Thiết kế máy khoan cọc nhồi

Công tác xây dựng có một vị trí quan trọng trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Trong những năm gần đây và trong tương lai công tác xây dựng đã, đang và sẽ phát triển rất nhanh, có thể nói cả nước là một đại công trường. Các công trình xây dựng có quy mô lớn, nhiều nhà cao tầng xây dựng trong các đô thị đông dân cư đòi hỏi phải có kỹ thuật xây dựng nền móng thích hợp và hiện đại. Để đáp ứng những yêu cầu đó ngành xây dựng không những cần đến trình độ tay nghề bậc cao của công nhân, trình độ quản lý của các kỹ sư mà còn phải đầu tư những trang thiết bị máy móc kỹ thuật hiện đại phục vụ cho công việc ngày càng cao này. Vì vậy máy xây dựng là một phần tất yếu cho quá trình phát triển của ngành xây dựng nói riêng và các ngành kỹ thuật khác nói chung. Công tác cải tạo và thiết kế các máy xây dựng một cách hợp lý và khoa học phù hợp với đặc thù công việc, thuận lợi cho công việc tổ chức thi công các công trình xây dựng nhằm phát huy lợi thế thi công là một trong những yếu tố vô cùng quan trọng cấu thành nên sự thành công của một công trình xây dựng. Hiện nay nước ta đang trên đà phát triển nên việc xây dựng cơ sở hạ tầng là một khâu rất quan trọng. Đặc biệt là việc xuất hiện ngày càng nhiều các khu công nghiệp, các khu đô thị cao cấp và các công trình xây dựng lớn. Nên việc xây dựng dựa trên sức người cho năng suất không cao, chất lượng cũng không đảm bảo. Để dáp ứng nhu cầu của sự phát triển chúng ta cũng đã áp dụng các loại máy móc hiện đại vào quá trình xây dựng nhằm giảm sức lao động cho con người, tăng năng suất lao động đồng thời nâng cao chất lượng của các công trình. Các loại máy phục vụ cho quá trình xây dựng có nhiều chủng loại: nhóm máy phục vụ công tác làm đất, nhóm máy phục vụ việc nâng chuyển, nhóm máy thi công chuyên dùng và nhóm máy sản xuất vật liệu xây dựng . Mỗi máy đều bao gồm nhiều chi tiết khác nhau. Các chi tiết phải thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật, làm việc ổn định, chi phí chế tạo và sử dụng thấp, năng suất độ tin cậy và tuổi thọ cao, kinh tế trong chế tạo, dễ dàng chăm sóc và bảo dưỡng, khuôn khổ kích thước gọn nhẹ, làm việc êm hình thức đẹp. Ngày nay, trong thi công các công trình ngày càng yêu cầu chất lượng công trình càng cao đồng thời các công trình cũng càng ngày càng lớn cho nên việc phải gia công nền móng công trình cần phải có các thiết bị chuyên dùng. Cũng do lý do này vào đầu thập kỷ 70 của thế kỷ 20 chúng ta đã tiến hành dùng cọc khoan nhồi. Sau đó thời gian không lâu thì máy khoan cọc nhồi trở nên thông dụng tại Việt Nam và ngày càng chiếm lĩnh các công trình khi thi công. Làm đồ án tốt nghiệp là vấn đề then chốt để sinh viên có thể tổng hợp những kiến thức đã được tích lũy sau 5 năm học và bước đầu làm quen được việc đưa lý thuyết vào thực tế để có thể xây dựng cho mình những cơ sở căn bản cũng như cách nhìn nhận một cách hợp lý về công việc sau này. Cũng qua đồ án này em xin được bày tỏ lòng biết ơn của mình tới các thầy cô giáo trong khoa Cơ Khí đã hết lòng chỉ bảo, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt 5 năm học qua, cảm ơn thầy Ts. Nguyễn Danh Sơn đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

MỤC LỤC



Trang

Lời mở đầu 1

Chương 1- Tìm hiểu về công nghệ thi công khoan cọc nhồi Trang 3

§ 1.1 Phạm vi và nhu cầu sử dụng máy khoan cọc nhồi 3

1.1.1 Giới thiệu máy tạo lỗ khoan cọc nhồi 3

1.1.2 Phạm vi sử dụng khoan cọc nhồi 3

1.1.3 Giới thiệu tổng quan về máy khoan cọc nhồi kiểu thùng xoay 4

1.1.4 Giới thiệu máy thiết kế 4

§ 1.2 Chế tạo dung dịch bentonite (bùn khoan) 5

1.2.1 Tính chất dung dịch bentonite mới trước khi dùng 5

1.2.2 Sử dụng và sử lý dung dịch bentonite (bùn khoa) 5

§ 1.3 Chọn phương pháp thi công công trình 8

1.3.1 Sơ đồ thi công cọc khoan nhồi 8

1.3.2 Công tác chuẩn bị 8

1.3.3 Định vị hố khoan 9

1.3.4 Công tác khoan tạo lỗ 9

1.3.5 Gia công và hạ lồng thép 13

1.3.6 Công tác đổ bê tông 14

1.3.7 Rút ống vách và lấp đầu cọc 16

1.3.8 Kiểm tra và nghiệm thu 17

Chương 2: Lựa chọn phương án 18

2.1.Lựa chọn phương án 18

2.2 Lựa chọn thiết bị cơ sở 19

Chương 3: Tính toán máy khoan cọc nhồi 22

§3.1 Nội dung thiết kế 22

3.1.1 Lý thuyết khoan 22

3.1.2 Tính các thông số cơ bản 22

3.1.3 Các số liệu thiết kế 22

§3.2 Phân tích chung 23

3.2.1 Phân tích lực khi khoan 23

3.2.2 Tính các lực cơ bản 23

§3.3 Thiết kế cụm cơ cấu quay dẫn động cần khoan 27

3.3.1 Lựa chọn thiết bị 27

3.3.2 Tính chọn môtơ thuỷ lực 27

3.3.3 Sơ đồ dẫn động và phân phối tỉ số truyền 28

3.3.4 Thiết kế bộ truyền bánh răng hành tinh 2 cấp 29

3.3.5 Tính hiệu suất truyền động của hộp giảm tốc 42

3.3.6 Thiết kế bộ truyền bánh răng trụ 1 cấp 43

3.3.7 Tính toán các trục bánh răng 48

3.3.8 Chọn ổ đỡ cho bộ truyền 58

3.3.9 Tính các mối ghép then và then hoa 61

1

3.3.10 Thiết kế đĩa truyền mômen xoắn C1 và C2 67

3.3.11 Tính thiết kế bôi trơn hộp giảm tốc 67

3.3.12 Thiết kế vỏ hộp giảm tốc 67

3.3.13 Thiết kế chi tiết cơ cấu quay dẫn động cần khoan 68

§ 3.4 Thiết kế giá dẫn hướng 69

3.4.1 Tính chọn gầu 69

3.4.2 Tính chọn cần khoan 69

3.4.3 Thiết kế giá dẫn hướng 70

3.4.4 Kiểm nghiệm điều kiện bền của giá dẫn hướng 77

§3.5 Thiết kế phần khung dẫn động cần 82

3.5.1 Phân tích động học cơ cấu phẳng toàn khớp thấp - bài toán vị trí 83

3.5.2 Phân tích lực cơ cấu phẳng tác dụng lên hệ cơ cấu hình bình hành 84

3.5.3 Thiết kế thanh chống 85

3.5.4 Thiết kế cần dẫn động 94

§.3.6 Thiết kế, tính chọn các cơ cấu khác 99

3.6.1 Tính chọn cơ cấu nâng hạ lồng cốt thép 99

3.6.2 tính chọn tang, cáp, puly đổi hướng cho cơ cấu nâng hạ cần khoan 106

3.6.3 Tính chọn xilanh thủy lực 111

3.6.4 Tính mối hàn cho giá dẫn hướng 112

§ 3.7 Công nghệ chế tạo trục 113

3.7.1 Nội dung và trình tự thiết kế 113

3.7.2 Phân tích chi tiết gia công và xác định dạng sản xuất 113

3.7.3 Xác định phương pháp chế tạo phôi và thiết kế bản vẽ chi tiết lồng phôi 113 3.7.4 Thiết kế qui trình công nghệ gia công chi tiết 114

3.7.5 Tính lượng dư gia công 115

3.7.6 Tính chế độ cắt 117

3.7.7 Trình tự tiến hành các nguyên công 120

§.3.8 Tính ổn định của máy khi làm việc 126

3.8.1 Trường hợp 1: Khi máy cẩu lồng thép vào hố khoan 126

3.8.2 Trường hợp 2: Khi máy rút gầu khoan lên 128

3.8.3 Trường hợp 3: Khi máy quay 1 góc 900 để khoan 129

Chương 4- Một số qui định khi lắp ựng và sử dụng máy 131

4.1 Lắp dựng máy 131

4.2 Một số quy định khi sử dụng máy 132

4.3 Các biện pháp an toàn khi thi công khoan cọc nhồi 132

4.4 Công Tác theo dõi, ghi chép, lấy mẫu 133

4.5 Kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi 133

Kết luận chung 136

Tài liệu tham khảo 137

Lời nói đầu

Công tác xây dựng có một vị trí quan trọng trong công cuộc công nghiệp hoá,hiện đại hoá đất nước Trong những năm gần đây và trong tương lai công tác xâydựng đã, đang và sẽ phát triển rất nhanh, có thể nói cả nước là một đại công trường.Các công trình xây dựng có quy mô lớn, nhiều nhà cao tầng xây dựng trong các đôthị đông dân cư đòi hỏi phải có kỹ thuật xây dựng nền móng thích hợp và hiện đại.

