Số Vòng Quay Của Mâm Khoan Ứng Với Các Hiệu Suất Bơm Khác Nhau

Số vòng quay của mâm khoan,

Hình 2.32. Số vòng quay của mâm khoan ứng với các hiệu suất bơm khác nhau

Hình 2.33. Tổng lưu lượng cung cấp cho động cơ thủy lực tướng ứng với các hiệu suất bơm khác nhau

Hình 2.34. Mô men xoắn trên trục động cơ thủy lực ứng với các hiệu suất bơm khác nhau

Tong cong suat dong co mam khoan, kW

Hình 2.35. Tổng công suất động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các hiệu suất bơm khác nhau

Nhận xét: Với các giá trị trên có thể thấy rằng, hiệu suất bơm tăng lên sẽ làm tổng công suất của hệ thống tăng lên. Ứng với b = 0,87 thì tổng công suất động cơ đạt 26 kW; b = 0,92 công suất động cơ đạt 30 kW; còn b = 0,96 thì công suất động cơ đạt 34 kW ở giây thứ 5.

2.3.3. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến các thông số động lực học của xi lanh thủy lực ép mâm khoan‌

Từ nội dung nghiên cứu ĐLH hệ thống TĐTL của MKCN ở mục 2.2 Chương 2, có thể nhận thấy một số thông số ảnh hưởng đến quá trình ép mâm khoan bao gồm:

- Đường kính xi lanh ép mâm khoan (D).

- Lực cản tác dụng vào xi lanh ép mâm khoan (Fc). Sau đây là giá trị thay đổi của các thông số:

Bảng 2.3. Giá trị thay đổi của đường kính xi lanh ép mâm khoan D

Ký hiệu

Đơn vị	Các giá trị thay đổi
Đơn vị	(1)	(2)	(3)
D	mm	100	110	130

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 160 trang tài liệu này.

Bảng 2.4. Khảo sát lực cản tác dụng vào xi lanh ép

Ký hiệu

Đơn vị	Các giá trị thay đổi
Đơn vị	(1)	(2)	(3)
Fc	N	16000	22000	26000

2.3.3.1. Khảo sát động lực học hệ thống TĐTL của máy khoan khi thay đổi đường kính xi lanh ép mâm khoan

Với chương trình Matlab Simulink đã xây dựng ở Hình 2.13, các thông số đầu vào khác coi như không đổi lấy theo Bảng 2.2, tiến hành khảo sát khi thay đổi đường kính xi lanh ép mâm khoan (D = 100 mm; D = 110 mm; D = 130 mm) và kết quả được thể hiện như hình sau:

Hình 2.36. Áp suất dầu trong xi lanh ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi

Hình 2.37. Lực ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi

Hình 2.38. Vận tốc ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi

Nhận xét: Khi tăng đường kính xi lanh ép thì áp suất dầu trong các xi lanh giảm, dẫn đến hệ số động kđ cũng giảm, nhưng kích thước xi lanh tăng lên thì tốc độ ép mâm khoan giảm xuống và tốn chi phí chế tạo. Với các kết quả thu được sau khi khảo sát, đường kính xi lanh ép mâm khoan nên chọn D = 100 mm, khi đó áp suất động

lớn nhất trong xi lanh pmax = 25.105 Pa, tốc độ dịch chuyển đạt lớn nhất vxlmax = 0,1 m/s nhưng kết cấu xi lanh gọn hơn.

2.3.3.2. Khảo sát động lực học hệ thống TĐTL của máy khoan khi thay đổi lực cản tác dụng vào xi lanh ép mâm khoan

Ở nội dung tiếp theo, với chương trình Matlab Simulink đã xây dựng ở Hình 2.13, các thông số đầu vào khác coi như không đổi lấy theo Bảng 2.2, tiến hành khảo sát khi thay đổi lực cản tác dụng vào xi lanh ép mâm khoan (Fc = 16000 N; Fc = 22000 N; Fc = 26000 N), kết quả được thể hiện như sau:

Hình 2.39. Áp suất dầu trong xi lanh ép mâm khoan khi thay đổi lực cản tác dụng vào xi lanh

Hình 2.40. Lực ép mâm khoan khi thay đổi lực cản tác dụng vào xi lanh

Nhận xét: Ta có thể thấy khi lực cản tác dụng vào xi lanh tăng lên, áp suất dầu trong xi lanh ép mâm khoan cũng tăng lên và lực do xi lanh ép tạo ra cũng tăng lên theo để đảm bảo thắng lực cản làm cho mâm khoan và gầu có thể di chuyển xuống.

