Thiết Lập Và Giải Bài Toán Xác Định Các Thông Số Kết Cấu Và Thông Số Làm

Trong đó, randj là một số thực được tạo ngẫu nhiên thuộc [0; 1]. Cr là xác suất lai ghép, rnb(i) là một phần tử được chọn ngẫu nhiên thuộc tập α = [1, 2, …, N].

Chọn lọc: véc tơ con Ui,g và véc tơ mẹ Xi,g được so sánh với nhau. Nếu véc tơ con có thể làm giảm giá trị của hàm mục tiêu so với véc tơ mẹ, nó sẽ thay thế véc tơ mẹ. Quá trình chọn lọc được diễn tả bằng toán học như sau:

Kiểm tra điều kiện dừng: số thế hệ tiến hóa tối đa (Gmax) được chọn làm điều kiện dừng. Quá trình tối ưu hóa sẽ kết thúc khi số thế hệ hiện thời (g) vượt quá giá trị của Gmax. Nếu điều kiện dừng chưa thỏa mãn, quá trình tối ưu hóa sẽ tiếp tục diễn ra. Nếu vị trí của một cá thể không nằm trong vùng khả thi, cách sau đây được áp dụng để điều chỉnh vị trí của cá thể:

Nếu X(k) > Xmax thì Xk = Xmax - ε Nếu X(k) < Xmin thì Xk = X min - ε

Với ε là một số ngẫu nhiên nhỏ: ε = ( Xmax - Xmin) x Rand (0,0.01)

Để xử lý các ràng buộc, hàm mục tiêu mới fn(x) có thể được định nghĩa như sau :

fn x = fo x + Pi(x)

Với: m là số lượng các ràng buộc; Pi (x) là hàm phạt của bài toán. Với ràng buộc có dạng gi (x) ≤ 0, hàm phạt Pi (x) được cho như sau : Pi (x) = ai .max(0, gi (x)) với ai là ký hiệu của hệ số phạt.

3.2. Thiết lập và giải bài toán xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan theo hàm chi phí năng lượng riêng‌

Mục đích của nội dung này là trên cơ sở hình dạng kết cấu gầu khoan và máy cơ sở đã cho trước (cho trước công suất nguồn động lực), tiến hành phân tích nguyên lý kết cấu của gầu khoan trong cụm thiết bị công tác khi khoan ở các vùng đất khác nhau. Trên cơ sở đó, tiến hành xây dựng bài toán, xác định hàm mục tiêu, xây dựng sơ đồ thuật toán và tiến hành giải bài toán để xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan trên MKCN.

3.2.1. Phân tích mối quan hệ giữa các thông số kết cấu và thông số làm việc đến chi phí năng lượng riêng và năng suất‌

Như đã nêu ở những chương trước đây, MKCN kiểu gầu xoay thực hiện quá trình khoan tạo lỗ vào nền đất thông qua việc dẫn động cho gầu quay để cắt và tích

đất vào gầu, sau đó dùng hệ tời cáp thông qua các thanh kelly kéo gầu lên khỏi mặt đất và đổ đất trên mặt nền.

Vấn đề giữ ổn định cho vách hố khoan, đảm bảo năng suất đã xác định trước, khi đã có bản đồ khảo sát nền đất thi công phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các thông số kết cấu của gầu như góc cắt δ của dao cắt, chiều dày lớp vỏ bào (chiều dày phoi đất) C cũng như việc lựa chọn các thông số làm việc mà cụ thể là tốc độ góc của thanh kelly ω và vận tốc dẫn tiến xi lanh Vxl. Trong thực tế vận hành thiết bị, khi thi công nền đất mềm (đất cấp I, II,III) người công nhân sẽ cho máy chạy với ω lớn còn với đất cứng (đất cấp IV,V) thì cho máy chạy với ω thấp hơn. Điều này còn phụ thuộc vào công suất của máy cơ sở.

Đối với một loại máy khoan đã chọn, có các thông số kỹ thuật cố định như công suất N, mô men xoắn của đầu khoan cho trong catalog. Ngoài các thông số của cọc thiết kế (D, H) và tính chất cơ lý của đất đã biết thông qua việc khoan thăm dò địa chất thì việc xác định các thông số kết cấu cho gầu (chọn gầu) và cho thanh kelly quay với vận tóc góc  và Vxl nào là hợp lý chính là bài toán kinh tế - kỹ thuật cần phải nghiên cứu, xem xét.

