Đối Tượng Nghiên Cứu Và Phạm Vi Nghiên Cứu 55532

Hình 1.24. Biểu đồ lực dọc trục và mô men xoắn xuất hiện trên cần khoan của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay trong trường hợp bộ tời chính được gắn lên trên phần dưới của cần. 30

Hình 1.25. Mô hình khảo sát động học gầu mở rộng đáy 31

Hình 1.26. Mô hình xác định mô men cản do lực cản cắt đất gây ra 31

Hình 1.27. Giao diện xuất kết quả 33

Hình 1.28. Sơ đồ phá vỡ đất đá bằng lưỡi cắt khi khoan xoay 35

Hình 2.1. Sơ đồ mạch thủy lực của máy khoan cọc nhồi lắp trên 41

cần trục Hitachi CX500 41

Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động động cơ quay mâm khoan 43

Hình 2.3. Mô hình động lực học hệ truyền động thủy lực dẫn động động cơ thủy lực quay mâm khoan 44

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 160 trang tài liệu này.

Hình 2.4. Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm 51

Hình 2.5. Sơ đồ khối của chương trình mô phỏng động cơ thủy lực quay mâm khoan 51

Hình 2.6. Áp suất dầu trong khoang cao áp của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan .. 52 Hình 2.7. Vận tốc góc của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan 52

Hình 2.8. Tổng công suất của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan 52

Hình 2.9. Tổng lưu lượng dầu cung cấp cho động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan 53

Hình 2.10. Số vòng quay của mâm khoan 53

Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực của xi lanh ép mâm khoan 54

Hình 2.12. Mô hình nghiên cứu động lực học xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan 56

Hình 2.13. Sơ đồ khối chương trình mô phỏng xi lanh thủy lực ép mâm khoan 61

Hình 2.14. Áp suất dầu thủy lực trong xi lanh ép mâm khoan 61

Hình 2.15. Lực ép của xi lanh ép mâm khoan 62

Hình 2.16. Vận tốc của xi lanh ép mâm khoan 62

Hình 2.17. Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm 63

Hình 2.18. Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo cứng 63

Hình 2.19. Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sạn sỏi lẫn cát kết cấu rất chặt 64

Hình 2.20. Sơ đồ mô men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất cuội sỏi lẫn cát sạn đa màu, đa khoáng, kết cấu rất chặt 64

Hình 2.21. Áp suất dầu trong động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các tầng địa chất khác nhau 64

Hình 2.22. Số vòng quay của mâm khoan ứng với các tầng địa chất khác nhau 64

Hình 2.23. Tổng lưu lượng cung cấp cho động cơ thủy lực tương ứng với các tầng địa chất khác nhau 65

Hình 2.24. Tổng công suất động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các tầng địa chất khác nhau 65

Hình 2.25. Mô men xoắn trên trục động cơ thủy lực ứng với các tầng địa chất khác nhau 65

Hình 2.26. Áp suất dầu trong động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 66

Hình 2.27. Số vòng quay của mâm khoan ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 67

Hình 2.28. Tổng lưu lượng cung cấp cho động cơ thủy lực tương ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 67

Hình 2.29. Mô men xoắn trên trục động cơ thủy lực ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 67

Hình 2.30. Tổng công suất động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các giá trị biến dạng đàn hồi khác nhau 68

Hình 2.31. Áp suất dầu trong động cơ mâm khoan ứng với các hiệu suất bơm khác nhau 68

Hình 2.32. Số vòng quay của mâm khoan ứng với các hiệu suất bơm khác nhau ... 69 Hình 2.34. Mô men xoắn trên trục động cơ thủy lực ứng với các hiệu suất bơm khác nhau 69

Hình 2.35. Tổng công suất động cơ dẫn động mâm khoan ứng với các hiệu suất bơm khác nhau 70

Hình 2.36. Áp suất dầu trong xi lanh ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi 71

Hình 2.37. Lực ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi 71

Hình 2.38. Vận tốc ép mâm khoan khi đường kính xi lanh thay đổi 71

Hình 2.39. Áp suất dầu trong xi lanh ép mâm khoan khi thay đổi lực cản tác dụng vào xi lanh 72

Hình 2.40. Lực ép mâm khoan khi thay đổi lực cản tác dụng vào xi lanh 72

Hình 3.1. Mô tả kích thước của gầu: Dg và Hg80

Hình 3.2. Các thành phần lực và mô men tác dụng lên gầu khoan 81

Hình 3.3. Sơ đồ biểu diễn các góc của lưỡi cắt 82

Hình 3.4. Sơ đồ khi dùng lưỡi cắt mở rộng lỗ khoan 84

Hình 3.5. Sơ đồ phoi đất với chiều dày C 88

Hình 3.6. Sơ đồ các thành phần mô men Mgh91

Hình 3.7. Thuật toán giải bài toán chi phí năng lượng riêng E theo phương pháp tiến hoá vi phân (DE) 93

Hình 3.8. Đồ thị quan hệ giữa vận tốc góc của gầu vào tính chất cơ lý của nền ... 109 Hình 4.1. Hình ảnh và thông số kỹ thuật của đầu đo áp suất 520.954S 113

