HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ HÌNH HỌC ĐẦU CẮT SAN HƠ ĐẾN LỰC CẢN CẮT VÀ MÔ MEN DẪN ĐỘNG Trần Hữu Lý Viện Kỹ thuật Cơ giới Quân 42 Đông Quan, P Quan Hoa, Q Cầu Giấy, HN Email: huulytran69@gmail.com; Tel: 0915 555 551 TĨM TẮT: q trình nạo vét san hô thiết bị cắt hút chuyên dụng Kết nghiên cứu làm Bài báo trình bày phương pháp phân tích sở tính tốn lựa chọn cụm chi tiết phục tương tác đầu cắt đá san hơ từ khảo vụ cho việc thiết kế, chế tạo thiết bị mở luồng sát ảnh hưởng thơng số hình học đầu khơng nổ cắt đến lực cản đào mô men dẫn động Từ khóa: đầu cắt, san hơ, thơng số hình học, thơng số làm việc GIỚI THIỆU Hiện nay, nhu cầu xây dựng cơng trình dân sinh cơng trình phục vụ cơng tác an ninh quốc phòng quần đảo lớn, nhu cầu nguyên vật liệu tăng cao Để đáp ứng u cầu vấn đề đặt để tàu tải trọng lớn chuyên chở nguyên vật liệu tiếp cận đảo để đẩy nhanh trình vận chuyển tiếp tế lương thực Mở luồng giải pháp tốt để giúp tàu tải trọng lớn tiếp cận đảo Phương pháp mở luồng chủ yếu sử dụng vật liệu nổ có ưu điểm mở luồng nhanh nhược điểm dễ gây an toàn cho người, ảnh hưởng tới môi sinh địa chất khu vực, thêm vào việc sử dụng vật liệu nổ nhạy cảm mặt trị tranh chấp khu vực quần đảo Trường Sa Hoàng Sa gia tăng Một giải pháp để thay phương pháp mở luồng vật liệu nổ sử dụng thiết bị cắt hút chuyên dụng, thiết bị vừa cắt phá đá vừa hút chuyển sản phẩm nơi khác cách nhanh chóng Do cắt phá đá hồn tồn cắt nên không ảnh hưởng tới cấu trúc địa chất môi sinh chất tương tác môi trường đến thiết bị cắt Năm 1989, Miedema [2], [3] đưa mơ hình tính tốn lý thuyết để tính tốn lực cản cắt, mơ men lượng cắt riêng đầu cắt thi công nước Năm 2003, Losif Kovacs tác giả [4] trình bày phân tích tương tác đầu cắt đá, cách sử dụng quy tắc bảo tồn chuyển động có tính đến tượng tải trọng động gây tính khơng đồng mơi trường tương tác để xác định lực cản mô men đầu cắt Cũng nghiên cứu thiết bị cắt nước, năm 2005, Vlasbom [5] trình bày phương pháp tính tốn thiết kế máy cắt hút kết hợp đặt tàu để thi cơng ngồi khơi Năm 2015, Mamet’ev [6] đề xuất đầu cắt sử dụng đĩa hai chóp đĩa dạng nón làm cắt để cắt đá có tính khơng đồng Đồng thời phân tích số liệu mơ hình trạng thái ứng suất cắt kiểu thấy chế tác dụng tải trọng lên trình cắt đất Bài báo kế thừa phương pháp tính tốn để tính tốn điều kiện làm việc cụ thể thiết bị cắt hút thi công Việt Nam (Hình 1) Đã có nhiều cơng trình khoa học nghiên cứu tương tác cắt đất N G Dombroski, A N Zelenhin, Ju A Vetro [1], phương pháp tính tốn sử dụng rộng rãi để tính tốn lực cản cắt đất q trình tính tốn thiết kế máy thi cơng đất Tuy nhiên để tính tốn lực cản cắt đầu cắt thiết bị nạo vét, công thức chưa phản ánh đầy đủ Trang 61 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Sơ đồ tính tốn chiều dày lớp cắt + Đầu cắt khơng có xâm thực: Hình Đầu cắt phá san hô nước-Tổng công ty Xây dựng Lũng Lô c gb e 2 Rn cos vs 60sin