TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(78).2014 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY KHOAN - LẮP ĐƯỜNG ỐNG XUYÊN NGANG ĐƯỜNG GIAO THÔNG A STUDY ON THE DESIGN OF A HORIZONTAL AUGER SOIL DRILLING MACHINE FOR PIPELINE INSTALLATION ACROSS THE ROADWAY Dương Viết Cương, Lưu Đức Bình Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; Email: ldbinh@dut.udn.vn Tóm tắt: Hiện nay, nhu cầu thi công ngầm loại đường ống nước, cống thoát nước, đường ống cấp ga, cấp điện, phương tiện truyền thông thông tin… lớn, đặc biệt đô thị lớn Sử dụng máy khoan - lắp đường ống xuyên ngang qua lòng đường để thi công lắp đặt ống ngầm khắc phục phiền tối phương pháp thi cơng lắp đặt nay, như: khối lượng đào đắp lớn, phá vỡ cảnh quan khu vực xây dựng, tiếng ồn, dễ gây ách tắc giao thơng… Bài báo trình bày việc thiết kế phận máy khoan - lắp đường ống xuyên ngang đường giao thông với đường kính ống 300mm, tổng chiều dài ống lắp 30m với điều kiện địa hình đất cấp 1; sử dụng phần mềm Solid Works để mơ tồn kết cấu hoạt động máy máy tính Abstract: Nowadays, the underground construction demand of water supply pipes, drainage tubes, gas supply pipes, power supply, media information… continuously increase, especially in large urban areas The use of an auger soil drilling machine, a combination of drilling - a regular pipeline installation across the roadway to construct and install underground pipes will overcome the nuisance of construction and installation methods now, including: large earthwork volumes, breaking landscape construction, noise, and ease of traffic congestion This paper presents the design of the main parts of the horizontal auger soil drilling machine with a 300mm inner-diameter of tube and 30m of the total length are fitted with soil level conditions; using Solid Works software to simulate the entire structure and operation of the machine on the computer Từ khóa: máy tổ hợp, khoan - lắp đường ống, thi công, thiết kế máy, mô Key words: auger soil drilling machine, drill-assembly pipeline, construction, machine design, simulation Đặt vấn đề Hiện nay, nước phát triển, điển hình nước Mỹ, Canada, Đức, Nhật Bản… thi công lắp đặt đường ống dẫn ngầm băng ngang đường giao thông (đặc biệt đường cao tốc), người ta khơng cịn sử dụng phương pháp đào thủ cơng truyền thống ảnh hưởng đến mơi trường, cản trở giao thơng gây nguy hiểm cho người thi cơng Thay vào áp dụng phương pháp vừa khoan vừa lắp đặt đường ống dẫn ngầm băng ngang đường, với đường kính khác nhau, từ 200mm đến 1500mm Tại Việt Nam, nhu cầu ngầm hoá đường ống cấp nước, cống thoát nước, đường ống cấp gas, cấp điện, đường dây thông tin…là lớn, đặc biệt thành phố lớn Hà nội, TpHCM, Đà Nẵng Phương pháp khoan - lắp đường ống ứng dụng nước ta, chưa phổ biến rộng rãi, nên cịn tình trạng dùng phương pháp đào thủ công để thi công, lắp đặt đường ống dẫn ngầm băng ngang đường Một nguyên nhân cản trở việc ứng dụng phương pháp giá thành máy đắt Đồng thời, tài liệu nghiên cứu loại máy Đây lý