Tính toán máy khoan gia cố xi măng đất (cọc xi măng đất)

Ta tính toán lực cản của đất tác dụng lên cánh tay trộn của mũi khoan tương tự như cánh tay cắt, chỉ khác là do cánh tay trộn ở trên so với cánh tay cắt lên khimũi khoan đi xuống nó chỉ

I TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MŨI KHOAN CHUYÊN DÙNG

1.1 Lựa chọn sơ đồ lưỡi cắt đất

- Để thực hiện quá trình khoan đất đồng thời phun trộn vữa xi măng vào đất nêncấu tạo của mũi khoan bao gồm mũi cắt và trộn trong đó có thể chế tạo thêm cánhtano để tạo hình cho cọc

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo mũi khoan trộn

Hình 1.2 Phương pháp CDM (xi măng phương pháp trộn sâu)

Hình 1.3 Phương pháp CDM-LODIC (loại giảm lượng đất khi khoan sâu)

- Thông số mũi khoan:

Sử dụng lý thuyết cắt đất của SG VS N.G.Dombrovski

- Tính cho lưỡi cắt đất bao gồm các răng tác dụng vào nền đất để thực hiện công táckhoan

- Dombrovski cũng đề nghị lực cản cắt thuần túy P0 là tổng của hai thành phần:

Giá trị lớn ứng với khi lưỡi cắt bị mòn cùn, phoi đất mỏng (h nhỏ)

- Theo Dombrovski lực cản đào có tích đất lại được tính theo công thức

P01 = K K1 b hK1: hệ số lực cản đào có tích đất Trong thực tế gầu khoan vừa đào vừa tích đất nên

ta dùng phương án này

- Và Dom brovski cũng đưa ra bảng hệ số lực cản cát đối với gầu đào đối với từng

loại đất khác nhau, Ví dụ các loại đất cát, á sét nhẹ trung bình ẩm và rời; á sét sỏinhỏ và trung bình sét mềm; á sét chắc, sét trung bình ẩm hoặc rời; á sét nặng phasỏi hoặc lẫn đá nhỏ, thạch cao, đá ghíp mềm ; sét rất khô, hoàng thổ cứng chắc

- Công thức tính theo phương pháp này rất đơn giản, nhưng ro ràng là không chínhxác bằng phương pháp trên, nhưng vẫn được dùng phổ biến khi ta lựa chọn hệ sốlực cản K1, K2 và hệ số phụ thuộc ѱ

Theo công thức 1.2 [ 4 ] của N.G.Dombrovski ta có:

Lực cản cắt thuần túy

P0=P01+P02 (N) (3.1)Với : P0 : Lực cản cắt thuần túy; P01 :Lực cản tiếp tuyến; P02 :Lực cản pháp tuyến

1.2.1 Xét trên cánh tay cắt đất và trộn đất lúc đi xuống:

1.2.1.1 Xét trên cánh tay cắt đất lúc đi xuống.

Hình 1.4: Sơ đồ tính cánh tay cắt đất lúc đi xuống.

1- Lưỡi cắt đất; 2- Mũi khoan;3 – Mối hàn

Lực cản tiếp tuyến: P01 = K.K1.B.h (3.2)

Trong đó:

K: Hệ số xét đến số số răng cắt đất trên cánh tay cắt, với K ≤ 1, chọn K = 1

K2: Hệ số cắt đất thuần túy Chọn loại đất trong trường hợp này là đất cấp IVTheo bảng 1.III.1 [4] chọn K1 = 22N/cm2

B: Chiều rộng phoi đất cắt

B = R- r = 400-100 = 300 mm =30 cmh: Chiều dầy phoi đất cắt

h = 40 mm = 4 cmVậy: P01 = 1.22.30.4 = 2640 N

Tại 1 điểm trên cánh tay cắt chịu đồng thời cả 2 lực P01 và P02 nên ta có:

Hình 1.5: Sơ đồ lực tác dụng vào cánh tay cắt.