cos Fc a k m cos cos 60 np (6) + Đầu cắt có xâm thực: Tƣơng tác đầu cắt 2.1.Tính tốn lực cản cắt Để xác định lực cản cắt lên đầu cắt, ta có số giả thiết sau: Đầu cắt có dạng hình nón với góc đỉnh • ξ • Răng cắt tạo với phương dọc trục đầu cắt góc ι Chiều dày cắt xác định cơng thức sau: h i h max sin cos vs 60 h max np (1) Chiều rộng lưỡi cắt chiếu lên trục đầu cắt: ba bcos cos Fc d1 g ba v 60sin cos (7) z 10 s cos cos np 2.2.Tính tốn lực cản mơ men dẫn động Hiện có hai phương pháp cắt phá sử dụng đầu cắt làm việc nước phụ thuộc vào hướng lưỡi cắt chiều quay đầu cắt Phương pháp 1: cắt từ xuống (răng cắt chuyển động cắt từ mặt thống xuống phía dưới) phương pháp 2: cắt từ lên (răng cắt cắt đất từ nền) Sơ đồ tính tốn lực cắt thể Hình Theo [2] tổng lực cản trung bình tính tổng lực cản (2) Vận tốc cắt lưỡi cắt tính thơng qua vận tốc đầu cắt: vs vc cos 2 Rn vc 60 (3) Vận tốc trượt cắt: 2 Rn sin vt 60 Hình Sơ đồ tính tốn lực cản cắt (4) Thành phần tác dụng lên đầu cắt tính cơng thức: Vận tốc dọc trục lưỡi cắt: 2 Rn sin sin va 60 sin (5) Theo [2] [3], lực cản cắt tính hai trường hợp: Trang 62 Fct p 2 0 F d (8) c Lực mô men theo phương xác định sau: + Tổng lực cản theo phương s HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM 1 1 Fst cgc g1 sin cos d g sin d (9) cca g sin cos d g sin d 1 1 0 0 [+] Tổng lực cản theo phương đứng v 1 1 Fvt cgc g1 sin d g sin cos d 0 0 cca g sin d g sin d 1 1 (10) + Tổng lực cản theo phương dọc trục a 0 1 Fat cgcg sin d cca g sin d (11) 1 c1 0.291 α 30o b 0.2 g 9.81 c2 0.202 β 33.636o z 0.6 p 10 d1 2.303 φ 37o vs 0.2 R d2 1.424 δ 21o ι 30o ρw 1000 n 80 ξ 30o 0.5 Các thơng số hình học đầu cắt cần khảo sát là: bán kính đầu cắt R, số lượng cắt p, góc nón đầu cắt ξ, góc nghiêng cắt so với phương dọc trục đầu cắt ι.Thay thông số vào công thức từ (9) đến 14, sử dụng phần mềm Matlap tính tốn ta kết khảo sát 3.1 Ảnh hƣởng bán kính đầu cắt R + Mô men dẫn động 1 0 1 M t cgcg1R sin d cca g 3R sin d (12) 2.3 Năng lƣợng cắt riêng đầu cắt Theo [2] [3], lượng cắt riêng tính tốn dựa mơ men dẫn động trung bình, lực dẫn tiến trung bình lực cắt phá trung bình Năng lượng cắt riêng tính theo cơng thức: E Bảng Các số liệu đầu vào M t Fst vs M t Avs vs ba R 1 cos 0 (13) Từ phương trình (9), (12) (13) ta có: 2c1e Rvs cos cos 1 cos 1 (14) pk m E 0 d1 z 10 0 1 g Khi bán kính đầu cắt R tăng lực cản cắt tăng lên đáng kể, nhiên có khác biệt phương pháp Ở phương pháp cắt 1, toàn lực cắt tăng phi tuyến theo chiều tăng bán kính đầu cắt, khoảng tăng mạnh từ giá trị R=0.4-0.8 sau giảm dần Ở phương pháp lực cản theo phương dọc trục phương tịnh tiến tăng lực cản theo phương đứng (v) lại giảm dần, nhiên mức độ giảm lực khơng lớn ảnh hưởng việc tăng bán kính cắt lực cản theo phương khơng lớn (Hình 4) Bên cạnh việc tăng lực cản cắt việc tăng bán kính đầu cắt làm tăng mô men dẫn động lượng riêng đầu cắt (Hình 5) Mức độ tăng mơ men dẫn động tuyến