Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
6.1. Giới thiệu chung về búa thủy lực 6.1.1. Đặc điểm
- Búa đóng cọc bằng phương pháp thủy lực làm việc dưới tác dụng của áp suất chất lỏng công tác có trị số lớn từ 10 ÷ 16Mpa (≈ 100 − 160 kG/cm2). Nó có thể đóng các loại cọc bê tông cốt thép, cọc ván thép... trên nhiều loại nền.
Búa đóng cọc thủy lực có thiết bị nén để tạo ra áp suất cho chất lỏng công tác; vì thế nó không gây ô nhiễm môi trường xung quanh; dễ khởi động ngay cả khi làm việc trên nền đất yếu; đặc biệt nó có thể làm việc trong môi trường dưới nước.
6.1.2. Phân loại
- Các búa thủy lực chia thành hai loại búa đơn động và búa song động.
a) Ở loại búa đơn động, chất lỏng công tác chỉ làm nhiệm vụ nâng đầu búa lên cao, còn quá trình búa đi xuống là rơi tự do.
b) Ở loại búa song động, chất lỏng công tác vừa làm nhiệm vụ nâng quả búa lên cao, lại vừa đẩy cho búa rơi xuống có gia tốc.
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
6.1.3. Nguyên lí hoạt động của quả búa song động 6.1.3.1. Quả búa song động do Liên Xô (cũ) chế tạo
- Sơ đồ nguyên lý làm việc của quả búa thủy lực song động theo kết cấu của Viện nghiên cứu máy xây dựng và máy làm đường (Liên Xô cũ) cho trên hình. Ở đây piston 6 của xylanh thủy lực (XLTL) được nối với đầu búa 3, trong hành trình nâng đầu búa (hình .a) dầu cao áp từ bơm qua van phân phối 8 đi vào khoang dưới của XLTL đẩy piston của XLTL đi lên, đồng thời nạp vào ắc quy thủy lực 9, còn dầu thấp áp từ khoang trên của XLTL chảy thẳng về két. Khi piston chuyển động gần đến điểm chết trên làm đóng đường dầu hồi (hình .b), áp suất dầu trong khoang trên XLTL tăng, khi áp suất này đủ lớn thắng được lực cản của lò xo đẩy cần của van phân phối 8 dịch chuyển xuống dưới sẽ làm chuyển chế độ cấp dầu cho XLTL (từ chế độ nâng sang hạ piston). Piston 6 chuyển động chậm dần đến điểm chết trên, lúc này phần dầu còn lại của khoang trên XLTL được nạp vào ắc quy thủy lực (hình .c)
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
Đến điểm chết trên piston dừng lại và khi van phân phối 8 dịch chuyển hoàn toàn sang vị trí cấp dầu hạ pittông thì pittông bắt đầu dịch chuyển xuống dưới với tốc độ tăng dần. Do tốc độ dịch chuyển piston lớn, áp lực dầu trong đường ống giảm và ắc quy thủy lực giải phóng năng lượng. Trước khi đầu búa va vào đầu cọc, piston dịch chuyển xuống dưới cửa, mà qua cửa đó có một lượng nhỏ dầu chảy về đường dầu hồi làm cho áp lực dầu phía trên van phân phối giảm, dưới tác dụng của lò xo con trượt của van phân phối 8 dịch chuyển lên vị trí tương ứng với chu kỳ hạ piston, lúc này đầu búa va đập vào đầu cọc (hình d). Tóm lại van phân phối làm việc hoàn toàn tự động không cần phải điều khiển từ bên ngoài. Quả búa thủy lực song động theo kết cấu trên được sử dụng rộng rãi không chỉ trong thi công cọc mà còn nhiều lĩnh vực khác: cầy xới, phá các lớp bề mặt chai cứng, phá mặt đường...
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi Sơ đồ làm việc của quả búa thủy lực song động
1. Đệm; 2. Thân quả búa; 3. đầu búa; 4. Cần nối; 5. Khoang dầu dưới; 6. Piston; 7. Van ngược; 8. Con trượt van phân phối; 9. Ắc quy thủy lực; 10. Cần piston ắc quy thủy lực; 11. Giảm chấn thủy lực.
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
6.2. Lý thuyết chung về búa thủy lực
- Khi nghiên cứu búa đóng cọc thủy lực (BĐCTL) ta thấy rằng có rất nhiều tham số ảnh hưởng đến quá trình chuyển động của quả búa, ta không thể đưa ra các biểu thức chung cho mọi trường hợp để đồng thời xét đến tất cả các tham số này vì chúng phụ thuộc vào nhau rất phức tạp.
Tùy theo kết cấu và cách bố trí đầu búa trên giá và cọc, ta có thể đưa ra các phương án sau:
+ Nếu xi lanh không liên kết với đầu cọc thì có thể bỏ qua sự có mặt của các tham số về cọc và nền. Vì tác dụng lên cọc của đầu búa chỉ xảy ra ở thời điểm cuối của quá trình rơi.
+ Nếu xét đến ảnh hưởng của độ cứng giá búa thì độ cứng này có ảnh hưởng đến chuyển vị của khối lượng va đập phía trên.
+ Nếu xi lanh nâng búa được đặt trên đầu cọc thì các tham số của cọc và nền nhất định phải tính đến.