Mô hình bài toán tối ưu được phát biểu như sau:

“Với một địa hình đất nền cho trước và một hố khoan đã được thiết kế với các thông số bao gồm đường kính lỗ khoan Dl, chiều sâu khoan H, cần xác định các thông số kết cấu tối ưu của gầu khoan là góc cắt δ của lưỡi cắt, thông số làm việc tối ưu là vận tốc góc ω của gầu khoan và vận tốc dẫn tiến của xi lanh ép mâm khoan vxl trên cơ sở chi phí năng lượng riêng E cho quá trình khoan lỗ là nhỏ nhất với điều kiện đảm bảo năng suất khoan Q0 cho trước”.

Hay nói một cách khác, ta có thể phát biểu bài toán như sau:

Xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan máy khoan cọc nhồi đảm bảo chi phí năng lượng riêng E là nhỏ nhất, khi cho trước yêu cầu về cọc khoan nhồi, tính chất cơ lý của nền đất và công suất nguồn dẫn động của máy.

3.2.1.1. Xác định năng lượng riêng E của thiết bị

Năng lượng riêng E của thiết bị bằng tổng công suất chi phí cho 1 chu kỳ làm việc của thiết bị tính cho 1 đơn vị năng suất.

Năng lượng riêng theo [68]:

Trong đó:

E= N , kWh/m3 (3.1)

Q: Năng suất lý thuyết trung bình của máy khoan cọc nhồi, m3/h; N: Tổng công suất chi phí cho một chu kỳ làm việc của máy, kW.

a. Xác định năng suất Q của thiết bị

Năng suất lý thuyết trung bình của máy khoan cọc nhồi có thể xác định theo công thức sau:

Hoặc:

Q đ , TCK

m3/s (3.2)

Trong đó:

3600.V

Q đ,

TCK

m3/h (3.3)

Vđ: Thể tích khối đất đào được sau 1 chu kỳ làm việc, m3 Tck: Thời gian 1 chu kỳ làm việc, s

Tck= T1+ T2+ T3+ T4+ T5, s (3.4)

Trong đó:

T1: Thời gian cắt và tích đất đầy gầu, s

T2: Thời gian kéo gầu lên khỏi hố khoan, s T3: Thời gian quay gầu đến nơi cần đổ, s T4: Thời gian xả đất khỏi gầu, s

T5: Thời gian quay gầu về hố khoan và hạ gầu xuống đáy hố khoan, s

Sau 1 chu kỳ làm việc chỉ có 1 lần đào và tích đất vào gầu, nếu coi thể tích đất đào được trong 1 chu kỳ Vđ bằng thể tích đất điền đầy gầu thì Vđ được xác định như sau:

V  V .R2 .H

, m3

Với:

R: bán kính của gầu khoan, m; Hg: chiều cao của gầu khoan, m.

đ g g

Hình 3.1. Mô tả kích thước của gầu: Dg và Hg

Thay vào công thức (3.3), ta có năng suất lý thuyết trung bình của máy khoan cọc nhồi là:

3600.V 3600..R 2 .H

Q đg ,

m3/h (3.5)

TCK TCK

b. Xác định công suất N của thiết bị

Công suất chi phí cho quá trình khoan một gầu đất bao gồm công suất của quá trình cắt và tích đất vào gầu, công suất kéo gầu lên khỏi hố khoan, công suất quay gầu đến nơi cần đổ và xả đất, công suất quay gầu về hố khoan và hạ gầu xuống đáy hố khoan để bắt đầu 1 chu kỳ mới. Ngoài ra cần xét đến công suất của cặp xi lanh ép mâm khoan.

Gọi N là tổng công suất chi phí cho 1 chu kỳ làm việc của máy, kW;

N= N1+ N2+ N3+ N4+ N5, kW (3.6)

Với:

N1: Công suất cắt và tích đất đầy gầu, kW;

N2: Công suất kéo gầu lên khỏi hố khoan, kW;

N3: Công suất quay gầu chứa đất từ hố khoan đến nơi đổ, kW; N4: Công suất quay gầu rỗng trở về, kW;

N5: Công suất của cặp xi lanh ép mâm khoan, kW.

Công suất cắt và tích đất vào gầu N1 được xác định như sau:

Với:

N M., kW (3.7)

1 1000

M : Tổng mô men cản khi cắt và tích đất vào gầu, N.m; ω: Vận tốc góc của gầu, rad/s.