Xét 1 phần tử dF của cánh tay cắt đặt cách tâm trục quay 1 khoảng cách là x

Có: dF = b.dx

Trong đó: dx : bề rộng của phần tử cánh tay trộn

b : bề rộng làm việc theo phương vuông góc với trục quay đặt nghiêng

1 góc α so với tâm trục quay

b0 = 0,2m

b = b0.sinα = 0,2.sin 450 = 0,14 mLực cản đất tác dụng lên phần tử dF theo công thức [4] là:

R: khoảng cách từ tâm trục quay tới mép ngoài cùng cánh tay cắt

r: khoảng cách từ tâm trục quay tới mép trong cùng cánh tay cắt

x0 = γ β b ω2 P0

g P R4−r4

Thay (3.3) vào (3.4) ta có:

P = 19500.1.0,14 3,142 1306,76

9,81

0,43−0,133

0,43−0,0533

P = 75295,33 N

Do có 2 cánh tay cắt đất nên lực cắt là:

P c c = 2.P = 2 7529,33 = 15058,66 NTọa độ điểm đặt lực:

x0 = 34 0,40,443−0,14

– 0,13 = 0,3 m

Mô men cản cắt của cánh tay cắt là:

Mcc = P c c x0 =15058,66 0,3 = 4517,6 N.mVận tốc quay lúc mũi khoan đi xuống:

Vx = 34 0,40,443−0,14

– 0,13 3,14 = 0,942 (m/s)Vận tốc quay lúc mũi khoan đi lên:

Vx = 34 0,40,443−0,14

– 0,13 3,14 = 0,942 (m/s)1.2.1.2 Xét trên cánh tay trộn đất lúc đi xuống

Ta tính toán lực cản của đất tác dụng lên cánh tay trộn của mũi khoan tương

tự như cánh tay cắt, chỉ khác là do cánh tay trộn ở trên so với cánh tay cắt lên khimũi khoan đi xuống nó chỉ trộn đất đã tơi xốp Ta chọn loại đất này là đất loại II Lực cản tác dụng vào bề mặt cánh trộn

P0 = K.K1.B.h Trong đó:

K: Hệ số xét đến số số răng cắt đất trên cánh tay cắt, với K ≤ 1, chọn K = 1trong trường hợp không có răng cắt nào

K1: Hệ số cản trộn hỗn hợp vữa xi măng và đất : K1 = 2,5 N/cm2

Hình 1.6: Sơ đồ tính cánh tay trộn đất lúc đi xuống.

1 Cánh tay trộn; 2 Mũi khoan; 3 Mối hàn.

B: Chiều rộng phoi đất cắt

B = R- r = 400-100 = 300 mm =30 cmh: Chiều dầy phoi đất cắt

h = 40 mm = 4 cmVậy: P01 = 1.2,5.30.4 = 300 N

Nhận xét : Lực tác dụng vào cánh tay trộn gồm có lực P0x và P0y trong đó tácdụng lực cắt đất là P0x và lực đẩy lưỡi cắt ngược trở lại là P0y.

Lực cản đất tác dụng vào cánh tay trộn đất lúc xuống là:

9,81

0,4 3 −0,1 3 3

P = 8554,81 N

Do có 2 cánh tay trộn và 4 lớp cánh nên lực cản sẽ là:

Pcx =2.P.4 = 2 34222,16.4 = 68438,48 N Tọa độ điểm đặt lực:

x0 = 34 0,40,443−0,14

– 0,13 = 0,3 mMômen cản cắt trên cánh tay trộn là:

Mcx = Pcx x0 = 68,438,48 0,3= 20531,54 N.m

Mô men cản tổng hợp là:

Mc = Mcc + Mcx = 4517,6 + 20531,54 = 25049,14 N.mCông suất cần thiết để quay mũi khoan lúc đi xuống là:

N = Mc ωxuống = 25049,14 3.14 = 78654,32 W =78,65 KWLực cản dọc trục tác dụng vào mũi khoan đi xuống:

Py = 2426,76 + 4.2 1103,13 N = 11251,8 N = 1,125 Tấn

Đây là tải trọng cần thiết tác dụng dọc trục cần khoan để mũi khoan đi xuống trongquá trình khoan đất

1.2.2 Xét trên cánh tay cắt đất và trộn đất lúc đi lên:

- Trong quá trình đi lên mũi khoan quay ngược chiều và thực hiện quá trình trộn đấtvới vữa xi măng, xét trường hợp hệ thống cánh trộn đang ở độ sâu lớn nhất là Tínhlực cản trộn tác dụng lên tất cả các cánh trộn và cắt của mũi khoan

Hình 1.7: Sơ đồ tính cánh tay trộn đất lúc đi lên

1 Cánh tay trộn; 2 Mũi khoan; 3 Mối hàn.

Lực cản tác dụng vào bề mặt cánh trộn

P0 = K.K1.B.h Trong đó:

K: Hệ số xét đến số số răng cắt đất trên cánh tay cắt, với K ≤ 1, chọn K = 1trong trường hợp không có răng cắt nào

K1: Hệ số cản trộn hỗn hợp vữa xi măng và đất : K1 = 2,5 N/cm2

B: Chiều rộng phoi đất cắt

B = R- r = 400-100 = 300 mm =30 cmh: Chiều dầy phoi đất cắt

h = 40 mm = 4 cmVậy: P01 = 1.2,5.30.4 = 300 N

P = 8554,81 N

Do có 2 cánh tay trộn và 4 lớp cánh nên lực cản sẽ là:

Pcx =2.P.5 = 2 8554,81 5 N = 85548,1 N Tọa độ điểm đặt lực:

x0 = 34 0,40,443−0,1– 0,143 = 0,3 m

Mômen cản trên các cánh tay trộn là:

Mcx = Pcx x0 = 85548,1 0,3= 25664,43 N.mCông suất cần thiết để quay mũi khoan lúc đi xuống là:

N = Mc ωxuống = 25664,43 3.14 = 80586,3 W =80,58 KWLực cản dọc trục tác dụng vào mũi khoan đi xuống:

Py = 5.2 1103,13 N = 11031,3 N = 1,1031 TấnĐây là lực kéo mũi khoan khi đi lên trong quá trình phun trộn

1.3 Tính toán cơ cấu dẫn động mũi khoan

η = η1 η2

η1: Hiệu suất truyền động qua hộp giảm tốc, ta có η1 = 0,9

η2 : Hiệu suất truyền động qua bộ truyền động quay cơ khí, η2 = 0,9

Vậy : η = 0,9 0,9 =0,81

Công suất thực tế của động cơ điện là Ntt =80,580,81 = 99,48 kW

Chọn động cơ điện DJM 2090 L: có công suất Nđc = 90 kW

Tốc độ vòng quay n= 1500 vòng/phút1.3.2 Tính chọn hộp giảm tốc

Hình 1.8 Sơ đồ bộ truyền dẫn động cho mâm xoay

1 Động cơ điện, 2 Hộp giảm tốc hành tinh, 3 Bánh răng chủ động, 4 Cần

khoan, 5 Bánh răng bị động

Tốc độ vòng quay cần khoan : nc = 30 vòng/phút; nc = 20 vòng/phút

Tốc độ quay của động cơ điện: nđc = 1500 vòng /phút

- Phân phối tỷ số truyền:

i1 tỷ số truyền hộp giảm tốc hành tinh : i1 = 15

i2 tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng mâm quay: i2 = 5

Các thông số kỹ thuật của mâm xoay như sau:

Mô men khi quay mũi khoan đi xuống: M0x = 25049,14 N.m

Mô men khi quay muix khoan đi lên: M0l = 25664,43 N.mKhi này công suất truyền của bánh răng ngoài có giá trị là:

80,58

82, 220,98

Chọn vật liệu chế tạo bánh răng và cách nhiệt luyện:

Cặp bánh răng ăn khớp ngoài có nhiệm vụ truyền mô men xoắn từ hộp giảmtốc xuống cần khoan Nó truyền công suất lớn, chịu tải trọng lớn và yêu cầu kíchthước của bộ truyền nhỏ gọn nên ta chọn vật liệu để chế tạo bánh răng là thép cácbon, có độ rắn bề mặt là HB > 350 và phương pháp nhiệt luyện là tôi, sau đó thấmthan để tăng độ cứng bề mặt của phôi

Trong trường hợp này thì ta chọn độ rắn của bánh răng lớn và bánh răng nhỏtương tự nhau Tuy vậy thì do bánh răng nhỏ làm việc nhiều hơn bánh răng lớn, gấp

2 lần nên ta chọn vật liệu chế tạo bánh răng nhỏ tốt hơn vật liệu chế tạo bánh răng

35 hoặc 40

40 hoặc 50

50 hoặc 55

35 X hoặc 40 X15X hoặc 20X12XH3A, 20XH3A, 18XT

Dựa vào bảng trên ta chọn được vật liệu chế tạo bánh răng sẽ là:

Vật liệu chế tạo bánh răng nhỏ là: thép 45 thường hoá

Vật liệu chế tạo bánh răng lớn là: thép 40 thường hoá

Chúng có tính chất cơ tính như sau:

Đối với thép 45 thường hoá dùng chế tạo bánh răng nhỏ, đường kính phôicủa bánh răng nhỏ: D = 100 – 300 mm thì :

Giới hạn bền kéo là: bk1 580N mm/ 2

Giới hạn chảy là: ch1 290N mm/ 2

Độ rắn : HB = 170 – 220 lấy HB = 190Đối với thép 40 thường hoá dùng chế tạo bánh răng lớn, đường kính phôi củabánh răng lớn: D = 100 – 300 mm thì :