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
Vì vậy với BĐCTL đơn khi xét phần cơ bản của chu kỳ làm việc để xác định tham số dẫn động (nâng khối lượng va đập), ta cần xét hai giai đoạn tính toán cơ bản là:
- Thứ nhất: để nâng khối lượng va đập với tính toán có thể của giá búa (không xét tới ảnh hưởng của nền và cọc).
- Thứ hai: để nâng quả búa khi có xét đến các tham số ảnh hưởng của cọc và nền (khi đặt xi lanh nâng búa lên đầu cọc, việc nghiên cứu BĐCTL được phân tích qua nhiều sơ đồ thủy lực từ đơn giản đến phức tạp; từ việc xét các quan hệ tuyến tính đến các quan hệ phi tuyến và được giải trên máy tính tương tự và máy tính số để đạt được kết quả tính toán ngày càng chính xác.
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
6.3. Bài toán chuyển động của quả búa thủy lực kiểu đơn động khi đi lên
- Phương trình chuyển động của quả búa khi đi lên được xác lập từ sơ đồ mô tả trạng thái cân bằng của quả búa theo hình 6.4.
Phương trình chung có dạng:
Trong đó: Px là áp suất dầu có giá trị phụ thuộc vị trí quả búa theo thời gian.
R - Tổng các lực cản do ma sát khi chuyển động (tại các liên kết trượt) và ảnh hưởng của dòng chất lỏng.
Trong phương trình (6.8): áp lực Px phụ thuộc sự thay đổi thể tích chất lỏng trong xi lanh theo mức chuyển dịch của m lên trên, nó là thông số cơ bản ảnh hưởng đến đặc trưng của sự thay đổi vận tốc dx/dt và gia tốc và có thể biểu diễn ở dạng:
(6.8)
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
Trong đó: ∆V − là tổng các thay đổi thể tích chất lỏng trong hệ thống xi lanh do sự biến dạng của ống dẫn của các xi lanh và của chính chất lỏng.
Vo − Dung tích có ban đầu của chất lỏng trong xi lanh (Vx) và ở trong các ống dẫn VT, tức là Vo = Vx + VT.
Tương ứng với lúc bắt đầu chuyển động của m.
Hình: Sơ đồ bài toán khi quả búa đơn động đi lên.
E − Môđuyn đàn hồi quy dẫn của hệ thống. Từ tính toán đường kính và chiều dày thành ống dẫn xi lanh, tính ra E của hệ thống thủy lực này như sau:
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
Trong đó: Ed − Môđuyn đàn hồi của chất lỏng (N/m2);
EM − Môđuyn đàn hồi của vật liệu các ống dẫn thủy lực và xilanh (N/m2);
dTi, dx − đường kính các ống dẫn và xilanh (m);
δTi, δx − Chiều dày thành các ống và xi lanh (m).
6.4. Bài toán chuyển động của quả búa thủy lực kiểu đơn động khi đi xuống
- Sự chuyển động xuống dưới của quả búa được bắt đầu vào thời điểm mở van xung.
Khi chuyển động xuống dưới, pittông sẽ ép chất lỏng từ khoang làm việc của xi lanh qua van xung về đường hồi. Lượng chất lỏng này được tính theo biểu thức sau:
Với x1 là tốc độ chuyển dịch của quả búa
Nếu đường hồi dầu ngắn và ống dẫn có đường kính lớn thì lực cản của dòng chất lỏng không đáng kể so với tổn hao thủy lực và ma sát trong hệ van. Do đó có thể bỏ qua lực cản của dòng chất lỏng trong đường hồi dầu, nghĩa là có thể coi áp lực Pc = 0.
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
Lúc đó lưu lượng chất lỏng khi mở van ở vị trí (đã cho) là:
Trong đó: k − Hệ số lưu lượng chất lỏng;
f − Diện tích lưu thông của vòi từ phía ống hồi dầu;
Px − Áp lực chất lỏng trong xi lanh thủy lực.
Nếu đường ống dẫn dầu có chiều dài lớn thì áp lực đặt trên đường ống sẽ là:
Trong đó: γ − Khối lượng riêng của chất lỏng; λ − Hệ số lực cản được chọn với sự tính toán chế độ chảy rối của dòng chất lỏng như là một đại lượng cơ bản cho quá trình chuyển tiếp; l, d − Chiều dài và đường kính ống dẫn; : Hệ số xét đến tỉ số giữa diện tích xi lanh và đường ống.
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
Mô hình bài toán khi quả búa đi xuống được mô tả trên hình 6.7. Khi đó phương trình vi phân mô tả quá trình đi xuống của quả búa là:
Hình 6.7. Sơ đồ bài toán quả búa đơn động khi đi xuống
Ta coi các tổn hao khác về ma sát trong khe dẫn hướng quả búa là hằng số và biểu diễn là R thì phương trình tổng quát mô tả chuyển động quả búa đi xuống trước khi tiếp xúc với đầu cọc là:
CHƯƠNG 6: BÚA ĐÓNG CỌC THỦY LỰC
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
Với (6.15) thay vào biểu thức của px, ta có:
(6.20)
Vậy phương trình tổng quát mô tả chuyển động của quả búa thủy lực đơn động ở hành trình đi xuống (trước khi tiếp xúc với đầu cọc) là: