Nói về tộng quan nghiên cứu động lực học máy đào trên nền đất yếu Nghiên cứu ảnh hưởng của nền đất biến dạng tới các thông số động lực học của máy đào một gầu như: chuyển vị của tọa độ trọng tâm máy đào, vận tốc, gia tốc của thiết bị công tác khi đào, quĩ đạo chuyển động của thiết bị công tác cũng như răng gầu….Từ đó đưa ra những khuyến nghị về phương pháp cắt đất, nhằm tăng năng suất, nâng cao hiệu quả sử dụng và nhất là trong quá trình tự động hóa công việc đào đất cũng như thiết kế tối ưu thiết bị công tác.
6 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC MÁY ĐÀO MỘT GẦU DẪN ĐỘNG THỦY LỰC 1.1 Khái quát chung động lực học máy đào gầu 1.1.1 Xu hướng phát triển hoàn thiện máy đào Máy đào chế tạo cách gần 200 năm coi thành tựu phát triển nhóm máy xây dựng làm đường, sử dụng rộng rãi Quốc phòng kinh tế quốc dân, máy không thực công việc làm đất, đá mà thực hàng loạt công việc nặng nhọc khác như: xây dựng phá huỷ cơng trình, cứu sập cứu nạn, lâm nghiệp, thuỷ lợi Trải qua gần hai kỷ nghiên cứu máy đào đa dạng phong phú đạt tới trình độ phát triển cao, phù hợp với công nghiệp đại Trên giới có gần 80 nước chế tạo máy đào với hãng tiếng Mỹ, Thụy Điển, LB Nga, Ý, Nhật Bản, Hàn Quốc Các hãng chế tạo với thương hiệu tiếng như: Caterpiler (Mỹ), Vôlvo (Thụy điển), Libher (Đức), Komatsu, Hitachi, Kobelco (Nhật Bản); Daewoo, Huyndai (Hàn Quốc) Có hàng loạt hãng sản xuất máy đào siêu nhỏ đến siêu lớn, hãng lại có nhiều model khác như: Caterpillar 18 model, Hitachi 13 model, Komatsu 22 model, Libher 18 model, Kobelco 11 model, O & K 22 model Các hãng chế tạo máy đào Mỹ, Châu Âu có độ tin cậy cao, độ bền tuổi thọ lớn kết cấu phức tạp, tiếp cận sửa chữa, tháo lắp khó, phụ tùng vật tư hiếm, khả lắp lẫn thấp, dẫn đến việc khai thác sửa chữa khó khăn, ngồi tính nhiệt đới hố khơng cao nên nhiều chi tiết điện tử hay bị hỏng đặc biệt giá thành cao Các hãng sản xuất Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc có đặc điểm, kết cấu tính kỹ thuật phù hợp với điều kiện khai thác Việt Nam Các đặc tính ưu việt hình dáng, kích thước hình học trọng lượng phù hợp với sức vóc người Việt Nam, kết cấu nhỏ gọn, khả tiếp cận tháo lắp dễ dàng, chi tiết nhiệt đới hoá cao, khai thác sử dụng sửa chữa dễ, phụ tùng, vật tư dễ kiếm có khả lắp lẫn thay cao Trong năm 90 kỷ XX, loại máy đào đa chế tạo phổ biến với kiểu dẫn động khác như: khí, thuỷ lực, thuỷ Việc ứng dụng dẫn động thuỷ lực làm thay đổi cách số kết cấu, nâng cao chất công nghệ vận hành máy đào gầu Sự đa dạng kết cấu thiết bị công tác máy đào mong muốn nhà sản xuất tiếp tục hoàn thiện việc sản xuất, chế tạo máy đào đáp ứng với điều kiện khai thác công việc khác phù hợp với vùng, sử dụng nhiều thiết bị thay nhằm tăng suất hiệu làm việc Thực tế hãng chế tạo hướng đến mục đích sản xuất mẫu mã có tính chất ổn định, điều xa rời thực tế tính chất cơng việc môi trường công tác máy đào hồn tồn khác Vì việc nghiên cứu, chế tạo máy đào nhiều nhà khoa học, viện nghiên cứu quan tâm Kết cấu máy đào thuỷ lực ngày hoàn thiện, phù hợp với trình độ khoa học kỹ thuật đại Tuy nhiên tính chất phức tạp hệ, đa dạng mơi trường cơng tác nên việc hồn thiện máy đào gầu dẫn động thuỷ lực việc làm cần thiết Xu hướng phát triển, hoàn thiện máy đào gầu dẫn động thuỷ lực là: - Tiếp tục hoàn thiện kết cấu, tăng thể tích gầu, sử dụng đa dạng thiết bị công tác giảm thời gian thay thiết bị - Sử dụng vật liệu thép siêu bền; sử dụng công nghệ tăng độ bền, độ tin cậy, giảm độ mài mòn chi tiết; - Giảm áp lực lên đất tăng chiều rộng dải xích, sử dụng loại xích có kết cấu phù hợp với tính chất cơng việc; - Sử dụng hệ thống tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất động cơ, tăng áp lực hệ thống thuỷ lực; - Tăng số lượng dạng thiết bị công tác sử dụng cấu tháo lắp nhanh nhằm sản xuất loại máy đào có hiệu suất suất cao; - Tăng tính tự động điều khiển tính thuận tiện sử dụng… Những hướng cải tiến đổi trang bị nhằm rút ngắn thời gian trình thao tác máy tăng tốc độ đào đào, quay, rút ngắn thời gian lấy đà, hãm phanh v.v Những phương hướng phát triển địi hỏi phải có nghiên cứu động lực học máy đào gầu dẫn động thuỷ lực cách hoàn thiện 1.1.2 Các trình động lực học máy đào gầu dẫn động thuỷ lực phương pháp nghiên cứu động lực học Máy đào gầu dẫn động thuỷ lực hệ thống học phức tạp, gồm khâu động lực học hoàn chỉnh, khâu nằm tương tác động lực học thực q trình cơng tác bao gồm: động - hệ thuỷ lực - dẫn động- mạch phân phối - thiết bị cơng tác Q trình hoạt động bao gồm tất khâu chức hệ thống người lái Nhờ người lái tạo thành mạch kín: động - hệ thuỷ lực - dẫn động - người lái - công tác - động Hình1.1 Các khâu động lực học q trình cơng tác máy đào thuỷ lực Q trình tăng tốc, phanh hãm TBCT chất học q trình xảy đột ngột, cịn q trình đào, cắt đất, nâng, hạ thiết bị trình xảy bình ổn Các trình khác chất: trình động học xảy đột ngột, lực qn tính đóng vai trị chủ yếu trình động lực học xảy bình ổn, qui luật biến thiên lực cản đào tương tác gầu - đất, nâng, hạ TBCT đóng vai trị chủ yếu, cịn lực qn tính thứ yếu Mặc dù có nhiều cơng trình nhà khoa học nước nghiên cứu tương tác máy làm đất với môi trường, tính phức tạp hệ đa dạng môi trường đất ảnh hưởng lớn đến động lực học máy đào nên trình tương tác máy đào thuỷ lực đất vấn đề phức tạp, tiếp tục phải nghiên cứu Hệ nhiều vật thường sử dụng mơ hình để nghiên cứu động lực học hệ phức tạp khác Nghiên cứu động lực học hệ thường tiến hành theo ba bước : Bước 1: Xây dựng mơ hình vật lý Từ hệ thực tế với số liệu đầu vào, biểu diễn tất yếu tố động học, động lực học, xây dựng mơ hình vật lý phục vụ cho nghiên cứu Bước 2: Xây dựng mơ hình tính tốn 10 Từ mơ hình vật lý, dựa vào định lý tổng quát động lực học để xây dựng phương trình vi phân chuyển động hệ Trong hệ nhiều vật thường sử dụng phương trình Lagrange loại II Lagrang nhân tử sử dụng phương trình Niutơn- Ơler để viết phương trình vi phân chuyển động cho khâu hệ Việc sử dụng phương trình Lagrange cho tín hiệu vật lý để biểu diễn kết phương trình thường dạng tổ hợp, cịn sử dụng phương trình Niutơn- Ơler mơ tả động lực học khâu sát thực Bước 3: Khảo sát mơ hình tính tốn Thực chất khảo sát mơ hình sử dụng thuật tốn để giải hệ phương trình vi phân chuyển động xây dựng bước khảo sát thông số động lực học, đánh giá yếu tố ảnh hưởng Các bước có ý nghĩa quan trọng đến việc xây dựng mơ hình, mơ hình vật lý xây dựng sát với mơ hình thực phương trình vi phân biểu diễn đầy đủ quan hệ thông số động lực học hệ, mơ hình hồn thiện kết tính tốn cho phép đánh giá xác chất lượng động lực học máy Phần giới thiệu cơng trình nghiên cứu tương tác máy với môi trường đất nghiên cứu động lực học máy đào, làm sở để xây dựng mơ hình nghiên cứu động lực học máy đào gầu dẫn động thuỷ lực 1.2 Tổng quan đất biến dạng chịu lực tác dụng Trong ngành xây dựng ngành kỹ thuật khác kết cấu tiếp đào với môi trường đất biến dạng ứng dụng rộng rãi Các kết cấu tựa lên bề mặt mơi trường (như móng cơng trình, mặt đường, mặt sân bay tựa đất, phao, tàu thuỷ tựa bề mặt chất lỏng) nằm môi trường (như đường hầm, bể chứa ngầm, ống dẫn dầu nằm đất) 11 Dưới tác dụng ngoại lực trạng thái ứng suất - biến dạng hai vật thể hệ "kết cấu-môi trường" phụ thuộc lẫn Hiện tượng gọi tương tác kết cấu môi trường Trong lịch sử phát triển môn khoa học toán đề cập đến toán kết cấu phẳng (dầm, tấm) tựa lên bề mặt mơi trường (nền đất) Vì "môi trường" thuật ngữ cổ điển gọi "nền" Việc đặt giải toán kết cấu tương tác với thực theo hai cách: 1) Kết cấu tách rời để nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng phận riêng rẽ 2) Xét đồng thời kết cấu hệ tổ hợp từ nhiều thành phần có đặc trưng lý khác Khi giải toán theo cách thứ (tách rời kết cấu nền) tương tác kết cấu thay phản lực tương tác chưa biết (Hình 1.2) Khảo sát chuyển động (hay cân bằng) vật thể tác dụng tải trọng phản lực tương tác nhận phương trình riêng rẽ chúng Tiếp đó, sử dụng điều kiện tiếp đào liên kết hệ phương trình lại với sau giải chúng tìm phản lực chưa biết, từ xác định trạng thái ứng suất - biến dạng vật thể Dạng đơn giản điều kiện tiếp đào kết cấu môi trường điều kiện liên tục chuyển vị ứng suất bề mặt tiếp đào diễn đạt dạng: W ( x, y ) = W0 ( x, y ) r ( x, y ) = r0 ( x, y ) (1.1) đó: W, Wo - tương ứng chuyển vị kết cấu môi trường bề mặt tiếp đào chúng 12 r, ro - tương ứng phản lực tương tác đặt lên kết cấu môi trường bề mặt tiếp xúc chúng Thông thường, để đơn giản, phương chuyển vị lực nói lấy theo phương thẳng góc với bề mặt tiếp đào hai vật thể Điều kiện tiếp xúc vừa nêu thỏa mãn cho lớp tốn đơn giản kết cấu khơng xuất chuyển vị tương trình chịu lực a) b) P1 P2 2 c) r r0 d) Hình 1.2: Mơ hình tương tác hệ "Kết cấu - mơi trường" Kết cấu, 2.Môi trường Tuỳ thuộc vào vật thể đàn hồi dẻo phát triển ứng suất người ta chia loại: đàn hồi, đàn-dẻo dẻo Trong tính tốn kỹ thuật thực thay giả định - gọi mơ hình Các mơ hình mặt tốn học phải mơ tả cách đơn giản thực mặt học phải phản ánh tính chất môi trường tương tác Cho đến tồn hai nhóm mơ hình đàn hồi giải tốn tương tác "kết cấu- mơi trường": mơ hình tĩnh mơ hình động Nhóm mơ 13 hình đầu áp dụng để tính tốn kết cấu tiếp xúc với môi trường tác dụng tải trọng tĩnh trường hợp, cịn nhóm mơ hình thứ hai - tải trọng động Tuy nhiên phân loại phạm vi ứng dụng mơ hình nêu tương đối, tính chất phức tạp toán động nên thực hành kỹ thuật đơi kết cấu tính theo quan điểm động lực học, sử dụng mơ hình tĩnh Sự khác hai loại mơ hình chuyển động nhóm mơ hình thứ hai có kể đến lực qn tính mơi trường cịn với nhóm mơ hình thứ khơng Dưới để đơn giản cho việc trình bày mơ hình nền, kết cấu tiếp xúc với - nơi cần đến để minh hoạ - đẫn dạng dầm 1.2.1 Các mơ hình tĩnh đàn hồi Trong phần nghiên cứu số mô hình tĩnh học đàn hồi ứng dụng rộng rãi thực tế Về mặt toán học mơ hình mơ tả dạng phương trình biểu diễn mối quan hệ chuyển vị điểm thuộc bề mặt lực tác dụng đặt điểm tương ứng Theo điều kiện (1.1) phương trình mối quan hệ chuyển vị kết cấu phản lực tác dụng lên kết cấu bề mặt tiếp xúc (miền tiếp xúc) hệ "kết cấu-môi trường" 1.2.1.1 Mô hình Winkler Mơ hình xây dựng sở giả thiết: Lực tác dụng lên bề mặt chuyển vị điểm tương ứng tỷ lệ tuyến tính với nhau: r0 ( x, y ) = c1W0 ( x, y ); (1.2) Trong đó: c1 - hệ số tỷ lệ (còn gọi hệ số cản đàn hồi hay đơn giản hệ số nền), thứ nguyên = lực/chiều dài lập phương 14 Từ điều kiện tiếp xúc (1.1) quan hệ (1.2) ta nhận phản lực đàn hồi tác dụng lên mặt đáy kết cấu dạng: (1.3) r ( x, y ) = c1W ( x, y ); Mơ hình Winkler mặt học biểu diễn dạng tập hợp vô hạn cột (thanh) không liên kết với có chiều dài hữu hạn H mơ đun đàn hồi E0 (Hình 1.3) Do hệ số c1 mô đun đàn hồi E0 (cũng cột nền) tồn mối quan hệ: c1 = E0 H (1.4) với H - chiều dày lớp chịu nén Mơ hình biểu diễn cột tương đương với biểu diễn liên kết lị xo (Hình 1.3e Hình 1.3f) y ∞ a ) x z b) P ∞ H* ∞ E0 ∞ c) P d) W0 e 0) P f) r W r W Hình 1.3: Mơ hình hệ số (mơ hình Winkler) 15 Đặc điểm mơ hình biến dạng phạm vi kết cấu áp lực từ kết cấu tác dụng lên Điều mâu thuẫn với thực tế coi vật thể biến dạng đàn hồi liên tục Đó lý để mơ hình Winkler bị phê phán Song thực nghiệm tiến hành cách rộng rãi giới chứng tỏ biến dạng phạm vi kết cấu không lớn Đối với đất ẩm bão hồ nước khơng dính mơ hình sát với thực tế Cịn mơi trường chất lỏng mơ hình xác Vì mơ hình Winkler ứng dụng rộng rãi tính đơn giản mặt tính tốn 1.2.1.2 Mơ hình bán khơng gian đàn hồi Mơ hình bán khơng gian đàn hồi G.E.Proktor K.Vieghardt đề xuất vào năm đầu thập kỷ 30 sau nhà bác học Xô viết N.M.Gersevanov, B.N.Dzemoshkin, M.I.GorbunovPocadov tác giả khác phát triển Theo mơ hình quan niệm bán không gian đàn hồi vô hạn biến dạng bề mặt tác dụng áp lực truyền từ đáy kết cấu xuống vượt khỏi phạm vi bề mặt kết cấu (Hình 1-4) P ρ W0 Hình 1.4: Mơ hình bán khơng gian đàn hồi Chuyển vị mặt tác dụng tải trọng xác định theo 27 Hình 1.9: Quan hệ ứng suất-biến dạng mơ hình đàn hồi phi tuyến 1.2.3.4 Mơ hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng Quan hệ ứng suất biến dạng theo mô hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng cho hình 1.10, theo giai đoạn chất tải ứng suất tăng tỉ lệ với biến dạng vật liệu đạt đến giới hạn đàn hồi, sau biến dạng tiếp tục tăng ứng suất không tăng vật liệu chuyển sang trạng thái dẻo Khi dỡ tải chất tải lại ứng suất tỉ lệ với biến dạng đạt đến giới hạn đàn hồi Biến dạng dẻo tích luỹ vật liệu tổng biến dạng tích luỹ đạt đến ngưỡng vật liệu bị phá hoại σ εe εp Giới hạn đàn hồi E E O 1 E ε Hình 1.10: Quan hệ ứng suất-biến dạng mơ hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng tăng tải, dỡ tải chất tải lại Khi giải toán đàn-dẻo thay cho ma trận [D] quan hệ ứng suất biến dạng (1.15) dùng ma trận Dep theo quan hệ số gia ứng suất 28 số gia biến dạng: { dσ } = Dep { d ε } (1.21) Trong Dep ma trận đàn dẻo Khi vật liệu đạt đến trạng thái dẻo, số gia biến dạng vật liệu coi tổng hai thành phần tương ứng biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo: { dε } = { dε e } + { dε p } (1.22) Trong đó: d{ε }- véc tơ số gia biến dạng tổng; {dε e} - véc tơ số gia biến dạng đàn hồi; {dεp} - véc tơ số gia biến dạng dẻo Chỉ có số gia biến dạng đàn hồi gây thay đổi cường độ ứng suất nên ta có: { dσ } = [ De ] { d ε e } (1.23) Trong đó: {dσ} - véc tơ số gia ứng suất; [D e] = [D]- ma trận liên hệ ứng suất-biến dạng tương ứng với trạng thái đàn hồi 1.2.3.5 Mơ hình đàn nhớt ( Mơ hình Kelvin - Voight) Từ nghiên cứu thực nghiệm với ứng suất đất chịu tác dụng lực tuần hoàn với phần tử cứng vững, cho kết ứng suất chưa vượt qua dải lực tác dụng biến dạng dẻo tuyến tính ứng suất tăng nhanh nhất, sau chuyển từ dạng tuyến tính sang dạng Parabol đặc trưng biến thiên ứng suất hình 1.11 29 Hình 1.11: Hàm ứng suất đất chịu lực tác dụng Khi xem xét đến ảnh hưởng yếu tố này, giả định đất thỏa mãn nguyên lí cộng tác dụng Boltzmans, hàm biến dạng mơ tả với mơ hình lưu biến tương đương vật đàn hồi-nhớt theo mơ hình Kelvin-Voight, tải tác dụng lên đất Q(t) theo áp lực máy đào thay đổi, phương trình trạng thái có dạng: ∂ Q(t ) = E + η g y (t ) ∂t (1.24) Trong đó: E0- Độ cứng đất ( Mpa) Ng - độ nhớt chất lỏng điền đầy đất (kNs/m.) Dạng tích phân theo phương trình (1.21) ta có : Q (p) = E y(p) + η[ py(p) − y(0)] (1.25) Đối với trường hợp t=0, Q(t)=0, y(t)=0 Sau biến đổi phương trình (1.24) ta đưa dạng: y( p) = Với λ=ng/E0 Q ( p) , E (1 + λp) (1.26) 30 Dùng nguyên lí biến đổi ngược Laplaces, phương trình (1.23), theo định lí nhân chập hàm số hàm ứng suất lưu biến đất có dạng tích phân theo Duhamels có dạng: t y (t ) = H (t ) Q(t )exp − (t − τ ) dτ , ∫ η λ (1.27) Trong đó: H(t) hàm trọng số *Ví dụ khảo sát biền thiên ứng suất lưu biến đất hạt mịn (theo thực nghiệm) với tải trọng ρd= 1,56 gam/cm3 với áp lực vsr=120N/s kết tính tốn theo lí thuyết cho hình 1.12 Hình 1.12: Hàm ứng suất lưu biến: a: Lí thuyết; b: Thực nghiệm 1.2.4 Ảnh hưởng tính chất lý đất đến q trình đào Các cơng trình nghiên cứu chứng minh tính chất lý đất có ảnh hưởng lớn đến thành phần lực cản đào trình tương tác Nghiên cứu q trình tương tác khơng thể khơng nghiên cứu tính chất lý có ảnh hưởng quan trọng đến lực cản, chủ yếu là: thành phần hạt đất, độ ẩm, độ rỗng, trọng lượng khối lượng riêng, độ dẻo, độ dính kết, độ dính bám, hệ số ma sát ngồi, độ chặt, độ bền cắt đất 1.2.4.1 Thành phần hạt đất 31 Thành phần hạt đất xác định theo tỉ lệ phần trăm kích thước hạt đất có mẫu thí nghiệm Kích thước hạt thay đổi từ 0,005 ÷ 2mm, hạt sét có kích thước khoảng < 0,005mm nhỏ so với hạt khác Đất phân loại theo tỉ lệ phần trăm hạt có kích thước < 0,005 mm bảng 1.2 Bảng 1.2 Phân loại đất theo khối lượng hạt sét Loại đất Đất sét Đất sét pha Đất cát pha Đất cát Khối lượng hạt sét có cỡ hạt < 0,005 mm ; % >30 30 -10 10 – 1m; IV Cát pha nhẹ; V Cát pha vừa; VI Cát pha nặng; VII Sét pha nhẹ; VIII Sét pha vừa; IX Sét pha nặng; X Sét nhẹ; XI Sét vừa; XII Sét nặng; XIII Sét Khi độ ẩm thay đổi, trọng lượng riêng, lực dính kết, góc ma sát trong, góc ma sát ngồi thay đổi lực cản đào cắt đất thay đổi (hình 1.13) Khi độ ẩm tăng lên, lực cản cắt giảm xuống Khi vượt giới hạn chảy đất có lực cản cắt nhỏ, trạng thái chảy nhão, lực cản căt loại đất khơng thay đổi Hình 1.14: Sự phụ thuộc lực cản đào vào độ ẩm đất 1.2.4.3 Độ rỗng đất Độ rỗng đất tỉ số tổng thể tích lỗ rỗng mẫu thử thể tích mẫu đất thí nghiệm Hệ số rỗng độ ẩm xác định độ bền nén đất; hệ số rỗng độ ẩm cao, lực cản nén đất thấp Đất trạng thái tự nhiên có hệ số rỗng nhỏ đất bị đào xới 1.2.4.4 Trọng lượng riêng đất Trọng lượng riêng đất, gọi dung trọng đất, trọng lượng đơn vị thể tích đất trạng thái tự nhiên: γ= G , V N/m3 (1.29) 33 Trọng lượng riêng đất tự nhiên tỷ lệ thuận với trọng lượng thể tích đất khơ, tỷ lệ nghịch với độ ẩm độ rỗng đất Độ chặt đất thường đánh giá trọng lượng thể tích đất khơ, khoảng độ ẩm ÷ 16% trọng lượng đất khơ có giá trị lớn, đất chặt độ bền cao, lực cản cắt cao Trọng lượng riêng đất tự nhiên phụ thuộc vào thành phần hạt, độ ẩm độ rỗng đất, có giá trị