ẢNH HƯỞNG của các THÔNG số HÌNH học đầu cắt SAN hô đến lực cản cắt và mô MEN dẫn ĐỘNG

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC ĐẦU CẮT SAN HÔ ĐẾN LỰC CẢN CẮT VÀ MÔ MEN DẪN ĐỘNG Trần Hữu Lý Viện Kỹ thuật Cơ giới Quân sự 42 Đông Quan, P.. Email: huulytran69@gmail.com; Tel: 091

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC ĐẦU CẮT SAN HÔ

ĐẾN LỰC CẢN CẮT VÀ MÔ MEN DẪN ĐỘNG

Trần Hữu Lý

Viện Kỹ thuật Cơ giới Quân sự

42 Đông Quan, P Quan Hoa, Q Cầu Giấy, HN

Email: huulytran69@gmail.com; Tel: 0915 555 551

TÓM TẮT:

Bài báo trình bày phương pháp phân tích

tương tác giữa đầu cắt và đá san hô từ đó khảo

sát ảnh hưởng của các thông số hình học đầu

cắt đến lực cản đào và mô men dẫn động nó

trong quá trình nạo vét nền san hô bằng thiết bị cắt hút chuyên dụng Kết quả nghiên cứu làm

cơ sở tính toán lựa chọn các cụm chi tiết phục

vụ cho việc thiết kế, chế tạo thiết bị mở luồng không nổ

Từ khóa: đầu cắt, nền san hô, thông số hình học, thông số làm việc

1 GIỚI THIỆU

Hiện nay, nhu cầu xây dựng các công trình

dân sinh cũng như các công trình phục vụ công

tác an ninh quốc phòng trên các quần đảo là rất

lớn, do vậy nhu cầu nguyên vật liệu tăng cao Để

đáp ứng các yêu cầu đó thì vấn đề đặt ra là làm

sao để các tàu tải trọng lớn chuyên chở nguyên

vật liệu có thể tiếp cận được các đảo để đẩy

nhanh quá trình vận chuyển cũng như tiếp tế

lương thực Mở luồng là một trong những giải

pháp tốt nhất để giúp các tàu tải trọng lớn tiếp cận

được các đảo Phương pháp mở luồng chủ yếu

vẫn là sử dụng vật liệu nổ vì có ưu điểm là mở

luồng nhanh nhưng nhược điểm là dễ gây ra mất

an toàn cho con người, ảnh hưởng tới môi sinh và

địa chất của khu vực, thêm vào đó việc sử dụng

vật liệu nổ hiện nay rất nhạy cảm về mặt chính trị

khi tranh chấp tại khu vực quần đảo Trường Sa và

Hoàng Sa đang gia tăng Một giải pháp để thay

thế phương pháp mở luồng bằng vật liệu nổ đó là

sử dụng thiết bị cắt hút chuyên dụng, thiết bị này

vừa cắt phá đá vừa hút và chuyển sản phẩm đi

nơi khác một cách nhanh chóng Do cắt phá đá

hoàn toàn bằng các răng cắt nên không ảnh

hưởng tới cấu trúc địa chất cũng như môi sinh

Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu

về tương tác giữa răng cắt và nền đất như N G

Dombroski, A N Zelenhin, Ju A Vetro [1],

phương pháp tính toán này đã được sử dụng rộng

rãi để tính toán lực cản cắt đất trong quá trình tính

bản chất của tương tác môi trường đến thiết bị cắt Năm 1989, Miedema [2], [3] đã đưa ra mô hình tính toán lý thuyết để tính toán lực cản cắt,

mô men và năng lượng cắt riêng của đầu cắt thi công dưới nước Năm 2003, Losif Kovacs và các tác giả [4] trình bày phân tích tương tác giữa đầu cắt và đá, bằng cách sử dụng quy tắc bảo toàn chuyển động có tính đến hiện tượng tải trọng động gây ra bởi tính không đồng đều của môi trường tương tác để xác định lực cản và mô men đối với đầu cắt Cũng nghiên cứu về thiết bị cắt dưới nước, năm 2005, Vlasbom [5] trình bày phương pháp tính toán thiết kế máy cắt hút kết hợp đặt trên tàu để thi công ngoài khơi Năm 2015, Mamet’ev [6] đề xuất đầu cắt sử dụng đĩa hai chóp

và đĩa dạng nón làm răng cắt để cắt nền đá có tính không đồng nhất Đồng thời phân tích số liệu trên mô hình trạng thái ứng suất của răng cắt kiểu mới để cho thấy cơ chế tác dụng của tải trọng lên răng trong quá trình cắt đất

Bài báo này kế thừa phương pháp tính toán ở trên để tính toán trong điều kiện làm việc cụ thể của thiết bị cắt hút khi thi công tại Việt Nam (Hình 1)

Hình 1 Đầu cắt phá san hô dưới nước-Tổng công

ty Xây dựng Lũng Lô

2 Tương tác giữa đầu cắt và nền

2.1 Tính toán lực cản cắt

Để xác định được lực cản cắt lên đầu cắt, ta có

một số giả thiết sau:

