Báo cáo khoa học: "MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÔ PHỎNG TRONG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MỘT SỐ MÁY VÀ THIẾT BỊ SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG TIÊU BIỂU" pps

MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MƠ PHỎNG TRONG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MỘT SỐ MÁY VÀ THIẾT BỊ SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG TIÊU BIỂU PGS TS NGUYỄN VĂN VỊNH KS NGUYỄN THOẠI ANH Bộ môn Máy xây dựng - Xếp dỡ Khoa Cơ khí Trường Đại học Giao thơng Vận tải Tóm tắt: Báo cáo trình bày tóm tắt kết nghiên cứu thu tiến hành đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2006-04-18 “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mơ tính tốn, thiết kế số máy thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng tiêu biểu” Các kết đề tài sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích phục vụ cho việc tính tốn thiết kế, chế tạo nước thiết bị như: máy sàng, máy trộn BTXM, hệ thống rung động đúc dầm BTCT phục vụ giảng dạy Summary: The report briefly represents achieved result when carrying out scientific research subject at ministerial level B2006-04-18 “Study and Application of imitation technology in calculation and design of machinery and production equipment for specific construction material” Results of this subject can be used as useful reference for calculation, design and domestic manufacturing of equipments such as: sieve machine concrete mixing plant, reinforced-concrete girder casting system as well as for training CK I ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm đổi vừa qua, lãnh đạo Đảng nghiệp phát triển kinh tế-xã hội đất nước thu thắng lợi to lớn Cơ sở hạ tầng, mặt đô thị đạng thay đổi ngày Đóng góp vào thành tích chung có đóng góp ngành xây dựng dân dụng, xây dựng cơng trình giao thơng, thuỷ lợi… Cùng với tốc độ phát triển ngành xây dựng nhu cầu ngày lớn máy móc thiết bị thi cơng nói chung, máy thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng nói riêng Để đáp ứng nhu cầu trên, ngành chế tạo máy nước nhà cần phải có bước đột phá q trình nội địa hố, chế tạo sản phẩm khí nước Để tiết kiệm ngoại tệ, tận dụng tiềm khí nước, đơn vị khí, viện nghiên cứu nước mạnh dạn tính tốn, thiết kế, chế tạo máy móc thiết bị, sản xuất vật liệu xây dựng nhằm thay thiết bị ngoại nhập Qua trình sử dụng thiết bị chế tạo nước bộc lộ số nhược điểm chất lượng thấp, tuổi thọ ngắn, độ tin cậy, độ bền chưa cao Với phát triển nhanh chóng cơng nghệ thơng tin, nhiều phần mềm mạnh công nghệ CAD, CAM xuất ứng dụng rộng rãi Kỹ thuật mô ngày phát triển, ứng dụng nhiều lĩnh vực, có ngành chế tạo máy Do máy thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng đa dạng phong phú chủng loại nên bước đầu lựa chọn 03 loại máy tiêu biểu cho nhóm máy là: máy sàng, máy trộn bê tông xi măng hệ thống rung động đúc dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực làm đối tượng nghiên cứu đề tài II NỘI DUNG 2.1 Đánh giá tình hình chế tạo, sử dụng máy sàng, máy trộn bê tông xi măng, bàn rung Việt Nam Qua trình khảo sát đơn vị xây dựng CTGT lớn Việt Nam Tổng công ty xây dựng Thăng Long, Tổng công ty xây dựng CTGT số đơn vị khác Chúng tơi thấy đa số máy móc thiết bị nói chủ yếu thiết bị ngoại nhập Để chế tạo trạm trộn BTXM, bê tông nhựa nóng loại bàn rung đúc cấu kiện bê tông cốt thép, Việt Nam có số đơn vị tự thiết kế, chế tạo loại máy sàng, máy trộn BTXM, bàn rung, hệ thống rung động đúc dầm Đối với loại trạm trộn BTNN, cơng ty khí ơtơ 1/5, cơng ty khí cơng trình số đơn vị khí khác bên cạnh với việc nhập loại máy sàng từ Hàn Quốc, chế tạo lắp đặt sàng rung quán tính trạm để thay thiết bị nhập ngoại Từ thực tế đưa vào sử dụng cho thấy, loại máy sàng chế tạo nước có chất lượng chưa cao tuổi thọ ngắn làm việc môi trường khắc nghiệt, nhiều bụi Qua trình khảo sát tình hình sử dụng chế tạo loại máy sàng, máy trộn BTXM, hệ ván khuôn đúc dầm BTCT Việt Nam chúng tơi có số nhận xét sau đây: - Với phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin kỹ thuật mơ hồn tồn tự thiết kế, chế tạo nước loại thiết bị để thay thiết bị nhập ngoại với trợ giúp phần mềm tiên tiến có - Với khả cơng nghệ khí nước nhà, hồn tồn làm chủ công nghệ chế tạo sản phẩm có chất lượng tương đương thiết bị nhập ngoại có cơng trình nghiên cứu bản, toàn diện máy thiết bị sản xuất VLXD 2.2 Mô hoạt động số máy thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng tiêu biểu 2.2.1 Máy sàng rung Ứng dụng ngơn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 để tính tốn suất công suất máy sàng rung vô hướng, máy sàng rung có hướng Dựa cơng thức tính tốn suất cơng suất máy sàng rung diễn giải chi tiết tài liệu chuyên ngành, với mục đích khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến suất công suất máy, sử dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 để xây dựng chương trình tính tốn với sơ đồ thuật tốn hình Ứng dụng phần mềm Dynamic Designer Motion mô trình thiết kế lắp ghép máy sàng rung Trên sở khai thác tính ưu việt phần mềm Dynamic Designer Motion (DDM) tiến hành thiết kế mô hoạt động máy sàng rung Kết cụ CKck ck thể thể hình Hình Sơ đồ thuật tốn xác định suất, công suất máy sàng rung CK Hình Giao diện tính tốn cơng suất máy sàng rung Hình Hình vẽ tổng thể máy sàng rung vô hướng Inventor 2.2.2 Máy trộn bê tông xi măng Ứng dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 để tính tốn suất công suất máy trộn Tương tự trên, chúng tơi xây dựng chương trình tính suất công suất máy trộn với sơ đồ thuật tốn hình Hình Sơ đồ khối thuật tốn xác định suất, cơng suất máy trộn kiểu Rơto, hành tinh CKck ck Hình Giao diện tính tốn cơng suất máy trộn kiểu Rôto, hành tinh Ứng dụng phần mềm Dynamic Designer Motion mơ q trình thiết kế lắp ghép máy trộn bê tông xi măng kiểu rô to Tương tự trên, tiến hành mô cho máy trộn bê tông xi măng kiểu Rô to Hình Mơ hình máy trộn bê tơng xi măng kiểu Rô to mô 2.3 Nghiên cứu động lực học số máy thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng tiêu biểu 2.3.1 Nghiên cứu động lực học máy trộn bê tông xi măng kiểu dẫn động ngang trục Với mục đích đặt nghiên cứu ảnh hưởng lực động tới biến dạng trục hệ máy trộn trạm trộn HZ25 - (do Trung Quốc chế tạo) trình vận hành máy Để đơn giản, trình nghiên cứu đảm bảo độ xác cho phép, chúng tơi đưa mơ hình tốn sau: CK (a) (b) Hình Sơ đồ nguyên lý máy trộn (a) mô hình động lực học (b) 1- Động điện; 2- Hộp gảm tốc; 3- Bộ truyền xích; 4- Vỏ thùng trộn; 5-Bàn tay trộn; 6- Cánh tay trộn; 7- Trục trộn; 8- ổ bi đỡ Viết phương trình chuyển động kết tốn Chúng tơi sử dụng phương trình Lagrange loại để thiết lập phương trình chuyển động cho mơ hình lập có kết sau: Hệ phương trình vi phân chuyển động r ⎧J1 &&1 + Sq1 − S.i.q = M(q1 ) & ⎪ q ⎨ r ⎪J && − S.i.q1 + S.i q = M C ⎩ q Hệ biểu diễn dạng ma trận sau: r ⎡J1 ⎤ ⎡&&1 ⎤ ⎡S − i.S ⎤ ⎡q1 ⎤ ⎡M (q1 )⎤ & q x ⎢ ⎥x⎢ ⎥ + ⎢ ⎥ = ⎢M ⎥ ⎥ ⎢ r ⎢ J ⎥ ⎣&& ⎦ ⎣− i.S i S ⎦ ⎣q ⎦ ⎣ C ⎦ ⎣ ⎦ q Kết toán Dùng phần mềm MATLAB 7.02 giải hệ phương trình với thông số cụ thể Kết cho đồ thị chuyển vị, đồ thị vận tốc, đồ thị gia tốc trục động điện, trục trộn Hình Sơ đồ giải phương trình Simulink CKck ck Hình Đồ thị biểu diễn gia tốc, vận tốc, chuyển vị góc q1, q2, mơ men động trục trộn Nhận xét: - Các đồ thị cho kết sát với lý thuyết, mơ hình mà đề tài xây dựng phù hợp Vận tốc góc gia tốc góc trục động thời điểm mở máy (khoảng 2/20s) có giá trị lớn, sau giá trị ổn định, giá trị gia tốc góc gần khơng Từ đó, thấy phải điều chỉnh tốc độ động giai đoạn mở máy để giảm giá trị gia tốc góc, tăng thời gian mở máy - Trên đồ thị hình 9, vận tốc góc trục động biến thiên từ giá trị ổn định khoảng thời gian ngắn, gia tốc góc trục trộn tăng nhanh giảm đột ngột Như giai đoạn mở máy trục trộn phải chịu thêm mơ men qn tính tương đối lớn Do tính tốn thiết kế phải kể đến đại lượng 2.3.2 Nghiên cứu động lực học máy sàng rung Mơ hình dao động sàng rung y m my Fx Sx Kx F Sy/2 (a) α Fy x mx Ky/2 Sy/2 (b) Hình 10 Mơ hình dao động sàng rung có hướng (a); vơ hướng (b) Phương trình dao động sàng rung có hướng Xét phương trình cân lực theo hai phương X Y sàng rung có hướng ta có: Theo phương X (phương ngang): m X + K X X + SX X = m r0 ω2 cos(α).sin(ω.t ) Theo phương Y (phương thẳng đứng): m Y + K y Y + S y Y = m r0 ω sin(α ) sin(ω.t ) Xét phương trình cân lực theo hai phương X Y sàng rung vơ hướng ta có: Theo phương X (phương ngang): CK (mh+m) X + Kx.X = mr ω 2cos( ω t) Theo phương Y (phương thẳng đứng): (mh+m) Y + Ky.Y = mr ω 2sin( ω t) Ứng dụng phần mềm Matlab - Simulink để giải tốn dao động sàng rung Hình 11 Sơ đồ khối giải phương trình dao động sàng rung có hướng, vơ hướng Giải tốn với thơng số máy sàng cụ thể Máy sàng rung có hướng mã hiệu PDU Cộng hoà liên bang Nga chế tạo có thơng số kỹ thuật sau: - Góc dao động so với phương ngang α = 380 - Độ cứng theo phương dao động X : SX = 1,418.104 N/m - Độ cứng theo phương dao động Y: Sy = 84.103 N/m - Khối lượng dao động toàn hệ mh = 1915 kg - Hệ số dập tắt dao động theo phương X: Kx = 1,68.103 Ns/m - Hệ số dập tắt dao động theo phương Y: KY = 280 Ns/m - Khối lượng lệch tâm m = 83 kg - Bán kính lệch tâm r = 0,0515 m Nhập thông số sàng vào chương trình Simulink, tiến hành chạy chương trình, thu kết hình 12 CKck ck Hình 12 Dao động mặt sàng rung có hướng theo phương dao động Y, X Nhận xét Với loại sàng rung có thơng số biên độ dao động sàng theo phương dao động Y (phương trục lị xo) có trị số Ay = mm, biên độ dao động theo phương dao động X (phương vng góc với trục lị xo) có trị số Ax = 3,5 mm Hình 13 Dao động mặt sàng rung có hướng theo phương dao động Y, X Nhận xét Với loại sàng rung có thơng số biên độ dao động sàng theo phương thẳng đứng (phương Y) có trị số Ay = mm, biên độ dao động theo phương ngang (phương X) có trị số Ax = 1,4 mm 2.3.3 Nghiên cứu động lực học hệ thống rung động đúc dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực Xây dựng mơ hình động lực học Dựa kết cấu thực hệ thống rung động đúc dầm hình 14, sau sử dụng giả thiết để đơn giản hố, chúng tơi có mơ hình động lực học khối lượng thể hình 15 CK Hình 14 Mặt cắt ngang hệ thống rung động đúc dầm BTCT 1- Tấm ván đáy; 2- Tà vẹt bê tông; 3- Tăng liên kết tà vẹt ván khuôn; 4- Ván khuôn thép; 5- Tăng liên kết ván khuôn hai bên; 6- Đầm rung; 7- Dầm BTCT; 8- Nền đất rải đá dăm Y ∑P m y K S O X Hình 15 Mơ hình động lực học khối lượng Phương trình chuyển động hệ: m&& + ky + sy = y & ∑ p.sin ωt Lực động hệ tác dụng xuống nền: & Fđ = K.y + sy Trong đó: m - Khối lượng quy dẫn hệ; s, k - Hệ số độ cứng hệ số dập tắt dao động quy dẫn nền; y - Chuyển vị theo phương đứng m Xây dựng mơ hình thuật tốn giải Matlab-Simulink Hình 16 Sơ đồ khối thuật tốn giải hệ phương trình chuyển động Các kết thu chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực động tác dụng xuống thể hình 17 hình 18 sau đây: CKck ck Hình 17 Chuyển vị, vận tốc thành ván khn Hình 18 Gia tốc thành ván khuôn; lực tác động hệ ván khuôn lên Nhận xét: - Chúng tiến hành nghiên cứu động lực học hệ thống rung động đúc dầm BTCT dự ứng lực có kích thước lớn kết nghiên cứu cho thấy: Biên độ dao động thành ván khuôn hệ thống cụ thể đưa vào tính tốn - cơng trường TAISEI phía bắc cầu Thăng Long trung bình A = 0,4 mm Như hợp lý người ta thường quy định giá trị [A] = 0,4 ÷ 0,8 mm k1, k2, k3 hệ số phụ thuộc nhiệt độ động cơ, nhiệt độ nạp khí, vị trí mở bướm ga Tính tốn độ rộng xung phun Độ rộng xung phun xác định từ lưu lượng nhiên liệu Fm cần thiết điều chỉnh theo hệ số điều chỉnh tùy thuộc vào điều kiện vận hành động Để tạo số liệu lượng nhiên liệu bản, thông thường hãng ôtô xuất phát từ tính tốn lý thuyết Sau xem xét yếu tố ảnh hưởng số liệu tối ưu hóa nhờ thực nghiệm Giá trị lượng nhiên liệu phụ thuộc vào lượng khí nạp vào tốc độ động cơ: Ta có: Gnl = f (n, Gk) Trước tiên ta xét đến quan hệ Gk Gnl Như biết hệ số dư lượng khơng khí tính theo cơng thức sau: λ= Gk G nl L Gk, Gnl - Lưu lượng khơng khí qua bướm ga lượng nhiên liệu phun đường ống nạp cho chu trình (kg/chu trình); L0 - Lượng khơng khí lý thuyết dùng để đốt cháy hoàn toàn kg nhiên liệu (kg khơng khí/kg nhiên liệu ); L0 = 14.7 động xăng Giá trị Gk chu trình tính theo cơng thức: Gk = Vk n v p k (kg/ chu trình) 0,1R a Tk Với : Vk - thể tích cơng tác xi lanh (m3); Ra- Hằng số chất khí khơng khí; Tk- Nhiệt độ mơi trường (Tk = 2970K); Pk- Áp suất đường ống nạp (Pa); η v - Hiệu suất nạp động hàm tốc độ động cơ, độ mở bướm ga, nhiệt độ động cơ, ngồi cịn phụ thuộc vào kết cấu, chiều dài đường ống nạp Hệ số làm đậm trình sấy nóng động Q trình sấy nóng động bắt đầu sau khởi động Trong suốt trình sấy nóng động cần thêm lượng nhiên liệu để bù vào phần nhiên liệu đọng thành vách xy lanh xy lanh cịn lạnh Lượng nhiên liệu thêm vào lấy từ lượng phun nhân với hệ số gọi hệ số làm đậm Hệ số giảm dần nhiệt độ động tăng nhiệt độ động đạt đến nhiệt độ làm việc Hệ số làm đậm theo nhiệt độ khí nạp Khi nhiệt độ khí nạp thấp, khối lượng riêng khí nạp tăng Nếu không phun thêm nhiên liệu làm cho hỗn hợp nghèo λ > cơng suất động giảm Vì thế, lượng phun thực tế cần phải hiệu chỉnh theo nhiệt độ khí nạp, việc hiệu chỉnh giống CKck ck hiệu chỉnh theo nhiệt độ động với hệ số k2 Hệ số làm đậm phụ thuộc độ mở bướm ga Đối với động xăng sử dụng xúc tác thành phần (three way catalyst), bắt buộc phải làm việc vùng λ = để xúc tác hoạt động hiệu Thông thường, xe chạy thành phố lúc cần lượng khí xả độc hại cịn xe chế độ tải lớn, động cần đạt công suất cực đại nên hịa khí phải giàu Do từ vị trí 75% bướm ga ECU bắt đầu làm đậm hỗn hợp hệ số k3 Glàm đậm = 1,11.Gcơ Glàm đậm - Lượng nhiên liệu làm đậm 90% độ mở bướm ga Gcơbản - Lượng nhiên liệu phun phụ thuộc n Gk Khảo sát mạch thực tế ECU loại L- Jetronic trang bị xe Toyota Camry, động 3S-FE đề xuất phương án hiệu chỉnh tỷ lệ hồ khí Sau nghiên cứu mạch thực tế hộp ECU, sơ đồ mạch tổng thể trình bày hình CK Hình Sơ đồ mạch tổng thể ECU loại L-jetronic Có nhiều phương án hiệu chỉnh tỷ lệ hồ khí, báo này, người nghiên cứu chọn phương án hiệu chỉnh tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát, tức thay đổi hệ số k1 Trên hình 2a, trình bày sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ nước làm mát trích từ sơ đồ mạch tổng thể hình ECU Để hiệu chỉnh điện áp ngõ THW ta dùng biến trở Rb mắc song song nối tiếp vào mạch, (trong trường hợp chọn mắc song song) Sơ đồ mạch điện Rb mắc song song hình 2b Hình 2a Sơ đồ mạch hiệu chỉnh cảm biến nhiệt độ nước Hình 2b Sơ đồ mạch hiệu chỉnh cảm biến nhiệt độ làm mát mắc biến trở nối tiếp với EC nước làm mát mắc biến trở song song CKck ck Hình 2c Sơ đồ tính tốn cầu phân áp (Rb mắc song song) Hình 2d Mạch cảm biến nhiệt độ nước làm mát Như mạch tín hiệu nhiệt độ nước làm mát (hình 2b), bỏ qua điện trở nội ECU ta thấy R404 Rb + RTHW tạo thành cầu phân áp hình 2c Vc Dịng điện I chạy mạch là: I= R * R 404 R THW + b R b + R 404 Hiệu điện đo đầu THW: VTHW = I*RTHW = R THW Chia vế cho RTHW ta được: VTHW = Vc R R b * R 404 THW + R b + R 404 Vc R 404 * R b 1+ (R b + R 404) * R THW Do R404 Vc số (R404 = 2700 Ω, Vc = V) nên điện áp đầu THW phụ thuộc chủ yếu vào Rb RTHW Trong trường hợp nhiệt độ nước làm mát cố định nhiệt độ 800C thì: RTHW ≈ 300Ω = const Bảng Biến thiên điện áp đầu THW Rb mắc song song VTHW (V) Điện trở Rb (kΩ) 0,033 4,50 0,053 4,25 0,077 4,00 0,103 3,75 0,135 3,50 0,171 3,25 0,215 3,00 0,270 2,75 0,337 2,50 Đồ thị biểu diễn VTHW = f(Rb) hình 2d Nhận xét: Đồ thị hình 2e cho thấy điện trở Rb tăng điện áp đầu THW giảm ngược lại, nghĩa thời gian nhấc kim thay đổi theo Do muốn thay đổi thời gian nhấc kim tức tăng hay giảm tỷ lệ hồ khí cần thay đổi giá trị điện trở Rb từ nhiên liệu phun tăng giảm Đối với mạch khác khảo sát tương Hình 2e Biến thiên điện áp đầu THW thay đổi tự mạch cảm biến nhiệt độ nước làm mát Thực nghiệm hiệu chỉnh động CK giá trị biến trở (mắc song song) Tiến trình thực nghiệm thực qua bước sau : Giao tiếp động máy chẩn đoán động Snap-on Điều chỉnh tốc độ động ổn định số vòng quay 3000 rpm Thay đổi giá trị biến trở, ứng với giá trị điện trở đo thời gian nhấc kim máy chẩn đốn động Hình 3a.Dạng xung vịi phun mạch L-jetronic chưa tác động điện trở Rb Kết đo trình bày bảng Khi chưa tác động biến trở Rb vào mạch, dạng xung vịi phun có dạng hình 3a (chụp từ dao động ký) Bảng Thời gian nhấc kim biến thiên theo Rb mắc song song Thời gian nhấc kim ti (ms) Điện trở R (KΩ) 0,033 2,23 0,053 2,21 0,077 2,18 0,103 2,15 0,135 2,12 0,171 2,10 0,215 2,07 0,270 2,04 0,337 2,01 Đường đặc tuyến hình 3b Dạng xung vịi phun hiệu chỉnh có dạng hình 3c (chụp từ dao động ký) Hình 3b Đường đặc tuyến cảm biến THW Hình 3c Dạng xung vòi phun hiệu chỉnh cực THW mắc biến trở song song (mạch L-jetronic) cách mắc song song Rb = 0,337 KΩ Kết luận Như vậy, đường đặc tuyến hiệu chỉnh thí nghiệm thực tế theo tính tốn lý thuyết gần khơng có khác biệt, khẳng định tính đắn phương pháp đề xuất Muốn hiệu chỉnh thời gian mở vịi phun hay tỷ lệ hồ khí ta cần mắc song song (hoặc nối tiếp) điện trở phù hợp vào mạch phương pháp tính tốn nêu Tài liệu tham khảo [1] Aldefeld B, Numerical Calculation of Electromagnetic acutators, Archiv fur electrotechnik, Bd.61, 1979, pp.347-352 [2] Budd John W, A look at Pressure Transducers Sensors, July 1990, pp 10-15 [3] Đỗ Văn Dũng, Trang bị điện điện tử ôtô đại, NXB ĐHQG TP HCM, 2004 [4] Doeblin, Ernest O., Measurement Systems Application and Design, McGraw-Hill, New York, 1975 [5] Gregory’s, EFI and Engine Management (Volume 4), a Division of Universal Press Pty Ltd, Sydney [6] Pokrovski A Electronic Control Of Automotive Engines, Moscow, 1994 [7] Henry P.Baltes Nad popovic, Radivoje S, Integrated magnetic field sensors, Proceedings of the IEEE vol 74, no 8, Aug.1986, pp.1107-1132 [8] Jonhn B.Heywood, Interual Combustion Engine Fundamentals [9] Lynch, Terrence, Integrated Valve Meters EGR and Idle Air”, Design News, Feb.22.1993, pp159160 [10] Norton, Harry N, Transducers and Sensors Electronic Handbook, McGraw-Hill, New York [11] Hammond P , Electromagnetism for Engineers, Pergamon PressLtd, Oxfor, England, 1965 [12] Robert Bosch GmbH, Automotive Handbook, 3d ed, 1993 [13] Ronald K.Jurgen, Automotive Electronic Handbook [14] Stone, C.R and Green-Armytage, D.I Comparison of methods for the calculation of mass fraction burnt from engine presure, Proc.I.Mech.E, 201 (D1) 1987 [15] Saji, K Characteristics of limiting Current-Type Oxygen sensor, J.Electrochem Soc:Electrocher Science and Technology, vol.134, nop.10,1987, pp.534-542♦ CKck ck NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KHAI THÁC HỢP LÝ CỦA MÁY KHOAN ĐƯỜNG HẦM TRONG ĐIỀU KIỆN THI CÔNG MẠNG LƯỚI ĐƯỜNG BỘ TẠI VIỆT NAM TS THÁI HÀ PHI Bộ môn Máy xây dựng - xếp dỡ - Khoa Cơ khí Trường Đại học Giao thông Vận tải ThS NGUYỄN ĐỨC KHIÊM Công ty Cavico Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác máy khoan đường hầm thi công mạng lưới đường nay, xây dựng mơ hình tốn xác định thông số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm có xét đến yếu tố ảnh hưởng điều kiện khai thác Việt Nam, thực nghiệm xác định thông số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm H352 điều kiện thi công cơng trình thuỷ điện Bản Vẽ Tỉnh Nghệ An Summary: The article presents the overview research results about the exploitation situation of tunnel drillers in constructing road network nowadays, builds mathematics model to determine reasonable exploitation parameter of tunnel drillers in which the influence factors of exploitation condition in Vietnam are considered, and experiment on determining reasonable exploitation parameter of tunnel driller H352 in the construction condition at Ban Ve hydroelectric work - Nghe An province I ĐẶT VẤN ĐỀ Tổng quan loại máy khoan đường hầm Việt Nam Km CK 65 70 60 50 40 32 30 14 20 10 MiỊn B¾c MiỊn Trung MiỊn Nam MiỊn Hình Phân bố chiều dài đường hầm miền đất nước ta 16 14 12 10 MiÒn Bắc Đà t hi công Dù kiÕn mua t hªm MiỊn Trung MiỊn Nam M i Ịn Hình Phân bố máy khoan đường hầm miền nước ta Hình Cấu tạo máy khoan đường hầm Boomer H352 hãng Atlascopco Tời cáp điện; Bơm nước; Máy nén khí; Động diezel; Động điện Ca bin; Bàn điều khiển; Búa khoan; Ống nối; 10 Cần khoan; 11 Mũi khoan 12 Dầm feed; 13 Xi lanh nâng hạ dầm feed; 14 Sàn công tác; 15 Dầm boom; 16 Xi lanh nâng hạ dầm boom; 17 Chân kích trước; 18 Bơm nhớt; 19 Bơm thuỷ lực; 20 Máy sở; 21 Chân kích sau II NỘI DUNG Xây dựng mơ hình tốn xác định thơng số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm Công thức xác định thông số khai thác máy khoan đường hầm [1] + Năng suất máy khoan đường hầm Qca = ksd Tca (1/V + t1 + t2/2 lc + t/ lm + tc/H)-1 (m/ca) + Vận tốc khoan lý thuyết CKck θ h z.2k1 tg , (m/ph) V = πD ck + Chiều sâu tác dụng khoan vào đất đá sau lần đập h = Py [k1.D.σ.(tgα/2 + μ) k]-1, (m) + Lực dọc trục Py = Nn ⎡ ⎛ α ⎞ ⎤ ⎢ k1.D.σ ⎜ tg + μ ⎟ k ⎥ 0,5.z ⎣ ⎝ ⎠ ⎦ + Cơng thức tính suất ca máy khoan đường hầm Qca theo thông số kỹ thuật điều kiện đất đá, phương pháp tổ chức thi công −1 ⎡ ⎤ ⎢ tc ⎥ , (m/ca) t2 t πD Q ca = k sd Tca ⎢ +t + + + θ 21c 1m H ⎥ ⎢ h z.2 k1 tg ⎥ ⎣ ⎦ Qca = ksd.Tca.{1/ { nq.Py [k1.D.σ.(tga/2 + m) k]-1} + t1 + t2/2 lc + t/ lm + tc/H }-1 , (m/ca) Qca= ksd.Tca.{πD.0,5 /{ N n [k1.D.σ (tgα / + μ ).k ]-1 2k1.tg θ } + t + t /2 l + t/ l + t /H }-1, (m/ca) c m c 2 Xây dựng sơ đồ khối để giải mơ hình tốn xác định thơng số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm a) Sơ đồ khối để giải mơ hình tốn xác định thông số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm với chiều sâu tác dụng khoan vào đất đá lần đập h cố định tần số đập z, độ bền đất đá σ biến thiên Bắt đầu NhËp sè liÖu (k1; D; k; α ; μ; h;θ; nq; t1; t2; t; tc; lc; lm; H) Lùc däc trôc Py theo σ Py = h.[k1.D..(tg/2 + )k] Vẽ sơ đồ Tốc độ khoan V theo z θ h z k tg Vẽ sơ đồ V = D Q ca Năng suất ca máy khoan đờng hầm Qca theo V −1 ⎡1 t2 t t c ⎤ Vẽ sơ đồ = k sd T ca + t1 + + + ⎥ lc lm H ⎦ ⎣V Tèc ®é khoan V theo nq ⎡ ⎛ α ⎞ ⎤ V = nq Py ⎢ k1.D.σ ⎜ tg + μ ⎟ k ⎥ ⎝ ⎠ ⎦ Vẽ sơ đồ CK Nng sut ca máy khoan đường hầm Qca theo z ⇒ Vẽ sơ đồ π D Qca = ksd Tca [ h z.2.k1 tg θ + t1 + t2/2 lc + t/ lm + tc/H] - Năng suất ca máy khoan đường hầm Qca theo nq ⇒ Vẽ sơ đồ ⎧ ⎫ −1 Q ca ⎪ ⎪ = k s d T c a ⎨ ⎪ ⎪ ⎧ n P ⎡ k D σ ⎢ ⎪⎨ q y ⎣ ⎪ ⎩⎩ ⎪ t t t ⎪ + t1 + + + c ⎬ −1 lm H ⎪ lc ⎪ ⎛ α ⎞ ⎤ ⎫ ⎜ tg + μ ⎟k⎥ ⎬ ⎪ ⎝ ⎠ ⎦ ⎪ ⎭ ⎭ Năng suất ca máy khoan đường hầm Qca theo Py: Qca = ksd.Tca.{1/ { nq Py [k1.D.σ.(tga/2 + m) k]-1} + t1 + t2/2 lc + t/ lm + tc/H}-1 ⇒ Vẽ sơ đồ In kết hình Kết thúc b) Sơ đồ khối để giải mơ hình tốn xác định thông số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm với cấp đất đá biến thiên Bắt đầu Nhập số liệu (k1; D; k; α; μ; z; θ; nq;Nn; t1; t2; t; tc; lc; lm; H) Chiều sâu đập h theo σ h = Py [k1.D.σ (tgα/2 + μ) k]-1 ⇒ Vẽ sơ đồ Lực dọc trục Py theo σ Py = Nn ⎡ ⎛ α ⎞ ⎤ ⎢ k1.D.σ ⎜ tg + μ ⎟ k ⎥ ⇒ Vẽ sơ đồ 0,5.z ⎣ ⎝ ⎠ ⎦ Tốc độ khoan V theo σ V= N n [k1.D.σ (tgα / + μ ).k ]-1 2k1.tg π D.0,5 θ ⇒ Vẽ sơ đồ Năng suất ca máy khoan đường hầm Qca theo V Qca = ksd Tca (1/V + t1 + t2/2 lc + t/ lm + tc/H)-1 ⇒ Vẽ sơ đồ Năng suất ca máy khoan đường hầm Qca theo σ Qca= ksd.Tca.{ πD.0,5 /{ N n [k1.D.σ (tgα / + μ ).k ]-1 2k1.tg ⇒ Vẽ sơ đồ θ } + t + t /2 l + t/ l + t /H}-1 c m c In kết hình Kết thúc CKck ck c) Sơ đồ khối để giải mơ hình tốn xác định thông số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm với chiều sâu tác dụng khoan vào đất đá lần đập h biến thiên (cấp đất đá, tần số đập cố định) Bắt đầu Nhập số liệu (k1; D; k; α; μ; z; θ;σ; nq; t1; t2; t; tc; lc; lm; H) Lực dọc trục Py theo h Py = h.[k1.D ⎛ α ⎞ σ ⎜ tg + μ ⎟ k ] ⇒ Vẽ sơ đồ ⎝ ⎠ Tốc độ khoan V theo h V= h z.2.k1.tg π D θ ⇒ Vẽ sơ đồ Năng suất ca máy khoan đường hầm Qca theo h CK ⎡ ⎤ ⎢ π D t2 t tc ⎥ +t + + + Qca = ksd Tca ⎢ θ 2lc lm H ⎥ ⎢ h z.2.k1.tg ⎥ ⎣ ⎦ −1 ⇒ Vẽ sơ đồ Năng suất ca máy khoan đường hầm Qca theo V Qca = ksd Tca (1/V + t1 + t2/2 lc + t/ lm + tc/H)-1 ⇒ Vẽ sơ đồ Năng suất ca máy khoan đường hầm Qca theo Py: Qca = ksd.Tca.{1/ { nq.Py [k1.D.σ (tgα/2 + μ) k]-1} + t1 + t2/2 lc + t/ lm + tc/H}-1 ⇒ Vẽ sơ đồ In kết hình Kết thúc Phần mềm tin học : Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm h352 điều kiện thi công dự án thuỷ điện Bản Vẽ tỉnh Nghệ An 4.1 Kết đo đạc chưa áp dụng kết nghiên cứu đề tài a Vận tốc thẳng mũi khoan (m/s) Lần đo Giá trị TB Vận tốc (m/s) 0.0112 0.0118 0.0124 0.0170 0.0161 0.0136 b Tần số đập mũi khoan (Hz) Lần đo Giá trị TB Tần số (Hz) 45.01 45.25 45.67 47.43 46.74 46.02 c Vận tốc quay mũi khoan (vòng/phút) Lần đo Giá trị TB Vận tốc quay (v/phút) 163.11 168.30 173.26 180.74 176.45 172.37 d Lực đập mũi khoan vào đất đá (MN) Lần đo Giá trị TB Lực đập (MN) 0.023 0.025 0.027 0.032 0.034 0.028 e Áp suất dầu thuỷ lực làm đập pitton búa khoan (bar) Lần đo Giá trị TB áp suất đập (bar) 169.14 171.34 173.70 175.86 176.46 173.3 f Áp suất dầu thuỷ lực làm xoay choòng khoan (bar) Lần đo Giá trị TB áp suất xoay (bar) 40.18 41.37 43.5 44.24 44.15 42.69 CKck ck g Áp suất dầu thuỷ lực làm tịnh tiến búa khoan (bar) Lần đo Giá trị TB áp suất dẫn tiến (bar) 65.21 67.74 69.56 70.12 71.5 68.826 h Áp suất nước vào búa khoan (bar) Lần đo Giá trị TB áp suất nước (bar) 10.12 9.6 10.56 11.21 11.34 10.57 i Áp suất khí vào búa khoan (bar) Lần đo Giá trị TB áp suất khí (bar) 2.25 2.76 2.55 2.84 2.91 2.66 k Áp suất nhớt vào búa khoan (bar) Lần đo Giá trị