tuyến tính, lượng riêng thay đổi phi tuyến Ảnh hƣởng thơng số hình học đầu cắt đến lực cản cắt mô men dẫn động Tiến hành khảo sát ảnh hưởng thơng số hình học đầu cắt đến lực cản cắt, mô men dẫn động lượng riêng cần thiết làm việc Để thuận lợi cho q trình khảo sát, nhóm tác giả sử dụng liệu nghiên cứu san hô từ tài liệu [7] [2] Các thông số đầu cắt lấy theo thiết bị mở luồng Tổng cơng ty Xây dựng Lũng Lơ Hình Ảnh hưởng bán kính đầu cắt đến lực cản cắt Trang 63 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM (Hình 8) Đối với mô men dẫn động lượng riêng, tăng góc đầu cắt mơ men dẫn động lượng riêng giảm nhanh (Hình 9) Hình Ảnh hưởng bán kính đầu cắt đến mơ men lượng riêng 3.2 Ảnh hƣởng số lƣợng cắt p Khi tăng số lượng cắt đầu cắt lực cản cắt giảm hai trường hợp Tuy nhiên lực cản cắt giảm mạnh số lượng cắt tăng từ 2-6 sau giảm số lượng cắt tiếp tục tăng Tuy nhiên phương pháp dường số lượng cắt thay đổi không làm thay đổi lực cản theo phương đứng (v) (Hình 6) Tương tự, mô men lượng riêng giảm mạnh số lượng cắt nhỏ sau tốc độ giảm chậm lại tiếp tục tăng số lượng cắt (Hình 7) Hình Ảnh hưởng góc nón đầu cắt đến lực cản cắt Hình Ảnh hưởng góc nón đầu cắt đến mơ men dẫn động lượng riêng 3.4 Ảnh hƣởng góc nghiêng cắt ι Hình Ảnh hưởng số cắt đến lực cản cắt Khi tăng góc nghiêng cắt, lực cản theo phương đứng (v) phương tịnh tiến đầu cắt (s) giảm ngược lại lực cản theo phương dọc trục (a) lại tăng lên hai phương pháp cắt (Hình 10) Do thiết kế cần lựa chọn góc nghiêng cắt cho lực cản theo phương phải phù hợp với Mô men dẫn động lượng riêng trường hợp giảm (Hình 11) Hình Ảnh hưởng số cắt đến mô men dẫn động lượng riêng 3.3 Ảnh hƣởng góc nón đầu cắt ξ Khi góc nón đầu cắt tăng giá trị lực cản giảm, lực cản giảm mạnh góc nón tăng 250 Tuy nhiên, lực cản theo phương dọc trục lại tăng dần ξ tăng từ 100 đạt giá trị lớn ξ đạt giá trị 230 sau tiếp tục tăng ξ lực cản theo phương lại bắt đầu giảm xuống Trang 64 Hình 10 Ảnh hưởng góc nghiêng cắt đến lực cản cắt HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình 11 Ảnh hưởng góc nghiêng cắt đến mơ men dẫn động lượng riêng KẾT LUẬN đầu cắt phá đá san hô thi công nước Đồng thời khảo sát ảnh hưởng thông số hình học đầu cắt đến giá trị Kết khảo sát cho thấy ảnh hưởng thông số kết cấu: Bên cạnh việc làm tăng lực cản cắt việc tăng bán kính đầu cắt làm tăng mô men dẫn động lượng riêng đầu cắt; tăng góc đầu cắt mơ men dẫn động lượng riêng giảm nhanh; Khi tăng số lượng cắt đầu cắt lực cản cắt giảm hai trường hợp Tuy nhiên lực cản cắt giảm mạnh số lượng cắt tăng từ 2-6 Kết sử dụng làm sở để tính tốn, thiết kế, chế tạo thiết bị mở luồng không nổ Bài báo trình bày phương pháp xác định lực cản cắt, mơ men dẫn động lượng riêng CÁC KÝ HIỆU TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Đỗng, Lưu Đức Thuận Hoàng Văn Ngữ, Máy làm đất, 2004 [2] A Miedema, “The Cutting Forces in Saturated Sand of a Seagoing Cutter Suction Dredger”, Processding WODCON XII, orlando, Florida USA, April 1989 [3] A Miedema, “Calculation of the Cutting Force when Cutting Water Saturated Sand”, Proc WODCON XII, Orlando, Florida, USA,1989 [4] I Kovacs, M.-S Nan, and I Andras, “Study of the interaction of the cutting heads of the rock cutting machines with rocks”, University of Miskolc Series A Mining, vol 65, no A, pp 73–93, 2004 [5] W Vlasblom, Dredging equipment and technology - Chap3: The cutter suction dredger, 2003, vol [6] L Mamet’ev, A Khoreshok, A Tsekhin, and A Borisov, “Stress Distribution in Attachments of Disc Cutters in Heading Drivage”, Journal of Mining Science, vol 51, no 6, pp 1150–1156, 2015 [7] H X Lượng, “Nghiên cứu tiêu kỹ thuật san hô tương tác kết cấu cơng trình san hô”, Báo cáo tổng hợp kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước mã số: KC.09.07/06-10, 2010 vs - Vận tốc chuyển động đầu cắt theo phương s, [m/s] - Góc nghiêng lưỡi cắt, [rad] - Góc trượt san hơ, [rad] n- Tốc độ vòng quay đầu cắt, [vòng/phút] p- Số lượng cắt ba- Chiều rộng vết cắt cắt theo phương dọc trục đầu cắt, [m] - Góc nón đầu cắt, [rad] - Góc nghiêng cắt theo phương dọc trục đầu cắt, [rad] v c - Vận tốc dài cắt, [m/s] h m - Chiều dày phoi cắt lớn nhất, [m] h i - Chiều dày phoi cắt, [m] - Trọng lượng riêng nước, [kg/m3] R - Bán kính đầu cắt, [m] - Góc tâm phần cung đầu cắt cắt đất, [rad] 0 - Góc tâm lớn nhất, [rad] 1 - Góc xảy q trình xâm thực, [rad] c1;c2 - Hệ số lực cắt không thứ nguyên d1;d - Hệ số lực cắt không thứ nguyên Trang 65 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM EFFECT OF CORAL ROCK CUTTER GEOMETRIC PARAMETERS ON CUTTING FOCE AND DRIVEN MOMEN ABSTRACT This article presents a method of analyzing interaction between cutting head and coral thereby determining cut resistance forces, resistance torque on the drive shaft Investigating the effects of geometric parameters and working parameters of cutting head to cut power and torque resistance during dredging coral foundation by dedicated cutting suction equipment The research results are used for the calculating, designing and choosing equipment during manufacture dredging equipment to open channels in Vietnam Keywords: cutter head, coral foundation, geometric parameters, working parameters Trang 66 ... số lượng cắt (Hình 7) Hình Ảnh hưởng góc nón đầu cắt đến lực cản cắt Hình Ảnh hưởng góc nón đầu cắt đến mơ men dẫn động lượng riêng 3.4 Ảnh hƣởng góc nghiêng cắt ι Hình Ảnh hưởng số cắt đến lực. .. phi tuyến Ảnh hƣởng thơng số hình học đầu cắt đến lực cản cắt mô men dẫn động Tiến hành khảo sát ảnh hưởng thơng số hình học đầu cắt đến lực cản cắt, mô men dẫn động lượng riêng cần thiết làm việc... ĐHQG TP HCM Hình 11 Ảnh hưởng góc nghiêng cắt đến mơ men dẫn động lượng riêng KẾT LUẬN đầu cắt phá đá san hô thi công nước Đồng thời khảo sát ảnh hưởng thông số hình học đầu cắt đến giá trị Kết