Để đáp ứng những yêu cầu đó ngành xây dựng không những cần đến trình độ taynghề bậc cao của công nhân, trình độ quản lý của các kỹ sư mà còn phải đầu tưnhững trang thiết bị máy móc kỹ thuật hiện đại phục vụ cho công việc ngày càng caonày Vì vậy máy xây dựng là một phần tất yếu cho quá trình phát triển của ngànhxây dựng nói riêng và các ngành kỹ thuật khác nói chung

Công tác cải tạo và thiết kế các máy xây dựng một cách hợp lý và khoa họcphù hợp với đặc thù công việc, thuận lợi cho công việc tổ chức thi công các côngtrình xây dựng nhằm phát huy lợi thế thi công là một trong những yếu tố vô cùngquan trọng cấu thành nên sự thành công của một công trình xây dựng

Hiện nay nước ta đang trên đà phát triển nên việc xây dựng cơ sở hạ tầng làmột khâu rất quan trọng Đặc biệt là việc xuất hiện ngày càng nhiều các khu côngnghiệp, các khu đô thị cao cấp và các công trình xây dựng lớn Nên việc xây dựngdựa trên sức người cho năng suất không cao, chất lượng cũng không đảm bảo Để dápứng nhu cầu của sự phát triển chúng ta cũng đã áp dụng các loại máy móc hiện đạivào quá trình xây dựng nhằm giảm sức lao động cho con người, tăng năng suất laođộng đồng thời nâng cao chất lượng của các công trình Các loại máy phục vụ choquá trình xây dựng có nhiều chủng loại: nhóm máy phục vụ công tác làm đất, nhómmáy phục vụ việc nâng chuyển, nhóm máy thi công chuyên dùng và nhóm máy sảnxuất vật liệu xây dựng

Mỗi máy đều bao gồm nhiều chi tiết khác nhau Các chi tiết phải thỏa mãn cácyêu cầu về kỹ thuật, làm việc ổn định, chi phí chế tạo và sử dụng thấp, năng suất độtin cậy và tuổi thọ cao, kinh tế trong chế tạo, dễ dàng chăm sóc và bảo dưỡng, khuônkhổ kích thước gọn nhẹ, làm việc êm hình thức đẹp

Ngày nay, trong thi công các công trình ngày càng yêu cầu chất lượng côngtrình càng cao đồng thời các công trình cũng càng ngày càng lớn cho nên việc phảigia công nền móng công trình cần phải có các thiết bị chuyên dùng Cũng do lý donày vào đầu thập kỷ 70 của thế kỷ 20 chúng ta đã tiến hành dùng cọc khoan nhồi.Sau đó thời gian không lâu thì máy khoan cọc nhồi trở nên thông dụng tại Việt Nam

và ngày càng chiếm lĩnh các công trình khi thi công

Làm đồ án tốt nghiệp là vấn đề then chốt để sinh viên có thể tổng hợp nhữngkiến thức đã được tích lũy sau 5 năm học và bước đầu làm quen được việc đưa lýthuyết vào thực tế để có thể xây dựng cho mình những cơ sở căn bản cũng như cáchnhìn nhận một cách hợp lý về công việc sau này

Cũng qua đồ án này em xin được bày tỏ lòng biết ơn của mình tới các thầy côgiáo trong khoa Cơ Khí đã hết lòng chỉ bảo, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt

5 năm học qua, cảm ơn thầy Ts Nguyễn Danh Sơn đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ

em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

3

Tuy nhiên, do thời gian, trình độ có hạn chắc chắn không thể tránh khỏi saisót, em rất mong sự chỉ bảo của các thầy cô để kiến thức khoa học kỹ thuật của emngày càng hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn !

Chương 1- Tìm hiểu về công nghệ thi công khoan cọc nhồi.

§ 1.1 Phạm vi và nhu cầu sử dụng máy khoan cọc nhồi

1.1.1 Giới thiệu máy tạo lỗ khoan cọc nhồi

Những năm gần đây ở nước ta khi xây dựng các nhà cao tầng, nhà công nghiệp

và các cầu lớn với tải trọng truyền lên móng có trị số đáng kể và điều kiện địa chấtcông trình - địa chất thuỷ văn phức tạp Người ta thường dùng cọc khoan nhồi để làmmóng, tuy không phải lúc nào việc dùng này cũng đều có hợp lý Trong thi công, ởmột số công trình đã phạm phải một số vấn đề có liên quan đến chất lượng cọc, cókhi phải xử lý khá phức tạp và tốn kém

Những thiết bị thi công và kiểm tra khá hiện đại đã được nhập vào nước ta vàđang được sử dụng trên nhiều công trường, đòi hỏi người thiết kế, thi công cần nắmvững một số kiến thức mới trong lĩnh vực này để công nghệ khoan cọc nhồi phát triểnbền vững và đúng hướng

1.1.2 Phạm vi sử dụng khoan cọc nhồi.

Cọc khoan nhồi là loại cọc được chế tạo tại chỗ bằng cách khoan những lỗtrong lòng đất, sau đó trực tiếp rót vật liệu (bê tông, bê tông cốt thép, hoặc cát) vàocác hố để tạo thành cọc

Lựa chọn phương án móng bằng cọc khoan nhồi là dựa trên cơ sở so sánhnhiều yếu tố, ưu khuyết điểm của từng phương án về các mặt kinh tế - kỹ thuật, trong

đó các yếu tố chính gồm có:

- Đặc điểm công trình;

- Độ lớn các loại tải trọng;

- Điều kiện cụ thể của các loại đất nền;

- Những yêu cầu về tiếng ồn, rung động khi xây dựng;

- Ảnh hưởng đối với công trình đã xây dựng và công trình ngầm;

- Khả năng thi công của nhà thầu;

- Tiến độ thi công và thời gian hoàn thành;

- Khả năng kinh tế của chủ đầu tư;

Khoan cọc nhồi có những ưu điểm sau:

- Xây nhà và công trình gần những kiến trúc mà trong quá trình sử dụng lâu dài

đã có những biến dạng rõ rệt vì nếu dùng cọc đóng hoặc tường vây bằng thép sẽ gây

ra lực va đập và rung, ảnh hưởng có hại đến việc phát triển biến dạng không cho phépđối với công trình bên cạnh

- Thi công gần các trường học, bệnh viện, nhà an dưỡng, nhà nghỉ, công viên,nhà hát Ở những nơi này theo tiêu chuẩn môi trường không cho phép tiếng ồn lớnnếu dùng máy đóng cọc

- Làm việc trên bãi đất gồm các vật liệu phế thải như đất đắp lẫn xỉ lò cao + bêtông + kim loại, ở đây việc đào đất bằng máy đào cũng như đóng cọc, về mặt kỹ thuật

- Thi công gần nhà máy có quá trình công nghệ với độ chính xác cao.

- Khi làm móng cho nhà cao tầng và cầu lớn trên đất đá hoặc nửa đá đã bị pháhỏng do quá trình phong hoá và rất khác nhau về độ chặt và thành phần

- Khi chống đỡ các mái đất bị trượt bằng kết cấu chắn giữ trong trường hợpbiện pháp thông thường (như tường chắn, thoát nước) không cho kết quả tốt hoặc làmtường cừ để thi công các hố móng sâu

Dù vậy cọc khoan nhồi vẫn có những khuyết diểm sau:

- Đòi hỏi thiết bị tốt và chuyên gia có nhiều kinh nghiệm, đầu tư cao cho hệthống máy móc thi công

- Khi xuyên qua vùng có hang hốc các tơ hoặc đất bị nứt nở lớn phải dùng ốngchống để lại (không rút lên) sau khi đổ bê tông do đó giá thành cọc sẽ đắt

- Khó kiểm tra chất lượng lỗ cọc và thân cọc sau khi đổ bê tông cũng như sựtiếp xúc xấu của mũi cọc với lớp đất chịu lực, nếu không có chương trình quản lýchất lượng tốt và thiết bị kiểm tra đạt độ chính xác yêu cầu

- Công trình cơ khí kém sạch và khô ráo

1.1.3 Giới thiệu tổng quan về máy khoan cọc nhồi kiểu thùng xoay

Máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay được dùng trong trường hợp đất quá dẻo,tương đối dẻo hay ngập nước Đất khoan do cánh xén cắt được gạt vào gầu Khi đầyđất cánh xén khép lại và đầu khoan được kéo lên đổ đất ra ngoài

Kết hợp chống vách bằng vữa sét, gầu khoan xoay có thể khắc phục những khókhăn nếu khoan trong nền đất yếu và cả đất xốp rời mà không dùng ống vách Lắpcần khoan vào ôtô hoặc cần trục có thể tạo lỗ khoan sâu tới 70m, đường kính có thểđạt tới 4.57m (hoặc hơn nữa)

Để tăng khả năng chịu lực cho cọc ta có thể sử dụng thiết bị mở rộng thân vàđáy cọc Nhờ sử dụng thiết bị mở rộng thân và đáy cọc này có thể làm hạ đáng kể giáthành cọc, chủ yếu do giảm chiều sâu khoan cọc, do đó giảm bớt được khối lượng bêtông nhồi mà vẫn đảm bảo chất lượng và khả năng chịu tải của cọc

Để chống khả năng sạt lở vào lỗ khoan cũng như cho việc đổ đất và khoanđược dễ dàng người ta thường dùng những ống vách tạm có chiều dài ngắn đặt ởphần trên miệng lỗ khoan

1.1.4 Giới thiệu máy thiết kế.

Hiện nay việc thi công các công trường ở các thành phố lớn vấn đề khó khăn

và phức tạp lớn là việc diện tích mặt bằng thi công nhỏ hẹp, độ cao các công trình lân cận ảnh hưởng rất lớn tới điều kiện thi công Do vậy yêu cầu thiết kế cơ cấu thi công gọn nhẹ, dễ dàng, chất lượng tốt là một trong những yêu cầu cơ bản và cấp thiết của máy móc hiện đại Máy khoan cọc nhồi dùng giá dẫn hướng này có đường kính lỗ khoan lớn nhất là 1m chiều sâu tối đa của hố khoan là 50m và tốc độ quay lớn nhất của gầu khoan là 10 vg/ph, sau khi thi công máy có thể gập cần và di

chuyển tới vị trí khác một cách dễ dàng

§ 1.2 Chế tạo dung dịch bentonite ( bùn khoan )

Dung dịch bentonite dùng để giữ cho thành hố đào của cọc không bị sạt lở

1.2.1 Tính chất dung dịch bentonite mới trước khi dùng.

Bentonite bột được chế tạo sẵn trong các nhà máy, thường đóng thành từngbao 50kg (giống bao xi măng) Hiện nay nước ta phải nhập bentonite từ nước ngoài,chủ yếu từ Đức do công ty ERBSLOH chế tạo Tùy theo yêu cầu kỹ thuật khoan,đào và tính chất địa tầng, mà hoà tan từ 20kg đến 50kg bột bentonite vào 1m3 nước

Một dung dịch mới trước lúc sử dụng phải có đặc tính sau đây:

- Dung trọng nằm trong khoảng từ 1,01 đến 1,05 (trừ trườnghợp loại bùn sét đặc biệt, có thể sử dụng đến 1,15 )

+ Độ tách nước được đo bởi một dụng cụ lọc ép baroid dưới áp lực 0,7Mpa trong 30 phút.

+ Hàm lượng cát được đo bởi một dụng cụ êlutriomêtre.

+ Đường kính hạt được đo bằng rây tiêu chuẩn có đường kính lỗ rây thích hợp.

1.2.2 Sử dụng và sử lý dung dịch bentonite ( bùn khoan)

Quá trình chế tạo, sử dụng, thu hồi, xử lý và tái sử dụng dung dịch bentonite(dung dịch khoan, bùn khoan) được thể hiện trên sơ đồ:

7

Tr¹m sö lý bïn khoan

èng dÉn bïn míi

mt B¬m ch×m

b1 - PhiÔu trén

Hình 1.1 - Sơ đồ xử lý dung dịch bentonite

Quá trình thực hiện như sau:

Chế tạo dung dịch bentonite mới gồm:

- Các bao bentonite bột được chứa trong kho (bao) hoặc trongsilô (bột)

- Chế tạo dung dịch bentonite:

+ có thể dùng phễu trộn đơn giản

+ Có thể dùng máy trộn

Thường trộn 20kg đến 50kg bột bentonite với 1m3 nước (tuỳ theo yêu cầuthiết kế) Ngoài ra, tùy theo yêu cầu kỹ thuật cụ thể cho thêm vào dung dịch một sốchất phụ gia mục đích là làm cho nó nặng thêm, khắc phục khả năng vón cục củabột bentonite, tăng thêm độ sệt hoặc ngược lại giảm độ sệt bằng cách chuyển nóthành thể lỏng, chống lại sự nhiễm bẩn của nó bởi ximăng hoặc thạch cao, giảm độ

PH của nó hoặc tăng thêm, giảm tính tách nước của nó, v.v

Sau đó đổ dung dịch khoan mới được chứa ở bể bằng thép, bể chứa xâygạch, bể chứa bằng cao su có khung thép hoặc bằng xilô (tuỳ từng điều kiện cụ thể

mà sử dụng loại bể chứa nào)

Sử dụng dung dịch bentonite một cách tuần hoàn (xem hình 1.1) Trong khiđào hố phải luôn luôn đổ đầy dung dịch khoan trong lỗ Dung dịch khoan này làdung dịch mới Gầu đào xuống sâu đến đâu thì phải bổ xung dung dịch khoan ngaycho đầy hố Trong khi đào thì dung dịch bentonite bị nhiễm bẩn (do đất, cát) làmgiảm khả năng giữ ổn định thành hố, do đó phải thay thế Để làm việc đó, phải hútbùn bẩn từ hố khoan, đào lên để đưa về trạm sử lý Có thể dùng loại bơm chìm đặt ởđáy hố đào hoặc bơm hút có màng lọc để ở trên mặt đất

Dung dịch khoan (bùn khoan) được đưa về trạm sử lý (theo hình 1.1) Cáctạp chất bị khử đi, còn lại là dung dịch khoan như mới để tái sử dụng

Dung dịch sau khi sử lý phải có đặc tính sau:

- Dung trọng dưới 1,2 (trừ loại dung dịch nặng đặc biệt)

- Độ nhớt Marsh nằm giữa 35 đến 40 giây

- Độ tách nước dưới 40cm3

9

§ 1.3 Chọn phương pháp thi công công trình.

Với đầu đề thiết kế là máy khoan cọc nhồi lắp trên máy cơ sở là máy xúc thuỷ lực, khoan hố có đường kính cọc là 1m, chiều sâu 50m loại cấp đất IV do vậy phươngpháp thi công khoan cọc nhồi của máy thiết kế là phương pháp thi công trong dung dịch Bentonite khi đã hạ ống vách

1.3.1 Sơ đồ thi công cọc khoan nhồi.

1.3.2 Công tác chuẩn bị.

- Trước khi thi công cọc khoan nhồi cần chú ý nghiên cứu kĩ các tài liệu thiết

kế kĩ thuật, quy trình công nghệ, tài liệu khảo sát địa chất công trình, và các công trình ngầm trong mặt bằng thi công như điện, cáp quang, hệ thống thoát nước, cấp nước

- Chuẩn bị mặt bằng tổ chức thi công, xác định vị trí các tim mốc, hệ trục công trình, đường vào, hệ thống đặt các thiết bị cơ sở, khu vực thi công lồng thép, kho các công trình phụ trợ Các cán bộ kĩ thuật phải nắm chắc hồ sơ thiết kế cọc như địa chất công trình, đường kính, cấu tạo cốt thép, đáy cọc đáy đài, cao độ cắt cọc cấu tạo ống siêu âm vv

- Căn cứ vào các thiết bị có sẵn đã được duyệt lập tiến độ thi công chi tiết chotừng cọc đảm bảo theo đúng yêu cầu bên A và tư vấn giám sát từ đó lập tiến độ thicông tổng thể và sơ đồ khoan cho toàn bộ khu cọc

- Chuẩn bi các bảng biểu nhật kí công trường, theo dõi quá trình thi công vàchất lượng thi công

- Chuẩn bị đầy đủ thiết bị máy móc kiểm tra độ sụt của bê tông, kiểm tra dungdich bentonite

- Dung dich Bentonite phải luôn đảm bảo chất lượng và số lượng cho công tácthi công

Thi công hạ ống vách Khoan đến cao độ đáy

cọc

Thổi rửa,vét cặn lắng và thay dd mới

Cẩu hạ lồng cốt thép

Lắp ống đổ

bê tông

Đổ bê tông cọc và san lấp bề mặt

Thải cặn lắng

Xử lý Bentonite để tái sử dụng

Chuẩn bị điều chế dd Bơm cấp Bentonite

Lắp ráp cơ giới, định

vị và cân chỉnh máy

- Chuẩn bị đầy đủ và đảm bảo nguồn nước trộn Pentonite.

