Bài viết này đề xuất một mô hình thiết bị mới giúp hạn chế các nhược điểm trên. Quan hệ động học, động lực học của thiết bị cũng được trình bày. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự thay đổi của các thông số trên khi thiết bị làm việc, làm cơ sở cho việc tính toán các thông số hình học và tính ổn định thiết bị.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ LẮP DỰNG TẤM TƯỜNG BÊ TÔNG NHẸ Lê Hồng Chương1*, Đỗ Văn Nhất2, Tống Đức Năng3, Nguyễn Quốc Dũng3 Tóm tắt: Bê tơng nhẹ sử dụng phổ biến giới ngày sử dụng rộng rãi Việt Nam để chế tạo cấu kiện đúc sẵn Việc lắp dựng tường bê tông nhẹ tiến hành thủ công bán giới Tuy nhiên, phương pháp nhược điểm suất chưa cao, máy móc hỗ trợ chủ yếu để vận chuyển có kết cấu phức tạp Bài báo đề xuất mơ hình thiết bị giúp hạn chế nhược điểm Quan hệ động học, động lực học thiết bị trình bày Kết nghiên cứu cho thấy thay đổi thông số thiết bị làm việc, làm sở cho việc tính tốn thơng số hình học tính ổn định thiết bị Từ khóa: Bê tơng nhẹ; động học; động lực học; thiết bị lắp dựng tường bê tông nhẹ Kinematic and dynamic analysis of lightweight concrete wall panel installation machine Abstract: Lightweight concrete is being used widely in the world and it is increasingly used in Vietnam for manufacturing precast concrete components Nowadays, the lightweight concrete wall plates can be installed by manual workers or semi mechanization However, these methods have disadvantages For example, the productivity is not high, the machines only support transporting with high cost and complex structure, ect This article introduces a new device model that limits the disadvantages above The relationship of kinematic and dynamic parameters of the device is also presented The results show that the above parameters change when the device is working, which is the base for calculating the geometry and stability of the device Keywords: Lightweight concrete; kinematics; dynamics; lightweight wall panel installation machine Nhận ngày 7/12/2017; sửa xong 30/01/2018; chấp nhận đăng 28/02/2018 Received: December 7th, 2017; revised: January 30th, 2018; accepted: February 28th, 2018 Giới thiệu Bê tông nhẹ vật liệu xây dựng sử dụng phổ biến xây dựng nhiều nước tiên tiến giới khu vực, chúng sử dụng nhiều lĩnh vực khác nhau: làm khung, sàn, tường cho nhà nhiều tầng, dùng kết cấu vỏ mỏng, cong, cấu tạo cấu kiện bê tông đúc sẵn… Công nghệ bê tông nhẹ công nghệ sạch, tận dụng nguồn phế liệu công nghiệp để sản xuất vật liệu rẻ tiền, thân thiện với mơi trường [1-3] Bê tơng nhẹ có khối lượng thể tích từ 300-1800 kg/m3 cường độ nén từ 15-500 kg/cm2 Loại bê tông nhẹ phổ biến thường có khối lượng thể tích 90-1400kg/m3 cường độ nén 50-200 kg/cm2 Các ưu điểm bê tông nhẹ: Trọng lượng nhẹ; Cường độ chịu nén cao; Khả cách âm tốt; Khả chống thấm cực tốt; Khả giảm thiểu ảnh hưởng động đất; Khả cách nhiệt chống cháy; Dễ thi công; Chất lượng vững bền; Tiết kiệm chi phí vật liệu xây dựng; Thân thiện với môi trường Theo công dụng bê tông nhẹ phân ra: Bê tông nhẹ chịu lực; Bê tông nhẹ cách nhiệt Theo thành phần cấu tạo có bê tơng khí, bê tơng bọt, bê tơng cốt liệu rỗng bê tông xốp [4-6] Bê tông nhẹ thường sử dụng làm tường ngoài, tường ngăn, trần ngăn nhằm mục đích giảm bớt trọng lượng thân cơng trình tăng khả cách nhiệt kết cấu bao che [7,8] Trong thi TS, Khoa Cơ khí Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng KS, Khoa Cơ khí Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng ThS, Khoa Cơ khí Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng * Tác giả E-mail: chuonglh@nuce.edu.vn TẬP 12 SỐ 02 - 2018 43 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG công lắp dựng bê tông nhẹ làm tường ngăn, tùy theo yêu cầu mà bê tơng tường chế tạo với kích thước khác (thường lớn) đòi hỏi quy trình lắp dựng phù hợp Tấm tường lắp thủ cơng nhiên phương pháp đòi hỏi nhiều nhân công tốn nhiều thời gian từ làm giảm suất tăng chi phí cho cơng trình Để khắc phục nhược điểm này, việc lắp dựng thường bán giới (kết hợp máy móc với người), sử dụng tời nâng, xe nâng thủy lực (trong cơng trình) cẩu (thi cơng ngồi)…[7,9] nhiên biện pháp có nhược điểm thiết bị mang tường đến nơi cần lắp, việc đưa tường vào vị trí chỉnh đòi hỏi lao động thủ cơng dẫn đến suất chưa cao, gây nguy hiểm cho người lao động lắp dựng cao Bên cạnh với thiết bị thi cơng cơng trình chi phí cho thiết bị/máy cao, di chuyển thiết bị theo chiều đứng cơng trình từ cơng trường sang cơng trường khác cồng kềnh khơng thể tháo rời, việc sửa chữa có hỏng hóc đòi hỏi nhiều thời gian Vì vậy, phương pháp chưa thực phù hợp với điều kiện thi công Việt Nam Trên sở phân tích ưu nhược điểm phương pháp dùng, nhóm tác giả đề xuất phương án sử dụng thiết bị nâng (dẫn động cấu nâng - hạ cáp kéo) cho công tác lắp dựng tường bê tông nhẹ cơng trình để nâng cao suất lắp dựng, đơn giản hóa việc lắp dựng giảm giá thành Thiết bị đáp ứng yêu cầu như: Có thể nâng tường tới vị trí lắp dựng (vị trí thẳng đứng); Khi tường vị trí thẳng đứng, thiết bị có cấu di chuyển ngang để liên kết gờ âm dương với tường lắp dựng trước đó; Sau lắp dựng trát vữa liên kết tấm, liên kết với dầm với xong tháo liên kết với thiết bị lắp dựng để thực chu trình lắp dựng mới; Có thể nâng tường có chiều dài lớn mơđun tiêu chuẩn (tấm ghép theo chiều dài); Có kết cấu đơn giản, dễ tháo lắp, vận chuyển; Sử dụng thiết bị có giá thành phù hợp Mục tiêu báo xây dựng tốn phân tích động học, động lực học cho thiết bị nâng kiểu cáp kéo, làm sở để tính tốn thiết kế thiết bị Sơ đồ cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị a) Sơ đồ cấu tạo b) Sơ đồ mắc cáp Sàn nhà; Bánh xe tự lựa; Đối trọng; Tời kéo cáp; Giới hạn hành trình xe nêm; Xe nêm; Khung có dẫn hướng xe nâng; Dây cáp; Bánh xe di chuyển không tự lựa; 10 Chốt lề; 11 Puly đổi hướng cáp lắp cố định khung dưới; 12 Tấm tường bê tông nhẹ; 13 Khung nâng có lắp dẫn hướng xe nêm; 14 Khung trượt; 15 Dẫn hướng khung trượt; 16 Cơ cấu kẹp tường; 17 Puly cân lắp xe nâng Hình Sơ đồ cấu tạo thiết bị lắp dựng tường bê tông nhẹ dẫn động cáp kéo Với mục đích lắp dựng tường bê tơng nhẹ có kích thc 2440ì610ì90mm, trng lng 90ữ100kg, cng chu nộn ln 1,5MPa, khả chịu uốn lớn 0,8MPa [8] Thiết bị nâng đề xuất có sơ đồ cấu tạo sơ đồ mắc cáp Hình Tấm tường đặt lên xe (Hình 2), sau chỉnh, kẹp chặt vào khung trượt nhờ cấu kẹp 16 Thiết bị chở tường công nhân đẩy tay di chuyển tới vị trí lắp đặt nhờ bánh xe di chuyển Tời kéo cáp sợi dây cáp qua puly đổi hướng cáp 11 kéo xe nâng di chuyển theo hướng lực kéo F Trên xe nâng có lắp lăn liên kết với dẫn hướng khung khung nâng 13 Vì vậy, xe nâng di chuyển theo hướng lực kéo F nâng khung nâng từ vị trí ban đầu tới vị trí lắp dựng (tấm tường vị trí thẳng đứng) Khi vị trí lắp dựng, người cơng nhân đẩy khung trượt 14 di chuyển theo phương ngang để điều chỉnh gờ âm dương tường 12 vào khớp Sau lắp ghép kiểm tra độ phẳng, chát vữa liên kết xong, tháo kẹp 16, đẩy nhẹ khung nâng theo hướng vị trí ban đầu đồng thời nhả cáp tời kéo 4, nhờ có trọng lượng khung nâng nên nhả cáp đến đâu khung nâng hạ xuống tới đó, q trình hạ tới vị trí giới hạn hành trình dừng lại đưa xe nâng vị trí lấy tường để thực chu trình lắp dựng 44 TẬP 12 SỐ 02 - 2018 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG I Tấm tường lắp dựng hoàn chỉnh; II Tấm tường lắp dựng Hình Sơ đồ lắp dựng tường bêtơng nhẹ Các thơng số hình học động học thiết bị 3.1 Lựa chọn thông số hình học ban đầu Với kết cấu thiết bị Hình 1, việc tính tốn thiết kế cần quan tâm kết cấu hình dáng thiết bị phải phù hợp với người sử dụng Có nghĩa thiết bị khơng cản trở người sử dụng thao tác, vận hành Với thiết bị nâng này, thông số cần quan tâm chiều cao cao tường đặt lên xe nâng (Hmax) phải không vượt tầm quan sát người sử dụng Sơ ban đầu chọn: Hmax=1600 mm chiều cao vị trí thấp tường Hmin=300 mm Với chiều dài tường Lt, góc nghiêng nhỏ đặt thiết bị (αmin) so với phương ngang xác định theo công thức: Với yêu cầu tường phải dựng thẳng đứng, cộng với khoảng điều chỉnh khoảng 3o (đề phòng trường hợp sàn có độ dốc), góc nâng (α) thay đổi khoảng α=αmin ÷ 93o Khung trượt 14 nơi tiếp xúc trực tiếp với tường, để thuận tiện cho việc xếp tường lên thiết bị bề rộng khung trượt nên nhỏ bề rộng tường Chọn bề rộng khung trượt (khoảng cách dọc) nhỏ tường bên 50mm, chiều dài ngang khung trượt bề rộng tường (để thuận tiện cho việc lắp kẹp) Theo chiều dài, đầu khung trượt lắp cữ để định vị tường Chiều dài khung trượt để nhỏ gọn không thiết phải chiều dài mà cần dài trọng tâm (nếu ghép từ 02 mơđun chiều dài khung vượt qua trọng tâm miếng ghép thứ được-để ghép không bị cong) Các thơng số hình học khác thiết bị nâng tính tốn dựa kết cấu thơng số ban đầu 3.2 Vận tốc góc, gia tốc góc khung nâng Từ sơ đồ cấu tạo thiết bị nâng, lược đồ hóa thay khớp cao khớp thấp có lược đồ cấu Hình Khi nâng tấm, bánh xe cố định coi thiết bị nâng cấu có bậc tự khung nâng quay quanh khớp lề A với vận tốc góc (rad/s) với tường, khung trượt khung nâng coi khâu-khâu Sử dụng phương pháp giải tích [10-13] để xác định quan hệ vận tốc, gia tốc khâu thiết bị nâng Vì xe nâng chuyển động tịnh tiến với vận tốc V nên vận tốc gia tốc điểm xe nâng nhau, nghĩa là: VB = VC; aB = aC Khâu 1-xe nêm; Khâu 2-con trượt; Khâu 3-khung nâng gắn tường Hình Lược đồ thiết bị nâng Lập hệ trục tọa độ Axy, có: - Vị trí xe nêm so với gốc tọa độ A là: Xc = Hx.tanφ, (m) (1) Hx chiều cao xe nâng (khoảng cách BC), m; góc chuyển động khung nâng φ = ωkn.t (t thời gian, s) - Vận tốc xe nâng: TẬP 12 SỐ 02 - 2018 45 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG Từ vận tốc góc khung nâng, xác định: (2) a.cos a.sin tan .2 cot .2 kn kn Hx Hx (3) - Gia tốc xe nêm: Do gia tốc góc khung nâng: kn 3.3 Quan hệ vận tốc, gia tốc điểm trọng tâm khung nâng (khâu 3) Hình Chiều dài tường khung khâu - Quan hệ vận tốc: Vận tốc tuyệt đối trọng tâm: (4) đó: Si vị trí trọng tâm (i = 1, 2, 3) tương ứng với tường, khung trượt khung nâng IS A khoảng cách từ trọng tâm tương ứng đến A, m: IS A = L/2 − L1; IS A = Lkt/2 − L1; IS A = Lkn/2 (Hình 6) 1 Với L, Lkt, Lkn chiều dài tường, khung trượt khung nâng, m Vận tốc tuyệt đối khớp A: vận tốc tương đối điểm Si so với điểm A quay , có độ lớn: , m/s có phương vng góc với SA, chiều theo chiều - Quan hệ gia tốc: Gia tốc tuyệt đối trọng tâm: (5) đó: Gia tốc khớp A 0; Gia tốc tuyệt đối khớp A: ; gia tốc pháp tuyến tương đối điểm Si so với điểm A có chiều từ S đến A, có độ lớn: , m/s2; gia tốc tiếp tuyến tương đối điểm Si so với điểm A có chiều vng góc với SA, có độ lớn: , m/s2 Gia tốc tuyệt đối trọng tâm có đặc điểm: + Độ lớn: + Phương chiều: gọi β góc tạo với (6) thì: Nhận xét, trình nâng - hạ, vận tốc góc gia tốc góc khung nâng có độ lớn thay đổi theo vị trí góc α chiều theo chiều vận tốc Các thông số động lực học thiết bị nâng 4.1 Lực qn tính mơmen qn tính - Với xe nêm (khâu 1): Do xe chuyển động thẳng nên xuất lực quán tính thời điểm bật tắt máy: , (N) 46 TẬP 12 SỐ 02 - 2018 (7) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG đó: mxe khối lượng xe nêm đặt trọng tâm có chiều ngược với chiều gia tốc xe nêm Khi xe nêm chuyển động với V = const (Fqt)xe = - Với khâu 3: + Lực quán tính phần đặt khâu gây ra: , (N) (8) đó: mi khối lượng phần tương ứng (i = 1, 2, 3) tường, khung trượt, khung nâng đặt trọng tâm phần tương ứng, có chiều ngược với chiều + Mơmen quán tính phần đặt khâu gây ra: đó: Jsi mơmen qn tính tâm tương ứng, (kg.m2) với (Hình 6) (Hình 6) , (Nm) (9) quay quanh trọng tâm Si, ngược chiều 4.2 Lực tác động khớp động - Xét khâu 3: Tách khâu khỏi cấu (Hình 5), đặt lực lên khâu, khớp chờ có phản lực: khớp lề A khớp B (khớp cao loại 4) + Phương trình cân lực tác động lên khâu 3: Hình Lực tác động khâu (10) (11) (12) Giải (11), được: với: đó: FmsB lực ma sát khớp B, (Nm) với ρ bán kính vòng ma sát (N); MmsA mơmen ma sát khớp quay A, , , (m); fl, f hệ số ma sát lăn khớp B hệ số ma sát vật liệu chế tạo khớp A; r bán kính trục khớp quay, (m); Qt, Qkt, Qkn trọng lượng tường, khung trượt khung nâng, (N) h1 h2 chiều dày tường khung trượt, (m) TẬP 12 SỐ 02 - 2018 47 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG + Chiếu phương trình (10) lên trục X Y, tính được: (13) - Xét khâu (xe nâng): Tách xe nâng khỏi cấu, đặt vào xe lực trọng lượng xe, phản lực khớp chờ, xe nâng cấu coi khâu dẫn nên để cân phải đặt thêm lực cân Fcb (Hình 6) + Phương trình cân lực khâu: Chiếu phương trình lên trục X Y, tính được: (14) Hình Lực tác dụng lên khâu đó: FmsC lực ma sát khớp C, , (N); Qxe trọng lượng xe nêm, (N) VB = XB có giá trị theo (12) chiều ngược lại (xem Hình 5) hay Trong trình nâng-hạ, lực qn tính mơmen qn tính khung nâng có độ lớn chiều thay đổi theo vị trí góc α làm cho phản lực khớp động thay đổi Việc xác định lực cân Fcb lớn giúp ta xác định lực kéo cần thiết tời nâng, từ tính tốn lựa chọn động xác Khảo sát biến thiên thông số động học, động lực học khung nâng Khi thiết bị làm việc, vận tốc xe nâng thời kỳ chuyển động bình ổn khơng đổi thơng số động học, động lực học khung nâng lại thay đổi phụ thuộc vào vị trí khung Vì vậy, việc khảo sát động học động lực học thiết bị việc quan trọng, giúp cho việc xác định vị trí nguy hiểm để từ tính tốn ổn định, chống lật theo phương lúc thiết bị làm việc Các thông số động học, động lực học khung nâng khảo sát thiết bị có thơng số hình học Bảng Trong mt, mkt, mkn khối lượng tường, khung trượt khung nâng thiết bị; V = const vận tốc xe nâng thời kỳ bình ổn, theo tham khảo nhiều thiết bị tương tự nên chọn V ≤ m/ph; a* gia tốc xe nâng mở máy tắt máy ( ) với Δt thời gian mở - tắt máy (hệ số phụ thuộc vào loại động lựa chọn) lấy 1s; góc nghiêng khung nâng so với phương ngang α = 13o ÷ 93o Bảng Các thơng số hình học khảo sát V (m/s) Hx (m) a* (m/s2) LS1A (m) LS2A (m) LS3A (m) mt (kg) mkt (kg) mkn (kg) JS1 (kgm2) JS2 (kgm2) JS3 (kgm2) 0.083 0.42 0.911 1.93 1.46 1.55 368.85 35.64 35.64 24898 154 175 Hình cho thấy, thời kỳ xe nâng chuyển động bình ổn vận tốc góc khung nâng thay đổi đạt giá trị lớn góc α khoảng 83o lại giảm, gia tốc góc khung nâng thay đổi khơng đáng kể Tuy nhiên gia tốc góc khung nâng có thay đổi lớn thời kỳ mở máy, đặc biệt tắt máy Độ lớn gia tốc góc thời điểm phụ thuộc vào thời gian tắt máy Δt động cơ, Δt nhỏ giá trị lớn Bên cạnh giá trị gia tốc lúc tắt máy gần không đổi khoảng α = 90o ÷ 93o Do gia tốc góc thay đổi lớn tắt máy nên lực quán tính mơmen qn tính khung nâng thời điểm thay đổi đột ngột đạt giá trị lớn (Hình 8) Các giá trị gần khơng đổi khoảng α = 90o ÷ 93o 48 TẬP 12 SỐ 02 - 2018 Hình Biến thiên vận tốc góc gia tốc góc khung nâng KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG a) Biểu đồ lực qn tính b) Biểu đồ mơmen qn tính Hình Biến thiên lực qn tính mơmen qn tính khung nâng Kết luận Bài báo đề xuất thiết bị dùng cáp kéo để nâng lắp dựng tường bê tông nhẹ Thiết bị không giúp tăng suất, giảm giá thành thi cơng mà thuận tiện việc tháo lắp, vận chuyển thiết bị Việc xây dựng toán động học động lực học cho thiết bị giúp người thiết kế thuận tiện việc xác định vị trí nguy hiểm tính tốn thiết kế (lựa chọn cơng suất động cơ, tính ổn định thiết bị, tính bền khớp,…) Qua khảo sát biến thiên thông số động học động lực học thời kỳ tắt máy gây lực qn tính mơmen qn tính lớn nhất, độ lớn chúng phụ thuộc vào khoảng thời gian tắt máy khối lượng tường đặt khung nâng Lời cảm ơn: Nhóm tác giả gửi lời cảm ơn đến công ty Cổ phần Đầu tư Xây dựng Pacie hợp tác nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm sử dụng thiết bị Tài liệu tham khảo Hoàng Phúc Thắng (2007), “Bê tơng nhẹ-thuận lợi khó khăn sử dụng vào thị trường Việt Nam”, Tạp chí Kiến trúc Việt Nam, (7):53-54 Nhật Anh (2012), “Bê tông nhẹ”, Tạp chí Thơng tin Khoa học & Cơng nghệ, (3):12-15 Vật liệu xây dựng Việt Nam (2017), http://vatlieuxaydung.org.vn/vlxd-ket-cau/be-tong/cac-uu-diem-vuottroi-cua-be-tong-bot-5924.htm, truy cập ngày 12/10/2017 Viện chuyên ngành Bê tông (2017), http://vienbetong.vn/quy-trinh-thi-cong-tong-bot/, truy cập ngày 12/10/2017 Viện chuyên ngành Bê tông (2017), http://vienbetong.vn/tong-nhe-cot-lieu-soi-keramzit/, truy cập ngày 12/10/2017 Vật liệu xây dựng Việt Nam (2017), http://vatlieuxaydung.org.vn/vlxd-ket-cau/be-tong/tim-hieu-ve-betong-polystyrol-5685.htm, truy cập ngày 12/10/2017 Tạp chí Edie (2017), https://www.edie.net/28215/products/PRECAST-CONCRETE-280mm-THICK-SUPERWALL-PANELS/5353, truy cập ngày 12/10/2017 Công nghệ BIM (2017), http://congnghebim.vn/tam-tuong-nucewall/, truy cập ngày 12/10/2017 Youtuble (2017), https://www.youtube.com/watch?v=1Gqc6cRl3gQ, truy cập ngày 12/10/2017 10 Bùi Lê Gôn tác giả (2010), Nguyên lý máy, NXB Xây dựng, Hà Nội 11 TCVN 4244:2005, Thiết bị nâng-thiết kế, chế tạo kiểm tra kỹ thuật, Hà Nội 12 Đỗ Sanh (2004), Động lực học máy, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 13 Waldron K.J.,Kinzel G.L (2016), Kinematics, Dynamics, and Design of Machinery, 3rd Ed., John Wiley & Sons, inc., New Jersey, United States TẬP 12 SỐ 02 - 2018 49 ... trí lấy tường để thực chu trình lắp dựng 44 TẬP 12 SỐ 02 - 2018 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG I Tấm tường lắp dựng hoàn chỉnh; II Tấm tường lắp dựng Hình Sơ đồ lắp dựng tường b tông nhẹ Các... chuẩn (tấm ghép theo chiều dài); Có kết cấu đơn giản, dễ tháo lắp, vận chuyển; Sử dụng thiết bị có giá thành phù hợp Mục tiêu báo xây dựng toán phân tích động học, động lực học cho thiết bị nâng... VÀ ỨNG DỤNG công lắp dựng bê tông nhẹ làm tường ngăn, tùy theo yêu cầu mà bê tông tường chế tạo với kích thước khác (thường lớn) đòi hỏi quy trình lắp dựng phù hợp Tấm tường lắp thủ cơng nhiên