Theo [25],[47], tổng mô men cản khi cắt đất và tích đất vào gầu được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

M 

M1 

M2 

M3 

M4 

M5 + M6 , N.m (3.8)

M1: Mô men cản cắt thuần túy do hệ lưỡi cắt ở đáy gầu sinh ra, N.m; M2: Mô men cản do quá trình tích đất vào gầu, N.m;

M3: Mô men cản khuấy do gầu và thanh Kelly quay trong dung dịch Bentonit gây ra, N.m;

M4: Mô men cản do các lưỡi cắt thành bên gây ra (lưỡi cắt mở rộng hố khoan), N.m;

A - A

Răng khoan giữa

Răng mở rộng lỗ khoan

M5: Mô men cản sinh ra do ma sát giữa đáy gầu và lớp đất ở đáy hố khoan, N.m; M6: Mô men cản do ma sát trong cụm ổ đỡ mâm khoan, N.m.

Hình 3.2. Các thành phần lực và mô men tác dụng lên gầu khoan

- Mô men cản M1 được xác định theo công thức của N.G. Dombrovski, [47]:

Với:

R: Bán kính gầu, m;

M  K.C.R2 , N.m (3.9)

K: Hệ số cản đào thuần túy phụ thuộc vào cấp đất, N/m2 ; C: chiều dày phoi đất, m.

Chiều dày phoi đất C theo [34] có thể xác định như sau:

- Khi cắt đất, các răng gầu thực hiện quá trình cắt đất dưới tác dụng của lực dọc trục Fao và mô men xoắn M truyền qua thanh Kelly đến gầu.

Fao



- Lực dọc trục Fao khi không ép xi lanh thủy lực chính bằng trọng lượng của toàn bộ thanh Kelly và gầu. Khi kể thêm quá trình ép xi lanh thủy lực thì Fao bao gồm trọng lượng cần khoan và gầu cộng thêm với lực ép của cặp xi lanh thủy lực ép mâm khoan.







Hình 3.3. Sơ đồ biểu diễn các góc của lưỡi cắt

Chiều dày phoi đất được xác định theo [34] như sau:

F F sin 

C  h0 ao.tgao.tg. 

tg tgsin  cos 

(3.10)

.l.

l.

 cos 

Với:

1sin tg tgsin  cos 

 cos 



Trong đó:

φ: Góc ma sát giữa răng gầu với nền đất, γ: Góc trước của lưỡi cắt

β: Góc sắc của lưỡi cắt,  200

: Góc sau của lưỡi cắt,  150  350

δ=β+θ là góc cắt của lưỡi cắt,  300  550

 200  300

l: Chiều dài lưỡi cắt, gần đúng lấy bằng bán kính gầu (l=R) σ: Giới hạn bền nén của đất, N/m2.

Thay công thức (3.10) vào công thức (3.9) chúng ta có công thức xác định mô men cản cắt thuần túy M1 như sau:

M  KCR2 KR2Fao .tg. sin tg tgsin  cos , N.m (3.11)

1 l. cos 



- Mô men cản do quá trình tích đất vào gầu M2 theo [47] xác định như sau:

M Hg ..R 2 .H . , N.m

(3.12)

2 2 g

Với: ρ là tỷ trọng đất, N/m3.

- Mô men cản khuấy khi gầu và thanh kelly quay trong dung dịch Bentonite theo

[47] xác định theo công thức:

b 2 R 3

2 R4 , N.m (3.13)

Trong đó:

M3 

C0X dx g C14

ρb: Tỷ trọng của bùn Bentonite, N/m3; g: Gia tốc trọng trường, m/s2;

C1: Chiều rộng quy kết bản khuấy, C1 = 0,3m  3 cánh khuấy, m.

- Mô men cản do các lưỡi cắt thành bên M4, theo [47] xác định như sau:

M4  2R1.P01 , N.m (3.14)

Trong đó:

R1: Cánh tay đòn của mỗi lưỡi cắt, m;

P01: Lực cắt tiếp tuyến của 2 lưỡi cắt mở rộng hố khoan được xác định như sau:

P01 = K.B.C2, N

K: Hệ số cản cắt riêng (hệ số cản đào thuần túy), kN/m2. B: Bề rộng phoi đất mở rộng, m;

C2: Độ dày phoi đất mở rộng, m;

C  Dl  Dg 22

Với Dl: Đường kính lỗ sau mở rộng, m; Dg: Đường kính gầu, m.

Lưỡi cắt mở rộng lỗ

P01

A - A