Nghiên cứu, tính toán, thiết kế công nghệ và máy quấn ống gen xoắn phục vụ thi công dầm bê tông cốt thép dự ứng lực

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong các cấu kiện bê tông không cốt thép, bê tông cốt thép, bê tông dự ứng lực chịu kéo đúng tâm .... Đối tượng nghiên

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

MỞ ĐẦU 9

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY CUỐN ỐNG GEN XOẮN PHỤC VỤ THI CÔNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC 11

1.1 Tổng quan về công nghệ bê tông dự ứng lực 11

1.1.1 Khái niệm về bê tông dự ứng lực 11

1.1.2 Các kết cấu bê tông dự ứng lực điển hình 15

1.1.3 So sánh bê tông dự ứng lực với bê tông cốt thép 16

1.2 Các hệ thống dự ứng lực 19

1.2.1 Cốt dự ứng lực 19

1.2.2 Ống gen 20

1.2.3 Neo 21

1.3 Giới thiệu chung về máy cuốn ống gen xoắn 23

1.4 Tổng quan về tình hình khai thác máy cuốn ống gen ở Việt Nam 25

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH UỐN TẤM 27

2.1 Đặc điểm quá trình uốn kim loại 27

2.2 Uốn liên tục 29

2.2.1 Nguyên lý uốn liên tục 29

2.2.2 Áp lực uốn 37

2.2.3 Xác định chiều dài miền biến dạng 38

2.2.4 Điều kiện ăn phôi vào trục uốn 38

Chương 3 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH ỐNG GEN 41

3.1 Chi tiết ống ghen xoắn 41

3.2 Xác định chiều rộng dải phôi ban đầu 43

3.3 Xác định góc đàn hồi khi uốn 44

3.4 Bán kính uốn tối thiểu khi uốn 44

3.5 Thiết kế biên dạng phôi khi uốn 45

3.5.1 Nguyên tắc xác định biên dạng phôi khi uốn 45

3.5.2 Lựa chọn chế độ uốn 46

3.6 Lực uốn biên dạng sóng 52

3.7 Mô men uốn xoắn, lực uốn gấp mép, lăn nhám mép gấp 54

3.7.1 Mô men uốn xoắn 54

3.7.2 Xác định lực uốn của trục cán gấp mép 56

Chương 4 NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY CUỐN ỐNG GEN XOẮN 58

4.1 Lựa chọn cơ cấu truyền động cho máy 58

4.2 Lựa chọn các thông số kỹ thuật cho việc thiết kế máy 59

4.3 Tính chọn công suất động cơ 64

4.3.1 Xác định công suất trục cán biên dạng 64

4.3.2 Tính công suất cho trục cán gấp mép, trục cán mối nối, trục cán băm gờ mép ống 66

4.3.3 Tính công suất cần thiết cho hệ thống dẫn hướng phôi 68

4.3.4 Tính toán công suất hệ thống cấp phôi: 69

4.3.5 Tính toán công suất hệ thống rửa phôi 70

4.3.6 Chọn động cơ cho máy 73

4.4 Tính toán hệ thống cán biên dạng sóng của ống gen xoắn 74

4.4.1 Kích thước các quả lô cán biên dạng 75

4.4.2 Tính toán trục và bánh răng cho hệ thống cán biên dạng 76

4.4.3 Thiết kế, kiểm nghiệm trục lắp quả lô cán 80

4.5 Tính toán thiết kế hệ thống cuốn gấp mép tạo ống 83

4.5.1 Kích thước các quả lô cán gấp mép tạo ống 84

4.5.2 Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng cho tay cán băm gờ 86

4.5.3 Tính trục cho tay cán mối nối 88

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả và số liệu thuyết minh trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TS Phạm Văn Nghệ, Viện Cơ Khí, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tác giả

Nguyễn Văn Hưởng

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành với sự giúp đỡ của PGS TS Phạm Văn Nghệ, cùng toàn thể các thầy cô bộ môn Gia công áp lực, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô giáo, các nhà khoa học, các bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

Tác giả

Nguyễn Văn Hưởng

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Đặc điểm của truyền động cơ khí 58

Bảng 4.2: Đặc điểm của truyền động thủy lực 59

Bảng 4.3: Các thông số kỹ thuật để thiết kế máy 64

Bảng 4.4 - Hệ số ma sát của ổ đỡ trục cán f' 65

Bảng 4.5 Các thông số hình học cơ bản của bộ truyền 79

Bảng 4.6: Các thông số hình học cơ bản của bộ truyền 87

Bảng 4.7 Các kết quả tính toán trục tay cán mối nối 88

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong các cấu kiện bê tông không cốt

thép, bê tông cốt thép, bê tông dự ứng lực chịu kéo đúng tâm 13

Hình 1.2: Dự ứng lực kéo sau 14

Hình 1.3: Bê tông dự ứng lực kéo căng trước 14

Hình 1.4 Các tỷ số nhịp/chiều cao điển hình của bản một chiều dự ứng lực và không dự ứng lực 15

Hình 1.5: Dầm I – kết cấu bê tông dự ứng lực đúc sẵn 16

Hình 1.6:Cầu Vĩnh Tuy với kết cấu dầm hộp bê tông dự ứng 16

Hình 1.7:Cầu Bãi Cháy – cầu dây văng có dầm bằng bê tông dự ứng lực 16

Hình 1.8: Các dạng cáp dự ứng lực điển hình 20

Hình 1.9: Ống gen 21

Hình 1.10: Cấu tạo một neo điển hình của VSL 21

Hình 1.11: Các bước thực hiện dự ứng lực kéo căng sau 22

Hình 1.12: Dùng ống gen xoắn trong thi công dầm bê tông 23

Hình 1.13: Máy cuốn ống xoắn LMS 24

Hình 1.14: Máy cuốn ống gen xoắn DFG 300 24

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý máy cuốn ống gen 25

Hình 2.1: Một số dạng uốn 27

Hình 2.2: Sơ đồ uốn trên khuôn dập 27

Hình 2.3: Sự biến dạng đàn hồi khi uốn 29

Hình 2.4: Công nghệ uốn liên tục và biên dạng các sản phẩm 30

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý uốn liên tục 30

Hình 2.6: Hệ trục tọa độ không gian orzθ của phôi trong quá trình uốn 31

Hình 2.7: Tiết diện ngang của phân tố trước và sau biến dạng 32

Hình 2.8: Sơ đồ trạng thái ứng suất biến dạng trong uốn phôi với các chiều rộng b và chiều dày s khác nhau 32

Hình 2.9: Sơ đồ trạng thái ứng suất của phôi uốn tại miền biến dạng trong và ngoài vùng tiếp xúc 32

