Nghiên cứu động lực học thiết bị khoan xoay đập lắp trên máy đào phục vụ thi công hầm khẩu độ vừa và nhỏ tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ BÙI VĂN TRẦM NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN XOAY ĐẬP LẮP TRÊN MÁY ĐÀO PHỤC VỤ THI CÔNG HẦM KHẨU ĐỘ VỪA VÀ NHỎ CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ : 9.52.01.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: - GS TS Chu Văn Đạt - Học viện Kỹ thuật Quân - TS Nguyễn Lâm Khánh - Trường Đại học GTVT Phản biện 1: PGS TS Vũ Liêm Chính - Trường Đại học Xây dựng Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Văn Vịnh - Trường Đại học GTVT Phản biện 3: PGS TS Vũ Công Hàm - Học viện Kỹ thuật Quân Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo định số 4084/QĐ-HV, ngày 30 tháng 10 năm 2019 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp Học viện Kỹ thuật Quân vào hồi … … ngày … tháng … năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Học viện Kỹ thuật quân MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Xây dựng đường hầm phục vụ mục đích dân sinh quốc phịng giao thông vận tải, thủy điện thủy lợi, cất giữ vũ khí trang bị kỹ thuật.v.v đặt với nhu cầu ngày lớn, kéo theo nhu cầu sử dụng ngày nhiều máy móc thiết bị chuyên dùng Sử dụng thiết bị khoan xoay đập lắp máy đào thông qua hệ giá đỡ để khoan lỗ nổ mìn giải pháp khả thi, cho phép nâng cao đáng kể suất lao động Khi thi công đường hầm độ vừa nhỏ đường hầm quân sự, yêu cầu đặt với thiết bị phải nhỏ gọn, động, hoạt động an toàn, ổn định hiệu Những giá khoan chế tạo nước thường thực theo kinh nghiệm chép mẫu, sản phẩm tồn nhiều hạn chế như: không thực số vị trí lỗ khoan gương đào, giá khoan rung lắc làm ảnh hưởng đến độ xác lỗ khoan suất thi công Đây vấn đề phức tạp, cần có nghiên cứu chuyên sâu động học động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan điều kiện làm việc đặc thù giải triệt để Do đó, luận án với đề tài: “Nghiên cứu động lực học thiết bị khoan xoay đập lắp máy đào phục vụ thi công hầm độ vừa nhỏ” nhằm tạo sở khoa học cho việc hoàn thiện thiết bị có, phục vụ thiết kế thiết bị nâng cao hiệu khai thác thiết bị Mục tiêu đề tài Luận án thực mục tiêu sau: Xác định không gian làm việc thực tế thiết bị khoan, từ làm sở đề xuất điều chỉnh kết cấu máy; Khảo sát ảnh hưởng đường kính xi lanh thủy lực dẫn động khâu độ cứng đối tượng khoan đến rung động giá khoan; Kết nghiên cứu sở khoa học đề xuất phương án hoàn thiện thiết bị khoan có, phục vụ thiết kế chế tạo thiết bị khuyến cáo người sử dụng máy Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Hệ giá đỡ thiết bị khoan lắp máy đào Việt Nam chế tạo (loại thiết bị khoan Binh chủng Công binh chế tạo, ký hiệu: MK-Z49) phục vụ khoan lỗ nổ mìn đường hầm độ vừa nhỏ 3.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu không gian thao tác máy khoan rung động hệ giá đỡ thiết bị khoan thi công Coi khâu cứng tuyệt đối, rung động hệ dầu thủy lực có tính nén Các vấn đề đàn hồi khâu, rơ lỏng khớp, sai lệch chế tạo lắp ghép máy, rò rỉ sai lệch hệ thống thủy lực,… không thuộc phạm vi nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án kết hợp lý thuyết thực nghiệm Lý thuyết động lực học hệ nhiều vật áp dụng để xây dựng mơ hình vật lý - tốn hệ Việc giải hệ phương trình vi phân chuyển động hệ thực chương trình tính tốn số viết phần mềm MAPLE MATLAB Mơ phần mềm chuyên dùng để trình diễn trình làm việc chuyển động lý tưởng hệ Thực nghiệm để xác định giá trị thông số đầu vào cần thiết cho q trình tính tốn số kiểm nghiệm kết tính tốn lý thuyết Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học - Luận án xây dựng mơ hình khảo sát động học, động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan chế tạo nước thi công đường hầm độ vừa nhỏ, tính phức tạp tốn nằm thân hệ khảo sát tải trọng động mà phải chịu - Xoay quanh tốn đó, luận án cần giải hàng loạt vấn đề có liên quan như: thu thập số liệu liên quan đến thiết bị thi công đường hầm độ vừa nhỏ, xây dựng mơ hình khảo sát động học động lực học, thiết lập hệ phương trình chuyển động, xác định giá trị thơng số động học động lực học mơ hình, hàm hóa ngoại lực tác dụng vào hệ, giải hệ phương trình chuyển động để xác định thông số nghiên cứu - Phương pháp luận luận án vận dụng để nghiên cứu động học, động lực học không gian hệ nhiều vật 5.2 Ý nghĩa thực tiễn - Những kết nghiên cứu luận án sở lý luận để định hướng việc cải tiến số phận, hệ giá đỡ thiết bị khoan MK-Z49 nhằm tăng không gian làm việc tăng hiệu khai thác máy - Luận án dùng làm tài liệu phục vụ đào tạo Học viện Kỹ thật Quân Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận danh mục tài liệu tham khảo, nội dung luận án chia thành 04 chương Chương (Tổng quan vấn đề nghiên cứu) thống kê phân tích cơng trình nghiên cứu đường hầm độ vừa nhỏ, thiết bị thi công đường hầm, nghiên cứu liên quan đến luận án, từ đề mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu luận án Chương (Xác định không gian làm việc máy khoan MK-Z49 mô chuyển động) đề cập đến việc xác định không gian làm việc máy khoan sở nghiên cứu động học thuận, động học ngược hệ giá đỡ thiết bị khoan xét khơng gian Mơ q trình chuyển động máy nhằm xác định vị trí khâu, làm sở kiểm chứng kết khảo sát lý thuyết Từ kết tốn động học mơ máy kiến nghị điều chỉnh kết cấu nhằm đảm bảo không gian thao tác đáp ứng yêu cầu thi công Chương (Động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan) đề xuất mơ hình khảo sát động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan không gian với nội dung liên quan trực tiếp như: giả thiết đơn giản hóa, sơ đồ mơ hình, xác định thông số động lực học mô hình, thiết lập hệ phương trình chuyển động Cuối chương việc đề xuất phương pháp giải hệ phương trình chuyển động; khảo sát ảnh hưởng đường kính xi lanh dẫn động độ cứng đối tượng khoan đến rung giá khoan Chương (Nghiên cứu thực nghiệm) trình bày sở lý thuyết liên quan đến thực nghiệm, tổ chức thực nghiệm, xử ký hồi quy số liệu thực nghiệm, sử dụng đánh giá kết thực nghiệm CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đường hầm quân hộ chiếu gương khoan Cơng trình ngầm nói chung đường hầm nói riêng dùng vào mục đích khác để phục vụ nhu cầu kinh tế quốc dân giao thông, thuỷ lợi, tổ hợp ngầm nhà máy thuỷ điện, kho chứa nguyên liệu sản phẩm công nghiệp, khai thác tài nguyên đất nước Đường hầm quân (ĐHQS) thường chọn vùng rừng núi, nơi hẻo lánh xa khu dân cư thị Q trình thi cơng tiến hành điều kiện khó khăn, khơng gian thi công chật hẹp, tuyến thi công kéo dài, điều kiện địa chất đa dạng, phức tạp phải đáp ứng yêu cầu mặt chiến thuật bảo