Hình 4.2. Đầu đo lưu lượng R5S7HK75 114

Hình 4.3. Đầu đo dịch chuyển kiểu quay của hãng Coretech và HengStler 115

Hình 4.4. Thiết bị thu thập tín hiệu NI-6009 116

Hình 4.6. Chuẩn bị máy khoan cọc nhồi để thực nghiệm tại địa điểm khoan 117

Hình 4.7. Chuẩn bị thiết bị đo lưu lượng, áp suất, hành trình 117

Hình 4.8. Kết nối thiết bị đo với bộ công tác 118

Hình 4.9. Chạy thử không tải bộ công tác khoan và thiết bị đo 118

Hình 4.10. Thử nghiệm bộ công tác khoan tại Hà Nội 119

Hình 4.11. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với trường hợp đo không tải tốc độ chậm 120

Hình 4.12. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với trường hợp đo không tải tốc độ nhanh 120

Hình 4.13. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm 121

Hình 4.14. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu, xám vàng, xám trắng, trạng thái dẻo cứng 121

Hình 4.15. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất sạn sỏi lẫn cát kết cấu rất chặt 121

Hình 4.16. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất cát hạt nhỏ lẫn sạn sỏi, kết cấu rất chặt 122

Hình 4.17. Lưu lượng và áp suất dầu của động cơ thủy lực ứng với tầng địa chất cuội sỏi lẫn cát sạn đa màu, đa khoáng, kết cấu rất chặt 122

Hình 4.18. Tổng công suất của 2 động cơ quay mâm khoan và mô men xoắn trên gầu khoan ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm 123

Hình 4.19. Tổng công suất của 2 động cơ quay mâm khoan và mô men xoắn trên gầu khoan ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu, xám vàng, xám trắng, trạng thái dẻo cứng 124

Hình 4.20. Tổng công suất của 2 động cơ quay mâm khoan và mô men xoắn trên gầu khoan ứng với tầng địa chất cát hạt nhỏ lẫn sạn sỏi, kết cấu rất chặt 124

Hình 4.21. Tổng công suất 2 động cơ quay mâm khoan và mô men xoắn trên gầu khoan ứng với tầng địa chất cuội sỏi lẫn cát sạn đa màu, đa khoáng, kết cấu rất chặt 124

Hình 4.22. Áp suất dầu thủy lực trong xi lanh ép mâm khoan 125

Hình 4.23. Dịch chuyển của mâm khoan 125

Hình 4.24. Biểu đồ so sánh áp suất dầu trong nhánh cao áp cung cấp cho động cơ thủy lực (tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm, độ sâu từ 26m – 32,5m) 126

Hình 4.25. Biểu đồ so sánh tổng lưu lượng dầu cung cấp cho động cơ thủy lực (tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm, độ sâu từ 26m – 32,5 m) 126

Hình 4.26. Biểu đồ so sánh áp suất dầu trong xi lanh ép mâm khoan 127

Hình 4.27. Biểu đồ so sánh dịch chuyển của mâm khoan 127

MỞ ĐẦU‌

1. Tính cấp thiết của luận án

Giao thông vận tải đường bộ là một bộ phận quan trọng trong kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội, vì vậy cần ưu tiên đầu tư phát triển giao thông vận tải đường bộ để tạo tiền đề, làm động lực phát triển kinh tế - xã hội, phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa, đáp ứng tiến trình hội nhập kinh tế khu vực và quốc tế, góp phần bảo đảm quốc phòng, an ninh. Ngày 24/8/2009 Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số 1327/QĐ-TTg phê duyệt "Quy hoạch phát triển giao thông vận tải đường bộ Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030.

Theo qui hoạch trên, trong tương lai nước ta sẽ xây dựng các tuyến quốc lộ với tổng chiều dài khoảng 18.710 km, đường cao tốc khoảng 20 tuyến với tổng chiều dài 8.871 km, đồng thời với việc phát triển mạng lưới đường bộ thì việc xây dựng cầu cũng cần được triển khai. Ở phía Bắc, một loạt các dự án cầu lớn đã và đang được đầu tư xây dựng như: Cầu Nhật Tân, cầu Hồng Hà, Mễ Sở, Vĩnh Thịnh, Tứ Liên, Đông Trù, Thạch Cầu, Phù Đổng II, Cầu Đuống mới,... Ở phía Nam có các công trình: Cầu Bình Khánh trên sông Nhà Bè, cầu Phước Khánh trên sông Lòng Tòng, cầu Phước Anh trên Sông Thị Vải, cầu Long Thành, cầu Nhơn Trạch, cầu Sài Gòn 2, cầu Phú Thuận... Ngoài các cây cầu bắc qua sông còn một loạt cầu vượt được xây dựng trong đô thị. Do đó, công việc xử lý nền móng đang được đặc biệt quan tâm nhằm tăng chất lượng cho công trình đồng thời tăng tiến độ thi công, đem lại hiệu quả kinh tế. Nhiều loại thiết bị máy móc đang được sử dụng cho việc thi công nền móng nhằm tạo ra các cọc bê tông cốt thép có chiều sâu và đường kính lớn trong nền móng công trình như máy đóng cọc cát, máy ép bấc thấm, máy ép cọc kiểu tĩnh, máy gia cố cọc xi măng đất. Tuy nhiên để thi công các móng nhà cao tầng cũng như thi công các mố trụ cầu, người ta sử dụng phổ biến nhất là các thiết bị khoan cọc nhồi. Trong số các loại máy khoan cọc nhồi đang sử dụng ở Việt Nam hiện nay, loại máy khoan cọc nhồi lắp trên cần trục bánh xích là loại phổ biến nhất vì các ưu điểm nổi bật của nó như: Tính cơ động và độ ổn định cao, máy cơ sở là cần trục nên nó có tính đa năng, làm được nhiều công việc khác nhau và có ở hầu hết các đơn vị thi công cầu hoặc nhà cao tầng.