• Đầu cắt có dạng hình nón với góc ở đỉnh

là ξ

• Răng cắt tạo với phương dọc trục của đầu

cắt một góc ι Chiều dày cắt khi đó được xác định

bằng công thức sau:

i max

s max

v 60 h

np

 







 



(1)

Chiều rộng của lưỡi cắt chiếu lên trục của đầu cắt:

ba bcos cos   (2)

Vận tốc cắt của lưỡi cắt được tính thông qua vận

tốc của đầu cắt:

c

v v cos

2 Rn v

60











 



(3)

Vận tốc trượt của răng cắt:

t

2 Rn sin

v

60

 (4)

Vận tốc dọc trục của lưỡi cắt:

a

 



 (5)

Theo [2] và [3], lực cản cắt sẽ được tính trong hai

trường hợp:

Hình 2 Sơ đồ tính toán chiều dày lớp cắt

+ Đầu cắt không có xâm thực:

2

c m

c gb e 2 Rn cos v 60sin cos



(6)

+ Đầu cắt có xâm thực:

c 1





2.2 Tính toán lực cản và mô men dẫn động

Hiện có hai phương pháp cắt phá được sử dụng khi đầu cắt làm việc dưới nước phụ thuộc vào hướng của lưỡi cắt và chiều quay của đầu cắt Phương pháp 1: cắt từ trên xuống (răng cắt sẽ chuyển động cắt từ trên mặt thoáng xuống phía dưới) và phương pháp 2: cắt từ dưới lên (răng cắt

sẽ cắt đất từ trong nền) Sơ đồ tính toán lực cắt được thể hiện trong Hình 3

Theo [2] tổng lực cản trung bình được tính bằng tổng các lực cản

Hình 3 Sơ đồ tính toán lực cản cắt

Thành phần tác dụng lên đầu cắt được tính bằng công thức:

0

0

p

2



   (8) Lực và mô men theo các phương được xác định

như sau:

+ Tổng lực cản theo phương s

1 1

2

        

(9)

[+] Tổng lực cản theo phương đứng v

        

      

(10) + Tổng lực cản theo phương dọc trục a

0 1

1

2

0







        (11)

+ Mô men dẫn động

0 1

1

2

0

M c g R sin d c g R sin d







        (12)

2.3 Năng lượng cắt riêng của đầu cắt

Theo [2] và [3], năng lượng cắt riêng được

tính toán dựa trên mô men dẫn động trung bình,

lực dẫn tiến trung bình và lực cắt phá trung bình

Năng lượng cắt riêng được tính theo công thức:

E

  (13)

Từ phương trình (9), (12) và (13) ta có:

1 m

0

2c e Rv cos cos

1 cos

E

d z 10



(14)

3 Ảnh hưởng của các thông số hình học của

đầu cắt đến lực cản cắt và mô men dẫn động

Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các thông

số hình học của đầu cắt đến lực cản cắt, mô men

dẫn động và năng lượng riêng cần thiết khi làm

việc Để thuận lợi cho quá trình khảo sát, nhóm

tác giả sử dụng dữ liệu nghiên cứu về nền san hô

từ tài liệu [7] và [2] Các thông số của đầu cắt lấy

theo thiết bị mở luồng của Tổng công ty Xây dựng

Lũng Lô

Bảng 1 Các số liệu đầu vào

0.291 0.202 2.303 1.424 1000

30o 33.636o 37o 21o 80

Các thông số hình học của đầu cắt cần khảo sát đó là: bán kính đầu cắt R, số lượng răng cắt p, góc nón của đầu cắt ξ, góc nghiêng của răng cắt

so với phương dọc trục của đầu cắt ι.Thay các thông số vào các công thức từ (9) đến 14, sử dụng phần mềm Matlap tính toán ta được các kết quả khảo sát

3.1 Ảnh hưởng của bán kính đầu cắt R

Khi bán kính đầu cắt R tăng thì lực cản cắt tăng lên đáng kể, tuy nhiên có sự khác biệt giữa phương pháp 1 và 2 Ở phương pháp cắt 1, toàn

bộ lực cắt đều tăng phi tuyến theo chiều tăng của bán kính đầu cắt, khoảng tăng mạnh nhất là từ giá trị R=0.4-0.8 sau đó giảm dần Ở phương pháp 2 thì lực cản theo phương dọc trục và phương tịnh tiến tăng trong khi đó lực cản theo phương đứng (v) lại giảm dần, tuy nhiên mức độ giảm của lực này không lớn do đó ảnh hưởng của việc tăng bán kính cắt đối với lực cản theo phương này là không lớn (Hình 4) Bên cạnh việc tăng lực cản cắt thì việc tăng bán kính đầu cắt cũng làm tăng mô men dẫn động và năng lượng riêng của đầu cắt (Hình 5) Mức độ tăng của mô men dẫn động là tuyến tuyến tính, trong khi năng lượng riêng thay đổi phi tuyến