đảm bí mật qn Khi thi cơng gặp phải vùng địa chất phức tạp có độ cứng thay đổi từ lớp sang lớp Đường đến địa điểm thi công thường phải qua địa hình phức tạp, độ dốc lớn, đường hẹp, vực sâu… khả động phương tiện, máy móc, bảo đảm kỹ thuật cung cấp vật tư q trình thi cơng gặp khơng khó khăn, nguy hiểm Căn vào cơng sử dụng, ĐHQS thiết kế với nhiều loại mặt cắt có kích thước khác Z A Người ta dựa vào diện tích mặt cắt Std độ sử dụng B mặt cắt để phân loại thành dạng đường hầm có độ lớn, vừa nhỏ Cụ thể: độ lớn Std > 60 m2 B > 10 m; độ vừa Std = 16 ÷ 60 m2 B = ÷ 10 m; độ nhỏ Std < 16 m2 B < m Đặc điểm ĐHQS có độ vừa nhỏ, có diện tích D C gương đào tương đối nhỏ thi công Y phương pháp khoan nổ mìn o Hộ chiếu gương khoan tài liệu sở, hướng dẫn thực thi cơng khoan nổ, bao gồm: hướng dẫn cách thức, quy trình tổ chức triển khai cơng việc, thơng số kỹ thuật, biện pháp an tồn, giải pháp thực hiện, thời gian, địa điểm khối lượng thi cơng, vật liệu, vv có sơ đồ vẽ kèm theo Đối với cơng trình cơng binh, ĐHQS thơng dụng thường thi cơng với Hình 1.1 Hộ chiếu gương hầm hộ chiếu gương hầm đường thông 2,8mx1,8m đường thông 2,8 x 1,8m miền nghiên cứu luận án (Hình 1.1) 1.2 Quy trình thi cơng đường hầm phương pháp khoan nổ B Một chu kỳ thi công đường hầm phương pháp khoan nổ mìn bao gồm cơng đoạn: khoan tạo lỗ đặt mìn, nổ mìn, hút khí độc, bốc xúc, gia cố vách, hồn thiện hầm đo đạc khảo sát (hình 1.2) Trong cơng đoạn đó, cơng tác khoan nổ đóng vai trị quan trọng, khâu thi công đường hầm, định lớn đến chất lượng, tiến độ thi công đường hầm Công việc phức tạp, yêu cầu cường độ làm việc cao, cần độ xác tỷ mỉ định đến độ xác đường hầm, đến tồn tiến độ chất lượng thi công đường hầm Vì vậy, khâu khoan lỗ nổ Hình Error! No text of specified style in document Các bước mìn gồm thao tác vận hành thi công đường hầm thiết bị khoan có ảnh hưởng phương pháp khoan nổ mìn lớn đến tốc độ hiệu - Khoan tạo lỗ; 2- Nhồi thuốc nổ; 3- Nổ mìn; thi cơng đường hầm - Hút khí độc; 5- Bốc xúc vật liệu nổ; 6- Sửa vách hầm; 7- Khoan lỗ neo cần; 8- Đo khảo sát 1.3 Đặc điểm môi trường đất đá đường hầm quân Dựa vào tính chất lý đất đá, người ta phân chia đất đá theo nguồn gốc tạo thành theo hệ số độ cứng fkp (còn gọi độ kiên cố đất đá) Trong mơ hình nghiên cứu luận án, độ cứng độ cản nhớt đá đặc trưng cho liên kết mũi tỳ giá dẫn hướng tới vách gương khoan Độ cứng (cđ) độ cản nhớt (kđ) đá xác định từ phương trình Hsieh Hệ số độ cứng, độ cứng tương đương độ cản nhớt loại đá có giá trị bảng 1.1 Bảng 1.1 Độ cứng tương đương độ cản nhớt loại đá Độ cứng Độ cản nhớt TT Loại đá Hệ số độ cứng fkp tương đương kđ (N.s/m) cđ (N/m) Đá granit, đá thạch anh, 10  12 2,23.109 2,3.105 Đá sa thạch, cát kết, 9 1,16.109 1,5.105 Đá vôi mềm, đất sét chặt, hoàng 3,89.104 4 6,93.107 thổ, 1.4 Đặc điểm thiết bị khoan lỗ nổ mìn thi công đường hầm quân Trong ĐHQS thường sử dụng phổ biến thiết bị khoan xoay - đập đảm bảo suất chất lượng thi công Tuy nhiên, thiết bị gây rung động giá khoan, làm sai lệch hướng khoan nên cần phải tập trung nghiên cứu động lực học giá khoan để đề xuất giảm rung, tăng suất chất lượng thi công Hình 1.3 Sơ đồ mơ tả q trình làm việc máy khoan kiểu xoay đập Khoan xoay đập làm việc dựa kết hợp trình gồm: xoay liên tục, đập theo chu kỳ, ln có lực dẫn tiến q trình làm phoi 