TB áp suất nhớt (bar) 2.17 2.24 2.41 2.56 2.68 2.41 - Thời gian thay choòng t: 540 (s) - Thời gian phụ trợ kể từ túc nâng choòng đến lúc bắt đầu khoan lỗ khoan tc: 30(s) - Thời gian cho chu trình vơ ích, không phụ thuộc vào chiều dài cần khoan t1 : (s/m) - Thời gian nối tháo cần khoan t2: 520 (s) - Thời gian khoan hết gương hầm: 102 lỗ khoan đường kính Φ45 với chiều sâu khoan 3,8 m 4.2 Kết đo đạc có áp dụng kết nghiên cứu đề tài CK a Vận tốc thẳng mũi khoan: m/s Lần đo Giá trị TB Vận tốc (m/s) 0.0164 0.0167 0.0175 0.0179 0.0182 0.01734 b Tần số đập mũi khoan (Hz) Lần đo Giá trị TB Tần số (Hz) 49.67 48.58 49.82 49.86 50.49 49.684 c Vận tốc quay mũi khoan (vòng/phút) Lần đo Giá trị TB Vận tốc quay (v/phút) 186.19 196.87 198.25 206.54 210.79 199.728 d Lực đập mũi khoan vào đất đá (MN) Lần đo Giá trị TB Lực đập (MN) 0.032 0.035 0.036 0.039 0.041 0.0366 e Áp suất dầu thuỷ lực làm đập pitton búa khoan (bar) Lần đo Giá trị TB áp suất đập (bar) 187.25 188.3 189.74 191.61 193.82 190.144 f Áp suất dầu thuỷ lực làm xoay choòng khoan (bar) Lần đo Giá trị TB áp suất xoay (bar) 44.82 46.71 47.5 49.16 51.27 47.892 g Áp suất dầu thuỷ lực làm tịnh tiến búa khoan (bar) Lần đo Giá trị TB áp suất dẫn tiến (bar) 76.83 78.45 79.5 81.47 83.62 79.974 h Áp suất nước vào búa khoan (bar) Lần đo Giá trị TB áp suất nước (bar) 12.11 13.5 13.67 13.24 13.8 13.264 i Áp suất khí vào búa khoan (bar) Lần đo Giá trị TB áp suất khí (bar) 3.21 3.26 3.5 3.64 3.71 3.464 Giá trị TB 3.8 3.86 3.92 3.96 3.86 k Áp suất nhớt vào búa khoan (bar) Lần đo áp suất nhớt (bar) 3.76 - Thời gian thay choòng t: 520 (s) - Thời gian phụ trợ kể từ túc nâng choòng đến lúc bắt đầu khoan lỗ khoan tc : 28(s) - Thời gian cho chu trình vơ ích, khơng phụ thuộc vào chiều dài cần khoan t1 : (s/m) - Thời gian nối tháo cần khoan t2 : 510 (s) - Thời gian khoan hết gương hầm: 102 lỗ khoan đường kính Φ 45 với chiều sâu khoan 3,8 m 10 phút Qua kết đo đạc qua số liệu đồ thị so sánh thông số khai thác máy khoan đường hầm trước sau áp dụng kết nghiên cứu đề tài ta thấy thông số khai thác như: Vận tốc khoan V, lực dọc trục Py, vận tốc quay nq, tần số đập z, chiều sâu khoan vào đất đá sau lần đập h suất ca trước áp dụng kết đề tài nhỏ từ 30% đến 36% so với suất ca sau áp dụng kết đề tài Xây dựng quy trình xác định thông số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm H352 điều kiện thi công mạng lưới đường Việt Nam Bước - Điều chỉnh áp suất dầu thuỷ lực cấu dẫn động xoay chng khoan thơng qua tay điều khiển quay C1R đến áp suất dầu thủy lực đồng hồ áp suất quay C14 có giá trị từ 45 đến 50 (bar) dừng lại Bước - Điều chỉnh áp suất dầu thuỷ lực cấu dẫn động tiến búa khoan thông qua tay điều khiển dẫn tiến C1F đến áp suất dầu thủy lực đồng hồ áp suất dẫn tiến có giá trị từ 75 đến 80 (bar) dừng lại Bước - Điều chỉnh áp suất dầu thuỷ lực cấu dẫn động đập pitton búa khoan thông qua tay điều khiển đập C1S đến áp suất dầu thủy lực đồng hồ áp suất đập có giá trị từ 180 đến 190 bar dừng lại CKck ck Bước - Tiến hành khoan gương bấm thời gian khoan hết lỗ khoan gương hầm phút so sánh với thời gian hợp lý từ đến 1,1 (m/phút) Nếu vận tốc khoan có giá trị khoảng thông số chọn đúng, ta tiến hành khoan lỗ khoan Nếu vận tốc khoan không nằm khoảng ta tiến hành điều chỉnh lại thông số từ bước III KẾT LUẬN Nghiên cứu thông số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm điều kiện thi công mạng lưới đường Việt Nam việc làm có ý nghĩa khoa học thực tiễn rõ rệt Đề tài nghiên cứu đạt kết cụ thể sau: Đã nghiên cứu tổng quan công nghệ thiết bị thi công đường hầm giới nước ta Đặc biệt công nghệ thi công đường hầm theo phương pháp áo (NATM) ứng dụng phổ biến Việt Nam để thi công đường hầm giao thông, thủy điện, thủy lợi Hiện nước ta có khoảng 20 máy khoan đường hầm chủ yếu hai hãng lớn chuyên sản xuất thiết bị khoan đường hầm là: máy khoan đường hầm L2D, H282, RB195, Boomer H352 hãng AtlasCopco - Thụy Điển máy khoan đường hầm Axera - 260 T, H205T hãng Tamrock- Phần Lan thi công vùng lãnh thổ nước Các máy khoan đường hầm thi công vùng núi Miền Bắc Bắc Trung Bộ (từ đèo Hải Vân ra) có độ bền đất đá nhỏ 140 MPa hợp lý nhất; cịn vùng có độ cứng cao 140 MPa số vùng thuộc Miền Nam Tây Ngun hiệu