- Hệ thống cung cấp điện phải an toàn và đáp ứng được công suất của máy mócthiết bị thi công

- Kiểm tra và đảm bảo chắc chắn tất cả các thiết bị trong tình trạng hoạt độngtốt và sẵn sàng làm việc

- Vị trí của máy phải an toàn chắc chắn và thuận tiện

- Biệnpháp tổ chức cấp điện, cấp thoát nước

- Chuẩn bị ống dẫn tạo điều kiện để đổ bê tông dưới nước

- Xây tường bao quanh hiện trường: hiệu quả của việc cách âm của tường phụthuộc rất nhiều vào độ cao và chất liệu làm tường Nếu tường làm bằng vật liệu cách

âm thì hiệu quả rất cao

Cần chú ý xác nhận chủng loại và vị trí của các vật kiến trúc ngầm và xem xétkhả năng gây ảnh hưởng đến khu vực và công trình lân cận để có biện pháp xử lýthích hợp

1.3.3 Định vị hố khoan.

- Định vị phải căn cứ vào tài liệu thiết kế về quy hoạch tổng thể của dự án vàmặt bằng bố trí cọc Việc xác định vị trí tim cọc được thực hiện bằng 2 máy kinh vĩgiao hội hoặc máy kinh vĩ điện tử Khi thực hiện công tác này phải có sự kiểm tranghiệm thu của kỹ sư tư vấn

- Sai số cho phép của vị trí tim cọc là:  30mm

- Đồng thời lập các mốc phụ để xác định và kiểm tra lại tim, cốt cọc

* Định vị tim cọc.

Mèc chuÈn

Mèc phô Tim cäc

Hình 1.2 - sơ đồ định vị tim cọc

1.3.4 Công tác khoan tạo lỗ.

1.3.4.1 Hạ ống vách: Sau khi định vị vị trí tim cọc, tiến hành khoan với tốc độ chậm

đến chiều sâu bằng chiều dài ống vách Dừng khoan và hạ ống vách, chiều dài ống vách được xác định căn cứ vào tài liệu khảo sát địa chất Ống vách phải được hạ với chiều sâu tối thiểu qua các lớp đất yếu bên trên Trong quá trình thi công từng cọc, phụ thuộc vào đăc điểm địa chất các lớp đất phía trên có thể hạ thêm ống vách nếu gặp phải địa chất yếu

Ống vách có tác dụng bảo vệ thành hố khoan ở đầu cọc, tránh trường hợp sập lở

đất bề mặt khi thi công, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc neo giữ cốt thép.Ống vách phải được giữ thẳng đứng chăc chắn không bị xô lệch, trượt trong quá trình

11

thi công Vị trí ống vách, độ thẳng đứng phải được kỹ thuật bên A và tư vấn giám sátkiểm tra nghiệm thu Các yêu cầu kỹ thuật về hạ ống vách:

hố sâu từ 2,5m đến 3m tại vị trí hạ cọc với mục đích bóc bỏ lớp đất cứng trên bề mặtđất giảm thời gian của búa rung xuống còn 2 đến 3 phút

- Phương pháp ép: là sử dụng máy ép để ép ống vách xuống độ sâu cần thiết Phươngpháp này chịu được rung động nhưng thiết bị cồng kềnh, thi công phức tạp và năngsuất thấp

- Sử dụng chính máy khoan để hạ ống vách: đây là phương pháp phổ biến hiện nay.Người ta lắp vào gầu khoan thêm một đai sắt để mở rộng hố đào khoan đến hết độsâu của ống vách thì dùng cần cẩu hoặc máy đào đưa ống vách vào vị trí và hạxuống cao trình cần thiết, dùng cần gõ nhẹ lên ống vách để điều chỉnh độ thẳng đứng.Sau khi đặt ống vách xong phải chèn chặt bằng đất sét và nêm để ống vách khôngdịch chuyển được trong quá trình khoan

* Cấu tạo thiết bị ống vách

Hình 1.3 - Sơ đồ cấu tạo ống vách

1.3.4.2.Công tác khoan tạo lỗ:

Hình 1.4 - Sơ đồ khoan tạo lỗ, thi công hạ ống vách và lấy đất bằng gầu

* Khoan tạo lỗ bằng phương pháp khoan gầu xoay là biện pháp thi công phổbiến nhất khi thi công hạng mục cọc nhồi các công trình xây dựng dân dụng, côngnghiệp và gịao thông hiện nay

Khi khoan, cần chú ý các yêu cầu về kỹ thuật sau:

- Trước khi tiến hành khoan cần chỉnh chính xác độ nằm ngang của máy khoan và

độ thẳng đứng của cần khoan bằng máy trắc đạc hoặc nivo nước, vị trí máy đứng phảiđược gia cố chắc chắn bằng các tấm tôn hoặc tấm bê tông

- Bentonite được bơm vào hố khoan khi khoan đạt độ sâu 1,5- 2m và liên tục trongquá trình khoan để duy trì áp lực vào thành hố khoan Dung dịch Bentonite phải luônđược kiểm tra và đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật trong quá trình thi công Mực dungdịch khoan luôn duy trì cao hơn mức nước ngầm trong hố khoan

- Mùn khoan và dung dịch Bentonite lẫn đất được vận chuyển ngang ra xa khỏi vịtrí hố khoan tránh làm ảnh hưởng đến chất lượng hố khoan và gây cản trở cho việc thicông

- Cần khoan phải luôn thẳng đứng trong suốt quá trình khoan, tim cần khoan luôntrùng với tim cọc và thường xuyên được kiểm tra bằng máy kinh vĩ hoặc nivo nước

- Công tác khoan được tiến hành liên tục trong phạm vi 1 cọc, tránh hiện tượng lắngcặn và sập thành vách do gián đoạn Trong quá trình khoan phải theo dõi, mô tả mặtcắt địa chất của các lớp đất đá khoan qua và được thể hiện bằng các báo cáo chi tiết ởcác điểm địa tầng sai khác nhiều so với hồ sơ khảo sát địa chất ban đầu phải tiến hành

13

lấy mẫu và ghi chép đầy đủ vào nhật ký, báo cáo với đơn vị thiết kế và công trình để

có biện pháp kỹ thuật xử lý trực tiếp phù hơp

- Khi khoan, tốc độ khoan phải khống chế thích hợp với địa tầng khoan qua Gầukhoan được đưa lên, xuống từ từ và xoay để tránh ảnh hưởng chân không và ma sátvới thành hố khoan gây sập vách

- Dùng mũi khoan bằng hợp kim cứng khi gặp các lớp địa chất như: lớp sỏi cuội to,bột cát kết, sét kết vv

+ Các công tác trên được duy trì và tiến hành tới khi khoan đến cao độ thiết kế.+ Hố khoan thường xuyên được kiểm tra về độ thẳng đứng, đường kính cũngnhư tình trạng thành vách theo yêu cầu kỹ thuật của bên A và tư vấn giám sát

1 3.4.3 Công tác kiểm tra và làm sạch sơ bộ.

Sau khi khoan đạt tới độ sâu thiết kế và tư vấn giám sát nghiệm thu xác nhận,tiến hành chờ lắng trong khoảng 1-2 h và dùng gàu vét vệ sinh đáy hố khoan trướckhi hạ lồng thép

1.3.4.4 Tập kết và xử lý mùn khoan.

Ảnh hưởng của cặn lắng đối với chất lượng cọc: cọc khoan nhồi chịu tải trọngrất lớn nên để đọng lại dưới đáy hố khoan bùn đất hoặc Bentonite ở dạng bùn nhão sẽảnh hưởng nghiêm trọng tới khả năng chịu tải của mũi cọc, gây sụt lún cho kết cấubên trên, làm cho công trình bị dịch chuyển gây biến dạng và nứt Vì thế mỗi cọc đềuphải được xử lý cặn lắng rất kỹ lưỡng:

Có 2 loại cặn lắng

- Cặn lắng hạt thô: trong quá trình tạo lỗ đất cát rơi vãi hoặc không kịp đưa lên saukhi ngừng khoan sẽ lắng xuống đáy hố Loại cặn lắng này tạo bởi các hạt đường kínhtương đối to, do đó khi đã lắng đọng xuống đáy thì rất khó moi lên

- Cặn lắng hạt mịn: Đây là những hạt rất nhỏ lơ lững trong dung dịch bentonite, saukhi khoan tạo lỗ xong qua một thời gian mới lắng dần xuống đáy hố

Các bước xử lý cặn lắng:

- Bước 1: Xử lý cặn lắng thô:

+ Đối với phương pháp khoan gầu sau khi lỗ đã đạt đến độ sâu dự định màkhông đưa gầu lên vội mà tiếp tục cho gầu xoay để vét bùn đất cho đến khi đáy hố hếtcặn lắng mới thôi

+ Đối với phương pháp khoan lỗ phản tuần hoàn thì sau khi kết thúc công việctạo lỗ phải mở bơm hút cho khoan chạy không tải độ 10 phút, đến khi bơm hút rakhông còn thấy đất cát mới ngừng và nhấc đầu khoan lên

- Bước 2: Xử lý cặn lắng hạt mịn: bước này được thực hiện trước khi đổ bê tông

Mùn khoan khi đưa lên được tập kết và vận chuyển ra khỏi công trường bằng ô

tô tự đổ có bạt che phủ để tránh ô nhiễm môi trường hoặc có thể lưu giữ trong cácthùng chứa đất chờ xử lý sau

- Cần có biện pháp kỹ thuật để tránh cốt thép bị tụt hoặc bị đẩy trôi: các mối nốiphải thật đảm bảo, lồng thép sau khi hạ được liên kết chặt chẽ với ống vách ở phíatrên.

- Cốt thép đảm bảo đúng và đầy đủ vế số lượng, cường độ, vị trí và kích thước theođúng yêu cầu của thiết kế

- Việc hạ lồng thép phải được thực hiện từ từ, nhẹ nhàng tránh va đập vào thành hốkhoan

- Khi hạ lồng thép đến cao độ thiết kế thì tiến hành treo cố định lồng thép vào ốngvách, tránh chuyển vị lồng trong quá trình đổ bê tông

Hình 1.5 - Sơ đồ cấu tạo lồng thép

15

Hình 1.6 - Sơ đồ thi công hạ lồng cốt thép 1.3.6 Công tác đổ bê tông:

- Có 2 công nghệ thổi rửa:

+ Thổi rửa bằng bơm:

Dùng bơm chìm công suất lớn thả xuống đáy hố khoan hút bùn lên Đồng thời bơmdung dịch mới xuống hố khoan đảm bảo mực dung dịch trong hố khoan luôn duy trì ởmức 1,5 m so với cao độ mực nước ngầm Bùn Bentonite bơm lên được qua máy táchcát để tái sử dụng

+ Thổi rửa bằng khí nén:

Công việc thổi rửa được thực hiện bằng ống đổ bê tông kết hợp với ống dẫn bơmkhí nén xuống Áp lực khí nén được giữ thường xuyên là 1.5 lần áp lực cột dung dịchtại đáy hố khoan Bentonite lẫn mùn khoan ở dưới đáy hố khoan được áp lực khí nénđẩy lên Cần bổ sung dung dịch mới vào hố khoan khi dung dịch trong hố tụt khoảng1,5 m so với cao độ mặt đất tự nhiên Đây là phương án chính trong công tác thổi rửa

hố khoan

Kiểm tra dung dịch Bentonite về độ nhớt, tỷ trọng và hàm lượng cát và đo kiểm trabằng thước về độ lắng cặn Nếu độ lắng cặn < 10cm thì đạt yêu cầu cho phép đổ bê tông

1.3.6.2 Lắp đặt ống đổ.

Ống đổ là các ống thép có đường kính 273 mm, tổ hợp của các đoạn ống dài

L = 1m , 2m, 3m và 6m Các đoạn ống được liên kết với nhau bằng gen Chiều dàiống đổ phải tới tận đáy hố khoan, khoảng cách giữa đáy ống đổ và đáy hố khoan tuỳthuộc vào đường kính hố khoan và phải có biện pháp ống đổ dự phòng

Ống đổ bê tông và mối nối được đảm bảo kín, cách nước, luôn luôn kiểm trachiều dài khi nối ống, tháo ống trong quá trình đổ

Đoạn ống đầu tiên khi thi công được nút kín bằng bóng cao su hoặc bọt xốp dày > 5cm nhằm đảm bảo không có sự tiếp xúc trực tiếp của mẻ bê tông đầu với dungdịch khoan

Hình 1.7 - Sơ đồ thi công đổ bê tông cọc

1.3.6.3 Quá trình đổ bê tông.

- Trước khi đổ bê tông cần phải có kế hoạch chặt chẽ về việc cung cấp bê tông giữađơn vị thi công và đơn vị cung cấp Cụ thể, bê tông phải đảm bảo cung cấp đủ về sốlượng, chất lượng, liên tục không gián đoạn

- Cấp phối bê tông phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật theo yêu cầu thiết kế, không sửdụng cốt liệu đá lớn hơn 20mm Bê tông trước khi đổ phải có độ sụt là 16-20cm

17

- Công nghệ đổ bê tông được thực hiện sao cho bê tông cấp cho cọc liên tục không bịgián đoạn, tránh bê tông bị phân tầng.

- Trường hợp dùng xe trộn để cấp bê tông, cần tính toán thời gian vận chuyển, nghiêncứu phương án đường đi và lựa chọn độ sụt xuất xưởng thích hợp

- Bê tông sử dụng cho cọc khoan nhồi có thể được trộn thêm phụ gia hoá dẻo với tỷ lệ

từ 0.8-1.2 % tuỳ thuộc vào môi trường cũng như cự ly vận chuyển

- Bê tông trong ống đổ phải đủ độ cao và luôn luôn lớn hơn áp lực dung dịch xungquanh Ống đổ có thể được nâng lên hạ xuống trong quá trình cấp bê tông nhưngkhông được thao tác quá mạnh và nhiều để tránh bê tông bị phân tầng Trong quátrình đổ, ống đổ được tháo dần ra song phải luôn đảm bảo nằm ngập trong bê tôngvới chiều sâu không nhỏ hơn 2m Việc đổ diễn ra liên tục tạo thành dòng chảy tự do

và bê tông chiếm chỗ đẩy dần Bentonite ra khỏi hố khoan

- Các ống đổ bê tông được đặt lên giá đỡ và vệ sinh ngay sau khi tháo để tránh hiệntượng tắc ống cho những lần đổ sau

- Trong suốt quá trình đổ bê tông tránh không để bê tông tràn ra miệng phễu rơi vàotrong lòng cọc làm ảnh hưởng tới chất lượng của bentonite và bê tông cọc

- Trong quá trình đổ bê tông phải thường xuyên kiểm tra theo dõi cao độ chân ốngcho phù hợp và kiểm soát được chất lượng thành vách hố khoan

- Cao độ đổ bê tông cuối cùng phải cao hơn cao độ đáy đài cọc tốt thiểu là 1 - 1.5mtuỳ theo thiết kế

- Quá trình đổ bê tông được thể hiện trong các báo cáo chi tiết theo các biểu mẫu cósẵn và có sự xác nhận của cán bộ thi công và tư vấn giám sát

1.3.7 Rút ống vách và lấp đầu cọc.

Ống vách cần được rút lên ngay trong thời gian địa chất xung quanh chưa cốkết chắc chắn và bê tông còn có độ dẻo và chưa đông kết nhằm đảm bảo bê tôngkhông bị kéo theo khi rút ống và phá vỡ kết cấu ban đầu của bê tông

Trong quá trình rút ống vách phải đảm bảo ống giữ thẳng đứng và đồng trụcvới cọc

Sau khi ống vách được rút lên cần kiểm tra khối lượng bê tông và cao độ đầucọc nhằm đảm bảo tiết diện cọc không bị thu nhỏ và bê tông không bị lẫn bùn đấtxung quanh do áp lực của đất, nước, mùn khoan trong trường hợp cần thiết phải bổxung ngay bê tông trong quá trình rút ống

Cọc sau khi đổ bê tông đến cao độ thiết kế và bê tông cọc đã đông kết sẽ đượclấp lại để đảm bảo tránh các tác động của bên ngoài đến sự hình thành cường độ cọc

và đồng thời trả lại mặt bằng thi công các cọc tiếp theo Việc lấp đầu cọc được tiếnhành ngay sau khi bê tông đông kết Vật liệu dùng để lấp đầu cọc có thể dùng đất cấp

II, gạch vỡ hoặc cát thô đầm kỹ Nhằm đảm bảo thuận lợi cho máy thi công di chuyểntrên công trường phải tiến hành lấp đầu cọc ngay sau khi thi công xong.

1.3.8 Kiểm tra và nghiệm thu.

1.3.8.1 Kiểm tra dung sai cọc.

Vị trí cọc phải được xác định chính xác ngay trước khi thi công phải kiểm tra

vị trí cọc so với hệ thống mốc chuẩn

Vị trí cọc không được sai số quá 30mm theo bất kỳ hướng nào, đồng thời cũngphải đảm bảo sai số của tâm móng (bao gồm cả các cọc khác) không được vượt quáchỉ số trên

Độ thẳng đứng: khi bắt đầu công tác thi công, độ thẳng đứng của các cọc phảiđược kiểm tra theo quy định Dung sai thẳng đứng lớn nhất cho phép là ≤ 1/100 Các cọc bị hư hỏng:

Trong trường hợp sau các cọc coi như là không đạt yêu cầu :

+ Cường độ bêtông không đạt yêu cầu về thiết kế

+ Dung sai thi công vượt quá trị số cho phép quy định

+ Cốt thép không đảm bảo về cường độ, số lượng và vị trí theo thiết kế

+ Sức chịu tải của cọc không đạt yêu cầu thiết kế

1.3.8.2 Lý lịch cọc.

Lý lịch cọc phải được kỹ thuật A- B ký xác nhận ngay trong quá trình thi công

và bao gồm các thông tin sau đây:

+ Ngày và thời gian bắt đầu khoan và bắt đầu đổ bê tông

+ Số hiệu cọc và vị trí

+ Cốt mặt đất tại vị trí thi công cọc

+ Cốt mũi cọc và đầu cọc

+ Cao độ cát cọc

+ Độ sâu gặp lớp đất chịu lực (đất chặt hoặc sét cứng)

+ Đường kính hố khoan và đường kính cọc

+ Độ nghiêng của cọc

+ Chiều dài ống vách

+ Chiều dài ống đổ bê tông và chiều dài ống nằm trong bê tông

+ Mô tả chi tiết đất nền trong quá trình theo thời gian

19

+ Làm sạch đáy hố khoan.

+ Cốt thép và thời gian lắp đặt vào hố khoan

+ Đặc tính của bê tông, thể tích của bê tông và thời gian đổ bê tông

+ Chi tiết các chướng ngại vật gặp phải khi khoan

+ Chi tiết về thời tiết

+ Đặc tính dung dịch bentonite trước khi đưa vào hố khoan và ở đáy hố khoan sau khi

có sự nạo vét

+ Các thông tin khác kèm theo yêu cầu của kỹ thuật bên A và tư vấn giám sát

Chương 2: Lựa chọn phương án.

Từ nhiệm vụ là thiết kế máy khoan cọc nhồi với đường kính cọc d= 1m vàchiều sâu cọc 50m, có 2 phương án lựa chọn đó là máy khoan cọc nhồi kiểu cầngiàn và máy khoan có giá dẫn hướng lắp trên máy cơ sở là máy xúc thuỷ lực

2.1.Lựa chọn phương án.

 Phương án 1: Lắp cần giàn lên máy cơ sở là máy xúc thuỷ lực.

6 1

3

4

5 2

Hình 2.1 - Sơ đồ máy khoan cọc nhồi kiểu cần giàn

1 - Máy cơ sở ; 2 - Cần giàn ; 3 - Hệ puli ; 4 - Cần khoan ; 5 - Cơ cấu quay; 6 - Gầu

 Nâng hạ cơ cấu quay dễ dàng.

 Không phải tháo rời khi thay đổi công trình

 Dễ định vị chính xác tim cọc

Nhược điểm:

 Việc chế tạo giá dẫn hướng đòi hỏi độ chính xác

 Khó khăn trong tháo lắp

 Giá thành tương đối cao

Kết luận:

Cả hai phương án trên đều khả thi đều đã được chế tạo và sử dụng trong các công trình tại Việt Nam Mỗi phương án đều có những ưu và nhược điểm riêng Ta thấy rằng việc chế tạo giá dẫn hướng lắp trên máy xúc thuỷ lực tuy giá thành cao hơn nhưng có rất nhiều ưu điểm khi thi công so với cần giàn nhất là trong điều kiệnthi công tại những nơi chật hẹp, thi công hố móng trụ cầu… cũng như năng suất khoan và độ chính xác của lỗ khoan, do vậy ta quyết định chọn thiết kế máy khoan

có giá dẫn hướng lắp trên máy xúc thuỷ lực

2.2 Lựa chọn thiết bị cơ sở.

Theo kinh nghiệm chọn máy xúc thuỷ lực làm máy cơ sở cho máy khoan cọc

nhồi có chiều sâu hố khoan 50m với đường kính lỗ khoan 1m ta chọn loại máy xúc thuỷ lực nhãn hiệu Cummins M11-C310 của hãng BU-MA

- Các đặc tính kỹ thuật của máy xúc Cummins M11-C310:

 Công suất lắp đặt (installed power): 231 KW

 Tốc độ quay (rotation speed): 2100 r.p.m (vg/ph)

Hình 2.2- Sơ đồ máy khoan cọc nhồi dùng giá dẫn hướng.

1 - Máy cơ sở ; 2 - Cơ cấu nâng ; 3 - Cơ cấu khung dẫn động ; 4 - Cơ cấu giá treo cần ; 5 - Hệ puli ; 6 - Cần khoan ; 7 – giá dẫn hướng; 8 - Cơ cấu quay ; 9 - Gầu

23

CHƯƠNG 3: Tính toán máy khoan cọc nhồi

§3.1 Nội dung thiết kế.

3.1.1 Lý thuyết khoan.

Hiện nay có nhiều lý thuyết khoan tạo lỗ như khoan đập, khoan xoay, khoan đập xoay, khoan xoay đập, khoan siêu âm Trên cơ sở khoan là sự phá vỡ đất đá dựatrên khả năng tác dụng của những vật thể cứng (lưỡi cắt) vào đất đá mềm hơn Lưỡicắt khi khoan dưới tác dụng của lực dọc trục và mômen xoắn được chuyển động theo quỹ đạo xoắn vít cắt và phá vỡ đất đá do vậy chọn lý thuyết khoan xoay để tính

toán là phù hợp với yêu cầu của bài toán

- Đường kính lỗ khoan max d= 1000mm

- Chiều sâu lỗ khoan lớn nhất l=50.000mm

- Gầu 2 lưỡi cắt

§3.2 Phân tích chung.

3.2.1 Phân tích lực khi khoan xoay.

R3 R2

+ q’ và p’: lần lượt là phản lực vuông góc của đất đá lên mặt trước và mặt sau

+ f : Hệ số ma sát của hợp kim với đá cứng (f = 0.27  0.5) ta chọn f = 0.3

3.2.2 Tính các lực cơ bản.

Với lực dọc trục P lưỡi cắt ăn sâu vào đất đá, còn với tác dụng của lực bên sườn

Q, lưỡi cắt quay và cắt ra từng lớp đất đá Khi khoan, mỗi điểm của lưỡi cắt vẽ lên một đường xoắn vít Đối với đầu khoan 2 lưỡi, bề dày của lớp đất đá được cắt ra bởi

1 lưỡi cắt là b = 0.5h Góc nghiêng của đường xoắn vít (đường cắt) của 1 điểm bất kỳ của lưỡi phụ thuộc vào khoảng cách rx từ điểm nghiên cứu đến trục quay:

25

r x

h arctg

.

2 

 

( 3.1 )

 = 30  50, chọn  = 40 ( góc nghiêng của đường cắt so với phương ngang )

- Trong quá trình khoan lưỡi khoan bị mòn mạnh nhất ở mặt sau, tạo thành diện tích mòn song song với mặt cắt III Chiều rộng của diện tích mòn ở mép ngoài của lưỡi cho phép không lớn hơn 3mm

- Lực tác dụng lên 1cm chiều dài mặt trước và lưỡi cắt được xác định có kể đếndiện tích mòn lưỡi cắt (hình 3.1c)

- Dưới tác dụng của lực dọc P và lực bên sườn Q, lưỡi cắt tác dụng vào đất đá Phản lực đất đá có kể đến ma sát trên mặt lưỡi cắt được tính như sau:

Theo hình 3.1:

+ Chiếu theo phương thẳng đứng:

) )(

sin (cos ' sin '.

cos

p

2 2

1

sin cos 1

1 (

f

f f

sin sin cos

'.(cos 

p

P y

p'.coscos.( )

P y (3.3) Theo phương ngang:

Theo hình 3.1: Chiếu theo phương thẳng đứng:

) )(

cos '.(sin cos

'.

sin

) )(

sin (cos

' sin ' cos

+ Trên mặt sau (mặt đầu) lưỡi cắt:

p'  n S d (3.7 ) + Trên mặt trước lưỡi cắt:

q' Kn S t ( 3.8 )Trong đó:

Sđ, St - lần lượt là diện tích mặt sau ( mặt đầu) và mặt trước của lưỡi cắt

n- giới hạn bền nén của đất đá KG/cm2

K - Hệ số tính đến điều kiện: ở mặt trước đất đá bị phá vỡ không chỉ do nén mà do độ trượt lở, vì vậy K < 1 Hệ số K phụ thuộc vào bề dày của lớp đất đá bị cắt : khi đất đá yếu, bề dày của lớp cát lớn và thể tích đất đá bị phá huỷ do vỡ lở lớn Theo giáo sư V.G Mikhailôp gọi hệ số này là “ hệ số giòn” của đất đá và lấy trong giới hạn 0.5  0.7, ở bài toán này ta chọn :

K = 0.6Diện tích mặt đầu của lưỡi cắt tiếp xúc với đất đá là :

2 l a1 a2 R1 R3a

S d     ( 3.9 )Diện tích mặt trước của lưỡi cắt là:

) (

2

2 cos

) cos(

) (

2 2

) (

45 0 10

) (

2

2 cos

) sin(

) (

2 2

) (

cos

45 0 10

27

Mô men xoắn trên lưỡi cắt:

M M

) ( 7025 5

0 3

2 10 1075

Công suất trên lưỡi cắt:

) ( 356 7 10

55 , 9

10 10 7025 10

55 ,

3 6

- Mômen cản xoắn khi khoan: M x  7025 (N.m)

- Công suất khoan: N1  7,356 (kW)

§3.3 Thiết kế cụm cơ cấu quay dẫn động cần khoan

 Điều kiện làm việc tốt

 Đổi chiều quay dễ dàng

 Mô men đầu ra lớn

Do ưu điểm vượt trội của hệ bánh răng hành tinh là:

+ Thực hiện được tỉ số truyền lớn

+ Kết cấu gọn nhẹ

+ Hiệu suất làm việc cao

+ Truyền động được công suất lớn

 MTB - Mômen đầu ra của thiết bị môtơ thuỷ lực

 i - Tỉ số truyền của hệ dẫn động (chọn sơ bộ i = 75)

  - Hiệu suất của hệ dẫn động (chọn sơ bộ  = 0.95)

Vậy tổng mômen đầu ra của môtơ thuỷ lực thoả mãn:

10 55 ,

9M 5n kW

k

TB (3.16)trong đó:

MTb: momen đầu ra của thiết bị môtơ thủy lực (N.cm)

29

750 10000 25

, 1

Vậy ta chọn môtơ thuỷ lực nhãn hiệu PAVC-33 có các thông số sau:

 Số vòng quay của môtơ thuỷ lực: nMT = 750 V/phút (có thể thay đổi được từ

450 1500V/phút)

 Mômen trục quay MMT = 50 N.m

 Công suất 5 kW (có thể thay đổi được từ 1.5  11.4 kW)

3.3.3 Sơ đồ dẫn động và phân phối tỉ số truyền:

3.3.3.1 Sơ đồ dẫn động

2 1

5- Cơ cấu dẫn động cần khoan

3.3.3.2 Xác định và phân phối tỉ số truyền

- Với tỉ số truyền i 75 ta phân phối như sau:

+ Bộ truyền bánh răng hành tinh 2 cấp có tỉ số truyền là i1 = 25

+ Tỉ số truyền của bộ bánh răng trụ 1 cấp là i2 = 75/25 = 3

3.3.4 Thiết kế động học bộ truyền bánh răng hành tinh 2 cấp.

3.3.4.1 Sơ đồ truyền động của bộ truyền bánh răng hành tinh

1 2

2 2

- Xuất phát từ yêu cầu các trục hình học của các bánh răng trung tâm phải trùng nhau,

số răng của các bánh răng ăn khớp phải thoả mãn điều kiện đồng trục sau đây:

z1  2z2 z3 (3.17)

- Để lắp được các bánh răng ăn khớp với nhau, phải có yêu cầu: Trục đối xứng của các rãnh răng bánh vệ tinh phải trùng với trục đối xứng của các răng bánh trung tâm Muốn vậy số răng của các bánh trung tâm và bánh vệ tinh phải thoả mãn điều kiện lắp sau:

z1z2 k.c (3.18)Trong đó:

+ da2: dường kính vòng đỉnh bánh răng vệ tinh 2;

+ d1: đường kính vòng chia của bánh răng trung tâm 1

+ Để lắp bánh răng vệ tinh thứ 2 lên nhánh tiếp theo của cần C1 ta làm như sau: giả sửbánh răng 3 cố định, bây giờ ta cho cần C1 quay 1 góc bằng  khi đó bánh 1 sẽ quay được 1 góc :

 = .i1c = i1c 2/3 (3.20)

Vì bánh 3 là cố định lên:

i1c = 1 - i13C = 1 + Z3/Z1 (3.21)Vậy thay vào 2.4 ta được:

r1. = q.p (3.23)Trong đó:

r1 và p lần lượt là bán kính vòng lăn và bước trên vòng lăn của bánh 1 còn q là một số nguyên

1 1

2

Z

r

p   (3.24)Thay công thức 3.22; 3.24 vào 3.23 ta được:

2 : 1 : :

1

1 3

2

i i

i q Z Z

*) Tương tự ta xét cho cặp bánh răng 4-5-3

 

3 : 1 :

2

2 : 1 ' : :

' 2 '

2 3

5

i i

i q Z Z

*) Kiểm tra điều đồng trục và điều kiện lắp.

Kết hợp 3.25 và 3.26 ta được:

(*)  

3 : 1 : 2

2 : 1 : :

1

1 3

2 1

c c

i

i q Z Z

 

3 : 1 :

2

2 :

1 ' : :

' 2 '

2 3

5

i i

i q Z Z

*) Kiểm tra điều kiện kề.

Vì hai cặp bánh răng 1-2-3 và 4-5-3 giống nhau về tỷ số truyền và sơ đồ độnghọc nên ta chỉ cần kiểm tra một cặp bánh răng là đủ

ồn trong truyền động bánh răng Do đó việc lựa chọn môdun m của bánh răng là rất quan trọng và được lựa chọn theo tiêu chuẩn

Nhận xét:

-Bánh răng 2 ăn khớp với bánh răng 1 và 3 nên: 1;2;3 cùng môdun (1)

-Bánh răng 5 ăn khớp với bánh răng 4 và 3 nên: 4;5;3 cùng môdun (2)

Từ (1) và (2)  1; 2; 3; 4 và 5 cùng môdun

 Tra bảng 6.8 trang 99 [9] ta chọn

33

m = (0.01  0.02).50 = (0.5  1) vậy môđun chọn là không hợp lý.

Ta chọn lại môđun m = 1.25 ta tính được đường kính vòng lăn tương ứng:

Do vậy với tỉ số truyền i =5 thì số răng chọn như trên là không hợp lý

Vậy Ta phải chọn lại số răng như sau:

m = (0.01  0.02).aw (trang 97[9])

Trong đó: aw 1-2 = (d1+d2)/2 = (52.5 +78.75)/2 = 65.625 (mm)

m = (0.01  0.02)x65.625 = (0.65625  1.31) rõ ràng ta chọn môđun m =1.25 thuộc khoảng này vậy môđun chọn thoả mãn

3.3.4.4 Tính toán các kích thước hình học của bộ truyền

 Cặp bánh răng ăn khớp ngoài 1-2 và 4-5.