Hình 2.10: Miền biến dạng trên máy biến hình liên tục 37

Hình 2.11: Sơ đồ tác dụng lực khi phôi ăn vào trục uốn 39

Hình 3.1: Bản vẽ ống ghen xoắn 41

Hình 3.2: Kích thước biên dạng phôi 43

Hình 3.3: Sơ đồ uốn biên dạng sóng 44

Hình 3.4: Phôi chuẩn bị gấp mép 46

Hình 3.5: Biên dạng phôi trước khi vào gấp mép 47

Hình 3.6: Biên dạng phôi sau khi cán qua cặp con lăn thứ 1 47

Hình 3.7: Biên dạng phôi sau khi qua giá thứ 2 49

Hình 3.8: Biên dạng phôi sau khi qua giá cán thứ 3 49

Hình 3.9: Sơ đồ bộ phận cán và dẫn hướng 49

Hình 3.10: Chuẩn bị gấp mép phôi 49

Hình 3.11: Mặt cắt thành ống sau khi gấp mép(mặt cắt A –A) 50

Hình 3.12: Mặt cắt thành ống sau khi cán mối nối (mặt cắt B-B) 50

Hình 3.13: Mặt cắt thành ống sau khi cán mối nối (mặt cắt C-C) 50

Hình 3.14: Sơ đồ cuốn gấp mép tạo ống gen 50

Hình 3.15: Sơ đồ uốn biên dạng sóng của ống gen 51

Hình 3.16: Sơ đồ công nghệ tạo hình ống gen xoắn 52

Hình 3.17: Sơ đồ tính lực uốn 52

Hình 3.18: Xác định chiều dài đường uốn L 53

Hình 3.19: Biên dạng phôi khi qua giá cán 1 53

Hình 3.20: Biên dạng phôi khi qua cặp lô cán số 2 54

Hình 3.21: Sơ đồ nguyên lý uốn xoắn ống 54

Hình 3.22: Sơ đồ phân chia mặt cắt xác định mô men quán tính 55

Hình 3.23: Biên dạng phôi khi đi vào hệ thống gấp mép 56

Hình 3.24: Quá trình cán mối nối 57

Hình 4.1: Sơ đồ truyền động cơ khí cho máy cuốn ống gen 58

Hình 4.2 Sơ đồ bộ truyền động nhờ hệ thống thủy lực 59

Hình 4.3: Máy cuốn ống BKTF -1400A 60

Hình 4.4: Máy cuốn ống gen ATM – ZH150 61

Hình 4.5: Máy cuốn ống gen VSL 62

Hình 4.6: Máy cuốn ống gen BPT-300/500: 63

Hình 4.7: Sơ đồ lực tác dụng trong quá trình bôi trơn và là phẳng 68

Hình 4.8: Hệ thống cấp phôi 69

Hình 4.9: Sơ đồ lực của cuộn phôi tác dụng lên trục đỡ của hệ thống cấp phôi 69

Hình 4.10: Hệ thống rửa phôi của máy cuốn ống gen 70

Hình 4.11: Sơ đồ lực tác dụng lên con lăn 2 71

Hình 4.12: Sơ đồ lực tác dụng lên trục con lăn 71

Hình 4.13: Kết cấu bộ phận cán biên dạng 74

Hình 4.14: Biên dạng quả lô cán 75

Hình 4.15:Phân bố ứng suất và biến dạng của cặp lô cán trên giá cán 2 75

Hình 4.16: Các kích thước cơ bản của cặp lô cán 2 76

Hình 4.17: Sơ đồ tính với giá cán số 1 77

Hình 4.18: Chọn vật liệu chế tạo bánh răng 77

Hình 4.19: Nhập các thông số cơ bản của bộ truyền 78

Hình 4.20: Các thông số hình học của bộ truyền 79

Hình 4.21: Các thông số động học và bộ truyền bánh răng sau tính toán 79

Hình 4.22: Nhập thông số cho các đoạn trục 80

Hình 4.23: Sơ đồ tính trục 80

Hình 4.25: Ứng suất uốn trên hai mặt phẳng yz và xz 82

Hình 4.26: Ứng suất xoắn 82

Hình 4.27: Kết quả tính toán trục lắp lô cán 82

Hình 4.28: Bộ phận cuốn, gấp mép tạo ống 83

Hình 4.29: Chi tiết số 5 trên hình 4.19 (định vi phôi) 84

Hình 4.30: Sơ đồ tính toán kích thước các quả cán 85

Hình 4.31: Biên dạng của các quả lô trong hệ thống cán gấp mép tạo ống và mặt cắt biên dạng theo hình 4.20 85

Hình 4.32: Đặc điểm về vật liệu chế tạo bánh răng 86

Hình 4.33: Các thông số hình học của bộ truyền 86

Hình 4.34: Các thông số động học và bộ truyền bánh răng sau tính toán 87

Hình 4.35: Các kết quả tính toán trục cho tay cán mối nối 90

Hình 4.36: Tổng thể máy cuốn ống gen xoắn 91

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ống gen xoắn là một chi tiết quan trọng được sử dụng trong công nghệ bê tông dự ứng lực nói chung và xây dựng cầu nói riêng Hiện nay, ở trong nước, một số đơn vị bước đầu đã thiết kế chế tạo máy cuốn ống gen phục vụ cho công nghệ bê tông cốt thép dự ứng lực Tuy nhiên, chất lượng thiết bị chưa tốt, sản phẩm ống gen chưa đạt yêu cầu Trong khi các thiết bị hiện đang được sử dụng tại các đơn vị thi công chủ yếu là nhập ngoại của Trung Quốc, Thụy Sỹ, các thiết bị này có hạn chế là nặng, khó di chuyển, việc nhập thiết bị máy móc kèm theo mua công nghệ nên giá thành cao Do

đó việc nghiên cứu công nghệ và thiết kế máy là rất cần thiết

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu:Tìm hiểu về ống gen xoắn và máy cuốn ống gen Thiết

kế được sơ đồ công nghệ và máy từ đó có thể làm cơ sở để chế tạo nhằm thay thế máy ngoại nhập với giá thành cao

Đối tượng nghiên cứu:

- Ống gen xoắn dùng trong thi công dầm cầu bê tông dự ứng lực

- Một số máy mẫu tại các đơn vị thi công sửa chữa

Phạm vi nghiên cứu:

- Thiết kế và tính toán được sơ đồ công nghệ tạo hình ống gen xoắn

- Tính toán và thiết kế một số bộ phận cơ bản của máy cuốn ống gen

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về ống gen và máy cuốn ống gen phục vụ công tác thi công dầm cầu bê tông dự ứng lực để so sánh và đưa ra các thông số cần thiết cho việc thiết kế máy

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình uốn để tính toán và thiết kế công nghệ tạo hình ống gen xoắn

- Từ sơ đồ công nghệ tính toán thiết kế máy cuốn ống gen xoắn

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học:

Nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ và máy cuốn ống gen xoắn từ

đó đưa ra các sơ đồ bản thiết kế là cơ sở cho việc chế tạo máy

Ý nghĩa thực tiễn:

Nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa nên việc xây dựng các công trình giao thông cầu đường, nhà cao tầng chiểm tỷ trọng rất lớn.Việc nghiên cứu và làm chủ được công nghệ, máy móc có ý nghĩa thực tiễn và kinh tế rất lớn cho phép giảm chi phí và thời gian thi công

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY CUỐN ỐNG GEN XOẮN PHỤC VỤ THI CÔNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

DỰ ỨNG LỰC 1.1 Tổng quan về công nghệ bê tông dự ứng lực

(Tham khảo tài liệu 11)

Công nghệ thi công dự ứng lực được coi là một phương pháp mới trong xây dựng nhằm giảm thời gian thi công, tiết kiệm tiền bạc và phù hợp với những công trình nhà cao tầng, cầu… với nhịp, khẩu độ lớn.Cáp dự ứng lực có ứng lực căng rất cao kết hợp với sức chịu nén của bê tông tạo nên trong kết cấu những biến dạng ngược khi chịu tải Nhờ đó các kết cấu này có thể chịu được những tải trọng lớn hơn

so với kết cấu bình thường và có khả năng vượt được những nhịp hay khẩu độ lớn hơn kết cấu bê tông thông thường Thi công sàn nhà bằng dự ứng lực giúp giảm chiều cao tầng so với thi công bê tông cốt thép thường (3,1m thay vì 3,3 - 3,5m) Khi giảm chiều cao tầng, sẽ giảm chi phí bê tông cốt thép cho cột vách, tường xây

và hoàn thiện; giảm chi phí móng do tải trọng nhẹ hơn, giảm lực gió, động đất… Từ

đó, sẽ tạo được sàn phẳng kiến trúc đẹp, phân chia không gian linh hoạt, giảm chi phí, tiết kiệm chi phí điều hòa

1.1.1 Khái niệm về bê tông dự ứng lực

Bê tông có cường độ cao và dẻo dai khi chịu nén nhưng lại có cường độ thấp và giòn khi chịu kéo nên, để cải thiện sự làm việc của nó, người ta thường sử dụng biện pháp nén trước những vùng bê tông sẽ chịu kéo dưới các tác động bên ngoài Việc nén trước bê tông như vậy đã tạo ra một dạng kết cấu bê tông mới – kết cấu bê tông dự ứng lực Như vậy, kết cấu bê tông dự ứng lực là một dạng kết cấu bê tông, trong đó, bê tông đã được nén trước để cải thiện khả năng chịu lực Phương pháp dự ứng lực phổ biến nhất hiện nay là kéo trước cốt thép để tạo ra lực nén trước trong bê tông Nếu một cấu kiện chịu kéo được làm chỉ từ bê tông có cường độ chịu nén bằng 35 MPa thì bê tông sẽ bị nứt và phá hoại khi ứng suất kéo đạt đến giá trị của cường độ chịu kéo, khoảng 2 MPa (xem Hình 1.1a) Cường độ chịu kéo của bê tông

có giá trị thấp và thường không ổn định Ngoài ra, biến dạng ứng với khi bê tông

nứt cũng rất nhỏ Do đó, sự phá hoại thường là rất đột ngột – phá hoại giòn Nếu cấu kiện trên được tăng cường bằng các thanh cốt dọc thích hợp thì khả năng chịu kéo của nó sẽ được cải thiện Ví dụ, khi cốt thép dọc có cường độ 400 MPa và hàm lượng khoảng 1,5% (tương đương với 120 kg thép/m3 bê tông) thì ứng xử chịu lực của cấu kiện có thể đạt được như trên Hình 1.1b Thay cho việc bị phá hoại khi các vết nứt hình thành, cấu kiện có thể tiếp tục chịu lực cho đến khi cốt thép đi qua mặt cắt ngang bị chảy Do cần phải có một năng lượng lớn (năng lượng ở đây là công và bằng diện tích phần nằm dưới đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng) để phá hoại cấu kiện nên, có thể nói rằng, cấu kiện là dai và dẻo Tuy nhiên, độ cứng của cấu kiện sẽ bị giảm đáng kể sau khi nứt Nếu cấu kiện có chứa cốt thép thường với hàm lượng khoảng 40 kg/m3 và cốt thép cường độ cao với hàm lượng khoảng 20 kg/m3 được kéo trước để tạo ra lực nén trước trong bê tông thì ứng xử chịu lực của cấu kiện này có thể đạt được như trên Hình 1.1c Dự ứng lực nén làm tăng đáng kể khả năng chống nứt cho bê tông và, qua đó, tạo ra một cấu kiện dai và cứng hơn so với các cấu kiện không có dự ứng lực Người sáng tạo ra bê tông dự ứng lực ứng dụng là Eugene Freyssinet, một kỹ sư người Pháp Ông là người năm 1928 đã bắt đầu sử dụng các sợi thép cường độ cao để nén bê tông Các thử nghiệm trước đó về việc chế tạo bê tông dự ứng lực bằng cốt thép cường độ thường đã không thành công Nguyên nhân là, sau khi được nén trước, bê tông tiếp tục co ngắn lại theo thời gian do từ biến và co ngót Tổng hợp từ biến và co ngót có thể phát sinh một biến dạng co khoảng 1‰ Cốt thép thường, do có cường độ thấp nên, không thể được kéo để tạo dự ứng lực với biến dạng giãn lớn hơn 1,5‰ Như vậy, trong các lần thử ban đầu để tạo dự ứng lực trong bê tông, 2/3 dự ứng lực trong cốt thép đã bị mất do

từ biến và co ngót Ngược lại, các sợi thép cường độ cao có thể được kéo đến biến dạng bằng khoảng 7‰ khi tạo dự ứng lực và, ngay cả khi bị mất đi 1‰ , vẫn còn lại 6/7 dự ứng lực

Hình 1.1:Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong các cấu kiện bê tông không cốt

thép, bê tông cốt thép, bê tông dự ứng lực chịu kéo đúng tâm

Ở nước ta, hầu hết các công trình cầu lớn được xây dựng trong thời gian vừa qua đều sử dụng bê tông dự ứng lực Hai phương pháp tạo dự ứng lực khác nhau đã được phát triển là phương pháp dự ứng lực kéo sau và phương pháp dự ứng lực kéo trước Hình 1.2 minh hoạ phương pháp tạo dự ứng lực kéo sau, trong đó, cốt thép sẽ được kéo căng và neo vào bê tông sau khi bê tông đã được đúc và đạt đến một

cường độ nhất định

Hình 1.2: Dự ứng lực kéo sau

Hình 1.3 minh hoạ phương pháp dự ứng lực kéo trước, theo đó, cốt thép được căng trên bệtrước khi đổ bê tông Sau khi bê tông đạt đến cường độ mong muốn, cốt thép sẽ được cắt khỏibệ và, thông qua lực dính bám, tạo ra lực nén trong bê tông Một kỹ sư người Đức là E.Hoyer đã phát triển phương pháp dự ứng lực kéo trước thành một kỹ thuật ứng dụng vào năm 1938

Hình 1.3: Bê tông dự ứng lực kéo căng trước

Từ những nghiên cứu đầu tiên này, bê tông dự ứng lực đã phát triển thành một ngành công nghiệp có doanh thu rất lớn Hiện nay, hàng năm có hơn 600.000 tấn bê tông dự ứng lực được sử dụng trên toàn thế giới Theo thống kê, trung bình trên toàn thế giới có khoảng 66% thép dự ứng lực được dùng trong xây dựng cầu và

số còn lại được sử dụng cho công trình xây dựng dân dụng và các mục đích khác Tuy nhiên, ở các nước phát triển như Bắc Mỹ, châu Âu, quan hệ này lại ngược lại, khoảng 59% thép dự ứng lực kéo sau được dùng trong xây dựng dân dụng và khoảng 26% được dùng trong xây dựng cầu

1.1.2 Các kết cấu bê tông dự ứng lực điển hình

Do dự ứng lực có thể được sử dụng để giảm thiểu hoặc triệt tiêu nứt do tải trọng khai thác,nên nó có thể tạo ra các cấu kiện mảnh hơn.Ví dụ, các bản sàn một chiều

có thể có tỷ lệnhịp/chiều cao bằng 45/1 lớn hơn 60% so với tỷ lệ của bản sàn không

dự ứng lực (Hình 1.4).Với một chiều dài nhịp cho trước, lượng bê tông trong bản dự ứng lực sẽ bằng khoảng 2/3lượng bê tông trong bản không dự ứng lực Sau đây là một số ví dụ về các kết cấu bê tông dựứng lực điển hình.Hơn 50% cầu được xây dựng hiện nay là bằng bê tông dự ứng lực Cầu bê tông dự ứng lựccó thể là từ dạng cầu đơn giản được xây dựng từ các dầm I đúc sẵn dự ứng lực kéo trước(Hình 1.5) đến các cầu dầm hộp dự ứng lực kéo sau đổ tại chỗ với nhịp đến 150 m (Hình 1.6),hay các cầu dây văng có nhịp đến hơn 500 m (Hình 1.7)

Hình 1.4Các tỷ số nhịp/chiều cao điển hình của bản một chiều dự ứng lực và không dự ứng lực

