Nghiên cứu lựa chọn các thông số làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực ở điều kiện địa chất việt nam tt

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cơng trình ngầm nói chung đường hầm nói riêng dùng vào mục đích khác để thoả mãn nhu cầu kinh tế quốc dân giao thông, thuỷ lợi, khai thác tài nguyên đất nước… Trong qn sự, xây dựng cơng trình ngầm, đường hầm nhằm phục vụ phòng thủ chiến lược bảo vể Tổ Quốc Nghiên cứu động lực học khoan đá xoay-đập nhiều hạn chế, tất kết nghiên cứu cho thấy tính chất phức tạp mũi khoan với môi trường đá cứng, để đảm bảo suất khoan tính đá thay đổi thơng số làm việc máy phải có ràng buộc chặt chẽ với nằm vùng xác định Chính “Nghiên cứu lựa chọn thông số làm việc hợp lý thiết bị khoan đá xoay-đập dẫn động thủy lực điều kiện địa chất Việt Nam” vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn nước ta Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án lựa chọn chế độ làm việc hợp lý thiết bị khoan đá xoay đập, theo tiêu chí chi phí lượng riêng nhỏ nhất, nhằm nâng cao hiệu khai thác sử dụng thiết bị công tác khoan, thi cơng cơng trình mơi trường đá cứng Việt Nam Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực thi công môi trường đá cứng Việt Nam Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình làm việc thiết bị khoan xoay đập bao gồm lực dẫn tiến chng khoan, mơ men quay chịng khoan, lực đập tần số đập pít tơng đập Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lí thuyết với thực nghiệm Phân tích tổng hợp để làm rõ mục tiêu, xây dựng nhiệm vụ mơ hình nghiên cứu luận án Sử dụng học hệ nhiều vật để xây dựng mơ hình tốn học, xây dựng mối quan hệ thông số làm việc giải tốn máy tính phần mềm Matlab Dùng thực nghiệm xác định thông số đầu vào cho mơ hình tốn học kiểm nghiệm đánh giá kết nghiên cứu lí thuyết Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu, xây dựng mơ hình tính tốn hệ động lực học thiết bị khoan xoay đập, mô tả trình tương tác cụm búa khoan với mơi trường đá Đánh giá ảnh hưởng thông số làm việc đến chế độ làm việc thiết bị khoan khoan đá xoay Trên sở đó, xác định chế độ làm việc hợp lý thiết bị thông qua việc xây dựng hàm mục tiêu chi phí lượng riêng Er nhỏ - Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu luận án sử dụng cho việc xác định chế độ làm việc hợp lý thiết bị khoan xoay đập cụ thể, với cấp đá khác Có thể áp dụng cho việc thiết kế cải tiến số thiết bị khoan xoay đập, phục vụ thi công đường hầm độ vừa nhỏ điều kiện địa chất Việt Nam Bố cục luận án Luận án bao gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận, danh mục tài liệu tham khảo phụ lục Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan môi trường đá Việt Nam thi cơng cơng trình; tổng quan thiết bị khoan đá xoay đập; tổng quan nghiên cứu động lực học thiết bị khoan đá xoay đập thi công môi trường đá cứng; tổng quan phương pháp giải toán tối ưu kỹ thuật Chương 2: Động lực học thiết bị khoan đá xoay đập làm việc điều kiện địa chất Việt nam Cơ sở khoa học nghiên cứu động lực học thiết bị khoan đá xoay đập Xây dựng mơ hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực Thiết lập mơ hình tốn học; xây dựng thơng số đầu vào mơ hình; giải toán động lực học thiết bị khoan xoay đập Chương 3: Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến chế độ khoan xác định chế độ làm việc hợp lý thiết bị khoan xoay đập Khảo sát ảnh hưởng thơng số làm việc đến q trình khoan; xây dựng hàm mục tiêu lựa chọn thông số làm việc hợp lý thiết bị khoan đá xoay đập theo tiêu chi phí lượng riêng nhỏ Xây dựng thuật tốn tính tốn xác định thông số làm việc hợp lý thiết bị khoan đá xoay đập Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm Xây dựng phương pháp tiến hành làm thực nghiệm xác định thông số động lực học thiết bị khoan đá xoay đập trường Thu thập số liệu, xử lý, đánh giá so sánh kết thực nghiệm lý thuyết Bộ số liệu thực nghiệm gồm: Bộ số liệu đầu vào phục vụ tính tốn lý thuyết chương 2; Bộ số liệu phục vụ đánh giá, so sánh với kết tính tốn lý thuyết, sở rút kết luận tính sát thực mơ hình động lực học Kết luận chung luận án 3 Chương1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tổng quan môi trường đá Việt Nam thi công đường hầm quân sự; nghiên cứu phương pháp khoan đá học từ lựa chọn thiết bị khoan đá xoay đập; tổng quan nghiên cứu nước quốc tế khoan xoay đập thi công môi trường đá cứng - Đã nghiên cứu tổng quan tính chất lý đá mơi trường đá Việt Nam; Bảng1.1: Tính chất biến dạng đá TT Loại đá Mô đun đàn hồi E (GPa) He sơ Poisson ν Đá granit 25,5÷68,6 0,125÷0,25 Đá Cát kết 4,9÷84,3 0,066÷0,125 Đá vơi 9,8÷78,5 0,1÷0,2 Bảng1.2: Bảng độ bền đá Việt Nam Loại đá TT Độ bền (MPa) n k  Đá granit 118÷275 3,9÷7,8 4,9÷9,8 Đá Cát kết 49÷98 19,6 2,9 Đá vơi 3,9÷196 1÷6,9 1,5÷6,9 - Nghiên cứu mơ hình đá tương tác mũi khoan với môi trường đá Các kết nghiên cứu cho thấy tính chất phức tạp tương tác mũi khoan với mơi trường đá Hình 1.1: Mơ hình tổng quát đá -Tổng quan nghiên cứu động lực học khoan xoay đập thủy lực nước Các nghiên cứu động lực học, hiệu khoan xoay-đập thủy lực mối quan hệ ảnh hưởng thông số làm việc đến hiệu khoan xoay-đập Tuy nhiên nghiên cứu dừng lại mức đánh giá ảnh hưởng chúng tới hiệu khoan mối quan hệ thơng số với nhau, nghiên cứu dạng kết sản phẩm - Để nâng cao hiệu khai thác vận hành máy công trình nói chung máy khoan đá nói riêng, ngày có nhiều vấn đề nghiên cứu giải để điều khiển tối ưu, hiệu trình làm việc máy Đã có số nghiên cứu ảnh hưởng thông số như: tần số đập, lực dẫn tiến, tốc độ dẫn tiến, tốc độ quay mơ men xoắn chng khoan đến suất máy Nhưng nghiên cứu ảnh hưởng thông số áp suất, lưu lượng…của búa khoan đến suất khoan chưa nhiều Vì nghiên cứu thơng số búa khoan đá xoay-đập thủy lực đưa thông số làm việc hợp lý khoan đá mơi trường đá có độ cứng khác cần quan tâm giải nhiệm vụ luận án Kết luận chương 1 Môi trường Đá Việt Nam phân bố chủ yếu khu vực miền núi trung du, trải dài từ Bắc vào Nam, Đá Macma (granit, bazan ) phân bố Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ Nam Bộ, Đá trầm tích (đá vơi, cát kết, sét ) có nhiều miền Bắc Bắc Trung Cơng trình Qn phần lớn bố trí vùng rừng núi thuộc tỉnh Bắc Bộ Hịa Bình, Quảng Ninh, Cao Bằng ; Bắc Trung Bộ Thanh Hóa, Nghệ An vùng Tây Nguyên, nên q trình thi cơng thường gặp loại đá có độ cứng cao đá macma hay đá trầm tích Đặc biệt Hịa Bình chủ yếu Đá trầm tích (đá vơi) có độ cứng cấp 3, cường độ chịu nén 1700 ÷ 2600 kg/cm2 Khi thi cơng cơng trình qn sự, chủ yếu sử dụng thiết bị khoan đá xoay đập để phá đá nổ mìn Kết nghiên cứu cho thấy tính đa dạng phong phú loại thiết bị khoan đá xoay đập, vai trò quan trọng thiết bị thi cơng cơng trình mơi trường đá Các nghiên cứu động lực học khoan xoay đập dẫn động thủy lực nước mới, chủ yếu tập trung vào hiệu khoan thiết bị khoan đập khoan xoay, chưa có cơng bố cụ thể động lực học thiết bị khoan xoay đập Để nâng cao hiệu khai thác thiết bị khoan đá xoay đập, cần phải nghiên cứu động lực học trình khoan Đánh giá ảnh hưởng thông số làm việc tần số đập, lực đập, lực dẫn tiến, tốc độ quay mơ men xoắn chng khoan đến hiệu làm việc thiết bị khoan Trên sở đó, xác định thơng số làm việc hợp lý theo tiêu chí lượng riêng nhỏ nhất, mơi trường đá có độ cứng 5 Chương 2: MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN XOAY ĐẬP DẪN ĐỘNG THỦY LỰC Dựa nghiên cứu động lực học thiết bị khoan xoay đập, chương đưa giả thiết xây dựng mơ hình động lực học; thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động cho mơ hình dựa lý thuyết học hệ nhiều vật; xây dựng thông số đầu vào mơ hình; giải tốn động lực học thiết bị khoan xoay đập 2.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu động lực học thiết bị khoan đá xoay-đập dẫn động thủy lực 2.1.1 Sự phá hủy đá Trong nghiên cứu phân tích thiết kế thiết bị khoan xoay đập, điều quan trọng nghiên cứu biến đổi đặc trưng đá chịu tải trọng động dạng va đập khác Trạng thái đá tác động tải va đập thể diễn biến phức tạp, đá cứng biến dạng tuyến tính vỡ, thường diễn cách mãnh liệt đột ngột, đá mềm không cho thấy tính tuyến tính phá vỡ đột ngột Điều đường cong đặc trưng ứng suất - biến dạng đá cứng mềm Hình 2.1 – Đá cứng; – Đá mềm Hình 2.1: Đường cong đặc trưng ứng suất – biến dạng đá 2.1.2 Mơ hình tương tác mũi khoan với đá Mơ hình đàn - nhớt, dẻo đá bao gồm mũi khoan khối lượng m, chịu tác động xung lực F(t), mơi trường đá có độ cứng k, hệ số cản nhớt b phần tử ma sát khô với lực ngưỡng phá hủy Fth Hình 2.2: Mơ hình tương tác mũi khoan với đá 2.1.3 Các đặc trưng máy khoan khảo sát Hình 2.3: Máy khoan xoay – đập Thiết bị khoan xoay- đập bao gồm: Đầu búa, Pittơng đập, chng khoan, Pittông giảm chấn, trục nối then, then dẫn động quay, ống nối, mũi khoan, hệ thống dẫn tiến búa khoan (Hình 2.4) Đầu búa Chi búa Pít-tơng đập đập Pít-tơng giảm chấn Khoang A Mũi khoan Chng khoan Ống nối Lỗ thổi phoi Khoang B Then dẫn động quay Đá Dẫn tiến búa khoan Hình 2.4: Mơ hình kết cấu thiết bị khoan xoay- đập 2.2 MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN XOAY-ĐẬP DẪN ĐỘNG THỦY LỰC 2.2.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình Thiết bị khoan định vị vị trí cố định; cần khoan gắn cố định vào giá khoan định vị vị trí lỗ khoan; Trục nối then, mũi khoan, choòng khoan làm việc giới hạn đàn hồi không bị biến dạng chịu xoắn; Coi khớp nối mũi khoan choòng khoan, choòng koan với trục nối then khớp đàn hồi chịu tác dụng lực dọc trục không bị biến dạng chịu xoắn; Các phoi đá hết hồn tồn sau chu kỳ đập chng khoan vào mơi trường đá; Sử dụng đầu khoan phẳng gắn mũi cắt có biên dạng chỏm cầu; Coi đá môi trường đàn – nhớt, dẻo; đồng đẳng hướng 2.2.2 Mơ hình động lực học khoan xoay đập Với giả thiết trên, từ mơ hình kết cấu (hình 2.4), mơ hình khoan xoay - đập thể hình 2.8 Hình 2.8: Mơ hình động lực học khoan xoay - đập Trong đó: Fđ - Lực đập Pít tơng; Fth - Ngưỡng phá hủy đá; Fdt - Lực dẫn tiến chng khoan; Mq - Mơ men xoay chng khoan; Mc - Mô mem cản đầu mũi khoan; m1 - Khối lượng chuôi búa khoan; m2 - Khối lượng choòng khoan; m3 - Khối lượng mũi khoan; m4 - Khối lượng đá bị phá hủy; x1 - Tọa độ trọng tâm chuôi búa khoan; x2 - Tọa độ trọng tâm choòng khoan; x3 - Toạ độ trọng tâm mũi khoan; x4 - Toạ độ trọng tâm đá bị phá hủy; 1 - Góc quay chi búa khoan; 2 - Góc quay chng khoan; 3 - Góc quay mũi khoan; c1 - Hệ số cản nhớt pitong giảm chấn; k1 - Hệ số độ cứng pitong giảm chấn; c2, c3 - Hệ số cản nhớt mối ghép ren; k2, k3 - Hệ số độ cứng mối ghép ren; c2x, c3x - Các hệ số cản nhớt biến dạng xoắn; k2x, k3x, - Các hệ số độ cứng chống xoắn; c4 - Hệ số cản nhớt đá; k4 - Hệ số độ cứng đá; Fkñ - Lực cản độ cứng đá gây ra;  k (x3  x ) neáu  k (x  x )  Fth  Fkđ   Fth k (x  x )  Fth 0 neáu k (x  x )   (2.5) Khi đá chưa bị phá hủy vận tốc khối đá không, bị phá hủy coi tốc độ dịch chuyển phoi đá mơ hình vận tốc tịnh tiến mũi khoan, nghĩa là:  x neáu k (x3  x )  Fth x4    0 neáu k (x3  x )  Fth (2.6) 2.2.3 Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động Chọn hệ tọa độ cố định Oxyz gắn với giá khoan, trục Ox song song với giá khoan Hệ tọa độ rộng sử dụng để mô tả vị trí chuyển động cụm thiết bị khoan chọn sau: x1 - Toạ độ trọng tâm chuôi búa khoan; x2 - Toạ độ trọng tâm choòng khoan; x3 - Toạ độ trọng tâm mũi khoan; 1 - Góc quay chi búa khoan; 2 - Góc quay chng khoan; 3 - Góc quay mũi khoan Áp dụng phương trình Lagrange loại II cho hệ, phương trình vi phân chuyển động: d  T  T Π Φ    Q*i   dt   q i   q i  q i  q i (2.5) Hệ phương trình vi phân chuyển động:  d T T  U ( )     Fdt  Fñ  dt x  x  x  x 1 1   d T T  U )   0  ( dt  x  x  x  x 2 2   d T T  U )     Fkñ  (  dt x x x x   d ( T )  T    U  M q  dt 1 1 1 1   d ( T )  T    U   dt  2 2 2  T  U  d T ( )     M c  dt     3 3  (2.37) Thay đạo hàm ta hệ phương trình vi phân chuyển động thiết bị khoan xoay đập: m1x1  (c1  c2 )x1  c2 x  (k1  k )x1  k x  Fdt  Fñ  m x  c2 x1  (c2  c3 )x  c3x  k x1  (k  k )x  k 3x  m x  c x  (c  c )x  k x  k x  F ñ  3 3 3 3 k   J11  c2x 1  c2x2  k 2x1  k 2x2  M q  J   c   (c  c )  c   k   (k  k )  k   2x 3x 3x 2x 2x 3x 3x  2 2x  J33  c3x 2  c3x 3  k 3x 2  k 3x 3   M c (2.38) Từ hệ phương trình vi phân thiết lập ta xác định dịch chuyển mũi khoan, qui luật ảnh hưởng yếu tố đến trình phá hủy đá 2.3 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC KHOAN XOAY ĐẬP + Các thông số kết cấu máy khoan xác định, tính tốn thơng qua tài liệu khai thác sử dụng máy khoan xoay đập Furukawa HCR1500-ED Các thông số đá xác định thông qua tài liệu đất đá Việt Nam Bảng 2.1: Các thơng số đá cho mơ hình Loại đá TT n, N/m2 Fth, kN kđ, N.m cđ, N.s/m Đá granit 153.106 380 2,23.109 2,3.105 Đá Cát kết 75.106 260 1,16.109 1,5.105 Đá vôi 28.106 120 8,91.108 8,25.104 + Các thông số động lực học: + Xác định lực đập pít tơng Fđ vào đầu chng khoan [20]:  Fñ  I (t  nT) (2.46) n 1 Trong đó: I – Biên độ xung lực Fđ; (t) – Hàm Dirac delta; t – Thời gian tác động; n = 1, 2, 3, … T – Chu kỳ tác động; T fñ fđ – tần số đập pít tơng [19]; (2.47) 10  p S  fñ  tl  d p   m l   p p 0,5 (2.48) Trong đó: mp – khối lượng pít tơng đập; pd - áp suất thủy lực hệ thống dẫn động pít tơng đập (MPa); Sp - diện tích tiết diện ngang pít tơng đập (cm2); lp – hành trình pít tơng đập; tl – hiệu suất hệ thống thủy lực; tl = 0,8 ÷ 0,85 Hình 2.13: Đồ thị lực lập Fđ theo thời gian Mơ men quay chng khoan: Mq  pq q q 2 ck (2.50) pq – Độ chênh áp suất hai cửa làm việc mô tơ quay (Pa); qq – lưu lượng riêng mô tơ quay (cm3/vg); ck – hiệu suất khí mơ tơ quay chng khoan Lực dẫn tiến chng khoan Fdt: Fdt  pdt Sdt (2.51) pdt - áp suất thủy lực hệ thống dẫn tiến (Pa); Sdt - diện tích tiết diện ngang pít tơng xy lanh thủy lực dẫn tiến (m2) + Mô mem cản mũi khoan (Mc) tính thư sau: Mc  Mckđ  Mmsk (2.52) Mckđ: Mô men cản cắt mũi khoan với đá; Mckñ  .rb2 h b c z (2.53) rb – Bán kính bi gắn đầu mũi khoan; hb - Chiều sâu bi ngập vào đá; σc - Ứng suất cắt đá; z - Số lượng bi đầu mũi khoan Mmsk : Mô men ma sát mũi khoan với đá; M msk  d .rk2 Pn (2.54) d - Hệ số ma sát bề mặt mũi khoan với đá; rk – Bán kính mũi khoan; Pn – Tải trọng nén lên đầu mũi khoan; tốn ta lấy Pn  Fđ  Fdt Sử dụng phần mềm Matlab giải hệ phương trình (2.3), thu kết sau: 11 + Vận tốc đầu mũi khoan x3 (cm/s): Hình 2.14: Vận tốc đầu mũi khoan x3 (cm/s) + Vận tốc khoan x4 (cm/s): Hình 2.15: Vận tốc khoan x4 (cm/s) + Dịch chuyển đáy lỗ khoan x4 (cm): Hình 2.16: Dịch chuyển đáy lỗ khoan x4 (cm) Kết luận chương Dưới tác dụng tải trọng động dạng va đập, đá cứng biến dạng tuyến tính vỡ, trình diễn cách mãnh liệt đột ngột, biến đổi đặc trưng đá sở quan trọng để phá hủy đá cách áp dụng phương pháp khoan xoay đập Nguyên lý phá hủy đá thiết bị khoan đá xoay đập dựa tác động va đập búa khoan thông qua choòng khoan để truyền tải trọng động tác dụng lên đá đáy lỗ khoan mũi khoan Phương pháp khoan kết hợp bốn trình: đập, xoay, 12 dẫn tiến đẩy đá vụn khỏi lỗ khoan, gây đá ứng suất nén, ứng suất kéo ứng suất cắt để phá hủy đá mũi khoan Mơ hình đàn - nhớt, dẻo đá biểu diễn tính đá mơ tả tương đối gần với trạng thái đá q trình khoan xoay đập, đồng thời mơ hình cho phép xây dựng mơ hình tốn trạng thái đá Mơ hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực xây dựng sở lý thuyết học hệ nhiều vật với qui ước thiết bị khoan – môi trường đá hệ gồm bốn vật: chuôi búa, chng khoan, mũi khoan mơi trường đá Trong mơ hình kết hợp trình đập xoay Hệ phương trình vi phân chuyển động thiết bị khoan đá xoay đập làm việc thiết lập cách áp dụng phương trình Lagranger loại II, gồm phương trình vi phân cấp hai có hệ số số ẩn số Xây dựng thông số đầu vào mô hình tốn: thơng số kết cấu thơng số động lực học máy khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực Furukawa HCR1500-ED, thông số lý đá Việt Nam; sử dụng phần mềm Matlab để giải hệ phương trình vi phân (2.38) Chương 3: KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẾ ĐỘ KHOAN VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA THIẾT BỊ KHOAN XOAY – ĐẬP Mục đích chương khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến chế độ khoan máy, phân tích ảnh hưởng thơng số đến q trình khoan Xây dựng toán, xác định hàm mục tiêu, xác định hàm buộc, lựa chọn phương pháp giải toán, xây dựng sơ đồ thuật toán tiến hành giải để xác định chế độ làm việc hợp lý thiết bị khoan xoay đập 3.1 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẾ ĐỘ KHOAN 3.1.1 Ảnh hưởng tần số đập đến trình phá hủy đá Khảo sát ảnh hưởng tần số đập với giá trị độ cứng k đá thay đổi từ k1 = 8,4.108 (N/m) đến k4 = 8,93.107 (N/m) hệ số cản nhớt đá thay đổi từ c1 = 2,3.104 (N.s/m) đến c4 = 6,83.102 (N.s/m) 13 Hình 3.1: Ảnh hưởng tần số lên vận tốc cụm choòng khoan, mũi khoan độ cứng đá thay đổi Hình 3.2: Ảnh hưởng tần số lên dịch chuyển phần tử ma sát khô độ cứng đá thay đổi Kết khảo sát Hình cho thấy độ cứng k4 tăng dịch chuyển đáy lỗ khoan đạt lớn tần số cao (khi k4 tăng từ 8,93.107 - 8,4.108 N/m fđ tăng từ 37-90 Hz), để đạt hiệu cao khoan, nói cách khác để đạt độ dịch chuyển lớn đáy lỗ khoan cơng tác khảo sát, đánh giá tính chất lý tính mơi trường đá vị trí khoan quan trọng, không đạt suất khoan cao mà cịn tiết kiệm tối đa chi phí lượng Từ kết khảo sát trên, ta thấy miền biến thiên tần số đập fđ = 15÷80 (Hz) phù hợp 3.1.2 Ảnh hưởng lực đập đến trình phá hủy đá Để khảo sát ảnh hưởng lực đập, tiến hành khảo sát trình làm việc búa khoan với mơi trường đá có độ cứng xác định Khảo sát xung lực đập búa thay đổi độ cứng đá cố định k4 = 2,1.108 (N/m) Ta đồ thị ảnh hưởng tần số đập lên vận tốc choòng khoan, mũi khoan dịch chuyển đáy lỗ khoan cho trường hợp với xung lực đập thay đổi Hình 3.3 14 Hình 3.3: Ảnh hưởng lực đập lên vận tốc mũi khoan dịch chuyển đáy lỗ khoan a) Xung lực đập I = 120(kN) búa lên vận tốc x dịch chuyển x4 b) Xung lực đập I = 160(kN) búa lên vận tốc x dịch chuyển x4 c) Xung lực đập I = 220(kN) búa lên vận tốc x dịch chuyển x4 d) Xung lực đập I = 280(kN) búa lên vận tốc x dịch chuyển x4 Vậy giá trị xung lực đập lấy khoảng I = 100 ÷ 300 (kN) 3.1.3 Ảnh hưởng tốc độ quay choòng khoan đến trình phá hủy đá Hình 3.4 Ảnh hưởng vịng quay đến tốc độ khoan 15 Như tốc độ vịng quay biết thiên khoảng n = 150÷300 (vịng/phút) phù hợp 3.2 XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA THIẾT BỊ KHOAN XOAY ĐẬP 3.2.1 Xây dựng toán xác định chế độ làm việc hợp lý thiết bị khoan xoay đập Với mơi trường đá xác định, q trình phá hủy đá phụ thuộc vào thông số chủ yếu xác định chế độ làm việc thiết bị khoan xoay – đập là: Lực đập pít tơng đập; Tần số đập pít tơng; Tốc độ xoay chng khoan; Tốc độ dẫn tiến choòng khoan Hàm mục tiêu toán lượng riêng Đối với thiết bị khoan xoay đập, lượng cung cấp hồn tồn hệ thống khoan, đó: Er  Ek ; [J / cm3 ] Vd (3.1) Trong đó: Er – Năng lượng riêng đá [J/cm3]; Ek – lượng khoan cung cấp hệ thống khoan [J]; Vd – thể tích đá bị phá hủy [cm3] Sau trình biến đổi, lượng riêng để phá hủy đá khoan xoay đập là: Er    pdSplp M q q   Fdt  ; [J / cm3 ]  d k  v k vk  (3.13) Như toán xác định chế độ làm việc hợp lý thiết bị khoan xoay đập là: Xác định áp suất đập pd, tần số f pit tông đập mô men quay choòng khoan Mq để lượng riêng phá hủy đá Er đạt giá trị nhỏ 3.2.2 Xác định chế độ làm việc thiết bị khoan xoay-đập 3.2.2.1 Xây dựng thuật toán Để giải toán luận án sử dụng phương pháp “thử độc lập giá trị tham số” Thuật toán thể hình 3.5 3.2.2.2 Bộ số liệu đầu vào Khảo sát toán xác định chế độ làm việc hợp lý thiết