khoảng 15 ÷ 21 kN/m3 1.2.4.5 Hệ số tơi xốp đất Hệ số tơi xốp ktx tỉ số thể tích đất tơi thể tích trạng thái tự nhiên Trị số trung bình ktx số loại đất bảng 1.3 Bảng 1.3: Phân loại đất hệ số ktx Cấp đất Tên đất Hệ số ktx I Cát, cát, đất canh tác than bùn 1,08 – 1,17 II Á cát màu vàng, hoàng thổ, sỏi tới 15 mm 1,20 – 1,30 III Á sét nặng, sỏi lớn, hồng thổ ẩm tự nhiên 1,24 – 1,30 Sét khơ, sét lẫn sỏi, hồng thổ khơ, macghen IV 1,26 – 1,37 mềm V Macghen cứng, đất đồi núi khô cứng 1,30 – 1,45 Hệ số tơi xốp đất lớn mức độ điền đầy gầu đất cắt giảm, có nghĩa lực cản đào đất giảm 1.2.4.6 Lực dính kết đất Lực dính kết đất đặc trưng cho liên kết hạt đất với Lực dính kết có ảnh hưởng lớn đến độ bền cắt đất, lực dính kết đất lớn, độ bền cắt đất lớn: τ = σ tgδ + C0 , Trong đó: N/m2 , τ - ứng suất cắt tiếp tuyến; σ - ứng suất pháp tuyến; (1.30) 34 tgδ - Hệ số ma sát đất; C0 - lực dính kết đơn vị đất 1.2.4.7 Lực dính bám Giá trị lực dính bám đất phụ thuộc vào độ ẩm tương đối, độ ẩm thấp lực dính bám nhỏ, độ ẩm đạt giá trị cao mức lực dính bám trở nên có giá trị lớn, độ ẩm cao đến giá trị tới hạn lực dính có giá trị giảm Sự phụ thuộc lực dính bám vào độ ẩm biểu diễn hình 1.15 Lực dính bám xác định theo công thức: Pd = pF (1.31) Trong đó: p - lực dính bám riêng trung bình; N/cm2 F - Diện tích bề mặt tiếp đào; cm2 Hình 1.15: Lực dính bám phụ thuộc vào độ ẩm đất Với loại đất sét pha sét có độ ẩm tương đối từ 25% - 30%, lực bám riêng p trung bình: với đất sét: p = (0,7 - 0,8).10 N/m2; với đất sét pha: p = (0,5 - 0,7).10 N/m2 1.2.4.8 Độ chặt đất Độ chặt đất thể mật độ hạt đất đơn vị thể tích đất biểu diễn số Đornhin C Độ chặt đất tỉ lệ thuận với trọng 35 lượng thể tích khơ đất tỉ lệ nghịch với độ ẩm, độ ẩm đất tăng lên độ chặt đất giảm xuống Độ chặt phụ thuộc vào cấp đất, xác định theo bảng 1.4 Bảng 1.4: Độ chặt phụ thuộc vào cấp đất Cấp đất Chỉ số Đornhin C Áp lực nén lên đất kN/m2 I 1-4 10- 20 II 5-8 30 -40 III 9-16 50 -80 IV 16-35 90 -200 Độ chặt đất có ảnh hưởng lớn đến lực cản đào hình 2.4, độ chặt tăng lực cản đào đất tăng xác định : Pct = A.C.h1,35 , Trong đó: (1.32) Pct - lực cản cắt theo phương tiếp tuyến (N) ; A - hệ số phụ thuộc vào chiều rộng cắt, góc cắt, số cắt lưỡi cắt gầu; h - chiều sâu cắt, (m) Hình 1.16: Ảnh hưởng độ chặt đến lực cản đào đất 1.2.4.9 Hệ số ma sát trong, hệ số ma sát - Lực cản ma sát phát sinh hạt đất chuyển dịch tương 36 gọi lực ma sát đất, biểu diễn sau: Fms = p f (1.33) Trong đó: p - áp lực riêng nén đất; kN/m2 f- hệ số ma sát đất Hệ số ma sát đất có giá trị lớn độ ẩm tương đối đất nhỏ Hệ số ma sát đất có ảnh hưởng lớn đến lực cản cắt đào đất, hệ số ma sát đất tăng dẫn tới lực cản cắt tăng - Lực cản ma sát đất bề mặt kim loại thiết bị cắt đào đất gọi lực ma sát ngồi, lực ma sát ngồi có giá trị đáng kể lực cản đào đất Ma sát đặc trưng hệ số ma sát tgϕ đất (ϕ - góc ma sát ngồi đất) Hệ số ma sát đất phụ thuộc vào tính chất - lý đất trạng thái bề mặt kim loại Lực cản ma sát tỷ lệ thuận với độ lớn bề mặt kim loại tiếp đào với đất áp lực riêng nén đất không đổi Ở trường hợp cắt bị mịn, lực cản ma sát ngồi lực cản cắt tăng đáng kể Trị số hệ số ma sát (tgϕ) phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái cỡ hạt đất, độ ẩm chất lượng công nghệ gia công bề mặt thiết bị công tác Độ ẩm lớn, chất lượng gia công bề mặt kim loại cao hệ số ma sát tgϕ nhỏ 1.3 Tổng quan cơng trình cơng bố liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu Các ngiên cứu tương tác thiết bị công tác máy làm đất với môi trường đất lý thuyết thực nghiệm nhà khoa học giới nước vô phong phú sâu sắc, điển cơng trình “Research of rheological deformations of the ground from weights spread on the circular” W Lubnauer, Z Towarek “ The function of the 37 rheological soil strain under the foot supporting the crane” Z Towarek "Копание грунтов ковшами гидравлических экскаваторов" N.N Giưvâynôp, “рабочие органы землеройных машин “ D.I Phêdôrôp, số cơng trình J.A Vetrơp, A.N Zêlênhin…Tại học viện kỹ thuật qn có cơng trình “ Nghiên cứu lực cản đào đất gầu đào đất đồng Việt Nam” PGS TS Trần Quang Hùng…Các cơng trình khoa học góp phần xây dựng lý thuyết cắt đất ngày hoàn thiện, đồng thời tạo dựng sở khoa học ngày đầy đủ xác cho tính tốn thiết kế cải tiến hồn thiên máy Khái qt cơng trình khoa học số vấn đề lớn nhà khoa học ngiên cứu sau: + Quá trình tương tác của máy đào với mơi trường đất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Tính chất lý đất, chức thiết bị cơng tác, thơng số hình học kết cấu thiết bị cơng tác ( hình dạng, kích thước), động học, động lực học máy q trình làm việc, thơng số phoi đất cắt ( chiều rộng, chiều dày, hình dáng tiết diện ngang phoi đất), dạng cắt đất ( số bề mặ hở phoi đất cắt) Quá trình tương tác trường hợp chung xảy biến dạng nén, kéo dãn, trượt…đồng thời với phá hủy đất, tượng ma sát thiết bị công tác đất, ma sát đất đất Động lực học trình tác động tương hỗ máy đất mang đặc tính động, tham số đặc trưng thay đổi ngẫu nhiên, phụ thuộc chủ yếu vào tính chất đất độ ẩm, độ chặt đất… + Đã thiết lập cơng thức tính tốn lực cản đào tác dụng lên thiết bị công tác Trong trường hợp chung lực cản đào có giá trị ln thay đổi, phục thuộc vào nhiều yếu tố như: Lực cản cắt đất, lực cản di chuyển phoi đất gầu, lực làm đầy gầu, lực ma sát bề mặt thiết bị cắt đất với đất, đất với đất… 38 + Đã tìm số qui luật trình đào đất, xác định chất trình tác động tương hỗ máy với đất Các kết nghiên cứu cho thấy lực cản đào phụ thuộc vào kết cấu, hình dạng, kích thước, hình dáng cơng tác, tính chất lý đất, phương pháp đào thông số động lực học máy đào Nghiên cứu động lực học máy làm đất nói chung, máy đào nói riêng nhà khoa học nước quan tâm nghiên cứu đạt thành tựu to lớn, có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao, hình thành nên phương pháp luận làm sở cho nghiên cứu động lực học máy đào + PGS TS Vũ Thế Lộc, Vũ Thanh Bình có nghiên cứu động lực học máy làm đất phương pháp qui dẫn, nghiên cứu xác định thông số kết cấu, độ cứng, độ hở qui kết để tính tốn khảo sát tham số máy húc, máy san chuyển động tịnh tiến có va đập Từ xác định tải trọng động tác dụng vào hệ thống lực gây rung di chuyển + GS TS Phan Nguyên Di PGS TS Chu Văn Đạt dựa mơ hình động lực học máy đào Kơivơ ứng dụng lý thuyết học hệ nhiều vật để nghiên cứu, đánh giá thông số động lực học máy đào gầu dẫn động thủy lực khâu: cần, tay gầu gầu đào Trong hàm lực cản trình tương tác gầu với môi trường đất xác định theo lý thuyết cắt đất + Trong luận án tiến sĩ kỹ thuật TS Lê Văn Cường ngiên cứu động lực học thiết bị công tác máy đào thủy lực đào đất khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng động lực học máy đào gầu dẫn động thủy lực 39 Phần lớn cơng trình nghiên cứu tương tác máy đào môi trường đất, nghiên