1.1.3 So sánh bê tông dự ứng lực với bê tông cốt thép

Sự khác biệt quan trọng nhất giữa hai loại kết cấu này chính là việc sử dụng vật liệu

cườngđộ cao cho bê tông dự ứng lực Để khai thác được thép cường độ cao thì buộc

phải sử dụngdự ứng lực Việc kéo căng cốt thép và neo chúng vào bê tông sẽ tạo ra

các trạng thái ứng suấtvà biến dạng mong muốn để qua đó, giảm thiểu hoặc triệt

tiêu vết nứt trong bê tông Nhờ đó,toàn bộ mặt cắt của kết cấu bê tông dự ứng lực

trở thành mặt cắt có hiệu Trong khi đó, ở kếtcấu bê tông cốt thép thường chỉ một

Hình 1.5: Dầm I – kết cấu bê tông dự ứng lực đúc sẵn

Hình 1.6:Cầu Vĩnh Tuy với kết cấu dầm hộp bê tông dự ứng

Hình 1.7:Cầu Bãi Cháy – cầu dây văng có dầm bằng bê tông

dự ứng lực

phần mặt cắt là có hiệu.Việc sử dụng các cốt dự ứng lực có quỹ đạo cong sẽ giúp chịu thêm lực cắt Ngoài ra, dựứng lực trong bê tông có xu hướng làm giảm ứng suất kéo chính và qua đó, làm tăng sứckháng cắt trong các cấu kiện Do đó, để chịu cùng một lực cắt, mặt cắt bằng bê tông dự ứnglực có thể nhỏ hơn mặt cắt bằng bê tông cốt thép thường Vì lý do này, các mặt dạng chữ I cóthành bụng mảnh hay được sử dụng trong các kết cấu bê tông dự ứng lực.Bê tông cường độ cao vốn được coi là không kinh tế khi sử dụng trong các kết cấu bê tongcốt thép thường lại được mong muốn và, thậm chí, bắt buộc trong kết cấu bê tông dự ứng lực.Các cấu kiện có mặt cắt mảnh bằng bê tông cường độ cao không dự ứng lực đòi hỏi nhiều cốtthép thường dù vẫn không tránh được nứt và có độ cứng nhỏ Trong khi đó, việc sử dụng bêtông cường độ cao trong các kết cấu dự ứng lực cho phép tạo lực dự ứng lực lớn, qua đó, làmtăng khả năng chống nứt cũng như độ cứng và từ đó, làm giảm kích thước mặt cắt.Tuy nhiên, mỗi dạng kết cấu đều có điểm mạnh và điểm yếu khác nhau Phần sau đây sẽso sánh bê tông dự ứng lực và bê tông cốt thép thường ở các phương diện tính khai thác, độan toàn và tính kinh tế

Tính khai thác

Kết cấu bê tông dự ứng lực thích hợp với kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọnglớn Kết cấu bê tông dự ứng lực mảnh nên dễ phù hợp với các yêu cầu mỹ quan và cho phéptạo ra các khoảng tịnh không lớn Bê tông dự ứng lực ít bị nứt và có khả năng phục hồi đóngvết nứt khi tải trọng đi qua Độ võng do tĩnh tải nhỏ nhờ độ vồng được tạo ra bởi dự ứng lực.Độ võng do hoạt tải cũng nhỏ do mặt cắt có hiệu không nứt có độ cứng lớn hơn hai đến balần mặt cắt đã nứt Kết cấu bê tông dự ứng lực thích hợp hơn với kết cấu lắp ghép do có trọnglượng nhỏ hơn.Trong một số trường hợp, kết cấu có yêu cầu trọng lượng và khối lượng lớn và khi này bêtông dự ứng lực không có lợi thế, kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép sẽ thích hợp hơn

Độ an toàn

Khó có thể nói rằng, dạng kết cấu này là an toàn hơn dạng kết cấu khác Độan toàn của một kết cấu phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế và xây dựng hơn là dạng của nó.Tuy nhiên, đặc tính an toàn có tính kế thừa của bê tông dự ứng lực

cũng cần được nêu lên ởđây Trong quá trình tạo dự ứng lực, cả bê tông và cốt dự ứng lực đã được thử nghiệm Ởnhiều kết cấu, trong quá trình tạo dự ứng lực, cả bê tông và cốt dự ứng lực đã phải chịu cácứng suất lớn nhất trong cả cuộc đời của chúng Do đó, nếu vật liệu đã vượt qua được quátrình tạo dự ứng lực, chúng có đủ khả năng để chịu các tác động trong quá trình khai thác.Nếu được thiết kế phù hợp bởi các phương pháp thiết kế hiện nay, kết cấu dự ứng lực cókhả năng chịu các vượt tải bằng hoặc hơi cao hơn kết cấu bê tông cốt thép thường Với cácthiết kế thông thường, chúng có độ võng lớn trước khi bị phá hoại Kết cấu bê tông dự ứnglực cũng có khả năng chịu các tác động va chạm, tác động lặp tương tự như kết cấu bê tôngcốt thép thường Khả năng chống rỉ của bê tông dự ứng lực cao hơn của bê tông cốt thépthường do chúng ít bị nứt và chất lượng của bê tông được dùng trong kết cấu dự ứng lực caohơn Tuy nhiên, nếu xuất hiện vết nứt, tác động của rỉ lên kết cấu

bê tông dự ứng lực nghiêmtrọng hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thường Thép chịu ứng suất cao trong các kết cấu bêtông dự ứng lực nhạy với các tác động hoả hoạn hơn cốt thép thường.So với kết cấu bê tông cốt thép thường, kết cấu bê tông

dự ứng lực đòi hỏi phải cẩn thậnhơn trong thiết kế và xây dựng do vật liệu có cường

độ cao hơn, mặt cắt nhỏ hơn, kết cấumảnh hơn, v.v

ứng lực, trình độnhân công đòi hỏi cao hơn, công tác giám sát trong thi công dự ứng lực cũng cần được thựchiện chu đáo, tỉ mỉ hơn Các chi phí bổ sung còn có thể phát sinh phụ thuộc vào kinh nghiệmcủa kỹ sư và công nhân.Từ những vấn đề nêu trên

có thể rút ra kết luận là kết cấu bê tông dự ứng lực sẽ là kinh tếkhi áp dụng cho các kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng lớn và khi công tác thiết kế và thi côngđược thực hiện bởi các kỹ sư và công nhân có kinh nghiệm Kết cấu này cũng được coi làkinh

tế khi được chế tạo ở dạng lắp ghép hay bán lắp ghép

1.2 Các hệ thống dự ứng lực

(Tham khảo tài liệu 11)

Phụ thuộc vào công nghệ, các hệ thống dự ứng lực có thể bao gồm các bộ phận khác nhau.Nếu sử dụng công nghệ căng trước và dính bám tức thời, hệ thống

dự ứng lực chỉ gồm các cốt dự ứng lực.Nếu sử dụng công nghệ căng sau, hệ thống

dự ứng lực sẽ bao gồm ống gen (ống tạo lỗ), cốt dự ứng lực, neo, các bộ nối cáp và một số bộ phận khác

1.2.1 Cốt dự ứng lực

Vật liệu được sử dụng để làm cốt dự ứng lực phổ biến nhất hiện nay là thép cường độ cao Thuật ngữ “cốt dự ứng lực” được sử dụng để chỉ các sợi riêng lẻ, các tao (là bó của các

sợi), các thanh hay các nhóm của chúng (Hình 1.8) Dạng cốt dự ứng lực được sử dụng rộng rãi nhất là các tao 7 sợi Do các tao 7 sợi được phát triển ở Mỹ nên các đường kính danh định được sử dụng trên thế giới được ghi ở đơn vị inchs (in.) Trong đó, các đường kính 3/8 in (9,53 mm), 1/2 in (12,7 mm) và 0,6 in (15,2 mm)

là được sử dụng rộng rãi hơn cả Các tao thép này được sử dụng cả trong kết cấu dự ứng lực kéo trước và dự ứng lực kéo sau.Cường độ chịu kéo tới hạn của các tao này thay đổi trong khoảng từ 1720 MPa đến 1860 MPa