Chọn vật liệu chế tạo là Crôm 40XH,tôi có:

Tra bảng 6.1 trang 92 [9]

b = 1600 (MPa)

ch = 1400 (MPa)

HRC = 50  HB = 482 (Tra bảng 6.3 [9])

* Xác định ứng suất tiếp xúc cho phép:

Ứng suất tiếp xúc cho phép được xác định theo công thức 6.1a [9]

 

H

HL H



  (3.27) Tra bảng 6.2 trang 94 [9] ta có :

0

Hlim = 17HRC + 200 = 17.60 + 200 = 1220 (Mpa): ứng suất tiếp xúc cho phép- tra bảng 6.2 [9]

SH = 1,2: Hệ số an toàn ứng suất tiếp xúc

KHL: hệ số tuổi thọ, xét đến thời hạn phục vụ và chế độ tải trọng của bộ truyền xác định theo công thức 6.3 [9]

H

m HF

HO HL

N

N

K  (3.28)

mh=6: bậc của đường cong mỏi khi thử về ứng suất tiếp

NHO :Số chu kỳ thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về tiếp xúc theo công thức 6.5 [9] ta có :

35

c = 3: Số lần ăn khớp của bánh răng trong một vòng quay

t = 5000: Tổng số giờ làm việc của bánh răng

ni: Số vòng quay trong 1 phút của bánh răng đang xét

Xét bánh răng trung tâm 1:

Số vòng quay của bánh răng trung tâm 1 là:

n1=nđc=750 ( vg/ph)

Số chu kỳ thay đổi ứng suất tương đương của bánh răng 1 là:

NHE1=60.3.750.5000=675.107

Ta thấy, vì NHE1> NHO  lấy NHE1=NHO=8,25.107

 Hệ số xét đến ảnh hưởng của thời gian phục vụ và chế độ tải trọng của bộ truyền là

KHL1 = 1

Vậy ta có ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh răng trung tâm 1 là:

2 , 1

1 1050

42 750

2

1 1

z

z n

Số chu kỳ thay đổi ứng suất tương đương của bánh răng 2 là:

NHE2=60.3.500.5000=45.107

Ta thấy, vì NHE2> NHO  lấy NHE2=NHO=8,25.107

 Hệ số xét đến ảnh hưởng của thời gian phục vụ và chế độ tải trọng của bộ truyền là

KHL2 = 1

Vậy ta có ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh răng hành tinh 2 là:

2 , 1

1 1050



Xét bánh răng trung tâm 4:

Số vòng quay của bánh răng trung tâm 4 là:

) / ( 150 5

Ta thấy, vì NHE4> NHO  lấy NHE4=NHO=8,25.107

 Hệ số xét đến ảnh hưởng của thời gian phục vụ và chế độ tải trọng của bộ truyền là

KHL4 = 1

Vậy ta có ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh răng trung tâm 4 là:

2 , 1

1 1050



Xét bánh răng hành tinh 5:

Số vòng quay của bánh răng hành tinh 5 là:

) / ( 100 63

42 150

5

4 4

z

z n

Số chu kỳ thay đổi ứng suất tương đương của bánh răng 5 là:

NHE5=60.3.100.5000=9.107

Ta thấy, vì NHE5> NHO  lấy NHE5=NHO=8,25.107

 Hệ số xét đến ảnh hưởng của thời gian phục vụ và chế độ tải trọng của bộ truyền là

KHL5 = 1Vậy ta có ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh răng hành tinh 5 là:

2 , 1

1 1050



* Xác định ứng suất uốn cho phép:

Ứng suất uốn cho phép được xác định bởi công thức: 6.2a [9] ta có:

 

F

FL FC F



  (3.29)

KFC = 0,8: Hệ số xét đến ảnh hưởng của chế độ đặt tải (trang 93 [9])

Tra bảng 6.2 trang 94 [9] ta có:

0Flim = 550 (MPa): ứng suất uốn cho phép ứng với chu kì cơ sở

SF = 1,75: Hệ số an toàn ứng suất uốn

KFL: Hệ số xét đến ảnh hưởng của thời gian phục vụ và chế độ tải trọng của bộ truyền, được xác định theo công thức 6.4 [9]:

F

m FE

FO FL

N

N

K  (3.30)

NFO = 4.106 : số chu kì thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về uốn

NFE=NHE: số chu kì thay đổi ứng suất tương đương

Ta thấy NFE>NFO , do đó ta lấy NFE=NFO=4.106 KFL=1

Ứng suất uốn cho phép là:

75 , 1

1 8 , 0

0 lim 3 3

.

H

HL H

mh=6: bậc của đường cong mỏi khi thử về ứng suất tiếp

NHO :Số chu kỳ thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về tiếp xúc

7 4

, 2 4

,

2 30 460 7 , 37 10

c = 3: Số lần ăn khớp của bánh răng trong một vòng quay

t = 5000: Tổng số giờ làm việc của bánh răng

ni: Số vòng quay trong 1 phút của bánh răng đang xét

Xét cặp bánh răng 2-3 ta có:

23

2 3

.

u

c N

1 5 )

1 (

5 , 0

1

1 12

e

7 7

3 50 , 56 10

67 , 2

3 10 45

1 1016

.

u

c N

HE  : số chu kì thay đổi ứng suất tương đương.Với:

67 , 2 ) 1 4 ( 5 , 0

1 5 )

1 (

5 , 0

1

' 4 45

e

7 7

3 10 , 11 10

67 , 2

3 10 9

1 1016



- KFC = 1: Hệ số xét đến ảnh hưởng của chế độ đặt tải

- 0

Flim = 550 (MPa): ứng suất uốn cho phép ứng với chu kì cơ sở

- SF = 1,75: Hệ số an toàn ứng suất uốn

m FE

NFO = 4.106 : số chu kì thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về uốn

NFE=NHE: số chu kì thay đổi ứng suất tương đương

Ta thấy NFE>NFO , do đó ta lấy NFE=NFO=4.106 KFL=1

Ứng suất uốn cho phép là:

[F] = 4314 , 29 ( )

75 , 1

1 1 550

MPa



-Với thép 40XH có HRC = 48 ta có:

[H]max = 40.HRCm = 40.48 = 1920 (MPa)[F]max = 0.6.ch = 0.6.1400 = 840 (MPa)Vậy:

[H]< [H]max

[F]< [F]max

3.3.4.6 Kiểm nghiệm các cặp bánh răng

 Kiểm nghiệm cặp bánh răng ăn khớp ngoài (1-2)

* Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc

Ứng suất tiếp xúc xuất hiện trên mặt răng của bộ truyền phải thỏa mãn điều kiện cho bởi công thức 6.33 [9]

.

) 1 ( 2

1

1

H w

w

H H

M H

d u b

u K T Z Z

     (3.31)Trong đó:

ZM = 274 (MPa)1/3 : Hệ số kể đến cơ tính của vật liệu bánh răng (Tra bảng 6.5 trang 96 [9])

ZH = 1,76: Hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc(Tra bảng 6.12 trang 106 [9])

 = 0: Hệ số trùng khớp dọc - Do góc nghiêng của răng  = 00

Z : Hệ số kể đến sự trùng khớp của răng theo công thức 6.36a [9]

1 ( 2 3 88 1

 Z = 4 31.75 = 0.866

KH: Hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc tính theo công thức 6.39 [9]

KH = KH.KH.KHV (3.34)Trong đó:

KH: Hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng

39

Tra bảng 6.7 trang 98 [9] ta được: KH = 1,02

KH = 1:Hệ số kể đến sự phân bố không đều cho các đôi răng đồng thời ăn khớp

KHV: Hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp, phụ thuộc vào vận tốc của bánh răng:

Vận tốc của bánh răng nhỏ là:

) / ( 06 , 2 60000

750 5 , 52 14 , 3 60000

. 1 1

s m n

1

1 6

5 10 55 ,

) 1 5 , 1 ( 08 , 1 7 , 63666 2

866 0 76 1

Vậy: Cặp bánh răng thoả mãn điều kiện ứng suất tiếp xúc

* Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn.

Để đảm bảo độ bền uốn cho răng, ứng suất uốn sinh ra tại chân răng không được vượt quá một giá trị cho phép Theo công thức 6.43 và 6.44 [9] ta có :

] [

.

2

1 1

1 2

w w

F F

Y Y Y K T

F

F F F

1



Y = 1: Hệ số kể đến độ nghiêng của răng