Hình 4 Ảnh hưởng bán kính đầu cắt đến lực

cản cắt

Hình 5 Ảnh hưởng bán kính đầu cắt đến mô

men và năng lượng riêng

3.2 Ảnh hưởng của số lượng răng cắt p

Khi tăng số lượng răng cắt của đầu cắt thì lực

cản cắt giảm trong cả hai trường hợp Tuy nhiên

lực cản cắt giảm mạnh khi số lượng răng cắt tăng

từ 2-6 và sau đó giảm ít hơn khi số lượng răng cắt

tiếp tục tăng Tuy nhiên trong phương pháp 1 thì

dường như số lượng răng cắt thay đổi không làm

thay đổi lực cản theo phương đứng (v) (Hình 6)

Tương tự, mô men và năng lượng riêng cũng

giảm mạnh khi số lượng răng cắt nhỏ hơn hoặc

bằng 6 sau đó tốc độ giảm chậm lại nếu tiếp tục

tăng số lượng răng cắt (Hình 7)

Hình 6 Ảnh hưởng của số răng cắt đến lực

cản cắt

Hình 7 Ảnh hưởng của số răng cắt đến mô

men dẫn động và năng lượng riêng

3.3 Ảnh hưởng của góc nón đầu cắt ξ

Khi góc nón đầu cắt tăng thì giá trị lực cản

giảm, lực cản giảm mạnh nhất khi góc nón tăng

(Hình 8) Đối với mô men dẫn động và năng lượng riêng, khi tăng góc côn của đầu cắt thì mô men dẫn động và năng lượng riêng giảm nhanh (Hình 9)

Hình 8 Ảnh hưởng góc nón đầu cắt đến lực cản

cắt

Hình 9 Ảnh hưởng của góc nón đầu cắt đến mô men dẫn động và năng lượng riêng

3.4 Ảnh hưởng của góc nghiêng răng cắt ι

Khi tăng góc nghiêng răng cắt, lực cản theo phương đứng (v) và phương tịnh tiến đầu cắt (s) đều giảm nhưng ngược lại thì lực cản theo phương dọc trục (a) lại tăng lên ở cả hai phương pháp cắt (Hình 10) Do vậy khi thiết kế cần lựa chọn góc nghiêng răng cắt sao cho các lực cản theo các phương phải phù hợp với nhau Mô men dẫn động và năng lượng riêng trong trường hợp này đều giảm (Hình 11)

Hình 11 Ảnh hưởng của góc nghiêng răng cắt đến

mô men dẫn động và năng lượng riêng

4 KẾT LUẬN

Bài báo trình bày phương pháp xác định lực

cản cắt, mô men dẫn động và năng lượng riêng

của đầu cắt phá đá san hô thi công dưới nước Đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các thông số hình học của đầu cắt đến các giá trị này Kết quả khảo sát cho thấy ảnh hưởng của các thông số kết cấu: Bên cạnh việc làm tăng lực cản cắt thì việc tăng bán kính đầu cắt cũng làm tăng mô men dẫn động và năng lượng riêng của đầu cắt; khi tăng góc côn của đầu cắt thì mô men dẫn động và năng lượng riêng giảm nhanh; Khi tăng số lượng răng cắt của đầu cắt thì lực cản cắt giảm trong cả hai trường hợp Tuy nhiên lực cản cắt giảm mạnh khi

số lượng răng cắt tăng từ 2-6 Kết quả trên được

sử dụng làm cơ sở để tính toán, thiết kế, chế tạo thiết bị mở luồng không nổ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Văn Đỗng, Lưu Đức Thuận và 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 1

[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 các chỉ tiêu kỹ thuật

của nền san hô và tương tác giữa kết cấu công

trình và nền san hô”, Báo cáo tổng hợp kết quả

đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước mã

số: KC.09.07/06-10, 2010

CÁC KÝ HIỆU

s

v - Vận tốc chuyển động của đầu cắt theo phương s, [m/s]

 - Góc nghiêng lưỡi cắt, [rad]

 - Góc trượt của san hô, [rad]

n- Tốc độ vòng quay của đầu cắt, [vòng/phút]

p- Số lượng răng cắt

ba- Chiều rộng vết cắt của răng cắt theo phương dọc trục đầu cắt, [m]

- Góc nón của đầu cắt, [rad]

- Góc nghiêng của răng cắt theo phương dọc trục đầu cắt, [rad]

c

v - Vận tốc dài của răng cắt, [m/s]

m

h - Chiều dày phoi cắt lớn nhất, [m]

i

h - Chiều dày phoi cắt, [m]



 - Trọng lượng riêng của nước, [kg/m3

]

R- Bán kính đầu cắt, [m]

- Góc ở tâm phần cung đầu cắt cắt đất, [rad]

0

 - Góc ở tâm lớn nhất, [rad]

1

 - Góc xảy ra quá trình xâm thực, [rad]

1 2

c ;c - Hệ số lực cắt không thứ nguyên

1 2

d ;d - Hệ số lực cắt không thứ nguyên

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