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác lỗ khoan 1.5.1 Tiêu chuẩn áp dụng khoan nổ mìn Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 9161-2012, chỉnh biên năm 2018) sai lệch lỗ khoan cho phép tính theo chiều dài cần khoan ngập vào đá, mét dài cần khoan ngập vào đá độ rộng thêm lỗ so với viền chuẩn có giá trị 1.5 cm 1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác lỗ khoan Việc thiết kế hộ chiếu gương khoan khoan lỗ xác có ý nghĩa quan trọng việc tạo biên dạng đường hầm giảm thiểu khối lượng đất đá thừa Bên cạnh đó, độ xác lỗ khoan cịn giúp cho dây chuyền khoan nổ mìn làm việc nhịp nhàng, khơng phải dừng máy để điều chỉnh dẫn tới suất hiệu thi cơng cao Có nhiều ngun nhân gây sai lệch lỗ khoan nguyên nhân rung lắc giá dẫn hướng mũi khoan thi cơng ngun nhân Vì vậy, cần tập trung nghiên cứu để xác định ảnh hưởng độ cứng vững giá dẫn hướng thiết bị khoan đến sai lệch lỗ khoan 1.6 Tình hình nghiên cứu hệ giá đỡ thiết bị khoan lỗ nổ mìn Đối tượng nghiên cứu luận án hệ giá đỡ thiết bị khoan chế tạo nước, nội dung cần tìm hiểu phân tích, đánh giá để xây dựng phương pháp nghiên cứu phù hợp cho luận án gồm: Ngoại lực tác động vào hệ giá đỡ thiết bị khoan; động học động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan 1.6.1 Xác định ngoại lực tác động vào hệ Trong thi cơng khoan nổ mìn, có nhiều cơng trình nghiên cứu trình đá bị phá hủy chu kỳ xoay đập rời rạc mà chưa có cơng trình nghiên cứu tương tác kết hợp xoay đập đầu búa để xác định ngoại lực Trong biểu thức xác định ngoại lực giá trị tính tốn phụ thuộc nhiều yếu tố lực ấn giữ ban đầu, tiết diện mũi khoan, góc tiếp xúc mũi khoan với đá, chế độ khoan phụ thuộc vào tính đá khoan Mặt khác, nhiều thông số biểu thức phải xác định thực nghiệm Vì vậy, với nội dung nghiên cứu luận án điều kiện thực tế lực thiết bị đo, điều kiện thí nghiệm, nghiên cứu sinh áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để xác định ngoại lực 1.6.2 Động học động lực học hệ liên quan Khi tiếp cận với thiết bị khoan lỗ nổ mìn, phần lớn tác giả tập trung nghiên cứu động lực học cụm đầu khoan, chế độ làm việc cụm đầu khoan, tương tác mũi khoan với đá, biến dạng cần khoan, mà có tài liệu nghiên cứu động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan Mặt khác, đối tượng nghiên cứu luận án hệ nhiều vật dẫn động xi lanh thủy lực, rung động hệ xi lanh thủy lực coi khâu khớp cứng tuyệt đối, không rơ lỏng Trong trình làm việc hệ giá đỡ có vai trị giữ ổn định dẫn hướng cụm đầu khoan Do đó, mục trình bày tình hình nghiên cứu nước động lực học xi lanh thủy lực hệ mạch vòng, động học máy khoan 1.6.2.1 Động lực học xi lanh thủy lực Khi nghiên cứu động lực học xy lanh thủy lực (ĐLHXL) xét bỏ qua chất lỏng cơng tác, quy dẫn độ cứng tương đương tính tốn trực tiếp Ưu điểm toán quy dẫn độ cứng tương đương xi lanh thủy lực dễ thực nhiên kết tính tốn đạt giá trị gần đúng, cịn tính tốn trực tiếp độ cứng xi lanh thực khó khăn cho kết tương đối xác tin cậy Mặt khác, áp suất thể tích dầu thủy lực khoang xi lanh có ảnh hưởng nhiều đến kết khảo sát động lực học xi lanh thủy lực Vì vậy, với mục tiêu đề luận án sử dụng lý thuyết tính tốn động lực học xi lanh trực tiếp có xét đến mơi chất cơng tác để xây dựng mơ hình nghiên cứu luận án 1.6.2.2 Động lực học hệ mạch vòng Tác giả GS.TSKH