Các thanh cốt thép có gờ là một dạng đặc biệt của cốt dự ứng lực, rất thích hợp trong mộtsố kết cấu dự ứng lực kéo sau hoặc dự ứng lực tạm phục vụ thi công Đường kính danh định của chúng thay đổi từ 5/8 in (15 mm) đến 13/8 in (36 mm)

và cường độ kéo cực hạn là khoảng 1030 MPa

Các sợi riêng lẻ là dạng thành công đầu tiên của cốt thép dự ứng lực và vẫn đang được sửdụng đến ngày nay cho các ứng dụng đặc biệt như cho tà vẹt đường sắt hay panel sàn Các sợinày có các đường kính điển hình là 5 mm và 7 mm và có cường

độ tới hạn từ 1620 MPa đến 1720 MPa

Hình 1.8: Các dạng cáp dự ứng lực điển hình

1.2.2 Ống gen

Ống gen (ống tạo lỗ) được đặt trước khi đổ bê tông, có tác dụng tạo ra không gian (lỗ) đểđặt cốt thép dự ứng lực vào trong bê tông Đối với dự ứng lực không dính bám, khoảng trốnggiữa cốt dự ứng lực và ống gen được bơm đầy bằng mỡ để chống rỉ.Đối với dự ứng lực códính bám sau, khoảng trống này được bơm đầy bằng vữa Ống gen được làm bằng nhựa cứng(HDPE – High Density Polyethylene) hoặc bằng kim loại ở dạng trơn hay lượn sóng (Hình1.9) Đối với các cốt dự ứng lực lớn, ống gen thường có mặt cắt dạng tròn.Ống gen có mặt cắtdạng này dễ chế tạo, dễ nối

và tốn ít vật liệu làm đầy (vữa hoặc mỡ) để chống rỉ nhất Đối vớicác cấu kiện có chiều cao nhỏ, cốt dự ứng lực nên được bố trí sao cho chúng có cánh tay đònnội lực lớn nhất có thể Do đó, ống gen cho trường hợp này thường có dạng hình chữ nhậthoặc ô van

Hình 1.9: Ống gen

1.2.3 Neo

Đối với các kết cấu bê tông dự ứng lực căng sau, hai đầu của cốt dự ứng lực cần được neochắc chắn vào bê tông thông qua các thiết bị neo.Hình 1.10 minh hoạ cấu tạo của một dạng chủ động điển hình của hãng VSL được sử dụngđể neo cốt dự ứng lực ở dạng các tao cáp.Các tao cáp dự ứng lực được neo nhờ các miếngchêm có dạng hình nón Các miếng chêm có răng ở mặt trong để bám chặt và giữ cáp dự ứnglực Lực nén tác dụng từ cáp dự ứng lực vào đầu neo được tạo ra nhờ dạng hình nón của cácmiếng chêm này

Hình 1.10: Cấu tạo một neo điển hình của VSL

Ở nước ta hiện nay chủ yếu sử dụng phương pháp bê tông dự ứng lực kéo căng sau, ta có thể hình dung công việc thi công kết cấu bê tông dự ứng lực kéo căng sau gồm các bước như sau:

Các thao tác tạo dự ứng lực căng sau

Bước đầu tiên trong việc sản xuất các cấu kiện dự ứng lực căng sau là đặt khung cốt thépthường và các ống gen cùng cốt dự ứng lực kéo sau vào ván khuôn Sau khi đổ và bảo dưỡngbê tông, cáp dự ứng lực được kéo và neo bằng các kích dự ứng lực kéo sau đặc biệt tựa vàochính bê tông Trừ khi sử dụng cáp không dính bám, thao tác tạo dự ứng lực sẽ kết thúc bằng việc bơm vữa vào ống gen (Hình 1.11)

Hình 1.11: Các bước thực hiện dự ứng lực kéo căng sau

Trong các kết cấu dự ứng lực có dính bám sau, các ống gen cần phải được bơm vữa càngsớm càng tốt sau khi cáp đã được neo.Tuổi thọ lâu dài của kết cấu dự ứng lực kéo sau códính bám phụ thuộc vào sự thành công của công tác bơm vữa Mục tiêu của việc bơm vữa là làm đầy ống gen bằng vật liệu có khả năng cung cấp môi trường kiềm để chống rỉ cho cốt thép và có cường độ cần thiết để tạo lực dính bám giữa cáp với bê tông xung quanh Để giảm thời gian các bó cáp nằm phơi trong môi trường rỉ, chỉ nên đưa chúng vào các ống gen ngay trước khi kéo dự ứng lực Thông thường, vữa bơm vào ống gen chứa một hỗn hợp xi măng và nước (tỷ lệ nước/xi măng khoảng 0,5) cùng các phụ gia giảm nước và phụ gia nở Vữa dùng cho các

pozzolans.Vữa thích hợp cần phải có đủ tính lưu động trong quá trình bơm, ít bị mất nước và phân rã, có độ co ngót thấp, có cường độ đầy đủ và không chứa các chất có hại như clo-rit, ni-trat, sun-fit hay các hợp chất khác có thể tham gia gây rỉ cốt thép Vữa được bơm vào tại các điểm thấp của cáp hay tại các đầu của cấu kiện Các ống thông hơi được đặt ở các điểm cao của cáp như được thể hiện trên Hình 2.9c Nếu ống gen không được thông hơi đầy đủ, các túi khí có thể bị kẹt lại tại các điểm cao của ống gen Hơi nước có trong các túi khí này có thể làm cho cốt thép bị rỉ và ở các miền lạnh, hơi nước bị đóng băng và có thể gây ra các hư hỏng nghiêm trọng Trước khi bơm vữa, các ống gen cần phải được thổi sạch các mảnh vụn và bụi bẩn bằng hơi ép không có dầu.Đôi khi, ống gen cũng phải được rửa bằng nước trước khi bơm vữa Nếu ống gen bị tắc trong quá trình bơm vữa thì ngay lập tức phải rửa ống gen bằng nước, bơm vào từ ống thoát khí gần nhất theo chiều ngược với chiều bơm vữa

Hình 1.12: Dùng ống gen xoắn trong thi công dầm bê tông

1.3 Giới thiệu chung về máy cuốn ống gen xoắn

Hiện nay trên thế giới máy cuốn ống gen rất đa dạng và phong phú về mẫu

mã và chủng loại Mỗi hãng đều có những dòng sản phẩm riêng biệt phù hợp với yêu cầu công nghệ thi công khác nhau và có những ưu điểm riêng biệt Máy cuốn ống gen SBTF, SBKJ của hãng Jiangsu Trung Quốc, loại máy cuốn này cho phép thay đổi đường kính ống gen từ 100mm đến 1600mm

Loại máy LMS là một trong những máy cuốn ống gen có tốc độ cuốn nhanh, năng suất lớn, có thể cuốn với chiều dày lớn nhất 1,2 mm Toàn bộ quy trình sản phẩm cũng như chất lượng sản phẩm ống gen đạt tiêu chuẩn châu Âu, dải đường kính của máy từ 800mmđến 1400 mm

Hình 1.13: Máy cuốn ống xoắn LMS

Loại máy KQG 110, KQG 300 của hãng SKU cuốn được ống gen có đường kính ống từ 50mm đến 300mm Các loại máy này có tốc độ cuốn nhanh, dễ dàng thay đổi đường kính theo yêu cầu Các máy cuốn ống gen của hãng VSL cho phép cuốn ống gen từ 50mm đến 120 mm Đây là một trong những loại máy đạt tiêu chuẩn châu Âu, hiện đang được sử dụng rất phổ biến

Hình 1.14: Máy cuốn ống gen xoắn DFG 300

Sơ đồ nguyên lý của máy cuốn ống gen như sau:

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý máy cuốn ống gen

Phôi thép từ giá đỡ 1 qua hệ thống nhúng phôi 2 Hệ thống này có tác dụng rửa bôi trơn trước khi qua hệ thống cán biên dạng Hệ thống cán biên dạng 3 có 3 trục cán nhằm tạo gân thành ống và chuẩn bị mép để hệ thống gấp mép 4 xoắn tạo ống.Ống sau khi tạo thành được đỡ và trượt trên máng 6 Khi đạt đến chiều dài cần thiết thì động cơ chính của máy ngừng làm việc, lúc đó bộ phận cắt ống 8 sẽ cắt ống

1.4 Tổng quan về tình hình khai thác máy cuốn ống gen ở Việt Nam

Hiện nay, công nghệ bê tông dự ứng lực được áp dụng 100% trong xây dựng các công trình cầu đường Công nghệ này cũng đang được ứng dụng phổ biến trong xây dựng nhà cao tầng, các kết cấu ống khói nhà máy, kết cấu bê tông thủy điện,…

Để có thể luồn cáp dự ứng lực vào kết cấu bê tông cần phải tạo lỗ trong khối bê tông Máy cuốn ống gen là thiết bị sản xuất ra ống gen tạo lỗ trong khối bê tông với nhiều loại đường kính khác nhau phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng kết cấu Do vậy nhu cầu về máy cuốn ông gen trong xây dựng cầu đường và xây dựng các công trình dân dụng, thủy lợi là rất lớn

Trong nước có một số đơn vị bước đầu đã thiết kế chế tạo máy cuốn ống gen phục vụ cho công nghệ bê tông cốt thép dự ứng lực như bộ môn Gia công áp lực

trường đại học Bách Khoa Hà Nội ( chế tạo máy cho công ty cổ phần Cầu 12, Cầu

11, Cầu 7) Trong khi các thiết bị hiện đại đang được sử dụng tại các đơn vị thi công chủ yếu là nhập ngoại của Trung Quốc, các thiết bị này có nhược điểm là nặng

nề, khó di chuyển, việc nhập thiết bị máy móc kèm theo mua công nghệ nên giá thành cao Các máy cuốn ống gen thường được các đơn vị thi công nhập để sử dụng hiện nay là: máy cuốn ống gen SBTF, SBKJ của hãng JIANGSU của Trung Quốc, máy cuốn ống gen LS của châu Âu, máy cuốn ống gen KQG 300 của hãng SUK, máy cuốn ống gen VSL của Thụy Sỹ,…Máy cuốn ống gen của một số đơn vị chế tạo trong nước vẫn còn tồn tại nhiều ưu nhược điểm như: Sử dụng nguồn động lực dẫn động là động cơ điện roto lồng sóc và sử dụng hộp số cơ khó để thay đổi tóc độ quay nên khởi động không êm dịu, thao tác cuốn ống rất khó, kém an toàn và dễ gây tai nạn cho người vận hành Không có hệ thống bánh xe nên gây khó khăn trong việc di chuyển máy móc đến các vị trí khác nhau khi thi công ngoài công trường, thiết bị làm việc không ổn định, chất lượng ống gen chưa đạt yêu cầu

Ống gen được sản xuất ra từ lá thép mạ kẽm có ưu điểm là nhẹ, độ dày bất

kì, độ cứng cao, độ bền lý hóa cao, có thể ứng dụng trong cả ngành điện, viễn thông rất thuận tiện với giá thành hạ

Hiện nay máy cuốn ống gen được sử dụng tại các đơn vị thi công trong nước chủ yếu là các thiết bị ngoại nhập với giá thành cao, các phụ tùng thay thế nhập ngoại ảnh hưởng đến công tác thay thế, sửa chữa thiết bị làm chậm tiến độ thi công các công trình, trọng lượng máy lớn nên việc di chuyển khó khăn

Kết luận chương 1:

Trên cơ sở khảo sát về nhu cầu ống gen phục vụ công nghệ bê tông dự ứng lực

và tình hình khai thác máy cuốn ống gen ta thấy trong thi công các công trình giao thông vận tải và các công trình dân dụng và công nghiệp chúng ta cần sử dụng hàng triệu mét ống gen các loại phục vụ thi công bê tông cốt thép dự ứng lực, nếu nhập ngoại thời gian cung cấp lâu, và rất tốn công vận chuyển Gần đây ống gen đã được các đơn vị sản xuất trong nước đảm bảo thời gian cung cấp nhanh và giảm đáng kể giá thành, tuy nhiên, số lượng sản xuất ra vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng

và chất lượng ống gen còn chưa được đảm bảo.Đứng trước thực tế đó, vấn đề

nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy cuốn ống gen trong nước là rất cần thiết

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH UỐN TẤM

2.1 Đặc điểm quá trình uốn kim loại

(Tham khảo tài liệu 3)

Sơ đồ lực tác dụng khi uốn:

Hình 2.2: Sơ đồ uốn trên khuôn dập

Quá trình uốn trên khuôn do tác động đồng thời cả chày và cối với các điểm dặt lực P và Q ở một khoảng cách nhất định Lực P và Q sẽ tạo ra momen uốn làm thay đổi hình dạng của phôi Trong quá trình uốn độ cong của phần phôi bị biến dạng sẽ tăng lên, các lớp kim loại ở mặt ngoài góc uốn thì bị kéo, các lớp bên trong bị nén

Khi giảm bán kính uốn biến dạng dẻo sẽ bao trùm toàn bộ chiều dày của phôi Khi góc uốn α= 900 độ dài vùng biến dạng dẻo gần bằng ¼ tay đòng uốn l

Đặc điểm của quá trình uốn kim loại là khi uốn các kim loại tấm để đạt được những chi tiết có kích thước và hình dạng cần thiết, người ta nhận thấy rằng với tỷ

số chiều rộng và chiều dày của phôi khác nhau, với mức độ biến dạng khác nhau (tỷ số giữa bán kính uốn và chiều dày vật liệu khác nhau) và giá trị góc uốn khác nhau thì quá trình biến dạng xảy ra tại vùng uốn cũng có những đặc điểm khác nhau Tại vùng uốn các thớ ngang vẫn phẳng và vuông góc với trục phôi Các thớ dọc bị biến dạng khác nhau ở hai phía của phôi, các lớp kim loại ở phía trong góc uốn (phía bán kính nhỏ) thì bị nén và co ngắn theo hướng dọc đồng thời bị kéo và giãn dài theo hướng dọc và đồng thời bị nén và co ngắn theo hướng ngang, tạo thành độ cong ngang

Khi uốn những dải phôi rộng (b > 2S), chiều dày vật liệu giảm, mặt cắt ngang của phôi bị thay đổi không đáng kể, có thể coi như không đổi bởi vì trở lực biến dạng của vật liệu có chiều rộng chống lại sự biến dạng theo hướng ngang Khi đó các lớp kim loại ở phía trong góc uốn chỉ bị nén và co ngắn theo hướng dọc còn các lớp kim loại ở phía ngoài góc uốn chỉ bị kéo và giãn dài theo hướng dọc

Khi uốn với mức độ biến dạng lớn, các lớp kim loại ở phía ngoài phôi bị kéo

và giãn dài đáng kể, dễ gây ra hiện tượng nứt gẫy Vì vậy khi cắt phôi uốn cần phải chú ý bố trí sao cho đường uốn vuông góc với thớ cán của phôi, tránh để đường uốn song song với thớ cán

Tại vùng uốn có những lớp kim loại bị nén và co ngắn lại đồng thời có những lớp kim loại bị kéo và giãn dài theo hướng dọc vì vậy giữa các lớp đó thế nào cũng tồn tại một lớp có chiều dài bằng chiều dài ban đầu của phôi Lớp này gọi là lớp trung hòa biến dạng.Lớp trung hòa biến dạng là cơ sở tốt nhất để xác định kích thước của phôi khi uốn và xác định bán kính uốn nhỏ nhất cho phép