việc nghiên cứu thiết kế máy khoan - lắp đường ống với đường kính ống 300mm, tổng chiều dài ống lắp 30m; áp dụng cho điều kiện đất cấp 1, loại đất thành phố đồng nước ta đầu kia, chúng gọi hố đứng khởi hành phía cịn lại hố đứng điểm đến cuối Đặt máy khoan xuống lòng đất từ hố đứng khởi hành, sau vận hành máy khoan đường hầm đẩy máy vào lòng đất pittơng áp lực dầu lắp đặt phía sau máy Pittông áp lực dầu đẩy ống dẫn vào lòng đất tiến hành nối liên tục ống dẫn vào khoảng trống tạo pittông áp lực dầu rút lại Thiết kế máy khoan - lắp đường ống xuyên ngang đường 2.1 Giới thiệu phương pháp khoan - lắp ống Thi công theo phương pháp này, tiến hành cách tạo hai hố đứng đào đường ngầm từ đầu sang Hình Phương pháp khoan-lắp ống xuyên ngang đường Như vậy, hệ thống thiết bị để phục vụ phương pháp thi công phức tạp gồm máy khoan lắp ống, thiết bị đào hố đứng, thiết bị lấy đất, thiết bị đưa ống… Trong giới hạn nghiên cứu, tập trung thiết kế số thiết bị Trong đó, quan trọng máy khoan lắp đường ống 2.2 Thiết kế máy khoan - lắp đường ống Máy khoan - lắp đường ống gồm phận mũi khoan gắn phía trước vít tải, dẫn động trực tiếp động thuỷ lực; toàn phần di chuyển tịnh tiến dọc bàn trượt thân máy (song song với vít tải) xilanh thuỷ lực Ngồi cịn có cặp xilanh Dương Viết Cương, Lưu Đức Bình thuỷ lực khác khoá bàn trượt trước sau làm việc Sơ đồ nguyên lý máy mô tả hình 2: Hố đứng khởi hành xilanh đẩy Mũi khoan động dầu Vít tải Kn: hệ số phụ thuộc góc nghiêng vít tải Kn = = 00 (vít tải nằm ngang) Thay hệ số vào cơng thức, ta có: Q = 1,83 (tấn/h) P = 0,61 (kW) * Xác định mơmen xoắn vít tải: Mơmen xoắn vít tải xác định theo công thức [3]: M xv = 9,55.106 Hình Sơ đồ động máy khoan - lắp đường ống 2.2.1 Tính tốn momen xoắn lực dọc trục cần thiết khoan đất a Tính mơmen xoắn cần thiết: * Xác định mômen xoắn cắt đất: Theo [2], với phương pháp thí nghiệm Field Vane Test, ta có cơng thức để tính mơmen xoắn máy khoan đất: = KC: Hệ số chất đồng tiết diện máng, vật liệu nặng sắc cạnh có: KC = 0,125 M xc D2 H D3 + Q.L 360 (2.6) Thay vào ta được: Mxv = 9,72 (Nm) Vậy, mômen xoắn cần khoan tính tổng mơmen vít tải mômen cắt đất: Mx = Mxc + Mxv = 28,86 (Nm) b Tính lực dọc trục cần thiết * Xác định lực dọc trục vít tải: Lực dọc trục vít tải xác định: [3] Pvt = M xv R.tg ( + ) (2.7) với, R: khoảng cách vật liệu đến trục vít tải (mm), R = (0,3 0,4).D, chọn R = 1,0 với, τ: độ bền cắt đất Với đất cấp (cát pha sỏi, khô), chọn τ = 4,5(daN/cm2) [2] Mxc: mơmen xoắn cắt đất D, H: đường kính, chiều dài mũi khoan Theo thiết kế, D = 300(mm); H = (30m) Suy ra, mômen xoắn cắt đất: Mxc = 19,14 (Nm) * Xác định công suất P vít tải: Đối với vít tải nằm ngang, theo [3]cơng suất trục vít tải xác định: P = C0 P n (2.3) với, L: chiều dài vận chuyển vật liệu theo phương ngang: L = 30 (m) Co: hệ số lực cản ma sát với vật liệu vận chuyển, với cát có Co = 4,0 [3] Q: suất vít tải, xác định sau: Q = ¼(60..p.n..Kv.Kc.Kn) (tấn/h) đó, D: đường kính vít tải, D = 0,3 (m) p: bước vít tải (mm), chọn p = 0,8.D = 240 (mm) : khối lượng riêng vật liệu vận chuyển (tấn/m3) Với vật liệu cát: = 1,4 1,65 Chọn = 1,5 n: số vịng quay vít tải (vòng/ph) Kv: hệ số phụ thuộc vật liệu.Với vật liệu cát vật liệu nặng, sắc cạnh: Kv = 30 : góc nâng đường xoắn vít (độ): tg = p = 0,382 = 20,90 2R : góc ma sát vật liệu vận chuyển với cánh vít, tgδ = f: hệ số ma sát vật liệu vận chuyển với cánh vít Với vật liệu chuyển đất cát f = 0,8 δ = 58,65o Do đó, ta có lực dọc trục vít tải: Pvt = 204,37 (N) * Tính lực dọc trục đầu khoan: Mơ men ma sát tính cơng thức sau: Mms = Mxc.f chọn, f = 0,15 [3] Suy ra,Mms = 4,33 (Nm) Do vậy, lực dọc trục đầu khoan tính sau: Pdk = M ms = 14.330 ( N ) D Như vậy, lực dọc trục cần thiết đầu khoan tính tổng lực dọc trục đầu khoan Pđk lực dọc trục vít tải Pvt: P = Pđk + Pvt = 14.632 (N) 2.2.2 Thiết kế hệ thống dẫn động Với Mơ men xoắn lực dọc trục tính trên, ta chọn sơ thông số sau: - Tốc độ quay động dầu: nmax = 600 (v/ph); nmin = 60 (v/ph) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(78).2014 - Mô men xoắn trục động Mx = 28,86 (N.m); P = 14.632 (N) a Tính áp suất dầu cấp vào Theo [4], tính áp suất vào động cơ: p1 = p + 20..M x qd - Lưu lượng vào: Qd = 13,333 (l/vg) - Áp suất vào: pd = 69,23 (bar) 2.2.3 Thiết kế hệ thống điều khiển thuỷ lực Từ sơ đồ động máy, xây dựng sơ đồ hệ thống điều khiển thuỷ lực sau: với, pT: áp suất dầu khỏi van phân phối để bể dầu, chọn pT = (bar) p2: áp suất khỏi động thủy lực, ta chọn p2 = 30 (bar) qd = 0,02 (l/vg) = 20 (cm3/vg) Vậy, p1 = 69,23 (bar) Do đó, áp suất dầu vào van phân phối ps là: ps = p1 + p2 – pT = 146,6 (bar) b Tính lưu lượng qua động thuỷ lực Lưu lượng qua động thủy lực đảm bảo quay với tốc độ nmax nmin xác định: Q= Dm n (l/ph) v chọn, ηv = 0,9 Ta được: Qmax = 13,333 (l/ph); Qmin = 1,333 (l/ph) Để đảm bảo lưu lượng tính tốn cho tồn hệ thống, ta sử dụng: Qmax = 13,333 (l/ph) Nếu kể tổn thất lưu lượng ΔQ qua cấu hệ thống qua ống dẫn lưu lượng cần thiết hệ là: Q = Qmax + ΔQ Chọn ΔQ = (l/ph), nên: Q = 14,333 (l/ph) c Tính chọn bơm dầu Từ tính tốn [1], tổn thất từ bơm đến động thuỷ lực xác định bằng: Δp = 4,438 (bar) Để đảm bảo công suất làm việc p1 cho động thủy lực áp suất cung cấp bơm dầu cần phải sử dụng là: p0 = ps+ Δp = 151,042 (bar) Dựa vào đặc điểm làm việc hệ thống thủy lực, ta chọn loại bơm bánh có thơng số cần thiết sau: - Lưu lượng: Qb = 16 (l/ph) - Áp suất: pb = 160 (bar) - Lưu lượng riêng: Db = 10 (cm3/vg) - Số vòng quay: nb = 1450 (vg/ph) - Công suất: N = (kW) d Chọn động thuỷ lực Chọn động thuỷ lực kiểu bánh ăn khớp ngoài, dạng thẳng, có biên dạng thân khai, với thông số là: - Mômen quay: M = 28,86 (N.m) - Số vòng quay: 60 600 (vg/ph) - Lưu lượng riêng: Dd = 0,02 (l/vg) Hình Hệ thống điều khiển thuỷ lực máy Với nguyên lý hoạt động máy: Động thủy lực quay, xilanh B tịnh tiến xuống khóa giá trượt sau máy Sau xilanh B khoá, xilanh A tịnh tiến với chiều dài 200mm (b3), sau xilanh B rút lui thơi khóa giá trượt sau (b4), tiếp xilanh C tác động tịnh tiến xuống khóa giá trượt trước (b5) Lúc này, xilanh A rút lui mang theo giá trượt sau tịnh tiến 200mm (b6) Xong xilanh C rút lui thơi khóa giá trượt sau (b7) Khi đó, xilanh khóa B tiếp tục tịnh tiến khóa giá trượt sau (b8 ≡ b1) Cứ ta thực chu trình để thao tác lắp xong đoạn ống Sau đó, ta lui cụm giá trượt về, làm ngược lại với lúc tiến khoan lắp đoạn ống Thực lắp xong Từ đó, xây dựng biểu đồ trạng thái mơ tả trình tự hoạt động máy: Hình Biểu đồ trạng thái trình tự hoạt động máy 2.2.4 Tính chọn đầu mũi khoan vít tải Đầu khoan tính chọn rãnh xoắn ruột gà đan xen với tạo thành bước xoắn 90mm Mặt đầu mũi Dương Viết Cương, Lưu Đức Bình 10 khoan có bố trí dãy mũi kim loại hợp kim cứng lệch 900 để khoan đất Đoạn chi thiết kế hình lục giác để lắp đặt với trục vít tải 2.2.5 Tính chọn phận khác a Chọn kết cấu trượt Thanh trượt có bề mặt làm việc dưới, dầm bàn máy Hình Bản vẽ chi tiết trượt b Chọn kết cấu giá đỡ trượt Các giá đỡ trượt có nhiệm vụ đỡ tồn kết cấu máy, cho phép trượt di trượt tịnh tiến để lắp đoạn ống Kết cấu trình bày hình Hình Bản vẽ chi tiết mũi khoan Vít tải thiết kế có bước vít 180 mm, đường kính 300mm Vít tải chế tạo từ Inox, trục rỗng có đường kính 76mm, dày 10mm Hình Bản vẽ chi tiết vít tải Dùng phần mềm RDM 6.0 để kiểm tra độ bền trục khoan với mô men xoắn M = 28,86 (Nm) Ta có biểu đồ hình Kết đảm bảo bền Hình Bản vẽ chi tiết cụm trượt trước sau Ngồi ra, cịn có kết cấu chân bàn máy, hệ thống đỡ động cơ, thuỷ lực… 2.3 Ứng dụng tin học thiết kế mô máy Để thuận lợi cho việc thiết kế, kiểm tra bền, hợp lý thiết kế kết cấu… chúng tơi sử dụng phần mềm SolidWorks để mơ hình hoá dạng 3D tất chi tiết; lắp ráp chúng lại thành mơ hình máy cho hoạt động mô chuyển động máy khoan - lắp Hình Biểu đồ ứng suất vít tải TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(78).2014 Hình 10 Mơ hình máy khoan-lắp ống máy tính 11 Kết Bài báo giới thiệu q trình tính tốn thơng số thiết kế kết cấu phận máy khoan - lắp đường ống xuyên ngang đường với đường kính ống 300mm, tổng chiều dài lắp ống 30m; kiểm tra tính đắn q trình thiết kế nhờ ứng dụng máy tính thiết kế, lắp ráp, mơ chuyển động máy Cung cấp tư liệu làm sở cho trình thiết kế chế tạo máy khoan - lắp đường ống phục vụ cho công tác thi cơng ngầm cơng trình lắp đặt cáp quang, cáp điện; cấp thoát nước sinh hoạt… thành phố Đà Nẵng vùng đồng Việt nam Tài liệu tham khảo [1] Dương Viết Cương, Nghiên cứu thiết kế máy tổ hợp khoan - lắp đường ống băng đường giao thông, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng, 2013 [2] GS.TSKH Bùi Anh Định, PGS.TS Nguyễn Sỹ Ngọc, Nền móng cơng trình cầu đường, Nhà xuất Xây dựng, 2005 [3] PGS.TS Nguyễn Ngọc Pi, Tính tốn thiết kế vít tải, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, 2001 [4] Trần Ngọc Hải, Trần Xuân Tùy, Hệ thống truyền động thuỷ truyền động khí nén, Nhà xuất Xây dựng, 2012 [5] Trần Xuân Tùy, Hệ thống điều khiển tự động thuỷ lực, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2002 Hình 11 Lập chuyển động, trình tự hoạt động máy (BBT nhận bài: 23/12/2013, phản biện xong: 06/01/2014)