thi cơng khơng cao CK Trong số máy khoan đường hầm sử dụng phổ biến nước ta máy khoan đường hầm Boomer H352 sử dụng phổ biến có số lượng máy nhiều với chín máy Đã xây dựng mơ hình tốn xác định thơng số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm Dựa vào mơ hình tốn ảnh hưởng thông số khai thác mơ hình tốn với tác giả xây dựng sơ đồ khối để giải mơ hình tốn xác định thông số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm.Từ xây dựng phần mềm tin học để giải mơ hình tốn xác định thông số hợp lý máy khoan đường hầm Ứng với thơng số khai thác khác ta có suất ca máy tương ứng khác Năng suất ca máy phụ thuộc vào thông số khai thác máy khoan đường hầm mà phụ thuộc vào yếu tố như: độ cứng đất đá, đặc điểm khí hậu địa chất đường hầm, cơng tác tổ chức thi công Trên sở nghiên cứu xác định thông số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm ta có thơng số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm điều kiện thi công mạng lưới đường Việt Nam là: - Vận tốc quay mũi khoan nq: Từ 180 đến 200 (vòng/phút) - Tần số đập búa khoan z: Từ 48 đến 50 (Hz) - Vận tốc thẳng mũi khoan V: Từ 0.017 đến 0.0185 (m/s) tương đương với đến 1.1 (m/phút) - Áp suất dầu thuỷ lực làm đập pitton búa khoan có giá trị từ 180 đến 190 (bar) - Áp suất dầu thuỷ lực làm xoay chi búa có giá trị từ 45 đến 50 (bar) - Áp suất dầu thuỷ lực dẫn tiến búa khoan có giá trị từ 75 đến 80 (bar) Các thông số sở khoa học để điều chỉnh chế độ khoan, thông số khai thác nhằm nâng cao suất máy khoan đường hầm, làm tăng hiệu kinh tế đẩy nhanh tiến độ thi công Trên sở nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số khai thác hợp lý máy khoan đường hầm H352 điều kiện thi công dự án thuỷ điện Bản Vẽ - tỉnh Nghệ An so sánh thông số khai thác máy khoan đường hầm trước sau ứng dụng kết nghiên cứu đề tài Dựa vào thông số đo đạc trường thông số đồ thị so sánh kết thông số khai thác trước sau ứng dụng kết nghiên cứu đề tài ta thấy thông số khai thác : vận tốc khoan V, lực dọc trục Py, vận tốc quay nq, tần số đập z, chiều sâu khoan vào đất đá sau lần đập h suất ca trước áp dụng kết đề tài nhỏ từ 30% đến 36% so với suất ca sau áp dụng kết đề tài Đã xây dựng quy trình vận hành máy khoan đường hầm với thông số khai thác hợp lý điều kiện thi công mạng lưới đường Việt Nam Việc ứng dụng quy trình vào thực tế thi công đem lại hiệu kinh tế cao đẩy nhanh tiến độ thi công công trình hầm qua nâng cao lực thi cơng nhà thầu nước Tiến độ thi công đường hầm theo phương pháp áo trước ứng dụng kết nghiên cứu đề tài trung bình từ 70 đến 80 (m) tháng Sau ứng dụng kết nghiên cứu đề tài tiến độ thi công tăng lên từ 100 đến 110 (m) tháng ngang với nhà thầu nước ngồi thi cơng nước ta Quy trình ứng dụng Công ty TNHH Cavico Việt Nam Xây dựng Giao Thông Kết việc ứng dụng quy trình vào thi cơng đường hầm thủy điện Bản Vẽ tỉnh Nghệ An làm lợi cho Công ty hàng tỷ đồng đẩy nhanh tiến độ thi công gần hai tháng so với tiến độ thi công đề Tài liệu tham khảo [1] - Đồn Văn Ký; Giáo trình máy thiết bị khai thác mỏ; Nhà Xuất Bản Giao Thông Vận Tải - Năm 1997 [2] - Cataloge máy khoan hầm hãng Atlascopco (Thụy Điển), Tamrock (Phần Lan) [3] - Cẩm nang công nghệ thiết bị mỏ; Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật - Năm 2006 [4] - Nguyễn Thế Phùng - Nguyễn Ngọc Tuấn; Thi công hầm; Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật Năm 1997 [5] - Nguyễn Xuân Trọng; Thiết kế thi cơng cơng trình nổ phá; Nhà Xuất Bản Xây Dựng - Năm 2003 [6] - Nguyễn Đình Ấu - Nhữ Văn Bách; Phá vỡ đất đá phương pháp khoan nổ mìn; Nhà Xuất Bản Giáo Dục - Năm 1998♦ CKck ck ... tạo sản phẩm có chất lượng tương đương thiết bị nhập ngoại có cơng trình nghiên cứu bản, toàn diện máy thiết bị sản xuất VLXD 2.2 Mô hoạt động số máy thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng tiêu. .. sau ứng dụng kết nghiên cứu đề tài Dựa vào thông số đo đạc trường thông số đồ thị so sánh kết thông số khai thác trước sau ứng dụng kết nghiên cứu đề tài ta thấy thông số khai thác : vận tốc khoan... công ty xây dựng Sông Đà; Sổ tay Máy xây dựng; Nhà xuất Giao thông Vận tải, Hà nội, 2000 [8] - PGS-TS Trần Văn Tuấn; Cơ sở kỹ thuật rung xây dựng sản xuất vật liệu xây dựng; Nhà xuất Xây dựng,