cứu động lực học máy đào xây dựng giả thiết máy đào đặt đất cứng môi trường đất ( ba chiều) bán hữu hạn, cịn chưa tính đến biến dạng đất chịu tải trọng dịch chuyển máy đào Trong tính tốn động lực học mơi trường đất ( ba chiều) bán hữu hạn thay mơ hình rời rạc ( lưu biến) với hay nhiều bậc tự chưa nghiên cứu đầy đủ Đây hướng nghiên cứu nhiều nhà khoa học nghiên cứu động lực học máy đào nói riêng máy làm đất nói chung * Mục tiêu, nhiệm vụ luận văn + Mục tiêu luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng đất biến dạng tới thông số động lực học máy đào gầu như: chuyển vị tọa độ trọng tâm máy đào, vận tốc, gia tốc thiết bị công tác đào, quĩ đạo chuyển động thiết bị công tác gầu….Từ đưa khuyến nghị phương pháp cắt đất, nhằm tăng suất, nâng cao hiệu sử dụng trình tự động hóa cơng việc đào đất thiết kế tối ưu thiết bị công tác + Nhiệm vụ luận văn - Xây dựng mơ hình động lực học máy đào gầu với khung gầm Caterpilar có tính đến biến dạng đất - Nghiên cứu tương tác máy đào đất biến dạng, ứng suất đất chịu lực tác dụng - Nghiên cứu ảnh hưởng đất biến dạng tới thông số động lực học máy đào gầu trình đào đất 40 - Khảo sát, đánh giá, đưa số kết luận để từ khuyến nghị nhằm tăng suất, nâng cao hiệu sử dụng q trình tự động hóa cơng việc đào đất thiết kế tối ưu thiết bị công tác Kết luận chương: - Máy đào gầu dẫn động thủy lực có ứng dụng rộng rãi Quốc phịng kinh tế quốc dân, có nhiều nước sản xuất máy đào với kết cấu đa dạng, phong phú đạt trình độ phát triển cao - Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu tương tác thiết bị công tác máy làm đất môi trường đất phục vụ cho nghiên cứu tính tốn động lực học Nhưng nghiên cứu tương tác máy làm đất với đất trình đào điều kiện đất Việt nam chưa nhiều, nghiên cứu tương tác máy đào thủy lực với đất biến dạng chưa có cơng trình nghiên cứu cơng bố - Hệ nhiều vật sử dụng nhiều để nghiên cứu động lực học hệ phức tạp, phương pháp cho phép xây dựng mơ hình sát với máy thật, việc xây dựng mơ hình có tính tổng qt cao, phương trình vi phân chuyển động giải phương pháp số ứng dụng phổ biến - Các cơng trình nghiên cứu động lực học máy đào thủy lực nhà khoa học nước phong phú sâu sắc, cơng trình nghiên cứu tiếp cận, mơ hình động lực học máy đào thủy lực Kôivo[29] với kết cấu gồm bốn khâu: toa quay, cần, tay gầu gầu khâu coi phần tử tuyệt đối cứng, sử dụng lý thuyết học hệ nhiều vật để nghiên cứu sát với máy thực cả, tham khảo, vận dụng để nghiên cứu, xây dựng mơ hình khảo sát động lực học máy đào gầu dẫn động thủy lực trình đào đất biến dạng Để đáp ứng yêu cầu chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng đất biến dạng tới thông số động lực học máy đào 41 gầu trình đào đất” để nghiên cứu vấn đề cấp bách cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn cao ... chất lượng động lực học máy đào gầu dẫn động thủy lực 39 Phần lớn cơng trình nghiên cứu tương tác máy đào môi trường đất, nghiên cứu động lực học máy đào xây dựng giả thiết máy đào đặt đất cứng... động lực học máy đào gầu dẫn động thuỷ lực phương pháp nghiên cứu động lực học Máy đào gầu dẫn động thuỷ lực hệ thống học phức tạp, gồm khâu động lực học hoàn chỉnh, khâu nằm tương tác động lực. .. cơng tác, tính chất lý đất, phương pháp đào thông số động lực học máy đào Nghiên cứu động lực học máy làm đất nói chung, máy đào nói riêng nhà khoa học nước quan tâm nghiên cứu đạt thành tựu to