bị khoan xoay đập, kiện đầu vào là: + Các thông số môi trường đá Hịa Bình; + Các thơng số kết cấu dùng cho máy khoan xoay đập Furukawa HCR1500-ED; + Khảo sát lực đập dải tần số 35-75 Hz; tốc độ vòng quay choòng khoan từ 50 vòng/phút đến 350 vòng/phút 16 Số liệu ban đầu i; j; k= i; j; k +1; n = n+1 Tính vk; q Tính Đúng Sai Sai Đúng Gắn Gắn Tìm Xuất kết Hình 3.5: Sơ đồ thuật tốn xác định chế độ làm việc hợp lý thiết bị khoan xoay đập 3.2.2.3 Kết tính tốn thơng số hợp lý Sử dụng phần mềm matlab, kết tốn xác định thơng số làm việc hợp lý thiết bị khoan xoay đập thể bảng 3.1 17 Bảng 3.1: Các thông số làm việc hợp lý thiết bị khoan xoay đập TT Tên thơng số Đường kính mũi khoan 76 90 110 Với môi trường đá cứng đặc trưng Đá granit Năng lượng riêng E rmin (J/cm3) 7,65 8,52 9,17 Áp suất đập pd (MPa) 14,25 14,58 14,86 Tần số đập fd (Hz) 62,25 63,76 64,34 632 658 695 Mơ men quay chng khoan Mq (Nm) Với mơi trường đá cứng đặc trưng Đá Cát kết Năng lượng riêng E rmin (J/cm3) 6,12 7,26 8,35 Áp suất đập pd (MPa) 12,54 12,72 13,38 Tần số đập fd (Hz) 55,37 56,16 57,65 596 625 647 Mô men quay chng khoan Mq (Nm) Với mơi trường đá cứng trung bình đặc trưng Đá vơi Năng lượng riêng E rmin (J/cm3) 4,67 5,25 6,39 Áp suất đập pd (MPa) 11,23 11,67 12,35 Tần số đập fd (Hz) 42,18 43,86 44,62 526 545 586 Mơ men quay chng khoan Mq (Nm) Nhận xét: Qua phân tích trường hợp nêu trên, ta nhận thấy với loại đá khác nhau, chi phí lượng riêng để phá hủy đá khoan xoay đập khác Khảo sát tính tốn thơng số làm việc máy khoan Furukawa HCR1500ED mơi trường đá có độ cứng khác (đá cứng trung bình, đá cứng, đá cứng) điều kiện địa chất Việt Nam, luận án đưa kết sau: + Với đá cứng trung bình k4 = 2,1.108 (N/m), ta chọn áp suất làm việc pít tơng đập pd = 11÷12,5 (MPa) tần số đập khoảng 40÷45 (Hz); + Với đá cứng k4 = 5.108 (N/m), ta chọn áp suất làm việc pít tơng đập pd = 12,5÷13,5 (MPa) tần số đập khoảng 55÷60 (Hz) + Với đá cứng k4 = 8,4.108 (N/m), ta chọn áp suất làm việc pít tơng đập pd = 14÷15 (MPa) tần số đập khoảng 60÷65 (Hz) 18 Kết luận chương Các thông số làm việc như: tần số đập, lực đập, vận tốc quay chng khoan độ cứng đá có ảnh hưởng lớn đến hiệu khoan máy Khi độ cứng đá tăng thơng số làm việc phải tăng tương ứng, với độ cứng đá khác thơng số làm việc khác để nâng cao hiệu khoan Xây dựng hàm mục tiêu chi phí lượng riêng Er theo thơng số làm việc tốc độ khoan máy khoan xoay đập Xây dựng thuật tốn để tìm giá trị nhỏ hàm Er, sử dụng lý thuyết tối ưu phương pháp “thử nghiệm độc lập giá trị tham số” xác định thông số làm việc hợp lý thiết bị khoan đá xoay đập Đã xây dựng thông số làm việc hợp lý máy khoan đá dẫn động thủy lực Furukawa HCR1500-ED mơi trường đá có độ cứng khác Việt Nam Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Nội dung nghiên cứu chương tiến hành làm thực nghiệm xác định thông số động lực học khoan xoay đập Một số kết sử dụng làm sở cho việc tính tốn thơng số đầu vào phục vụ giải toán động lực học Chương khảo sát ảnh hưởng thông số làm việc đến trình khoan Chương Đồng thời kết đo dùng để so sánh, kiểm tra tính sát thực tính tốn lý thuyết thực nghiệm nhằm đưa kết luận, đánh giá mơ hình động lực học khoan xoay đập 4.1 MỤC TIÊU, CÁC THÔNG SỐ LÀM THỰC NGHIỆM VÀ TRANG THIẾT BỊ LÀM THỰC NGHIỆM 4.1.1 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm là: - Đo số thơng số để tính thơng số đầu vào phục vụ giải toán động lực học Chương khảo sát ảnh hưởng thông số làm việc đến trình khoan Chương 19 - Kiểm chứng kết tính tốn lý thuyết, so sánh độ sai lệch kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm, từ đánh giá tính đắn mơ hình nghiên cứu lý thuyết 4.1.2 Các thơng số làm thực nghiệm - Xác định vận tốc dẫn tiến búa khoan - Xác định áp suất, lưu lượng xi lanh dẫn tiến khoan - Xác định áp suất, lưu lượng đập búa khoan chế độ làm việc - Xác định áp suất, lưu lượng mô tơ xoay búa khoan làm việc 4.1.3 Trang thiết bị làm thực nghiệm Máy khoan xoay đập chọn máy Furukawa HCR1500-ED Đây máy khoan xoay đập đại Nhật sản xuất năm 2007 đơn vị sử dụng rộng rãi khoan phá hủy đá Bảng 4.1: Các thông số làm việc Máy khoan xoay đập Furukawa HCR1500-ED Kiểu búa khoan HD715 Tần số đập 40 - 65 (Hz) Tốc độ quay - 190 vòng/phút Áp suất làm việc lớn 17,5 Mpa Lưu lượng 130 lít/phút Chng khoan T45, T51 Đường kính mũi khoan 76 – 115 mm Đo áp suất, sử dụng 03 đầu đo OCM-511; Đo lưu lượng, sử dụng đầu đo R4S7HD25, R4S7HD50, R4S7HD100 Sử dụng thiết bị NI-6009 Hãng National Instruments Mỹ chế tạo thiết bị thí nghiệm hệ thống TĐTL DAQ-8HP, có chức nhận tín hiệu từ thiết bị đo chuyển lên máy tính Tín hiệu vào máy tính xử lý phần mềm DaSyLab 10 chạy NI-DAQmx8.x dạng xung điện Camera ghi hình tốc độ cao FASTCAM SA1.1 model 675K-C1 Trung tâm kỹ thuật Vũ Khí - Học viện KTQS, sử dụng để đo vận tốc búa khoan chng khoan q trình làm việc 4.1.4 Phần mềm xử lý số liệu phương pháp đánh giá sai số thực nghiệm Xử lý số liệu đo áp suất lưu lượng, luận án sử dụng phần mềm DasyLab 10 20 Đo vận tốc búa khoan choòng khoan: Thiết bị ghi xử lý tín hiệu: Bộ máy tính điều khiển SONY VAIO dùng để cài đặt phần mềm PFV lưu giữ thông tin, file ảnh chụp Phần mềm xử lý số liệu: Phần mềm TEMA 3.5 - 011 cài đặt máy tính nhằm phân tích kết đo Đánh giá sai số thực nghiệm: Dùng giá trị trung bình sai lệch quân phương x x1  x   x n t nt nt   xi n i1 (4.1) nt  (x i  x)  n i1 (4.2) 4.2 TỔ CHỨC THỰC NGHIỆM 4.2.1 Chuẩn bị làm thực nghiệm 4.2.1.1 Lựa chọn vị trí, mơi trường đá thực nghiệm Thực nghiệm tiến hành bãi thử nhà máy sửa chữa Z49 – Binh chủng Cơng binh – Bộ Quốc Phịng Môi trường tiến hành thực nghiệm môi trường đá chuyển từ mỏ đá Hịa Bình Bảng 4.3: Tính chất lý đất đá chủ yếu mỏ đá Hịa Bình TT Loại đá n, N/m2 Fth, kN kđ, N.m cđ, N.s/m Đá Cát kết 75.106 260 1,16.109 1,5.105 Đá vôi 28.106 120 8,91.108 8,25.104 4.2.1.2 Bố trí đầu đo thiết bị đo * Lắp đặt đầu đo áp suất OCM-511 * Vị trí bố trí camera ghi hình tốc độ cao * Làm dấu choòng khoan 4.2.2 Tiến hành thực nghiệm - Bước 1: Tập kết tồn máy móc thiết bị trường - Bước 2: Sắp đặt mẫu đá để khoan thí nghiệm - Bước 3: Lắp đặt đầu đo lên búa khoan Furukawa HCR1500-ED - Bước 4: Nổ máy, vận hành đưa máy khoan vào vị trí làm việc - Bước 5: Vận hành máy khoan, đo thông số hoạt động búa khoan chế độ không tải Kết nhận ghi bảng đồ thị 21 - Bước 6: Vận hành máy khoan, đo thông số hoạt động búa khoan chế độ khoan đá Hịa Bình, đường kính mũi khoan 90 mm Kết nhận ghi bảng đồ thị 4.2.3 Kết thực nghiệm Bảng Error! No text of specified style in document 3: Tần số đập mũi khoan (Hz) Lần đo Giá trị TB Tần số (Hz) 49,67 48,58 49,82 49,86 50,49 49,68 Bảng Error! No text of specified style in document 4: Vận tốc khoan: cm/s Lần đo Giá trị TB Vận tốc (cm/s) 1,02 1,04 1,03 1,07 1,08 1,05 Bảng Error! No text of specified style in document 5: Áp suất đập búa khoan (bar) Lần đo Giá trị TB Áp suất đập (bar) 132,25 132,38 131,84 132,61 132,02 132,22 - Đồ thị áp suất đập búa khoan Hình 4.16: Áp suất đập búa khoan Bảng Error! No text of specified style in document 6: Áp suất quay choòng khoan (bar) Lần đo Giá trị TB Áp suất đường vào (bar) 32,21 31,85 31,96 32,12 31,78 31,98 22 Áp suất đường (bar) 6,25 6,19 6,22 6,23 6,16 6,21 pq (bar) 25,96 25,66 25,74 25,89 25,62 25,77 Hình Error! No text of specified style in document 1: Đồ thị áp suất quay choòng khoan + Vận tốc Búa Hình 4.18: Vận tốc búa khoan + Vận tốc Chng khoan Hình 4.19: Vận tốc chng khoan 4.2.4 So sánh kết lý thuyết với thực nghiệm 23 TT Loại đá Vận tốc khoan (cm/s) Sai số (%) Lý thuyết Thực nghiệm Đá Cát kết 2,64 2.33 11,7 Đá vôi 3,81 3.78 11,5 Kết luận chương Nghiên cứu thực nghiệm thực với thiết bị đại, lựa chọn thiết bị đo, cảm biến đo, thiết bị ghi xử lý tín hiệu, phần mềm sử dụng thực nghiệm có độ tin cậy cao, đáp ứng mục tiêu thực nghiệm Đã thiết lập sơ đồ đo để xác định thơng số thực nghiệm, gồm: vị trí cảm biến đo máy khoan, vị trí thiết bị đo tốc độ, kết nối đầu đo với thiết bị ghi xử lý tín hiệu để nhận quản lý kết đo Đã xây dựng qui trình tổ chức thực nghiệm chặt chẽ bãi thử Nhà máy Z49 – Binh chủng Công binh – Bộ Quốc Phòng với Máy khoan xoay đập Furukawa HCR1500-ED mơi trường đá vơi khai thác từ Hịa Bình Số liệu thực nghiệm xử lý đánh giá sai số lý thuyết xác suất thống kê toán học Kết thực nghiệm nhận gồm: thơng số đầu vào phục vụ tính tốn lý thuyết thông số kiểm chứng, đánh giá độ sai lệch kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm Đã tiến hành đánh giá độ sai lệch kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm, sai số lý thuyết thực nghiệm nhỏ 15% chấp nhận được, mơ hình khảo sát động lực học kết tính tốn lý thuyết hoàn toàn tin cậy KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN Luận án giải mục đích nghiên cứu đề ra, kết luận án có ý nghĩa thực tiễn, khoa học đóng góp mới, cụ thể: Đã tổng hợp, phân tích cơng trình nghiên cứu động lực học thiết bị khoan đá xoay đập môi trường đá Việt Nam, như: nghiên cứu hiệu khoan thiết bị khoan đập khoan xoay, mơ hình nghiên cứu động lực học môi trường đá cứng Lựa chọn phương pháp giải toán tối ưu hiệu khoan đá theo tiêu chí chi 24 phí lượng riêng nhỏ để xác định thông số làm việc hợp lý thiết bị khoan Xây dựng mơ hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực – môi trường đá trạng thái làm việc sở lý thuyết học hệ nhiều vật, mơ hình kết hợp q trình đập xoay Lựa chọn mơ hình đàn - nhớt, dẻo đá sở nghiên cứu biến đổi đặc trưng đá cứng tác dụng tải trọng động dạng va đập Thiết lập mơ hình tốn cách áp dụng phương trình Lagrange loại II Xây dựng thông số đầu vào mơ hình tốn để giải hệ phương trình vi phân hệ phần mềm Matlap Các thông số làm việc như: tần số đập, lực đập, vận tốc quay chng khoan độ cứng đá có ảnh hưởng lớn đến hiệu khoan máy Khi độ cứng đá tăng thơng số làm việc phải tăng tương ứng, với độ cứng đá khác thơng số làm việc khác để nâng cao hiệu khoan Xây dựng hàm mục tiêu chi phí lượng riêng Er theo thông số làm việc tốc độ khoan máy khoan xoay đập Xây dựng thuật toán để tìm giá trị nhỏ hàm Er, sử dụng lý thuyết tối ưu phương pháp “thử nghiệm độc lập giá trị tham số”, xác định thông số làm việc hợp lý thiết bị khoan đá xoay đập mơi trường đá có độ cứng khác Việt Nam Nghiên cứu thực nghiệm thực với thiết bị đại, thiết lập sơ đồ đo để xác định thơng số thực nghiệm, xây dựng qui trình tổ chức thực nghiệm khoa học chặt chẽ Số liệu thực nghiệm xử lý đánh giá sai số lý thuyết xác suất thống kê toán học Kết thực nghiệm nhận gồm: thông số đầu vào phục vụ tính tốn lý thuyết thơng số kiểm chứng, đánh giá độ sai lệch kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm, sai số lý thuyết thực nghiệm nhỏ 15% chấp nhận được, mơ hình khảo sát động lực học kết tính tốn lý thuyết hoàn toàn tin cậy Kết nghiên cứu luận án sử dụng nghiên cứu thiết kế, khai thác thiết bị khoan đá xoay đập làm việc môi trường đá cứng Để lựa chọn thông số làm việc hợp lý thiết bị khoan đá xoay đập xác cần tiến hành thực nghiệm khu vực địa chất đá cứng có thêm thực nghiệm để xác định tính chất lý đá  ... 2: Động lực học thiết bị khoan đá xoay đập làm việc điều kiện địa chất Việt nam Cơ sở khoa học nghiên cứu động lực học thiết bị khoan đá xoay đập Xây dựng mơ hình động lực học thiết bị khoan đá. .. định chế độ làm việc hợp lý thiết bị khoan xoay đập Khảo sát ảnh hưởng thông số làm việc đến trình khoan; xây dựng hàm mục tiêu lựa chọn thơng số làm việc hợp lý thiết bị khoan đá xoay đập theo... dựng thông số đầu vào mơ hình; giải tốn động lực học thiết bị khoan xoay đập 2.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu động lực học thiết bị khoan đá xoay- đập dẫn động thủy lực 2.1.1 Sự phá hủy đá Trong nghiên