Các loại máy khoan cọc nhồi kiểu này hiện nay các đơn vị thi công chủ yếu nhập 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. Để giảm bớt khó khăn về tài chính trong việc đầu tư thiết bị, các đơn vị thi công đang tìm cách nghiên cứu, tính toán thiết kế bộ công tác của máy để thay thế thiết bị ngoại nhập. Tuy nhiên 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.

Xuất phát từ yêu cầu của thực tế sản xuất đã nêu ở trên, một số đơn vị đang mong muốn tiến hành hợp tác với các nhà khoa học của các trường Đại học để nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ công tác máy khoan cọc nhồi nhằm thay thế thiết bị nhập ngoại. Nhu cầu cung cấp sản phẩm này cho thị trường Việt Nam với giá thành rẻ chỉ xấp xỉ 1/3 giá thành của thiết bị ngoại nhập là rất lớn. Kết quả nghiên cứu của đề tài được áp dụng vào sản xuất sẽ góp phần tận dụng tiềm năng cơ khí trong nước, hạn chế nhập khẩu máy móc, thiết bị, tiết kiệm ngoại tệ, mang lại việc làm cho người lao động và thúc đẩy ngành cơ khí chế tạo máy trong nước phát triển. Việc nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy khoan cọc nhồi có bộ công tác do Việt Nam chế tạo góp phần đáp ứng đòi hỏi bức thiết của sản xuất đang đặt ra ở 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 nghiên cứu 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. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm và khảo sát, cụ thể như sau:

a) Về lý thuyết:

Xây dựng mạch thủy lực của MKCN, thiết lập các hệ phương trình vi phân, giải các phương trình vi phân để xác định các thông số ĐLH của hệ thống truyền động thủy lực của máy.

Xây dựng các chương trình mô phỏng hệ thống TĐTL bằng phần mềm Matlab Simulink.

Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố địa chất và của điều kiện khai thác đến các thông số ĐLH của hệ thống TĐTL (áp suất, lưu lượng, mômen cản, công suất động cơ dẫn động...) bằng chương trình mô phỏng đã xây dựng.

Giải bài toán tối ưu các thông số kết cấu và thông số làm việc của gầu khoan bằng phương pháp tiến hóa vi phân (DE).

b) Về thực nghiệm:

Nghiên cứu, đo đạc các thông số của hệ thống TĐTL dẫn động bộ công tác khoan trên MKCN CX500 để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu bằng lý thuyết, từ đó so sánh, đánh giá rút ra kết luận về sự đúng đắn của mô hình lý thuyết và độ tin cậy của kết quả. Đề xuất các thông số làm việc hợp lý của thiết bị khi thi công các cọc khoan nhồi tại vùng đồng bằng Bắc Bộ.

c) Về khảo sát:

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng ĐLH, làm cơ sở khuyến nghị các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay khi thi công tại vùng đồng bằng Bắc Bộ.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

a. Ý nghĩa khoa học:

Xây dựng mô hình ĐLH động cơ thuỷ lực dẫn động mâm khoan và ĐLH hệ thống xi lanh thủy ép mâm khoan của MKCN 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 MKCN trong các trường hợp làm việc điển hình, khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng ĐLH 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 MKCN tham khảo trong việc thiết kế, chế tạo bộ công tác của máy có chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao, đồng thời sử dụng để lựa chọn, vận hành thiết bị với các thông số làm việc hợp lý.

Ngoài ra, các kết quả này có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích phục vụ cho công tác đào tạo, NCKH thuộc lĩnh vực MKCN.

6. Điểm mới của luận án

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

Xác định các đặc trưng dao động, áp suất động trong các động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan và các xi lanh thủy lực ép mâm khoan, hệ số động ứng với các trường hợp làm việc bất lợi của máy.

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học hệ thống TĐTL của máy và 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. Từ đó xác định được bộ thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của gầu phục vụ cho việc tính toán thiết kế gầu khoan của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay cũng như việc lựa chọn và vận hành máy trong thực tế.

Tạo ra được phương pháp nghiên cứu thực nghiệm xác định một số thông số kỹ thuật của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay với các trường hợp làm việc điển hình.