Đỗ Sanh GS.TSKH Nguyễn Văn Khang trình bày kỹ phương pháp giải hệ nhiều vật có cấu trúc mạch vịng Để giải hệ phương trình chuyển động dạng này, tác giả sử dụng phương pháp khử nhân tử để đưa hệ phương trình vi phân - đại số hệ phương trình vi phân thường Từ kết cấu nguyên lý làm việc thực tế hệ giá đỡ thiết bị khoan (phải tỳ vách gương khoan tạo ổn định hệ giá đỡ tiến hành làm việc) nên mơ hình nghiên cứu động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan giải theo hướng hệ nhiều vật có cấu trúc mạch vịng 1.6.2.3 Động học máy khoan nổ mìn Về động học hệ giá đỡ thiết bị khoan có nhiều cơng trình nghiên cứu với kết cấu máy khoan cụ thể đa số áp dụng với máy khoan hầm độ lớn Qua phân tích khảo sát sản phẩm chế tạo nước, nghiên cứu sinh lựa chọn máy khoan nổ mìn Nhà máy Z49 - Binh chủng Công binh chế tạo (ký hiệu thiết bị: MK-Z49) làm đối tượng nghiên cứu luận án Mặc dù sản phẩm cịn tồn số hạn chế như: khơng thực số vị trí lỗ khoan gương đào, giá khoan rung lắc làm ảnh hưởng đến độ xác lỗ khoan suất thi công, nhiên so với sản phẩm chế tạo nước có kết cấu hồn thiện nhất, phù hợp nhiều tiêu chí nhằm hồn thiện phát triển sản phẩm Sơ đồ cấu tạo thông số kỹ thuật thiết bị khoan thể theo hình bảng đây: 20° 10 5° 11 45 21 0° 95 11 10° 13 14 15 45° 12 45° 30° 1- Máy sở; 2- Khâu đế; 3- Cần máy; 4- Đốt cần; 5- Chụp đầu cần; 6- Cụm máy khoan; 7- Giá tam giác; 8- Xi lanh nâng hạ giá dẫn hướng khoan; 9- Cơ cấu chống cong cần khoan; 10- Giá dẫn hướng khoan; 11- Mũi tỳ vào gương khoan; 12- Xi lanh lắc giá tam giác; 13- Xi lanh nâng hạ cần; 14- Lưỡi ủi; 15- Xi lanh lắc khâu đế 30° Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo máy khoan nổ mìn MK-Z49 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trên sở phân tích tình hình nghiên cứu ngồi nước vấn đề nghiên cứu nhận thấy: Đường hầm quân có độ vừa nhỏ, xây dựng vùng rừng núi, nơi hẻo lánh xa khu dân cư đô thị Việc thi công đường hầm quân với thiết bị khoan xoay đập công việc đặc thù điều kiện làm việc phức tạp, đặc biệt cần đảm bảo điều kiện chiến thuật bí mật quân Yêu cầu đặt với thiết bị phải nhỏ gọn, động linh hoạt, hoạt động an toàn, ổn định hiệu Với u cầu thiết bị nhập ngoại khơng phù hợp mà phải tập trung phát triển hoàn thiện thiết bị có nước Máy khoan lỗ nổ mìn MK-Z49 cần cho thi cơng đường hầm quân nước, nhiên kết cấu máy cịn tồn nhiều hạn chế Kết cấu máy MK-Z49 có máy đào máy sở liên kết với công tác gồm hệ giá đỡ cụm mũi khoan Hệ giá đỡ thiết bị khoan máy có nhiệm vụ liên kết, nâng đỡ dẫn hướng thiết bị khoan, có ảnh hưởng lớn tới chất lượng làm việc máy khoan Trong trình làm việc, hệ giá đỡ phận trung gian máy sở thiết bị cơng tác, chịu tồn tải trọng tạo từ cụm thiết bị khoan, cần có kết cấu phù hợp để đảm bảo cho phận cơng tác làm việc xác, ổn đinh điều kiện hoạt động khó khăn Đây vấn đề phức tạp, cần có nghiên cứu chuyên sâu động học động lực học hệ giá đỡ Đó mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu hệ phức tạp thuộc loại cấu không gian nhiều khâu, nhiều khớp, loại nửa hở nửa kín, chịu tương tác với môi trường (là loại hệ chịu liên kết không lý tưởng) Việc nghiên cứu hệ chịu liên kết khơng lý tưởng địi hỏi cần kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Trong mơ hình nghiên cứu, coi khâu hệ giá đỡ thiết bị khoan máy khoan MK-Z49 cứng tuyệt đối rung động hệ dầu thủy lực xy lanh có tính nén Khi nghiên cứu động lực học xy lanh thủy lực sử dụng lý thuyết tính tốn động lực học xy lanh trực tiếp có xét đến mơi chất cơng tác Bên cạnh việc nghiên cứu lý thuyết, luận án cần tiến hành nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định thông số đầu vào phục vụ việc khảo sát lý thuyết kiểm chứng độ tin cậy mơ kết khảo sát Đặc biệt sử dụng phương pháp thực nghiệm đo trực tiếp ngoại lực tác động vào hệ làm việc sau hồi quy giá trị ngẫu nhiên hàm hóa thành biểu thức ngoại lực CHƯƠNG XÁC ĐỊNH KHÔNG GIAN LÀM VIỆC CỦA MÁY KHOAN MK-Z49 VÀ MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG Nội dung chương đề cập đến việc xác định không gian làm việc máy khoan sở nghiên cứu động học thuận, động học ngược hệ giá đỡ thiết bị khoan xét không gian Mô trình chuyển động máy nhằm xác định vị trí khâu, làm sở kiểm chứng kết khảo sát lý thuyết Từ kết tốn động học mơ máy kiến nghị điều chỉnh kết cấu nhằm đảm bảo không gian thao tác đáp ứng yêu cầu thi công 2.1 Khảo sát khơng gian làm việc máy khoan nổ mìn MK-Z49 Máy khoan nổ mìn MK-Z49 có máy sở máy đào, hệ giá đỡ dạng cần gồm nhiều khâu liên kết với khớp dẫn động xi lanh thủy lực (Hình 2.1) Khơng gian làm việc mũi khoan phụ thuộc vào phạm vi làm việc khâu hệ giá đỡ thiết bị khoan Để xác định không gian thao tác mũi khoan máy MK-Z49 phải nghiên cứu động học thuận hệ giá đỡ máy Kết nghiên cứu động học thuận đặt yêu cầu cho tốn động học ngược hệ giá đỡ nhằm hồn thiện máy, đáp ứng yêu cầu thi công 2.1.1 Kết cấu nguyên lý hệ giá đỡ thiết bị khoan MK-Z49 Kết cấu sơ đồ cấu tạo máy khoan lỗ nổ mìn chế tạo nước thể đầy đủ hình 1.4 hình 2.1 Mơ hình chia làm khâu gồm: khâu (khâu đế, lắc ngang); khâu (đốt cần, quay Khâu lên xuống); khâu (đốt cần, tịnh tiến); khâu (chụp đỉnh cần, quay tròn); khâu (khâu Khâu tam giác, lắc ngang); khâu (giá trượt mi Máy sở Khõu Khõu Khõu Khâu Khâu khoan, quay lên xuống); khâu (cụm mũi khoan, cần khoan mô tơ khoan, tịnh tiến dọc giá trượt) Các hệ tọa độ xây dựng theo quy tắc tam diện thuận theo Các khâu lại hệ giá đỡ liên kết khớp dẫn động xi lanh Hình 2.1 Các khâu hệ giá đỡ thiết bị khoan Trình tự làm việc máy diễn hai q trình chính: - Bước xác định vị trí khoan, việc quan trọng, ảnh hưởng đến vị trí hướng lỗ khoan, trình khâu (gồm có mơ tơ khoan, cần khoan mũi khoan) máy sở đứng yên, khâu 1, 2, 3, 4, khâu hoạt động (Hình 2.1) Nội dung toán động học hệ giá đỡ thiết bị khoan - Bước tiến hành ghim vách giữ ổn định hệ giá đỡ thiết bị khoan đảm bảo hướng vị trí mũi khoan theo yêu cầu, lúc khâu giữ ổn định vị trí cân nhờ xi lanh thủy lực, máy sở bám sát với nền, mũi ghim tỳ chặt với gương khoan (Hình 2.2) Đặc trưng làm việc máy khoan nổ mìn MKZ49 khác nhiều so với máy xây dựng, làm việc hệ giá đỡ máy khoan ghim chặt tỳ sát với gương khoan Do đó, giải tốn động Hình 2.2 Liên kết máy khoan với vách lực học phải áp dụng phương pháp phù hợp để xác định thông số nghiên cứu 2.1.2 Động học thuận hệ giá đỡ máy khoan MK-Z49 2.1.2.1 Xây dựng mơ hình Với đặc điểm kết cấu nguyên lý làm việc máy khoan MK-Z49, xây dựng mơ hình động học giả thiết xây dựng toán sau: Bộ công tác chuổi động hở bao gồm khâu khớp; Khơng có khe hở rơ lỏng khớp động; Các khâu xem cứng tuyệt đối; Cụm mũi khoan, cần khoan mô tơ khoan đứng n q trình tìm vị trí khoan Bộ cơng tác máy khoan mơ hình hóa đặt hệ quy chiếu hình 2.3 Dựa vào phương pháp ma trận Denavit - Hartenberg thiết lập hệ trục tọa độ nêu mục trên, áp dụng cho hệ giá đỡ thiết bị khoan chế tạo nước, xây dựng hệ trục cụ thể sau: + Hệ trục tọa độ cố định OX0Y0Z0 đặt máy đứng, trục OZ0 hướng dọc trục khớp quay 1, trục OX0 nằm ngang hướng từ phải sang trái, trục OY0 xác định theo quy tắc tam diện thuận + Hệ trục tọa độ địa phương OX1Y1Z1 đặt khớp động 2, trục OZ1 hướng dọc trục khớp quay 2, trục OX1 vng góc với OZ0 hướng từ khâu sang khâu 2, trục OY1 xác định theo quy tắc tam diện thuận + Hệ trục tọa độ địa phương OX2Y2Z2 đặt khớp động 3, trục OZ2 đặt dọc trục khâu 3, trục OX2 vng góc với OZ1 & OZ2 hướng từ khâu ngoài, trục OY2 xác định theo quy tắc tam diện thuận + Hệ trục tọa độ địa phương OX3Y3Z3 đặt khớp động 4, trục OZ3 đặt dọc trục khớp quay trùng với trục OZ2, trục OX3 vng góc với OZ2 & OZ3 hướng từ khâu song song với trục OX2, trục OY3 xác định theo quy tắc tam diện thuận + Hệ trục tọa độ địa phương OX4Y4Z4 đặt trục khớp động 5, trục OZ4 đặt dọc trục khớp quay 5, trục OX4 vng góc với OZ3 & OZ4 hướng từ khâu ngoài, trục OY4 xác định theo quy tắc tam diện thuận d7 x4 Khâu Khâu O4 y6 x0 x5 E q5 z5 O4 x4 y q4 Z2 x2 y0 d5 X3 O1 q3 O a1 z3z2=x1 x0 Z3 O2 q2 z1 Z4 X4 z0 x1 Z0 X2 = X O2 q1 O1 O y2z1 q6 Khâu q1 x3 z7 z6 Z5 q5 q4 y7 a6 Khâu O6 O5 z5 Z6 Y7 Z7 a5 q5 q6 z z E z4 d3 z7 z6 x6 X5 = X d7 d4 x7 x5 X7 Khâu y0 Z1 q1 q2 d1 Khâu X0 Y0 a Hệ quy chiếu cố định hệ quy chiếu động b Mơ hình động học hệ giá đỡ Hình 2.3 Hệ quy chiếu mơ hình động học hệ giá đỡ máy khoan MK-Z49 + Hệ trục tọa độ địa phương OX5Y5Z5 đặt khớp động 6, trục OZ5 đặt dọc trục khớp quay 6, trục OX5 vng góc với OZ4 & OZ5 hướng từ khâu ngoài, trục OY5 xác định theo quy tắc tam diện thuận + Hệ trục tọa độ địa phương OX6Y6Z6 đặt khâu dẫn hướng cụm khoan, trục OZ6 đặt song song với mũi khoan, trục OX6 vng góc với OZ5 & OZ6 hướng từ khâu ngoài, trục OY6 xác định theo quy tắc tam diện thuận + Hệ trục tọa độ OX7Y7Z7 đặt điểm tỳ giá khoan, trục OX7 song song với trục OX6, trục OZ7 song song với trục OZ6, trục OY7 xác định theo quy tắc tam diện thuận 2.1.2.2 Các tham số động học T Các tọa độ suy rộng q  q1 q2 q q q q  dùng để xác định vị trí hệ theo phương   pháp Denavit - Hartenberg, đó: q1 - góc quay khâu đế quanh trục OZ0 điểm liên kết O1; q2 - góc quay cần quanh trục OZ1 điểm liên kết O2; q  d3 - hành trình tịnh tiến khâu dọc khâu 2; q góc quay chụp quanh trục OZ3 điểm liên kết O4; q - góc quay khâu tam giác quanh trục OZ4 điểm liên kết O5; q - góc quay giá dẫn hướng khoan quanh trục OZ5 điểm liên kết O6; Bảng 2.1 Bảng tham số động học Từ mơ hình hệ trục tọa độ ta xây dựng Denavit - Hartenberg (D-H) bảng thông số Danavit-Hartenbeg bảng 2.1 Khâu (d7) thay đổi q trình khoan, cịn khâu chuyển động tìm vị trí d7 = const, mặt khác khoan khâu khác khóa cứng, nghiên cứu động học d7 = const để xét chuyển động khâu khác Vì vậy, tốn động học coi khâu gắn cứng vào khâu Ma trận truyền H i i  1, 2, , 6 cỡ 4x4 biến đổi tọa độ từ điểm hệ tọa độ khâu  ( i  ) x i1yi 1z i 1  tới khâu i x iyi z i  có dạng:  cos   sin  cos  sin i sin i a1 cos i  i i i   sin   i  cos i cos i  cos i sin i a1 sin i  i 1 (2.1) H i   sin i cos i di     0    Nhận