Kết luận Chương 2‌

1. Đã xây dựng được mô hình ĐLH hệ thống TĐTL dẫn động động cơ thuỷ lực quay mâm khoan và mô hình ĐLH hệ thống TĐTL xi lanh ép mâm khoan. Kết quả tính toán cho thấy sự thay đổi của các thông số ĐLH trong các giai đoạn làm việc của máy tương ứng với tầng địa chất sét màu pha xám nâu trạng thái dẻo mềm, cụ thể như sau:

- Áp suất dầu cung cấp cho động cơ thủy lực và số vòng quay của mâm khoan đạt giá trị lớn nhất khi khởi động lần lượt bằng 80.105 Pa và 17,4 vòng/phút.

- Khi khởi động xi lanh thủy lực để ép gầu khoan thì áp suất dầu và lực đẩy của xi lanh đều thay đổi theo thời gian và sau một thời gian ngắn đạt một giá trị xác định khi làm việc bình ổn là 16.105 Pa và 1,63 .104 N. Sự thay đổi của áp suất dầu và lực đẩy của xi lanh phụ thuộc vào sự thay đổi lực cản tác dụng lên gầu khoan.

- Sự dao động của vận tốc với biên độ lớn ở giai đoạn khởi động gây ra tải trọng động lên kết cấu thép của thiết bị. Cần có các giải pháp làm giảm sự thay đổi này như sử dụng tiết lưu trong mạch thủy lực của thiết bị để giảm thiểu tác hại của lực động.

2. Đã tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của tầng địa chất (cấp đất), của biến dạng đàn hồi Ea, hiệu suất của bơm (b), đường kính xi lanh ép mâm khoan (D) cũng như lực cản tác dụng vào xi lanh ép (Fc) đến các thông số ĐLH hệ thống TĐTL của máy. Thông qua việc khảo sát tìm ra được giải các thông số ĐLH của hệ thống TĐTL phụ thuộc vào cấp đất, đây chính là bộ số liệu phục vụ cho bài toán tối ưu ở Chương 3. Kết quả khảo sát cụ thể như sau:

- Khi thực hiện quá trình khoan cọc thì áp suất dầu trong động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan sẽ dao động. Cụ thể sẽ tăng lên khi khoan ở những tầng địa chất có tính chất sạn sỏi, cuội sỏi cứng đạt giá trị max 150.104 Pa, đồng thời ở những tầng địa chất này biên độ dao động của áp suất cũng lớn hơn so với các tầng địa chất như sét mềm.

- Lưu lượng dầu cung cấp cho động cơ thủy lực và số vòng quay của mâm khoan sẽ dao động phụ thuộc vào tầng địa chất. Nếu khoan ở tầng đất cứng như cuội sỏi thì dao động lớn hơn so với khoan ở các tầng sét dẻo mềm. Lưu lượng trung bình tại tầng lớp sạn sỏi, cuội sỏi đạt 240 lít/phút (Hình 2.23), số vòng quay của mâm khoan trung bình đạt 11,8 vòng/phút (Hình 2.22).

- Hiệu suất của bơm làm ảnh hưởng đến các thông số ĐLH của hệ thống và làm công suất của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan thay đổi. Chính vì vậy cần quan tâm để không cho bơm bị rò rỉ dầu làm giảm b.

- Áp suất dầu công tác và vận tốc của xi lanh thủy lực là thông số cơ bản nhất trong hệ thống thủy lực điều khiển bộ công tác khoan. Việc xác định được hai thông số này cho phép xác định được các thông số dẫn xuất như lực đẩy của xi lanh, công suất tiêu thụ của xi lanh, lưu lượng cần thiết cho xi lanh khi làm việc.

3. Ứng với mỗi cấp đất tìm ra được một giá trị cụ thể của số vòng quay của mâm khoan và vận tốc dẫn tiến xi lanh. Việc xác định được hai thông số này có ý nghĩa rất lớn, đây là cơ sở khoa học để thực hiện việc xây dựng và giải bài toán tối ưu của ở Chương 3.

CHƯƠNG 3‌

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU VÀ THÔNG SỐ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA GẦU KHOAN‌

Trong phạm vi của luận án này, các thông số kỹ thuật hợp lý của bộ công tác được hiểu là các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan.

3.1. Tổng quan về bài toán tối ưu trong kỹ thuật‌

3.1.1. Khái niệm về bài toán thiết kế tối ưu kết cấu‌

Theo [33], [44] bài toán thiết kế tối ưu kết cấu là bài toán tối ưu được áp dụng trong thiết kế kỹ thuật nhằm mục đích xác định các thông số kết cấu của hàm mục tiêu theo phương án tối ưu (ví dụ: đảm bảo đủ bền với trọng lượng nhỏ nhất; chi phí vật liệu chế tạo là thấp nhất; chi phí năng lượng nhỏ nhất; chi phí giá thành sản xuất nhỏ nhất;…) mà vẫn đạt được các chỉ tiêu tính năng kỹ thuật của sản phẩm thiết kế.

Các bài toán tối ưu trong kỹ thuật thường gặp là dạng bài toán qui hoạch phi tuyến với nhiều biến độc lập, biến phụ thuộc và ràng buộc. Chính vì vậy, cần lựa chọn phương pháp cho phù hợp nhằm đáp ứng được hàm mục tiêu đặt ra, tạo hội tụ nhanh, tránh hội tụ cục bộ [28], [42].

Quy hoạch phi tuyến là quy hoạch toán học có hàm mục tiêu và, hoặc các ràng buộc là những biểu thức phi tuyến. Các bài toán phi tuyến được chia thành [23]:

- Các bài toán không có ràng buộc;

- Các bài toán có ràng buộc.

Các bài toán có ràng buộc lại được chia thành:

- Các bài toán ràng buộc phương trình ;

- Các bài toán có ràng buộc dạng bất phương trình.

Để chọn phương pháp giải bài toán tối ưu các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu khoan, cần tìm hiểu nghiên cứu đặc điểm và bản chất một số phương pháp giải bài toán quy hoạch phi tuyến hiện nay. Hiện nay có 3 cách giải được các nhà khoa học đánh giá cao là [32]:

- Thuật toán di truyền (GA);

- Thuật toán mô phỏng luyện kim (SA);

- Thuật toán tiến hóa vi phân (DE).

Theo mô hình toán học và hàm mục tiêu của đầu bài đặt ra, do đặc điểm bài toán có nhiều biến và khả năng nhiều điểm cực trị nên lựa chọn phương pháp tiến hóa vi phân (DE) để giải bài toán tối ưu.

3.1.2. Phương pháp giải bài toán phi tuyến hiện nay theo thuật toán tiến hóa vi phân (DE)‌

Năm 1995, Rainer Stom và Kenneth Price đề xuất một thuật toán mới nhằm tìm điểm tối ưu toàn cục cho những bài toán tối ưu tổng hợp, [61]. Trên cơ sở ý tưởng của thuật toán GA, các tác giả đã hoàn thiện cơ chế đột biến và lai ghép để tạo ra một thuật toán mới tin cậy, hiệu quả và đã ứng dụng thành công cho nhiều bài toán tối ưu ở các lĩnh vực khác nhau.

Quá trình tính toán của DE gồm 5 quá trình: khởi tạo quần thể, đột biến, lai ghép, chọn lọc và kiểm tra điều kiện dừng. Giả thiết bài toán phải giải là tìm giá trị nhỏ nhất của hàm mục tiêu f(X), X là véc tơ trong không gian có chiều là D với D là số tham biến độc lập của hàm mục tiêu.

Khởi tạo quần thể: Trong giai đoạn này, tiến hóa vi phân (DE) bắt đầu bằng việc khởi tạo ngẫu nhiên N phần tử của véc tơ Xi,g trong không gian D chiều. Ở đây, Xi,g đóng vai trò là cá thể thứ i trong quần thể có N cá thể, tại thế hệ thứ g.

Đột biến: Trong giai đoạn này, mỗi véc tơ ở thế hệ hiện tại được gọi là một véc tơ mẹ. Đối với mỗi véc tơ mẹ sẽ có một véc tơ đột biến Vi,g được sinh ra theo phương trình sau:

V,=X ,+F(X ,-X ,)

i r1 g r2 g r2 g

Trong đó: r1, r2, và r3 là 3 số nguyên được tạo ngẫu nhiên nằm trong khoảng [1; N]; 3 số nguyên này được tạo sao cho chúng không trùng với thứ tự i của véc tơ mẹ; F là hằng số đột biến.

Lai ghép: Mục đích của quá trình này là làm đa dạng hóa quần thể hiện tại bằng cách trao đổi các thành phần của véc tơ mẹ và véc tơ đột biến. Đầu ra của quá trình lai ghép là véc tơ con Ui,g mà thành phần thứ j của nó, ký hiệu là Uj,i,g, được tạo ra theo cách sau: