Giải Bài Toán Xác Định Thông Số Kết Cấu Và Làm Việc Hợp Lý Của Gầu Khoan Theo Hàm Chi Phí Năng Lượng Riêng E‌

V = Gg + Gk + Gđ + GT, N

Với GT : Trọng lượng của trục chính và vành răng, N;

μ : Hệ số ma sát trong ổ, μ = 0,02 ;

d1 = d2 = dv : Đường kính trung bình của vành ổ đỡ mâm khoan, m. Công suất kéo gầu lên khỏi hố khoan N2 xác định như sau:

N PK .vK , kW

21000

(3.18)

Trong đó:

Có thể bạn quan tâm!

• Sơ Đồ Khối Chương Trình Mô Phỏng Xi Lanh Thủy Lực Ép Mâm Khoan
• Số Vòng Quay Của Mâm Khoan Ứng Với Các Hiệu Suất Bơm Khác Nhau
• 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
• Thuật Toán Giải Bài Toán Chi Phí Năng Lượng Riêng E Theo Phương Pháp Tiến Hoá Vi Phân (De)
• Bảng Tổng Hợp Kết Quả Tính Toán Các Thông Số Kết Cấu Và Làm Việc Của Gầu Khoan Trên Máy Khoan Cọc Nhồi Theo Chi Phí Năng Lượng Riêng E Nhỏ Nhất
• Đồ Thị Quan Hệ Giữa Vận Tốc Góc Của Gầu Vào Tính Chất Cơ Lý Của Nền

Xem toàn bộ 160 trang tài liệu này.

PK: Lực kéo bộ công tác lên khỏi hố khoan, N ;

vK : Vận tốc kéo gầu lên khỏi hố khoan (do cáp nâng thực hiện), m/s.

Gần đúng có thể coi lực kéo PK bằng lực căng cáp treo toàn bộ hệ cần khoan với gầu chứa đầy đất với giả thiết chưa xét đến lực cản do hiệu ứng piston khi kéo gầu lên nhanh khỏi hố khoan hình trụ.

PK = GK + Gg + Gđ, N

Công suất quay gầu từ hố khoan đến vị trí đổ đất N3 được xác định thông qua việc tính mômen cản quay như tính đối với cần trục bánh xích.

Trong đó:

N  Mq .q ,

31000

kW (3.19)

Mq :Tổng mômen cản quay của máy, N.m ; ωq: Vận tốc góc khi quay máy, rad/s.

Công suất quay gầu từ vị trí đổ đất trở về hố khoan N4 xác định như sau:

N  Mqo .q ,

41000

kW (3.20)

Với Mqo : Mômen cản quay máy khi đất đã đổ khỏi gầu (Gđ = 0), N.m;

Công suất khi ép xi lanh thủy lực của 2 xi lanh ép mâm khoan N5 trong quá trình máy làm việc:

Với:

N PXL . vXL ,

51000

kW (3.21)

Pxl: Lực ép của 2 xi lanh thủy lực, N;

vxl: Vận tốc dẫn tiến của 2 xi lanh thủy lực khi ép, m/s.

Thay các công thức (3.4); (3.8); (3.10); (3.11); (3.12); (3.13); (3.14); (3.15);

(3.16); (3.17); (3.18); (3.19); (3.20); (3.21) vào công thức (3.6) sau đó thay vào (3.1) ta có công thức xác định năng lượng riêng cho 1 chu kỳ làm việc của thiết bị như sau:

E  N.TCK 

TCK

K.R 2 Fao tg sin() tg tgsin  cos 

3600.V 3600..R 2 .H  l. cos 



1000

đ g 

.R2.H 2 R4

d  P v

M  M 

P v 

g b .c .2 .

 2R .K.B.C

 R.F .f  V..

v K K 

q q qo q 

XL XL , (kWh / m3 )

2 g 14

Nhận xét:

1 2 ao

2 

1000 1000 1000 1000 

(3.22)

Từ công thức (3.22) ở trên có thể thấy:

1. Tổng công suất và các công suất thành phần phụ thuộc vào các thông số kết

cấu của gầu như bán kính gầu:

D

R= g , chiều cao gầu Hg. Hai thông số này ta có thể

2

xác định được căn cứ vào yêu cầu của đường kính và chiều sâu lỗ cần khoan. Góc cắt của dao cắt  (có liên quan đến chiều dày phoi đất), phụ thuộc vào các thông số làm việc của thiết bị như vận tốc góc của gầu khoan ω và vận tốc dẫn tiến của 2 xilanh thủy lực ép mâm khoan vXL.

2. Ngoài ra năng lượng riêng E còn phụ thuộc vào tính chất cơ lý của nền đất thi công như cấp đất của nền được xác định theo hệ số cản cắt thuần túy K, tỷ trọng đất ρ..vv.

3. Năng lượng riêng E còn phụ thuộc vào các thông số khác của bộ công tác và máy cơ sở thông qua các thành phần mômen cản quay của máy và mômen ma sát trong cụm ổ đỡ mâm khoan.

Như vậy, với một loại đất nền đã biết khi được giao thi công, qua khoan khảo sát thăm dò chúng ta đã có bản đồ địa chất công trình theo chiều sâu lỗ khoan, có được các thông số của lỗ khoan yêu cầu như đường kính lỗ và chiều sâu khoan từ đó cho phép xác định trước đường kính và chiều cao của gầu khoan.

Theo phân tích ở trên, chi phí năng lượng riêng E phụ thuộc vào nhiều thông số, trong đó các thông số kết cấu và làm việc của gầu có ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị của E. Vì vậy, từ bài toán được xây dựng ở trên, hàm mục tiêu của bài toán là xác

định các thông số kết cấu và làm việc của gầu khoan máy khoan cọc nhồi theo chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng có thể phát biểu lại như sau:

“Khi cho hàm chi phí năng lượng riêng E viết dưới dạng E=f(xi) với xiRn là các thông số kết cấu của gầu khoan ( x1=) và thông số làm việc (x2= ; x3=Vxl). Hãy tìm giá trị nhỏ nhất (min) của hàm f(xi) ứng với xiRn và thỏa mãn điều kiện đường kính lỗ khoan Dl và các điều kiện ràng buộc: L<<U; L<< U; vxlL < vxl < vxlU đồng thời đảm bảo công suất nguồn động lực của máy cho trước”.

3.2.1.2. Xác định các điều kiện ràng buộc

Bài toán tối ưu đã phát biểu ở trên cần giải với các điều kiện ràng buộc như sau:

- Đường kính lỗ khoan Dl phải đạt yêu cầu đường kính theo thiết kế đặt ra.

- Năng suất của máy cần phải đạt năng suất quy định trước để đảm bảo tiến độ thi công yêu cầu:

Q0  Q

(3.23)

- Công suất vận hành thiết bị Nmax phải nhỏ hơn công suất của máy cơ sở Nm:

Nmax  Nm

(3.24)

- Tổng mômen cản khi cắt đất và tích đất vào gầu M phải nhỏ hơn mômen xoắn giới hạn Mgh chống sập của đất tính theo lý thuyết cơ học đất:

M  Mgh

(3.25)

- Các thông số kết cấu của gầu phải nằm trong một miền giá trị hợp lý đã xác định trước.

- Công thức trên chưa xét đến độ mòn của dao cắt và coi đất trong một lớp đất là đồng nhất và có cùng cấp đất.

a. Điều kiện ràng buộc về năng suất

Năng suất theo điều kiện:

Q0  Q

Với: Q0: Năng suất yêu cầu đặt ra cho MKCN, m3/s;

Q: Năng suất lý thuyết trung bình của máy khoan cọc nhồi, m3/s;

Q có thể xác định theo công thức (3.3) như sau: Với: TCK là thời gian 1 chu kỳ làm việc, s;

V

Q đ

TCK

, m3 / s

Vđ: Thể tích khối đất đào được sau 1 chu kỳ làm việc, m3.

Tuy nhiên năng suất để đưa vào tính tối ưu theo [19] thường dùng là năng suất



V

đc

T

cắt đất sau 1 vòng quay: QC

C

, m3 / s

Với: Vđc: Thể tích đất cắt được sau 1 vòng quay, m3;

Tc: Thời gian cần thiết để gầu khoan quay được 1 vòng, s.

Sau 1 vòng quay, một lớp phoi đất có chiều dày C được cắt ra khỏi nền và trượt vào trong gầu, điền đầy diện tích trong lòng gầu khoan.

C

Hình 3.5. Sơ đồ phoi đất với chiều dày C

Trên gầu khoan, các răng gầu được bố trí từ mép ngoài của gầu hướng vào tâm gầu theo bán kính và có chiều ngược nhau. Giữa răng gầu và đáy gầu có khe hở để khi gầu quay, răng gầu tiến hành cắt đất và đồng thời đất sẽ theo khe hở đi vào trong gầu. Do khoảng cách giữa các răng gầu là rất nhỏ so với chiều dài của một răng nên có thể coi như trên mặt dưới của gầu có gắn hai lưỡi cắt có chiều dài bằng bán kính gầu. Vậy nên, gần đúng có thể tính thể tích đất cắt được sau 1 vòng quay là:

V  2.R 2 .C  2.

D2

g .C .

D2

g .C , m3

đc 4 2

Gọi Tc là thời gian cần thiết để gầu khoan quay được 1 vòng thì:

T 2 , s

c 

Với: ω là vận tốc góc của gầu khoan, rad/s.

Vậy năng suất cắt đất sau 1 vòng quay là:

.C.D2

g

m3/s

Qc 4 ,

Do đó, điều kiện ràng buộc thứ nhất có thể viết lại như sau:

.C.D2

Q  Q  Q g

(3.26)

OC c OC4

Trong đó:

Qoc: Năng suất cắt đất sau 1 vòng quay yêu cầu, m3/s; Qc: Năng suất cắt đất sau 1 vòng quay tính toán, m3/s.

b. Điều kiện ràng buộc về công suất

Về đặc điểm và nguyên lý hoạt động của MKCN có thể thấy, công suất của máy cơ sở tạo ra để cung cấp cho nhiều thao tác của máy. Động cơ diezel được trích công suất để dẫn động các bơm thủy lực, các bơm thủy lực cung cấp dầu cho các xi lanh thủy lực và 2 động cơ thủy lực dẫn động cần khoan để quay gầu cắt đất.

Ngoài ra, động cơ diezel còn cung cấp công suất để dẫn động tời chính, tời phụ, di chuyển máy, quay máy như một cần trục bánh xích. Nói một cách khác, về bản chất MKCN chính là một thiết bị khoan kiểu gầu xoay có bộ công tác lắp trên máy cơ sở là cần trục bánh xích.

Trong quá trình thực hiện việc khoan đất, máy cơ sở đứng yên, cơ cấu nâng hạ mâm khoan không hoạt động, chỉ có 2 động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan và 2 xi lanh thủy lực ép mâm khoan hoạt động khi cắt và tích đất vào gầu, khi đầy gầu đất chỉ có tời chính kéo cáp nâng hạ cần khoan và gầu khoan hoạt động, khi quay gầu chứa đất để đổ đất và quay trở về chỉ có cơ cấu quay của cần trục hoạt động. Việc xả đất do công nhân kéo lẫy để nắp đậy dưới đáy gầu mở ra để đất rơi ra ngoài do trọng lượng bản thân của đất còn việc đóng nắp đậy ở đáy gầu do người lái dùng tời chính hạ gầu chạm đất làm cho nắp gầu sẽ tự động đóng lại.

Qua phân tích ở trên có thể thấy, các bộ máy dẫn động bộ công tác và các cơ cấu của cần trục cơ sở hoạt động độc lập. Công suất của máy cơ sở ở mỗi thao tác chỉ cần cung cấp cho từng bộ máy riêng rẽ.

Khi tính toán tối ưu cho thiết bị này, chúng ta chỉ cần quan tâm đến công suất tối đa cần thiết cho quá trình khoan đất mà cụ thể là công suất cần thiết lớn nhất cho

quá trình cắt và tích đất vào gầu khi khoan vào đất cứng nhất, quay với số vòng quay lớn nhất, ở chiều sâu hố khoan lớn nhất.

Thực tế tính toán và đo đạc thực nghiệm đã cho thấy, đây là công suất cần thiết lớn nhất trong toàn bộ hoạt động của máy khoan [47].

Từ công thức (3.22) với việc lưu ý đến các nhận xét ở trên thì công thức xác định công suất lớn nhất khi cắt và tích đất vào gầu xác định như sau:

K.R2 . Fao .tgθ( sin(θ-φ) tgφ+tgφ.sinθ+cosθ) 

ω  lσ cosφ 

max N

(3.27)

1000 

π.R2 .H 2 .ρ ρ R4

dv P v m

+ g

+ b .c .ω2

+2R .K.B.C +R.F .f+V.μ. +

XL XL 

 2 g 14

1 2 a0

2 1000 

Nm: Công suất của máy cơ sở (cho trong Catalog của máy).

c. Điều kiện ràng buộc về mô men cản

Để tránh hiện tượng sập hố khoan, tổng mô men cản khi cắt và tích đất vào gầu phải nhỏ hơn giá trị mô men xoắn giới hạn chống sập của đất tính theo lý thuyết của cơ học đất:

Trong đó:

M ≤ Mgh

M: Tổng mô men cản khi cắt và tích đất vào gầu, N.m;

Mgh : Mô men giới hạn chống sập được tính từ lý thuyết cơ học đất, N.m.