Giới hạn bền kéo là: bk2 540 N mm/ 2

Giới hạn chảy là: ch2 270 N mm/ 2

Độ rắn : HB = 150 – 210 lấy HB = 170 Định ứng suất mỏi tiếp xúc và ứng suất mỏi uốn cho phép của bánh răng:

a ứng suất tiếp xúc cho phép được xác định theo công thức sau:

  tx   Notxk N N mm/ 2

Trong đó:

  Notx  N mm/ 2

là ứng suất tiếp xúc cho phép khi bánh răng làm việc lâu

dài, phụ thuộc vào độ rắn của vật liệu Tra theo bảng 3 – 9 [11]

0 6

N

td

N k

N



Trong đó : N 0 107 là số chu kỳ cơ sở của đường cong mỏi tiếp xúc.

Ntd là số chu kỳ làm việc tương đương

Trong trường hợp này thì Ntd  N0 nên ta có :

N

Vậy ta có:    1tx    1Notx2,6 190 494  N mm/ 2

   2tx   2Notx 2,6 170 442  N mm/ 2

b ứng suất uốn cho phép :

Trong quá trình làm việc thì hai bánh răng làm việc cả hai mặt răng nên nóchịu ứng suất thay đổi đổi chiều nên ứng suất uốn cho phép của nó được xác địnhtheo công thức sau:

Xác định khoảng cách trục A giữa bánh răng và bánh răng:

Khoảng cách trục A của bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng có góc ăn khớp

là  200 được xác định dựa vào công thức sau:

2 6

1 3

1

1,05.101

A tx

i  là tỉ số truyền của bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng ngoài cùng.

K = 1,3 là hệ số tải trọng của bộ truyền

   

2 6

Xác định mô đun, số răng, chiều rộng bánh răng và góc nghiêng của răng:

a Chiều dài của răng b:

Chiều dài của răng b của bánh răng được xác định như sau:

Kiểm tra độ bền uốn của răng:

Để đảm bảo độ bền của răng trong quá trình bánh răng làm việc thì ứng suấtuốn sinh ra phải nhỏ hơn ứng suất uốn cho phép hay:

6

2 2

Số răng Hệ số dịch chỉnh dao Hệ số dạng răng

N  KW là công suất truyền trên bánh chủ động

Vậy đối với bánh răng dẫn động thì ứng suất uốn sinh ra là:

Kiểm tra độ bền tiếp xúc của các bánh răng:

Trong quá trình làm việc của bộ truyền ứng suất tiếp xúc sinh ra tại các bánhrăng phải đảm bảo nhỏ hơn ứng suất tiếp xúc cho phép

1

2

11,05 10

2 1

5 1 1,3 82,221,05 10

Và ứng suất tiếp xúc sinh ra trên bánh răng bị động sẽ là:

Kiểm tra sức bền các bánh răng khi nó chịu quá tải đột ngột

Trong quá trình máy làm việc, khi bắt đầu quay bàn xoay theo chiều nghịchthì các bánh răng sẽ chịu quá tải đột ngột, với hệ số quá tải khi này là:

25664,43

1,02 25049,14

l qt

x

M K

M  Nm là mô men lớn nhất sinh ra khi quay mũi khoan theo

chiều đi lên Còn M x 25049,14Nm là mô men sinh ra khi xoay bàn xoaytheo chiều thuận

a Kiểm tra độ bền uốn của bánh răng khi nó chịu quá tải:

Khi bộ truyền chịu quá tải đột ngột thì khi đó ứng suất uốn lớn nhất sinh rađược kiểm nghiệm theo công thức sau:

 là ứng suất uốn sinh ra tại các bánh răng

ứng suất uốn sinh ra tại bánh răng chủ động tính như ở trên:

Vậy cả hai bánh răng đã đảm bảo về ứng suất uốn sinh ra khi chịu quá tải

b Kiểm tra độ bền uốn của bánh răng khi nó chịu quá tải:

ứng suất tiếp xúc lớn nhất sinh ra trên các bánh răng khi quá tải phải nhỏ hơnứng suất tiếp xúc cho phép khi quá tải:

 là ứng suất tiếp xúc sinh ra tại các bánh răng

ứng suất tiếp xúc sinh ra tại bánh răng chủ động tính như ở trên:

Khi truyền mô men xoắn thì các thành phần lực tác dụng lên bánh răng gồm

có hai thành phần đó là thành phần lực vòng và thành phần lực hướng tâm

a Thành phần lực vòng tác dụng lên bánh răng được xác định theo công thức sau:

 

1 1

Hình 1.9 : Sơ đồ lực tác dụng lên các bánh răng

1. Tính toán trục của bánh răng dẫn động

Trục của bánh răng dẫn động được gối vào hai ổ đỡ trên thân của mâm xoay.Trong quá trình làm việc của bộ truyền thì trục chịu tải trọng lớn và làm việc trongđiều kiện nặng nhọc nên ta chọn vật liệu chế tạo trục là thép thường hoá 45, cóđường kính phôi nhỏ hơn 200 mm:

Giới hạn bền kéo là: bk1 580N mm/ 2

Giới hạn chảy là: ch1 290N mm/ 2

Độ rắn : HB = 170 – 220 lấy HB = 190 Tính chọn sơ bộ trục đỡ bánh răng:

Tính toán sơ bộ trục là ta dựa vào mô men xoắn mà trục truyền để ta xácđịnh sơ bộ kích thước của trục

Ta có: Mô men xoắn truyền trên trục có giá trị là:

  là hiệu suất của cặp ổ lăn.

Vậy đường kính trục tính sơ bộ có giá trị là:

   

1 3



Vậy ta chọn sơ bộ đường kính trục là d = 97 mm

Chiều dài của trục được tính sơ bộ như sau:

Do trong quá trình làm việc của trục thì nó chủ yếu chịu mô men uốn và chịu

mô men xoắn, do đó ta chọn sơ đồ tính trục là dầm giản đơn dạng mút thừa

Thành phần lực vòng tác dụng vào trục tại điểm giữa của chiều dài răng có

xu hướng làm cho trục bị uốn Thành phần lực hướng tâm có xu hướng làm trục bịuốn Bỏ qua ảnh hưởng của trọng lượng bản thân của trục

C A

P r

M X

P

Z o

Xét trục ở trạng thái cân bằng thì tổng mô men ngoại lực tại gối A quay quanh trục

Y do các ngoại lực sinh ra bằng không, hay:

Z X

- Biểu đồ mô men uốn sinh quanh trục OY:

Mô men uốn sinh ra trên đoạn trục CD và tại gối A bằng không

Mô men tại mặt cắt giữa đoạn AC có giá trị là:

- Biểu đồ mô men uốn sinh quanh trục OX:

Mô men uốn sinh ra trên đoạn CD và tại gối A bằng không

Mô men uốn theo phương trục OX tại mặt cắt giữa đoạn AC có giá trị là:

20453,1 N

14889,8 N

40906,2 N

5399,62 N.m

- Biểu đồ mô men xoắn tác dụng lên trục:

Mô men xoắn chỉ tác dụng lên trục tại đoạn BD, và nó có giá trị không đổi trêntoàn bộ chiều dài của đoạn trục này

Vậy ta có biểu đồ nội lực như sau:

l 3 =120

l 2 =210

l 1 =210

M X = 12913 Nm

Hình 1.12 : Biểu đồ nội lực sinh ra trên trục

d Kiểm tra sức bền của trục:

Dựa vào biểu đồ nội lực như trên ta thấy rằng tại mặt cắt B của trục chịu trạng tháinguy hiểm nhất, ở đó nó chịu mô men uốn lớn nhất

Mô men uốn tổng hợp tại mặt cắt B của trục được tính theo công thức sau:

1563,4 Nm

4295,2 Nm

5399,6 Nm

300 125

85

Đó là ta đi kiểm tra hệ số an toàn của trục tại tiết diện nguy hiểm của trục khi

nó chịu ảnh hưởng của một số yếu tố quan trọng đến sức bền mỏi của trục như đặctính thay đổi của chu kỳ ứng suất, sự tập trung ứng suất, yếu tố chất lượng bề mặt

và yếu tố kích thước…

Ta cần phải đi kiểm tra mặt cắt B của trục

Hệ số an toàn của trục được tính theo công thức sau:

Trong đó:  n là hệ số an toàn cho phép của chi tiết.

Ta có thể chọn hệ số này hợp lý như sau:  n   n n n1 2 3

Với: n1 là hệ số xét đến mức độ quan trong của trục Do khi trục bị gãy thì

máy sẽ ngừng hoạt động va gây ra tác hại lớn, nên chọn n 1 1,5

2

n là hệ số xét đến độ chính xác khi xác định tải trọng và ứng suất Do ta

tính được tương đối chính xác nên chọn n 2 1,1

3

n là hệ số xét đến ảnh hưởng của vật liệu, do trục làm việc trong điều kiện

trung bình và bề mặt của nó được tôi nên ta lấy n 3 1,5