Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam

Đề tài nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong điều kiện thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam để tìm ra quy luật thay đổi của các thông số động lực học trong các trường hợp làm việc điển hình của máy. Dựa trên các kết quả nghiên cứu đã thu được, luận án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy theo quan điểm động lực học.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -o0o - NGUYỄN NGỌC TRUNG NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC TRONG THI CÔNG CÁC CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG Ở VIỆT NAM Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1- PGS.TS.NGND NGUYỄN ĐĂNG ĐIỆM 2- PGS.TS LÊ QUANG HANH Hà Nội - 2018 i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin bày tỏ kính trọng lịng biết ơn sâu sắc tới PGS-TSNGND Nguyễn Đăng Điệm PGS-TS Lê Quang Hanh – Trường Đại học Giao thông Vận tải, hai người Thầy hướng dẫn, động viên giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho q trình nghiên cứu hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo, Cô giáo môn Máy xây dựng Xếp dỡ, nhà khoa học Trường Đại học Giao thông Vận tải, Viện Cơ điện nông nghiệp Công nghệ sau thu hoạch, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Trường Đại học Xây dựng, Học viện Nông Nghiệp Việt Nam, Viện Khoa học Công nghệ GTVT, giúp đỡ góp ý cho tơi q trình nghiên cứu viết luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Giao thông Vận tải, phịng Đào tạo Sau Đại học, Khoa Cơ khí, Phịng Khoa học Công nghệ, Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thơng Vận tải phịng ban chức Nhà trường tạo điều kiện vật chất giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu để đạt kết mong muốn Xin trân trọng cảm ơn tới Lãnh đạo Cơng ty CP Kỹ thuật Nền móng Cơng trình ngầm FECON, Cơng ty TNHH LG Display Việt Nam Hải Phòng tạo điều kiện thuận lợi giúp thực đo đạc thực nghiệm thiết bị trường để hoàn thành luận án Cuối cùng, tơi xin cảm ơn vợ gia đình tơi động viên, hỗ trợ nhiều mặt thời gian, ủng hộ vật chất lẫn tinh thần để giúp tơi hồn thành luận án Nguyễn Ngọc Trung ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước thi công cơng trình xây dựng Việt Nam” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu tài liệu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu Tất nội dung tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Trung iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài .1 Mục tiêu đề tài .2 Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu .2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Điểm luận án Bố cục luận án .4 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan cơng tác thi cơng móng cơng trình .6 1.1.1 Tổng quan tính chất lý đất yếu Việt Nam 1.1.2 Tổng quan công tác thi cơng móng cơng trình nói chung thi cơng móng cơng trình đất yếu nói riêng 1.1.3 Tổng quan công nghệ thi công cọc máy ép cọc thủy lực di chuyển bước .11 1.1.4 Nhu cầu sử dụng máy ép cọc thủy lực di chuyển bước Việt Nam 16 1.2 Tổng quan cơng trình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến luận án 17 1.2.1 Tổng quan cơng trình nghiên cứu kết cấu máy ép cọc thủy lực di chuyển bước 17 1.2.2 Tổng quan cơng trình nghiên cứu động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước 24 1.2.3 Các nghiên cứu thực nghiệm máy ép cọc thủy lực di chuyển bước .35 Kết luận chương 37 CHƯƠNG 2- NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC .39 2.1 Đặt vấn đề 39 iv 2.2 Nghiên cứu động lực học máy nâng cọc 39 2.2.1 Mơ hình động lực học máy ép cọc hệ thống cần trục nâng cọc có xét đến độ chùng cáp .39 2.2.2 Thiết lập phương trình chuyển động hệ 42 2.2.3 Giải hệ phương trình chuyển động 45 2.3 Nghiên cứu động lực học máy nâng cọc quay 47 2.3.1 Xây dựng mơ hình động lực học máy ép cọc hệ thống cần trục nâng cọc quay .47 2.3.2 Thiết lập phương trình chuyển động hệ 49 2.3.3 Giải hệ phương trình chuyển động 57 2.3.4 Xác định lực tác dụng lên chân chống máy ép cọc thủy lực di chuyển bước 61 2.4 Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực máy ép cọc di chuyển bước .65 2.4.1 Nghiên cứu động lực học hệ thống xi lanh thủy lực kẹp cọc 66 2.4.2 Nghiên cứu động lực học hệ thống xi lanh thủy lực ép cọc 70 2.4.3 Nghiên cứu động lực học hệ thống xi lanh thủy lực di chuyển máy 72 2.4.4 Xây dựng chuơng trình mô Matlab- Simulink tiến hành mô trình làm việc hệ thống TĐTL 74 CHƯƠNG 3- NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC .82 3.1 Mục đích thực nghiệm .82 3.2 Các thông số thực nghiệm 82 3.3 Các thiết bị đối tượng thực nghiệm .83 3.3.1 Các đầu đo trực tiếp .83 3.3.2 Lựa chọn đối tượng thực nghiệm 84 3.3.3 Bố trí đầu đo thiết bị đo 84 3.4 Sơ đồ khối tiến hành thực nghiệm 86 3.5 Kết thực nghiệm xử lý số liệu 87 3.5.1 Xử lý kết đo thực nghiệm .87 3.5.2 Các trường hợp thực nghiệm .88 3.6 Phân tích so sánh kết thực nghiệm .91 v 3.6.1 Phân tích kết thực nghiệm, ta có nhận xét sau: .91 3.6.2 So sánh kết thực nghiệm với kết lý thuyết .91 CHƯƠNG 4- KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC 97 4.1 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến thông số động lực học máy trình cung cấp cọc 97 4.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến mơ hình động lực học máy .97 4.1.2 Khảo sát độ ổn định máy thay đổi tải trọng nâng tầm với 98 4.1.3 Khảo sát động lực học máy thay đổi vận tốc nâng cọc (vn) 98 4.1.4 Khảo sát động lực học máy thay đổi vận tốc quay mâm quay (nq) .99 4.1.5 Khảo sát động lực học máy thay đổi đường kính cáp (dc) 100 4.1.6 Khảo sát trường hợp làm việc ảnh hưởng đến thông số động lực học máy 101 4.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến thông số động lực học máy trường hợp ép cọc .103 4.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến mơ hình động lực học máy .103 4.2.2 Khảo sát động lực học máy thay đổi đường kính xi lanh ép cọc (De) 103 4.2.3 Khảo sát ảnh hưởng yếu tố địa chất, móng v.v đến thông số động lực học (áp suất, lưu lượng, lực động,v.v.) thuộc hệ thống TĐTL .104 4.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến thông số động lực học máy trường hợp di chuyển máy 109 4.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình động lực học máy .109 4.3.2 Khảo sát động lực học máy thay đổi đường kính xi lanh di chuyển máy (Ddc) 109 4.4 Xác định số thông số hợp lý máy ép cọc thủy lực di chuyển bước (theo quan điểm ĐLH) .110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .114 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Diễn giải Ký hiệu Đơn vị 1 Mơ men qn tính quy dẫn động thủy lực chi tiết quay cấu trục động thủy lực kg.m2 m2 Khối lượng quy dẫn cần cần trục điểm nằm cần kg m3 Khối lượng đối trọng cần trục kg m4 Khối lượng cọc kg 5 Mơmen qn tính quy dẫn động thủy lực chi tiết quay cấu trục động kg.m2 6 Mômen quán tính quy dẫn mâm quay kg.m2 a Bội suất cáp M(q1 ) Đặc tính động thủy lực dẫn động tời thủy lực cấu nâng hàng thuộc cần trục cấp cọc N.m M(q ) Đặc tính cấu quay thuộc cần trục N.m K1 Hệ số dập tắt dao động quy dẫn cáp thép nâng hạ cọc Ns/m S1 Độ cứng quy dẫn cáp thép nâng hạ cọc N/m S2 Độ cứng quy dẫn cấu quay Dt Đường kính tang cáp i1 Tỷ số truyền từ động thủy lực, qua hộp giảm tốc đến tời nâng n1 Tốc độ quay mâm quay rad/s q30 Góc lệch ban đầu cáp thép với cọc đỉnh cần mặt phẳng thẳng đứng chứa cần (mặt phẳng X1O1Z1 ) rad  Góc lệch ban đầu xét mặt phẳng nằm ngang đường tâm cần cần trục so với trục OX rad q; q ; q Nm/rad m Các véc tơ chuyển vị, véc tơ vận tốc véc tơ gia tốc fQ Chiều dài cáp thép nâng hạ cọc m Fc Lực căng cáp N vii l Biến dạng cáp nâng hạ cọc T Hàm động  Hàm hao tán U Hàm M Ma trận khối lượng K* Ma trận lực ly tâm K2i; K3i; K6i Ma trận lực Côriôlit K Ma trận phần tử dập tắt dao động S Ma trận phần tử độ cứng m f(t) Véc tơ lực kích động Gm Trọng lượng sàn máy (kể đối trọng máy) N G2 Trọng lượng cần cần trục N G3 Trọng lượng đối trọng cần trục N GQ Trọng lượng cọc N Ri Các lực tác dụng lên chân chống máy N Qb Lưu lượng lý thuyết bơm m3/s Qrrb Lưu lượng chất lỏng rò rỉ bơm thủy lực m3/s Qxl Lưu lượng tiêu thụ xi lanh m3/s QE Lưu lượng chất lỏng làm biến dạng hệ thống m3/s Q at Lưu lượng qua van an toàn tổng m3/s Vob Lưu lượng riêng bơm m3/vòng nb Tốc độ quay trục bơm vòng/s X(t) Hệ số điều chỉnh lưu lượng bơm pa Áp suất dầu công tác nhánh cao áp rb Hệ số tổn thất lưu lượng bơm thủy lực Pa (m3/s)/Pa viii m3/Pa Ea Biến dạng đàn hồi ống dẫn cao áp A1 Diện tích tiết diện khoang cao áp xi lanh m2 A2 Diện tích tiết diện khoang thấp áp xi lanh m2 Fqt Lực quán tính N FR Phản lực tác dụng vào xi lanh N WC Lực cản tác dụng vào cọc N WR Lực cản đầu cọc N Wms Tổng trở lực bó thân cọc N c Hệ số tổn thất xi lanh b Hiệu suất thể tích bơm thủy lực pl Hiệu suất puly tời nâng hạ cọc DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN Diễn giải Ký hiệu ĐLH Động lực học TĐTL Truyền động thủy lực PTCĐ Phương trình chuyển động ix DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN TT Bảng Diễn giải Trang Bảng 1.1 Các tiêu lý lớp đất đồng Bắc Bộ Bảng 1.2 Sự thay đổi chuyển vị ứng suất cấu kẹp cọc thay đổi môđun đàn hồi vật liệu, hệ số poisson lực kẹp cọc trình kẹp cọc 18 Bảng 1.3 Sự thay đổi chuyển vị ứng suất cấu kẹp cọc thay đổi môđun đàn hồi vật liệu, hệ số poisson lực ép cọc trình ép cọc 18 Bảng 1.4 Sự thay đổi ứng suất chuyển vị với trường hợp xi lanh ép 20 Bảng 1.5 Sự thay đổi ứng suất chuyển vị với trường hợp xi lanh ép 21 Bảng 1.6 Sự thay đổi ứng suất chuyển vị với trường nhổ cọc 21 Bảng 1.7 Đánh giá hiệu hai phương pháp thiết kế hệ thống ép cọc 36 Bảng 2.1 Giá trị lực tác dụng vào xi lanh chân chống theo góc quay mâm quay 64 Bảng 3.1 Hệ số động lực căng cáp áp suất dầu xi lanh thủy lực 94 Bảng 3.2 Sai số tương đối lực căng cáp nâng hạ cọc lý thuyết thực nghiệm ứng với trường hợp làm việc máy 94 Bảng 4.1 Giá trị thay đổi tầm với cần trục R 97 Bảng 4.2 Giá trị thay đổi tốc độ nâng cọc 97 Bảng 4.3 Giá trị thay đổi tốc độ mâm quay nq 97 Bảng 4.4 Giá trị thay đổi đường kính cáp nâng hạ cọc dc 97 Bảng 4.5 Các trường hợp làm việc điển hình máy 97 Bảng 4.6 Sự thay đổi lực tác dụng vào chân chống máy theo tải trọng tầm với máy 98 Bảng 4.7 Sự thay đổi hệ số động lực căng cáp trường hợp nâng cọc quay đồng thời với vận tốc nâng cọc khác 99 Bảng 4.8 Sự thay đổi hệ số động lực căng cáp trường hợp phanh hãm mâm quay ứng với vận tốc quay mâm quay khác 100 Bảng 4.9 Giá trị thay đổi đường kính xi lanh ép cọc De 103 Bảng 4.10 Khảo sát yếu tố địa chất 103 Bảng 4.11 Giá trị thay đổi đường kính xi lanh di chuyển máy Ddc 109 Bảng 4.12 Giá trị thông số hợp lý máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ860B 112 ... đoan luận án tiến sĩ ? ?Nghiên cứu động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước thi cơng cơng trình xây dựng Việt Nam? ?? cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu tài liệu luận án trung thực chưa công. .. khoa học: - Tác giả nghiên cứu xây dựng toán động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước hệ thống cần trục cung cấp cọc làm việc nghiên cứu xây dựng toán động lực học phần tử thủy lực thuộc máy. .. sử dụng máy ép cọc di chuyển bước Việt Nam Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước sử dụng thi cơng cơng trình xây dựng Việt Nam b)