Khi uốn với bán kính uốn lớn, mức độ biến dạng ít, vị trí lớp trung hòa biến dạng nằm ở giữa chiều dày của dải phôi Bán kính cong ρbd của lớp trung hòa được xác định theo công thức sau :ρbd = r + x.S

Trong đó:

r - bán kính uốn (mm)

S - chiều dày vật liệu (mm)

x - hệ số xác định khoảng cách lớp trung hòa đến bán kính uốn phía trong

Biến dạng đàn hồi khi uốn

∆α làm cho bán kính cong và góc uốn bị thay đổi

Xác định kích thước làm việc của khuôn có thêm biến dạng đàn hồi:

rch=rđ/hồi- ∆r = rchi tiết- ∆r

αC = αđ/hồi ± ∆α = αchi tiết ± ∆α

2.2 Uốn liên tục

(Tham khảo tài liệu 2)

2.2.1 Nguyên lý uốn liên tục

Bằng phương pháp uốn liên tục có thể sản xuất được nhiều chủng loại hình uốn

và ống hàn

Hình 2.4: Công nghệ uốn liên tục và biên dạng các sản phẩm

Các khâu công nghệ chính trong sản xuất hình uốn và ống hàn bao gồm:

- Uốn phôi thành hình uốn hoặc phôi ống;

- Hàn phôi ống;

- Cán giảm đường kính (cán giảm kính) hoặc cán ổn định đường kính (cán định kính) ống để mở rộng kích thước và nâng cao chất lượng ống hàn

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý uốn liên tục

Tùy theo yêu cầu sản xuất hình uốn hay ống hàn mà quy trình công nghệ sẽ bao gồm những khâu công nghệ cụ thể Ví dụ, để sản xuất hình chữ U, chỉ sử dụng khâu công nghệ uốn phôi thành hình uốn, còn để sản xuất ống hàn ta phải sử dụng cả ba khâu công nghệ nêu trên (hình 2.5)

Quá trình uốn liên tục và quá trình uốn trong khuôn dập là các quá trình biến dạng dẻo theo chiều rộng phôi với độ cong tăng dần, còn chiều dày phôi không thay đổi Tuy nhiên, có một điểm khác so với uốn trong khuôn dập là quá trình uốn liên

tục chịu ảnh hưởng của trạng thái ứng suất – biến dạng ở miền biến dạng ngoài cùng tiếp xúc giữa phôi và trục uốn

Việc nghiên cứu lý thuyết quá trình uốn phôi càn xuất phát từ các giả thiết:

- Mặt cong lồi và mặt cong lõm của phôi luôn luôn đồng tâm;

- Chiều dày phôi không biến đổi trong quá trình uốn;

- Sau biến dạng, tiết diện ngang của phôi vẫn phẳng và vuông góc với trục đối xứng của phôi;

- Trong quá trình uốn, giả thiết về biến dạng phẳng là đúng;

- Mặt ngoài và mặt trong phôi không chịu lực tác dụng bên ngoài (giả thiết này chỉ đúng đối với vùng biến dạng ngoài miền tiếp xúc)

Để khảo sát trạng thái ứng suất – biến dạng trong quá trình uốn, ta thiếp lập hệ trục tọa độ không gian Orzθ (hình 2.6): trục oz là đường sinh mặt cong phôi, trục or trùng với pháp tuyến mặt cong phôi tại điểm O, còn trục oθ trùng với tiếp tuyến mặt cong phôi tại điểm o Như vậy có 3 ứng suất chính: σr- ứng suất pháp, σz – ứng suất dọc, σθ - ứng suất tiếp Cả ba ứng suất σr, σz ,σθ đều chỉ phụ thuộc vào tọa độ r Trong đó σθ>σz>σr

Nếu ta lấy một phân tố phôi hình chữ nhật ABCD trên tiết diện ngang của phôi phảng ban đầu, thì sau khi biến dạng, phân tố đó biến dạng thành hình vành khăn A’B’C’D’ (hình 2.7)

Hình 2.6: Hệ trục tọa độ không gian orzθ của phôi trong quá trình uốn

Trên các lớp mặt ngoài phôi, kích thước của phân tố phôi tăng theo chiều tiếp tuyến phôi và giảm theo hướng pháp tuyến, còn trên lớp mặt trong phôi, kích thước của phân tố phôi giảm theo hướng tiếp tuyến và tăng theo hướng pháp tuyến Như vậy, chiều dày phôi uốn bị chia thành 2 lớp có những đặc tính biến dạng trái ngược nhau và ắt hẳn giữa 2 lớp đó tồn tại một mặt cong mà kích thước các phân tố

Hình 2.9: Sơ đồ trạng thái ứng suất của phôi uốn tại miền biến dạng trong và ngoài vùng tiếp

xúc

a.Tại tiết diện phôi bị uốn

b Biến dạng ngoài vùng tiếp xúc

c Biến dạng trong vùng tiếp xúc

Hình 2.7: Tiết diện ngang của phân tố trước và sau biến dạng

Hình 2.8: Sơ đồ trạng thái ứng suất biến dạng trong uốn phôi với các chiều rộng b và chiều dày s

phôi trên đó theo hướng tiếp tuyến hoàn toàn không biến đổi Ta gọi mặt cong đó là mặt cong trung hòa biến dạng và bán kính cong đó là bán kính trung hòa biến dạng

ρbd Hiện tượng đó có tính chất tức thời, ở các thời điểm uốn khác nhau có các mặt trung hòa biến dạng khác nhau

Theo trục oθ (hình 2.6) có tác dụng của ứng suất tiếp σθ : trên các lớp mặt ngoài phôi – kéo, còn trên các lớp mặt trong phôi – nén Lớp trung hòa ứng suất nằm ở lớp giữa chiều dày phôi và bán kính cong lớp trung hòa ứng suất đó gọi là bán kính trung hòa biến dạng ρưs.Theo trục oz có tác dụng của ứng suất kéo dọc

σz.Khi phôi bị kéo, ứng suất kéo dọc σz ở lớp giữa chiều dày phôi sẽ không bằng 0 (đường chấm gạch trên hình 2.8) Theo trục or có tác dụng của ứng suất pháp nén σr

, giá trị của nó quá nhỏ, có thể coi bằng 0 Trong vùng ngoài miền tiếp xúc giá trị cực đại của σr tương ứng với lớp giữa chiều dày phôi (đường chấm gạch) Trên các lớp mặt ngoài và mặt trong phôi σr = 0 Trong quá trình uốn, chấp nhận sơ đồ trạng thái ứng suất phẳng đối với phôi

Khi biến dạng phôi trong lỗ hình hàn, trạng thái ứng suất thay đổi: ứng suất tiếp nén σθ tác dụng trên toàn bộ chiều dày phôi, còn giá trị ứng suất pháp σr tăng

Sơ đồ phẳng của trạng thái ứng suất trong quá trình uốn được thay thế bởi sơ

đồ khối trong ép giảm bán kính

Nếu σr.tb>σ . σ . , (trong đó: σr.tb - ứng suất pháp tuyến trung bình bằng một nửa giá trị cực đại, σθ.tb - ứng suất tiếp tung bình và σz.tb - ứng suất dọc trung bình bằng một nửa giá trị cực đại) thì quá trình ép giảm kính trong lỗ hình trục hàn sẽ làm tăng chiều dày phôi Trên thực tế, sự tăng chiều dày của phôi không đáng kể.Chất lượng hàn khi đó phụ thuộc vào áp lực trên mép biên phôi trong lỗ hình trục hàn.Áp lực trong lỗ hình trục hàn phụ thuộc vào mức độ ép giảm kính

Điều kiện cân bằng của phân tố phôi trong quá trình uốn được thể hiện bởi

Còn điều kiện dẻo được thể hiện bằng công thức:

Trong đó: σi – cường độ ứng suất

Trên lớp mặt ngoài phôi có:r >ρưs và σθ hay σr >0, σθ> 0, σr< 0

Trong đó: ρưs – bán kính lớp trung hòa ứng suất

Trên các lớp mặt trong phôi ta có:r <ρưs và σθ hay σr < 0, σθ< 0, σr> 0;

Trên lớp trung hòa có: r = ρưs và σθ = σr

Trong quá trình biến dạng dẻo, thể tích của bất kỳ một phân tố phôi nào cũng không đổi (định luật thể tích không đổi) Trước khi biến dạng, ta có lấy phân tố phôi hình chữ nhật ABCD, sau khi biến dạng, phân tố phôi này có dạng A’B’C’D’ (hình 2.7) Theo định luật thể tích không đổi ta có thể viết:

s0b0 = (rtrφ + rngφ)(rng – rtr) (2.3)

Trong đó: s 0 – chiều dày phôi ban đầu;s – chiều dày phôi trong quá trình uốn;b 0

– chiều rộng phôi ban đầu

Như vậy, từ (2.3) ta có thể suy ra:

Từ đó ta rút ra:rng = + và rtr = − Hình uốn thường có chiều dày không lớn ( S = 1÷12 mm) và ít thay đổi trong quá trình biến dạng, nên ta có thể coi S0 = S ≈ const Khi đó:

rtr = − Tiếp theo, ta vẽ trên phân tố phôi ban đầu một mặt phẳng MN cách mặt phẳng

DC một đoạn là y: MN = b0 Sau khi biến dạng, mặt phẳng MN biến thành mặt phẳng M’N’ và có độ dài bằng b (hình 2.7) Khi đó:

yb0 = (rtrφ + b)( – rtr) Trong đó: b – chiều rộng của phôi trong quá trình uốn

Nhưng = r nên từ phương trình (1.6) ta rút ra:

ρbd = ( − ) = Thường thường, tỉ lện S/r = 1/20 ÷1/50 nên ta có thể thực hiện phép tính gần đúng:

ρbd = rng 1 − ≈ rng (1 - )

Từ đó suy ra: sbd = rng -

Bằng phương pháp tương tự ta nhận được: sbd = rtr+

Trên lớp mặt ngoài phôi các thành phần biến dạng tiếp có dạng:εing =

√Còn trên lớp mặt trong phôi:εitr =

√Trong đó: εi – cường độ biến dạng

Các ứng suất chính σr và σθ liên hệ với nhau như sau:

2.2.2 Áp lực uốn

Nhiệm vụ quan trọng nhất đối với việc thiết kế và tính toán công nghệ là việc tính áp lực và momen xuất hiện trong quá trình uốn liên tục Bài toán này đã được IU.M.Matveep đề xuất phương pháp giải Trên hình 2.10 thể hiện các giai đoạn uốn liên tục trong lỗ hình uốn đầu tiên

Hình 2.10: Miền biến dạng trên máy biến hình liên tục

a.Tiết diện dọc b Tiết diện ngang

Chiều dài miền biến dạng:

=

2.2.3 Xác định chiều dài miền biến dạng

Trong quá trình uốn liên tục ,phồi bắt đầu biến dạng trước khi nó tiếp xúc với

trục uốn Khi đó chiều dài thực của miền biến dạng l có tính đến biến dạng ngoài

vùng tiếp xúc,lớn hơn đáng kể so với chiều dài miền biến dạng trong vùng tiếp xúc

l 1.Để xác định được giá trị thực của áp lực uốn và momen quay,ta cần thay thế giá

trị l 1 trong các công thức nêu trên bằng giá trị thực của miền biến dạng l Có nhiều

phương pháp khác nhau xác định miền biến dạng, kèm theo đó có khuyến cáo trong trường hợp nào sử thì sử dụng phương pháp nào tốt nhất G.A Smirnop – Aliaep và G.IA Gun đã đưa ra phương pháp toán học xác định chiều dài miền biến dạng uốn,ví dụ khi uốn thép góc Mô hình uốn mà họ nghiên cứu là tổng hợp của hai biến dạng cơ bản : uốn thuần thúy và kéo thuần thúy trên mép biên phôi Chiều dài miền biến dạng khi đó được xác định theo công thức :

Trong đó : b = 2 – một nửa chiều rộng phôi ban đầu; ∆ –góc uốn trên

giá uốn đang tính toàn ,rad, bằng − hay − ; r u –bán kính uốn (mm);

m –hệ số thể hiện ảnh hưởng của sự hóa bền phôi trong quá trình uốn

2.2.4 Điều kiện ăn phôi vào trục uốn

Ta khảo sát điều kiện ăn phôi vào trục uốn trong trường hợp chung (hình 2.12), khi mà phôi (ví dụ, trong trường hợp uốn hình chữ U) đã bị uốn sơ bộ (cánh hình được uốn 1 góc αo) và ăn vào lỗ hình với cánh nghiêng 1 góc α1 Khi

đó, phôi tiếp xúc với phần nghiêng của lỗ hình trục uốn dưới và được nâng lên 1 góc cho đến khi tiếp xúc với trục uốn trên, từ thời điểm này phôi bắt đầu uốn toàn diện Trên trục uốn (hình 2.12), các áp lực có tác dụng lên các trục uốn và lực ma sát trên vùng uốn và trên mép biên phôi

Hình 2.11: Sơ đồ tác dụng lực khi phôi ăn vào trục uốn

Phân tích các thành phần áp lực tác dụng theo phương nằm ngang (hướng uốn) ta có:-2Ptrsin tr + 2Ptrcosαtr – 2Pdcosα1sinαd + 2Pdfcosα1sinαd = 0

Trong đó: P tr – áp lực trên trục uốn trên;P d – áp lực trên trục uốn dưới; α tr – góc ăn trên trục uốn trên;α d – góc ăn trên trục uốn dưới;f – hệ số ma sát ngoài

Pdcosα1sinαd = Ptrcosαtrm

Sau khi biến đổi công thức ta nhận được:

2f = tgαtr + tgαd(2.18)

Bây giờ ta xét sự liên hệ giữa góc ăn trên αtr và góc ăn dưới αd

Hay: sinαtr = sinαd nên αtr = αd

Sau khi biến đổi và thay Rd + Rtr + S = Do, ta nhận được:

αtr =

Trong đó: Do – khoảng cách giữa các đường tâm của các trục uốn

Khi tgαtr + tgαd≤ 2f có thể xảy ra hiện tượng tự ăn phôi vào lỗ hình trục uốn Dễ dàng nhận thấy từ ví dụ trên, hiện tượng tự ăn phôi vào lỗ hình trục uốn có thể xảy ra với góc uốn nhỏ (để uốn hình f có thể bằng 0,15 ÷ 0,17) Với góc uốn lớn, cần thiết phải tác động lên hình uốn lực dọc càng lớn, khi góc ăn αtr, αd và chiều rộng cánh uốn b càng lớn

Để tăng cường lực đưa phôi, cần tăng góc uốn trên các giá uốn trung gian,

do độ cứng của tiết diện ngang phôi uốn khi đó tăng, rõ ràng, sẽ đảm bảo quá trình ăn phôi nhờ sự tăng trưởng của các áp lực dọc

Kết luận chương 2:

- Ống gen được tạo ra là kết quả của quá trình tạo hình liên tục do đó ta sẽ sử dụng các kết quả nghiên cứu về quá trình uốn liên tục để tính toán công nghệ cho ống gen

- Trong quá trình uốn biến dạng đàn hồi rất đáng kể do đó việc tính toán và thiết kế công nghệ không được bỏ qua ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi