứng với các

tầng địa chất khác nhau

Hình 2.22 Số vòng quay của mâm khoan ứng với các tầng địa chất khác

nhau

Hình 2.23 Tổng lưu lượng cung cấp

cho động cơ thủy lực tương ứng với

các tầng địa chất khác nhau

Hình 2.24 Tổng công suất động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các tầng địa chất khác nhau

Hình 2.25 Mô men xoắn trên trục động cơ thủy lực ứng với cáctầng địa chất

16000 N; Fc = 22000 N; Fc = 26000 N), kết quả được thể hiện như các hình sau:

x10 5