- Tổng mô men cản khi cắt và tích đất vào gầu xác định từ các công thức (3.12), (3.13), (3.14), (3.15), (3.17) ở trên được viết lại như sau:

M = M1 + M2 + M3 + M4 + M5+ M6, N.m

M  K.R 2 . Fao tg.(sin() tg tg.sin  cos)

.R 2 .H 2 .

l.

cos

R 4

(3.28)

dv

+ g b .c .2 .

 2.R .K.B.C  R.F .f  V..

2 g 14

1 2 a 02

- Mgh được xác định từ lý thuyết của môn cơ học đất theo [19],[26],[59], như sau:

Mgh = Mb + Mt + Md

Với:

Mb: Mô men kháng ở mặt bên của gầu, N.m; Mt: Mô men kháng ở mặt trên của gầu; N.m;

Md: Mô men kháng ở mặt dưới của gầu, N.m.

M t

Dg

M b

Hg

M d

Hình 3.6. Sơ đồ các thành phần mô men Mgh

- Mô men kháng ở mặt bên tính như sau:

Mb = Ab. τf.R, N.m (3.29)

Với:

Ab: Diện tích mặt bên, Ab = π.Dg.Hg = 2πR.Hg (3.30) τf: Cường độ chống cắt khi đất ở trạng thái bất kỳ có thể xác định theo [22], [28], [57], [58], [59] như sau:

τf = C + [ - pa +  (pa - pn)]. tg (3.31)

Trong đó:

τf : Cường độ chống cắt;

pa: Áp lực không khí trong lỗ rỗng đất; pn: Áp lực nước trong lỗ rỗng;

: Hệ số kể đến mức độ không bão hòa đất khi ở trạng thái khô  = 0; khi bão hòa  = 1.

Thay các công thức (3.31), (3.30) vào công thức (3.29) chúng ta có mô men kháng mặt bên như sau:

Mb = Ab.τf.R = 2π.R2.Hg.τf (3.32)

- Mô men kháng ở mặt trên trong trường hợp khoan cọc nhồi với đầu khoan hình trụ thì Mt = 0.

- Mô men kháng ở mặt dưới Md được xác định với giả thiết sự phân bố sức kháng cắt ở đáy gầu là dạng phân bố đều thì mô men này được xác định theo công thức sau:

3

D

M 2 .g d 3 f 4

3

R

 4.f . 3

(3.33)

Vậy ta có mô men giới hạn của đất tính theo cơ học đất là:

2 R3

Mgh  Mb  Md  2.R .Hg .f  4.f . 3

gh f g

 M . (2R2 .H

4 R3 )

3

(3.34)

g

Thay các công thức (3.28); (3.34) vào công thức (3.25), chúng ta có điều kiện ràng buộc về mô men cản biểu diễn như sau:

K.R 2 .Faotg(sin() tg tg.sin  cos)+

R2 .H 2 .

b

l.

2 R 4

cos

2

dv 2 4 3

(3.35)

.c . .

g 14

 2R1.K.B.C2  R.Fao .f  V.. 2

.f (2R .Hg 3 R )

d. Điều kiện ràng buộc về các thông số làm việc và thông số kết cấu của gầu khoan

Các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu khoan khi giải bài toán tối ưu cần phải giới hạn trong một phạm vi nhất định. Ví dụ như vận tốc góc của gầu khoan nếu nhỏ quá sẽ không đảm bảo năng suất nhưng nếu lớn quá sẽ đòi hỏi công suất của động cơ thủy lực dẫn động gầu khoan lớn. Đồng thời các thông số kết cấu của gầu cũng cần giới hạn trong một phạm vi nhất định vì nó sẽ ảnh hưởng đến năng suất, mô men cản và công suất chi phí cần thiết.

Điều kiện ràng buộc về các thông số làm việc và thông số kết cấu của gầu khoan có thể biểu diễn như sau:

Về góc cắt của lưỡi cắt: min max

Về vận tốc góc của gầu: min max

Về vận tốc của xi lanh thủy lực ép mầm khoan :

VXL min  VXL  VXLmax

3.2.2. Giải bài toán xác định thông số kết cấu và làm việc hợp lý của gầu khoan theo hàm chi phí năng lượng riêng E‌

3.2.2.1. Xây dựng thuật toán và giải bài toán

Có rất nhiều các phương pháp giải bài toán đã được xây dựng theo hàm chi phí năng lượng riêng E như đã nêu trên. Do đặc điểm bài toán xác định các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu khoan theo chỉ tiêu năng lượng riêng E có nhiều biến và khả năng có nhiều giá trị cực trị cục bộ, nên NCS đã chọn phương pháp tiến hoá vi phân (DE) để giải bài toán này. Khi đó, sơ đồ thuật toán cho như Hình 3.7. như sau: