Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong điều kiện thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam để tìm ra quy luật thay đổi của các thông số động lực học trong các trường hợp làm việc điển hình của máy. Dựa trên các kết quả nghiên cứu đã thu được, luận án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm động lực học

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- NGUYỄN NGỌC TRUNG NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC TRONG THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG Ở VIỆT NAM Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018
Luận án hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.NGND. Nguyễn Đăng Điệm PGS.TS. Lê Quang Hanh Phản biện 1:.................................................... Phản biện 2:.................................................... Phản biện 3:.................................................... Luận án đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường tại ................................................................................................................ vào hồi ........ giờ ........ ngày ........ tháng ........ năm ........ Có thể tìm hiểu luận án tại:.........................................................
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước là thiết bị phục vụ việc ép các loại cọc bêtông cốt thép đúc sẵn hay các loại cọc thép vào trong nền móng với nhiều ưu điểm. Hiện nay, hầu hết các chủng loại máy ép cọc thủy lực di chuyển bước đang được sử dụng đều được nhập khẩu từ nước ngoài với chi phí khá cao. Các đơn vị sản xuất trong nước chưa có nhiều cơ sở khoa học để tính toán, thiết kế và chế tạo loại thiết bị này. Một trong những vấn đề cần quan tâm là việc nghiên cứu động lực học của máy ứng với các trạng thái làm việc điển hình như quá trình cẩu cung cấp cọc, quá trình ép cọc và quá trình di chuyển máy sẽ làm cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế tối ưu thiết bị dựa trên cơ sở tính toán động, tính toán mỏi, tuổi thọ và ổn định của thiết bị, đồng thời cũng cho phép khuyến nghị được các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thống số làm việc), tăng hiệu quả trong thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị trong nước. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam” được đặt ra là một yêu cầu cấp thiết. 2. Mục tiêu của đề tài Đề tài nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong điều kiện thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam để tìm ra quy luật thay đổi của các thông số động lực học trong các trường hợp làm việc điển hình của máy. Dựa trên các kết quả nghiên cứu đã thu được, luận án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm động lực học. Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo cũng như khai thác sử dụng máy ép cọc di chuyển bước ở Việt Nam. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước sử dụng trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam. b) Phạm vi nghiên cứu: Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước có lực ép 400 – 1000 Tấn sử dụng trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam. 4. Nội dung nghiên cứu
2 - Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề liên quan đến luận án. - Nghiên cứu động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong các quá trình cung cấp cọc, quá trình ép cọc và quá trình di chuyển máy. - Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước. - Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a. Ý nghĩa khoa học: - Tác giả đã nghiên cứu xây dựng bài toán động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước khi hệ thống cần trục cung cấp cọc làm việc và nghiên cứu xây dựng bài toán động lực học của các phần tử thủy lực thuộc máy ép trong quá trình ép cọc và di chuyển máy. Nghiên cứu này giúp cho việc xác định các thông số động lực học của mô hình trong quá trình cung cấp cọc như chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực căng cáp động, lực động tác dụng vào các chân chống máy và trong quá trình ép cọc, di chuyển máy như áp suất động, vận tốc, lưu lượng, độ dịch chuyển của cọc và máy. Từ đó, đã đưa ra các giá trị hệ số động tương ứng với các quá trình làm việc của máy. Các kết quả nghiên cứu thu được đóng góp một phần có ích cho việc tính toán, thiết kế tối ưu thiết bị dựa trên cơ sở tính toán động, tính toán mỏi, tuổi thọ và ổn định của thiết bị. - Quá trình thực nghiệm trên một máy ép cọc thủy lực di chuyển bước đang làm việc tại công trường với các thiết bị đo đạc hiện đại và qui trình thực nghiệm hợp lý đã khẳng định được độ tin cậy của mô hình lý thuyết và là cơ sở để xây dựng phương pháp thực nghiệm trên các loại máy ép cọc thủy lực khác. - Tác giả đã xây dựng được chương trình mô phỏng của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong trường hợp làm việc tổng quát và các trường hợp điển hình. Bằng các chương trình mô phỏng đó, luận án đã khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học của máy và từ đó khuyến nghị các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước theo quan điểm động lực học. 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 máy ép cọc thủy lực di chuyển bước tham khảo trong việc cải tiến thiết kế, chế tạo ra các máy ép cọc thủy lực có chỉ tiêu kính tế - kỹ thuật cao.
3 - Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích phục vụ cho công tác đào tạo thuộc lĩnh vực máy ép cọc thủy lực. 6. Điểm mới của luận án - Luận án đã xây dựng được mô hình ĐLH máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ở các trường hợp làm việc điển hình nâng cọc có kể đến độ chùng cáp và vừa nâng cọc vừa quay bằng mô hình ĐLH trong không gian. Đồng thời, luận án cũng đã xây dựng được mô hình ĐLH hệ thống TĐTL của cơ cấu kẹp cọc, ép cọc và di chuyển dọc máy. Ứng dụng thành công phần mềm Matlab- Simulink đề giải phương trình chuyển động phi tuyến nhiều bậc tự do. - Luận án đã xác định được các đặc trưng dao động, lực căng cáp động, lực động tác dụng vào các chân máy theo góc quay của mâm quay, áp suất động trong các xi lanh thủy lực, hệ số động ứng với các trường hợp làm việc bất lợi của loại máy ép cọc nghiên cứu. - Tiến hành thực nghiệm máy ép cọc thủy lực di chuyển bước làm việc theo điều kiện thực tế với các trường hợp làm việc điển hình của máy như nâng cọc có kể đến độ chùng cáp, vừa nâng cọc vừa quay, kẹp cọc, ép cọc và di chuyển dọc của máy. - Luận án đã xây dựng qui trình các bước xác định thông số kỹ thuật hợp lý của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam theo quan điểm động lực học và xác định được bộ thông số hợp lý (thông số kết cầu và thông số làm việc) của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ86B (Bảng 4.12). Quy trình này cũng có thể áp dụng cho loại máy ép cọc thủy lực di chuyển bước khác. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu máy ép cọc thủy lực di chuyển bước Máy ép cọc thuỷ lực di chuyển kiểu bước thích hợp thi công với các công trình xây dựng dân dụng, xây dựng các công trình cầu vượt. Máy thường sử dụng để ép các loại cọc có đường kính vừa và lớn, quá trình ép - hạ cọc xuống nền đất yếu bằng lực ép tĩnh do các xi lanh thủy lực tạo ra (thường sử dụng ép cọc bê tông cốt thép). Ngoài ra, máy còn có khả năng tự cung cấp cọc nhờ một cần trục được trang bị trên máy, cần trục này cũng được sử dụng để tự tháo lắp và vận chuyển các thiết bị của máy ép (trừ một số bộ phận). Cọc được ép xuống
4 nền tạo thành các đài cọc, áp lực từ công trình truyền xuống các đài cọc, thông qua đó truyền tới nền đất cứng. Hình 1.3. Hình ảnh máy ép cọc thủy lực di chuyển kiểu bước Hình 1.5. Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước 1- Chân thuyền; 2- Sàn công tác; 3- Cabin điều khiển bộ máy ép, bộ máy di chuyển; 4- Xi lanh chân máy; 5- Dầm gia tải; 6- Khung ép; 7- Xi lanh ép; 8- Cần trục cung cấp cọc; 9- Dầm liên kết chân máy; 10- Cụm bánh sắt. Nguyên lý làm việc: Cọc từ bãi cọc được cần trục dạng ống lồng (8) cẩu lên đưa vào trong hộp kẹp cọc. Cọc sau khi được kẹp chặt bằng các xi lanh thuỷ lực, các xi lanh ép cọc (7) sẽ đẩy hộp kẹp cọc cùng cọc đi xuống, nhờ đó cọc được đi sâu vào trong lòng đất. Sau khi hết hành trình của xi lanh ép, xi lanh kẹp cọc sẽ co lại để nhả má kẹp, đồng thời điều khiển cho các xi lanh ép co lại, kéo cả hộp kẹp cọc đi lên. Tiếp tục, điều khiển xi lanh kẹp kẹp chặt cọc và ép cọc đi xuống. Khi kết thúc quá trình ép cọc tại một vị trí, máy ép cọc sẽ di
5 chuyển đến vị trí ép cọc mới, quá trình di chuyển này được thực hiện nhờ các xi lanh thủy lực với 2 xi lanh bố trí dọc máy, 2 xi lanh bố trí ngang máy và 4 xi lanh bố trí theo phương thẳng đứng (4). Bằng việc kết hợp các xi lanh thủy lực này mà máy có thể di chuyển tiến, lùi, sang trái, sang phải hoặc quay. 1.2. Tổng quan các công trình đã nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận án 1.2.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về kết cấu máy ép cọc thủy lực di chuyển bước Đã có nhiều công trình của các nhà khoa học Trung Quốc, Hungary, Việt Nam và các nước khác nghiên cứu về kết cấu thép đã được trình bày trong các tài liệu [33], [49], [52], [58], [61], [62],... Từ các công trình nghiên cứu này NCS đã nhận thấy: các công trình nghiên cứu về kết cấu thép mà các tác giả đã đề cập chủ yếu tính toán, thiết kế trên quan điểm tĩnh học. Hiện vẫn chưa có công trình nào nghiên cứu các lực động phát sinh trong quá trình làm việc của máy, từ đó làm cơ sở cho việc tính toán kết cấu thép theo quan điểm động lực học. 1.2.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu về động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước a) Nghiên cứu động lực học cần trục Trên thế giới và trong nước đã có nhất nhiều công trình nghiên cứu về động lực học cần trục, các nhà khoa học của Bonia, Ba Lan, Korea và các ngước khác nghiên cứu về lĩnh vực này được thể hiện trong các tài liệu [38], [40], [44],... Qua các nghiên cứu này, tác giả nhận thấy các kết quả nghiên cứu tập trung phân tích quỹ đạo chuyển động của hàng, lực phát sinh trong các khâu, khớp và phân tích tần số dao động. Tuy nhiên, việc nghiên cứu động lực học cần trục được lắp trên máy ép cọc thủy lực di chuyển bước như một tổ hợp máy hoàn chỉnh thì chưa có nhiều công trình nghiên cứu, việc xác định các lực động phát sinh trong quá trình làm việc của máy như lực động trong cáp, lực động tác dụng lên các chân máy còn chưa được quan tâm. b) Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực Đã có nhiều nhà khoa học Trung Quốc, Hungary, Việt Nam và các nước khác nghiên cứu về động lực học hệ thống truyền động thủy lực thể hiện trong các tài liệu [50], [51], [52], [60], [65],... Từ các công trình nghiên cứu này, tác giả nhận thấy: các công tình nghiên cứu động lực học của hệ thống các xi lanh
6 thủy lực kẹp cọc và ép cọc có kể đến ảnh hưởng của các yếu tố địa chất, nền móng,… đến các thông số động lực học (áp suất, lưu lượng, lực động,v.v.) vẫn chưa được đề cập nhiều. 1.2.3. Các nghiên cứu về thực nghiệm máy ép cọc thủy lực di chuyển bước Có nhiều công trình của các nhà khoa học Trung Quốc và các nước khác nghiên cứu về thực nghiệm để xác định ứng suất động trong thiết bị thể hiện trong các tài liệu [58], [69],... Qua các nghiên cứu này, tác giả nhận thấy rằng việc đo đạc thực nghiệm trên các máy thực để xác định lực căng cáp động trong cáp thép nâng hàng, lực động tác dụng vào các chân đỡ máy, áp suất động trong xi lanh ép cọc, xi lanh di chuyển máy, vận tốc ép cọc vẫn chưa được đề cập nhiều. KẾT LUẬN CHƯƠNG I VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU Qua phân tích tình hình nghiên cứu của các tác giả trong nước và trên thế giới về những vấn đề liên quan đến nội dung của đề tài đã được đề cập, tác giả nhận thấy còn một số điểm tồn tại mà đè tài cần quan tâm giải quyết như sau: 1. Có nhiều công trình nghiên cứu về động lực học cần trục (cần trục tháp, cần trục cột quay, cần trục ô tô,...) và động lực học hệ thống thủy lực của máy. Tuy nhiên, việc nghiên cứu động lực học cần trục được lắp trên máy ép cọc thủy lực di chuyển bước như một tổ hợp máy hoàn chỉnh thì chưa có nhiều công trình nghiên cứu, việc xác định các lực động phát sinh trong quá trình làm việc của máy như lực động trong cáp, lực động tác dụng lên các chân chống máy và hệ số động lực làm cơ sở cho việc tính toán động, tính toán mỏi, tuổi thọ và ổn định của thiết bị thì còn chưa được đề cập đến. Đồng thời, việc nghiên cứu động lực học của xi lanh ép cọc cũng chưa đề cập đến ảnh hưởng của các yếu tố địa chất, nền móng,… đến các thông số động lực học như áp suất, lưu lượng, lực động,... của máy trong thi công các công trình ở Việt Nam. 2. Do vậy, luận án đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong điều kiện thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam nhằm xác định các tải trong động tác dụng vào máy làm cơ sở cho việc tính toán, thiết kế tối ưu thiết bị dựa trên cơ sở tính toán động, tính toán mỏi, tuổi thọ và ổn định của thiết bị. Đồng thời, từ đó có thể khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm động lực học.
7 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC 2.1. Nghiên cứu động lực học máy khi nâng cọc 2.1.1. Nghiên cứu động lực học máy khi hệ thống cần trục nâng cọc có xét đến độ chùng của cáp. Mô hình động lực học được thể hiện như hình 2.1. Z Z1 a m2 fo q 30 K1 H q3 S1 q2 H2 m3  m4 H3 O Xo X M(q1) q1 Y 1 i1 K1 Y1 D S1 m4 X1 q3 f osin m2  O m3 L O1 X Hình 2.1. Mô hình động lực học khi máy nâng cọc có xét đến độ chùng cáp Trong đó: 1- Mô men quán tính quy dẫn của mô tơ thủy lực nâng cọc và khớp nối, kg.m2; m2- Khối lượng quy dẫn của cần trục về một điểm nằm trên cần, kg; m3- Khối lượng của đối trọng cần trục, kg; m4- Khối lượng của cọc, kg; a- Bội suất cáp; S1- Độ cứng quy dẫn của cáp, N/m; K1- Hệ số dập tắt dao động quy dẫn của cáp, Ns/m; Dt- Đường kính của tang cuốn cáp, m; i1- Tỷ số truyền từ động cơ thủy lực, qua hộp giảm tốc đến tời nâng; q30- Góc lệch ban đầu của cáp thép cùng với cọc tại đỉnh cần trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (mặt phẳng X1O1Z1 ), rad; - Góc lệch ban đầu xét trong mặt phẳng nằm ngang của
8 đường tâm cần của cần trục so với trục OX, rad; - Góc nghiêng của cần so với mặt phẳng nằm ngang; OXYZ- Hệ trục tọa độ tuyệt đối; q1- Chuyển vị góc của trục động cơ thủy lực, rad; q2- Chuyển vị của cọc theo đường trục của cáp thép, m; q3- Góc lắc của cáp thép cùng với cọc xung quanh đỉnh cần trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (mặt phẳng X1O1Z1 ), rad; M(q 1 ) - Đặc tính cơ của mô tơ thủy lực dẫn động cụm puly móc câu của cơ cấu nâng thuộc cần trục cấp cọc. Sau khi tác giả tiến hành viết công thức cho các hàm thế năng, động năng, hao tán và sử dụng phương trình Lagrange II để viết hệ PTCĐ.   Phương trình Lagrange II có dạng: d  T   T    U  Qi , (i = 1 ÷ 3) dt  q i  q i q i q i Tiến hành các bước tính toán và biến đổi cần thiết, tác giả có được hệ phương trình chuyển động viết dưới sạng thu gọn như sau: Giai đoạn 1: 1q1  M(q1 ) (2.1)  1 Giai đoạn 2:  q1  a 2 .R.K1 (R q 1  q 2 )  a 2 .R.S1 (R q1  q 2 )  M(q 1 ) (2.7)  m 4 q 2  a 2 .K1 (R q 1  q 2 )  a 2 .S1 (R q1  q 2 )  m 4 g.cosq 30 1 q1  a 2 .R.K1 (Rq 1  q 2 )  a 2 .R.S1 (R q1  q 2 )  M(q 1 )  Giai đoạn 3: m 4q 2  a 2 .K1 (R q 1  q 2 )  a 2 .S1 (R q1  q 2 )  m 4 g.cos(q 30  q 3 ) (2.21)  m 4 (f Q  q 2 ) q 3  m4 (f Q  q 2 )q 32   m 4 g(f Q  q 2 )sin(q30  q3 ) 2 Một số đồ thị là kết quả của việc giải hệ phương trình (2.1), (2.7) và (2.21) được thể hiện như sau: Hình 2.6. Vận tốc dài của cọc q2 Hình 2.8. Vận tốc góc của cọc q3 Triệt tiêu độ chùng Cọc thoát cáp Một đầu cọc nâng lên, một đầu cọc chạm đất khỏi nền Hình 2.9. Lực căng của cáp thép trong trường hợp nâng hàng có độ chùng cáp
9 2.1.2. Nghiên cứu động lực học máy khi hệ thống cần trục vừa nâng cọc và quay Mô hình động lực học được thể hiện như hình 2.10. Z B Z1 B a f0 m2 q4 q4 q3 K1 q3 H m4 S1 m3 q2 H2 H3 q6 O Xo O1 X f osinq3cosq4 Y Y1 f osinq4 X1 q6 m2  O1 O L2 X m3 L3 L a) M(q1) q1 M(q5) q5 1 5 i2 6 i1 K1 S2 D S1 q6 b) c) a) Mô hình động lực học; b) Sơ đồ cơ cấu quay; c) Sơ đồ cơ cấu nâng hạ cọc Hình 2.10. Mô hình động lực học trong trường hợp máy nâng cọc và quay đồng thời Trong đó: Ngoài các ký hiệu như phần nâng cọc có xét đến độ chùng cáp, còn có thêm các ký hiệu sau: 5- Mô men quán tính quy dẫn của mô tơ thủy lực quay mâm quay và khớp nối, kg.m2; 6- Mômen quán tính quy dẫn của mâm quay, kg.m2; S2- Độ cứng quy dẫn của cơ cấu quay, Nm/rad; q3- góc lắc của cọc trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (X1O1Z1); q4- góc lắc của cọc trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1); q5- chuyển vị góc của động cơ cơ cấu quay, rad; q6- chuyển vị góc của mâm quay cần trục, rad; M(q 5 ) - Đặc tính cơ của cơ cấu quay thuộc cần trục.
10 Sau khi tác giả tiến hành viết công thức cho các hàm thế năng, động năng, hao tán và sử dụng phương trình Lagrange II để viết hệ PTCĐ. Tiến hành các bước tính toán và biến đổi cần thiết, NCS có được hệ phương trình chuyển động viết dưới sạng thu gọn như sau: θ1 q1 -a 2 RK1 .(Rq 1 -q 2 )+a 2 RS1 .(Rq1 -q 2 )=M(q 1 )-m 4 gR   q 2 -Lsinq 4 .q 6 +f o cos 2 q 4 .q 32 +f o q 42 +[sinq 3 cosq 4 (L+f o sinq 3 cosq 4 )+f o sin 2 q 4 ].q 62  2  -2f o cosq 3sinq 4 cosq 4 .q 3 q 6 +2f o sinq 3 .q 4 q 6  a [K1 .(Rq 1 -q 2 )+S1 .(Rq1 -q 2 )]-g(1-cosq 3 cosq 4 )=0  m4  f o cos q 4  2 q 3 -f o cosq 3sinq 4 cosq 4 .q 6 -cosq 3 cosq 4 (L+fo sinq 3 cosq 4 ).q 62 -2cos 2 q 4 .q 2 q 3   +2cosq 3sinq 4 cosq 4 .q 2 q 6 -2f o sinq 4 cosq 4 .q 3 q 4 -2f o cosq 3 cos 2 q 4 .q 4 q 6 +g.sinq 3 cosq 4  0 f  q +(Lcosq 4 +f o sinq 3 ).q 6 +f o sinq 4 cosq 4 .q 32 -[f o cos 2 q 3 sinq 4 cosq 4 -L.sinq3 sinq 4 ].q 26  o 4  -2q 2 q 4 -2sinq3 .q 2 q 6 +2f o cosq 3 cos 2 q 4 .q 3 q 6 +g.cosq 3sinq 4  0 (2.44) θ  q 5 +S2 .(q 5 -i 2 q 6 )=M(q 5 )  5 [θ 6 /m 4 +(L+fo sinq 3 cosq 4 ) 2 +f o 2 sin 2 q 4 ]q 6 -Lsinq 4 .q 2 -f o 2 cosq 3sinq 4 cosq 4 .q 3   +f o (Lcosq 4 +fo sinq 3 ).q 4 +f o sinq 3sinq 4 cosq 4 .q 32 -f o Lsinq 4 .q 24 +2f o cosq 3 sinq 4 cosq 4 .q 2 q 3 2   -2(Lcosq 4 +f o sinq 3 ).q 2 q 4 -2[sinq 3 cosq 4 (L+f o sinq 3 cosq 4 )+f o sin 2 q 4 ].q 2 q 6  +2f o 2 cosq 3sin 2 q 4 .q 3 q 4 +2f o cosq 3 cosq 4 (L+f o sinq 3 cosq 4 ).q 3 q 6   i M cq  -2f o sinq 4 (Lsinq 3 -f o cos q 3 cosq 4 ).q 4 q 6  2 S2 (q 5 -i 2 q 6 )= 2  m4 m4 Một số đồ thị là kết quả của việc giải hệ PTCĐ (2.44) được thể hiện như: 0.3 0.06 0.04 0.2 q`2 [m/s] 0.02 q3 [rad] 0.1 0 0 -0.02 -0.1 -0.04 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Thoi gian, s Thoi gian, s Hình 2.16. Vận tốc của cọc theo Hình 2.17. Chuyển vị góc của cọc q3 trong phương thẳng đứng q2 mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (X1O1Z1) X: 0.2 0.05 9500 Y: 9353 Luc cang nhanh cap hang, N 9000 8500 X: 30.9 Y: 8105 q4 [rad] X: 14.92 Y: 7842 8000 0 7500 7000 6500 -0.05 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Thoi gian, s Thoi gian, s Vừa nâng cọc vừa quay Chỉ quay cọc Phanh hãm quay cọc Hình 2.19. Chuyển vị góc của cọc q4 trong mặt phẳng mặt phẳng vuông góc Hình 2.25. Lực căng trong cáp trường hợp với mặt phẳng chứa cần (Y1O1Z1) nâng cọc và quay đồng thời
11 2.1.3. Xác định lực tác dụng lên các chân chống của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước Mô hình xác định các lực tác dụng lên các chân chống của máy như sau: Z Z1 m2 K1 Fc(t) G2 S1 m4 m3 GQ Gm G3 q6 O Xo O1 X Y2 Y Llt X1 (4) (1) m4 q6 m2 b  mm O2 O1 O L2 X=X2 m3 L3 b L (3) a c a (2) Hình 2.26. Mô hình xác định lực tác dụng lên các chân chống của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong trường hợp máy nâng cọc và quay Trong đó: Gm- Trọng lượng của sàn máy (kể cả đối trọng của máy), N; G2- Trọng lượng cần của cần trục, N; G3- Trọng lượng đối trọng của cần trục, N; GQ- Trọng lượng của cọc, N; Fc(t)- Lực căng cáp (thay đổi theo thời gian), N; - Góc lệch ban đầu của đường tâm cần trục xét trong mặt phẳng nằm ngang ( = q60); Ri- Các lực tác dụng lên chân chống của máy, N; Llt- Khoảng cách giữa tâm của máy và tâm quay của cần trục, N; G- Tổng trọng lượng tác dụng lên 4 chân của máy (coi như G chia đều cho 4 chân chống của máy), N. Lực tác dụng lên từng chân chống được xác định như sau: G Mx My G M My G M My G M My R1    ;R 2   x  ;R 3   x  ;R 4   x  (2.49) 4 2.b 2.c 4 2.b 2.c 4 2.b 2.c 4 2.b 2.c Sau khi chạy chương trình chúng ta thu được các kết quả sau:
12 6 x 10 R1 2 R1 R2 Luc tac dung len cac chan may, N 1.9 R3 R4 1.8 R2 1.7 1.6 R4 1.5 1.4 R3 1.3 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Chuyen vi goc cua toa quay q6, do Hình 2.28. Sự thay đổi lực tác dụng lên các xi lanh chân chống Ri (i = 1÷4) theo góc quay của mâm quay q6 2.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy ép cọc di chuyển bước 2.2.1. Nghiên cứu động lực học hệ thống xi lanh thủy lực khi kẹp cọc a) Trường hợp xi lanh kẹp cọc b) Trường hợp xi lanh kẹp nhả cọc Hình 2.30. Mô hình nghiên cứu động lực học hệ truyền động thủy lực xi lanh kẹp cọc Trong đó: ib- Số bơm làm việc; ixlk- Số xi lanh kẹp; V ob- Lưu lượng riêng của bơm thủy lực, m3/vòng; b- Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực; v k- Vận tốc dịch chuyển của xi lanh kẹp cọc, m/s; p at - Áp suất cài đặt của van an toàn tổng, Pa; k at - Hệ số lưu lượng qua van an toàn tổng, (m3/s)/Pa; m qd - Khối lượng quy dẫn của xi lanh và má kẹp cọc về đỉnh xi lanh kẹp, kg; p a – Áp lực dầu công tác trong nhánh cao áp, Pa; p t – Áp lực dầu công tác trong nhánh thất áp, Pa; A 1 – Diện tích tiết diện khoang cao áp của xi lanh kẹp, m 2 ; A2 – Diện tích tiết diện khoang thấp áp của xi lanh kẹp, m2 ;  c – Hệ số tổn thất trong xi lanh kẹp; FR : Phản lực của cọc tác dụng vào xi lanh kẹp, N.
13 Thông qua việc thiết lập phương trình cần bằng lưu lượng và cân bằng lực, tác giả thu được hệ phương trình vi phân sau:  dpa i  V [n ](1  b )  E a  b . Vob n b X(t)  ob b pa   A1 .v k  (pa  pat )k at  dt i xlk  [pb ]   (2.66)  dvk mqd dt  (pa .A1  pt .A2 ).c  FR 2.2.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống xi lanh thủy lực khi ép cọc D Qxl Ea Pa A1 Qb Pc Qc A2 A B Pt Qt P T d Pa Qat Vob Pt M rob Fqt nb Pat mqd qe Wc Hình 2.31. Mô hình nghiên cứu động lực học hệ truyền động thủy lực xi lanh ép cọc Các ký hiệu trường hợp ép cọc trên hình 2.31 tương tự như trường hợp kẹp cọc. Ngoài ra bổ sung thêm một số ký hiệu như: ixle – Số xi lanh thực hiện ép cọc; m qd - Khối lượng quy dẫn của pít tông ép và cọc về đỉnh pít tông, kg; W C - Lực cản tác dụng vào cọc bao gồm lực cản đầu cọc WR và tổng trở lực bó thân cọc Wms, N. Thông qua việc thiết lập phương trình cần bằng lưu lượng và cân bằng lực, tác giả thu được hệ phương trình vi phân sau:  dpa i b  Vob [n b ](1  b )  E a   Vob n b X(t)  pa   A1.ve  (pa  pat )k at  dt i xle  [pb ]   (2.77) m dv e W ms  WR  qd dt  (pa .A1  pt .A2 ).c  mqd .g  i xle  2.2.3. Nghiên cứu động lực học hệ thống xi lanh thủy lực di chuyển máy Các ký hiệu trường hợp di chuyển máy trên hình 2.32 tương tự như trường hợp kẹp cọc. Ngoài ra bổ sung thêm một số ký hiệu như: ixldc: Số xi lanh di chuyển máy; m qd - Khối lượng quy dẫn của máy về đỉnh xi lanh di chuyển dọc
14 máy, kg; W ms – Tổng trở lực cản do ma sát, N; f – Hệ số ma sát giữa bánh xe và đường ray, G m – Trọng lượng toàn bộ máy (gồm trọng lượng máy và đối trọng), N; Wgio – Lực cản gió tác dụng vào máy, N. mqd qk P 2 , A2 P1,A1 Wgio D d Wms Qt Qxl Pc Fqt Pa Pt Ea Qb B A P T Pa Qat Vob Pt M rob nb Pat Hình 2.32. Mô hình nghiên cứu động lực học hệ TĐTL xi lanh di chuyển máy Thông qua việc thiết lập phương trình cần bằng lưu lượng và cân bằng lực, tác giả thu được hệ phương trình vi phân sau:  dpa i  V [n ](1  b )  E a  b . Vob n b X(t)  ob b pa   A1.vdc  (pa  pat )k at  dt i xldc  [pb ]   (2.87)  dvdc m  qd dt  (p a .A1  p t .A 2 ).c  f.m qd .g  F .p g g Sau khi giải các hệ phương trình vi phân (2.66), (2.77) và (2.87), ta thu được các kết quả sau: Triệt tiêu Triệt tiêu khe hở Quá trình kẹp cọc Co xi lanh tạo khe hở khe hở Quá trình kẹp cọc Co xi lanh tạo khe hở X: 0.301 250 Ap suat kep coc, kG/cm2 Y: 212 4 X: 0.715 200 Van toc kep, m/s Y: 167.3 2 150 0 100 50 X: 0.085 X: 1.408 -2 Y: 15.48 Y: 2.533 0 -4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Thoi gian, s Thoi gian, s Hình 2.37. Áp suất dầu trong khoang xi Hình 2.39. Vận tốc xi lanh kẹp cọc lanh kẹp cọc trong cả quá trình kẹp và nhả cọc Hình 2.42. Áp suất dầu trong khoang Hình 2.43. Vận tốc ép cọc cao áp của một xi lanh chính ép cọc
15 Ap suat xi lanh di chuyen, kG/cm2 60 X: 3.496 Y: 52.15 0.1 X: 3.59 X: 30.4 Van toc di chuyen, m/s Y: 0.08244 Y: 47.03 50 0.08 X: 17.17 X: 16.43 40 Y: 34.9 Y: 0.07991 0.06 30 0.04 20 0.02 10 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Thoi gian, s Khởi Thoi gian, s Khởi Di chuyển dọc máy Phanh hãm máy Di chuyển dọc máy Phanh hãm máy động động Hình 2.45. Áp suất dầu trong khoang Hình 2.47. Vận tốc di chuyển dọc của cao áp của xi lanh di chuyển dọc máy máy KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Sau khi giải thành công các phương trình vi phân chuyển động đã thu được các kết quả tính toán theo lý thuyết. Từ các kết quả nghiên cứu ở chương 2, có thể rút ra một số kết luận sau: 1. Luận án đã xây dựng mô hình ĐLH máy trong các trường hợp làm việc điển hình nâng cọc có kể đến độ chùng cáp và vừa nâng cọc vừa quay bằng mô hình ĐLH trong không gian, thiết lập được các hệ phương trình chuyển động, giải hệ phương trình phi tuyến nhiều bậc tự do bằng cách lập trình trên cơ sở ứng dụng mềm Matlab Simulink. Kết quả xác định được hệ số lực động lớn nhất ở trường hợp nâng cọc có kể đến độ chùng cáp kđ = 1,28; ở trường hợp vừa nâng cọc vừa quay kđ = 1,19. Điều này xảy ra là do khi cọc nâng lên khỏi mặt đất trong trường hợp đầu sẽ gây ra kđ lớn hơn so với trường hợp sau. 2. Xác định được các lực động tác dụng vào các chân chống của máy theo góc quay của mâm quay với sự thay đổi R1 = 1,74 ÷ 1,92.106 N, R2 = 1,64 ÷ 1,89.106 N, R3 = 1,33 ÷ 1,51.106 N và R4 = 1,35 ÷ 1,55.106 N (Bảng 2.1). Các giá trị này có thể sử dụng làm cơ sở để tính toán ổn định động, tính bền, thiết kế tối ưu và tính toán mỏi cho kết cấu thép của thiết bị theo quan điểm động lực học. 3. Tác giả đã thành công trong việc sử dụng phần mềm Matlab-Simulink giải và mô phỏng các thông số ĐLH tương ứng với trường hợp kẹp cọc, ép cọc và di chuyển dọc máy. Kết quả tính toán được biểu thị trên các đồ thị cho thấy, sự biến đổi giá trị của các thông số ĐLH với hệ số động ở trường hợp kẹp cọc kđ = 1,27; ở trường hợp ép cọc kđ = 1,66; ở trường hợp di chuyển dọc máy kđ =1,49. So sánh 3 trường hợp trên cho thấy, ở trường hợp ép cọc kđ có giá trị lớn nhất là 1,66 do khi bắt đầu ép cọc ngoài tác động của lực quán tính, còn có lực cản mà nền tác dụng lên cọc. 4. Kết quả tính toán được biểu diễn trên 34 đồ thị. Phân tích hình dạng và giá trị biên độ ở các đồ thị nhận được của chuyển vị của các khối lượng, lực động trong cáp nâng hạ cọc, lực động tác dụng vào các chân chống máy, áp suất
16 và lưu lượng dầu thủy lực cho thấy sự phù hợp của mô hình tính toán, đồng thời phù hợp với đặc điểm làm việc của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước, có giá trị hệ số động nhận được phù hợp thực tế. Từ đây sẽ giúp ích cho việc nghiên cứu thực nghiệm ở Chương 3, khảo sát xác định các thông số hợp lý của của máy ở Chương 4. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC 3.1. Mục đích thực nghiệm - Đo đạc xác định lực căng cáp động, lực động tác dụng vào các chân máy, áp suất động trong các xi lanh kẹp cọc, ép cọc, di chuyển máy, lưu lượng dầu cung cấp cho xi lanh ép cọc, chuyển vị của cọc và chuyển vị dọc của máy làm cơ sở để so sánh với các kết quả tính toán theo lý thuyết ở chương 2. - Khẳng định độ tin cậy và tính đúng đắn của kết quả nghiên cứu lý thuyết. 3.2. Các thông số thực nghiệm Thực nghiệm xác định lực động phát sinh trong cáp nâng cọc trong hai quá trình: cần trục nâng cọc có độ chùng cáp và quá trình vừa nâng cọc vừa quay; Xác định áp suất động trong các xi lanh chân chống của máy trong quá trình cần trục vừa nâng cọc vừa quay; Xác định áp suất động trong xi lanh kẹp cọc, xi lanh ép cọc và xi lanh di chuyển máy; Xác định lưu lượng cung cấp cho xi lanh ép cọc; Xác định độ dịch chuyển của cọc và độ dịch chuyển dọc của máy. 3.3. Các thiết bị và đối tượng thực nghiệm Hình 3.2. Đầu đo áp suất 520.954S Hình 3.3. Đầu đo lưu lượng R5S7HK75 Hình 3.4. Đầu đo dịch chuyển kiểu Hình 3.5. Đầu đo lực kéo loại DSCK quay của hãng HengStler của hãng BONGSHIN
17 Hình 3.6. Thiết bị thu thập tín hiệu NI-6009 Hình 3.7. Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ860B tại hiện trường 3.4. Sơ đồ khối tiến hành thực nghiệm Quá trình đo đạc, thực nghiệm được tiến hành theo sơ đồ khối sau: Hình 3.14. Sơ đồ quá trình thực nghiệm 3.5. Phân tích và so sánh kết quả thực nghiệm Sau khi đo dạc và xử lý số liệu đo, tác giả đã nhận được các kết quả đo về biểu đồ biến thiên và giá trị của lực căng cáp động, lực động tác dụng vào các chân máy, áp suất động trong các xi lanh kẹp cọc, ép cọc, di chuyển máy, lưu lượng dầu cung cấp cho xi lanh ép cọc, chuyển vị của cọc và chuyển vị dọc của máy. Các giá trị này được thể hiện trong mục 3.6 phần thuyết minh của luận án. Sau đây tác giả xin trình bày một số kết quả đo đạc như sau:
18 Bảng 3.1. Hệ số động của lực căng cáp và áp suất dầu trong các xi lanh thủy lực Hệ số động kđ TT Trường hợp làm việc Lý thuyết Thực nghiệm Một đầu cọc được nâng 1,22 1,13 Nâng cọc có lên, một đầu chạm đất 1 độ chùng cáp Cọc thoát hoàn toàn khỏi 1,03 1,02 nền 2 Nâng cọc đồng thời quay mâm quay 1,19 1,17 3 Phanh hãm dừng quay toa 1,03 1,03 4 Kẹp cọc 1,27 1,14 5 Trường hợp ép cọc 1,66 1,60 Di chuyển dọc Khởi động 1,49 1,45 6 máy Phanh hãm 1,31 1,17 Bảng 3.2. Sai số tương đối của của các thông số đo đạc giữa lý thuyết và thực nghiệm ứng với các trường hợp làm việc của máy TT Trường hợp làm việc Thông số so sánh Sai số  (%) Nâng cọc có độ chùng Lực căng cáp khi nâng cọc khỏi 1 14,5% cáp mặt đất Lực căng cáp khi nâng cọc và Nâng cọc kết hợp quay 8,84% quay 2 mâm quay, sau đó Lực căng cáp khi phanh hãm phanh hãm mâm quay 9,38% mâm quay Áp suất động trong xi lanh thủy 3 Kẹp cọc 8,37% lực kẹp cọc (kG/cm2) Áp suất động trong xi lanh thủy 7,79% Trường hợp ép cọc lực ép cọc (kG/cm2) 4 (chiều sâu ép từ 3,38m Lưu lượng dầu cung cấp cho một 6,48% đến 5,1m) xi lanh chính ép cọc (l/phút) Dịch chuyển của cọc (m) 19,5% Áp suất động trong xi lanh thủy 6,23% 5 Di chuyển dọc máy lực di chuyển dọc máy (kG/cm2) Dịch chuyển dọc của máy (m) 8,14% KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 - Từ các kết quả tính toán bằng lý thuyết Trong các trường hợp làm việc thì trường hợp nâng cọc có kể đến độ chùng cáp (hệ số động kđ = 1,21) và trường hợp nâng cọc khi cáp căng (hệ số động kđ = 1,13) sẽ làm cho máy ép cọc dao động lớn nhất. Trường hợp ép cọc (hệ số động kđ = 1,66) và trường hợp di chuyển (hệ số động kđ = 1,45) sẽ làm cho hệ thủy lực dao động lớn nhất và dễ gây phá hoại các phần tử thủy lực nhất.