thấy: Khâu khâu cuối cấu, chuyển động song song với giá dẫn hướng thiết bị khoan Do đó, mơ hình động học hướng vị trí khâu cuối hướng vị trí giá dẫn hướng thiết bị khoan, hệ tọa độ (Oxyz)6  Các ma trận truyền Di hệ tọa độ gốc x 0, y , z i Di   H k  tới khâu i x , y , z  : i i i (2.2) k 1 tính tốn dựa công thức truy hồi: D1  H Di  Di 1H i Các ma trận truyền có dạng: i  2, 3, , 6 (2.3) (2.4)  A r (0)  Di   Ti Oi  (2.5)  0  Tách ma trận cỡ 3x3 ma trận truyền, ta thu ma trận quay khâu thứ i vectơ xác định gốc tọa độ khâu thứ i : Ai , rO(0) (2.6) i Từ biểu thức (2.6) xác định ma trận quay tách từ ma trận truyền D1, D2, D3, D4, D5, D6, ma trận quay Ai biểu diễn theo dạng [[a11,a12,a13], [a21,a22,a23], [a31,a32,a33]] 2.1.2.3 Không gian thao tác Không gian làm việc hay miền thao tác điểm chấp hành không gian mũi khoan quét đến khâu chuỗi hoạt động miền làm việc Căn khơng gian thao tác để xác định phạm vi hoạt động máy, từ có phương án lựa chọn máy khoan ứng với hộ chiếu khoan cho trước Trong trình định vị trí khoan, khâu hệ giá đỡ có miền làm việc xác định theo bảng 2.2 Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật miền làm việc khâu Giá trị Đơn TT Thông số kỹ thuật So với Theo quy tắc vị phương chuẩn D-H Góc quay khâu đế (q1) độ - 450  450 - 450  450 Góc nâng hạ cần khoan (q2) độ - 100  500 400  1000 Dịch chuyển cần khoan (q3) mm  950 1195  2145 Góc quay chụp đỉnh cần (q4) độ 00 900 Góc quay đầu khoan (q5) độ - 300  300 - 1200  - 600 0 Góc nâng hạ đầu khoan (q6) độ -  20 - 350  - 600 Khi nhập số liệu từ bảng 2.2 vào biểu thức ma trận truyền (D6) từ khâu dẫn hướng mũi khoan (khâu 6) đến gốc tọa độ hệ, kết thu không gian thao tác mũi khoan máy khoan MK-Z49 với kết thể hình 2.4 11 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung nghiên cứu chương thu kết sau: Đã khảo sát máy thực xây dựng mơ hình động học hệ giá đỡ máy khoan MK-Z49, tính tốn động học thuận xác định miền làm việc thực tế máy Từ kết không gian thao tác máy khoan MK-Z49, so sánh với hộ chiếu gương khoan hình 1.2, thấy mũi khoan làm việc số điểm khoan nằm phía chân gương Máy khoan MK-Z49 đáp ứng chiều sâu khoan bề rộng thao tác, nhiên khoan điểm thấp có cao độ + 0.1784 m Như vậy, máy khoan MK-Z49 không làm việc điểm chân gương khoan có cao độ + 0.1 m theo yêu cầu thiết kế Đã nghiên cứu động học ngược hệ giá đỡ thiết bị khoan đề xuất điều chỉnh khâu quay 3600 đỉnh khâu 3, lúc mũi khoan thao tác đến điểm khoan thấp có cao độ -0,2092 m Mô hoạt động máy thực nhằm minh chứng kết tính tốn động học xác định đặc trưng hình học khâu làm thơng số đầu vào cho mơ hình động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan Kết mô hoạt động máy khẳng định đường lối tính toán động học thuận, động học ngược hệ giá đỡ thiết bị khoan phù hợp, khoa học xác CHƯƠNG ĐỘNG LỰC HỌC HỆ GIÁ ĐỠ THIẾT BỊ KHOAN Nội dung chương trình bày sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu động lực học khơng gian hệ giá đỡ thiết bị khoan nổ mìn sử dụng dạng thức hệ nhiều vật có cấu trúc nửa kín nửa hở, chịu tương tác mơi trường (liên kết không lý tưởng) Việc nghiên cứu hệ chịu liên kết khơng lý tưởng địi hỏi kết hợp lý thuyết thực nghiệm Luận án tiếp cận hướng nghiên cứu với sản phẩm cụ thể Viêt nam chế tạo, máy khoan hầm MK-Z49; Từ kết nghiên cứu mơ hình, tiến hành khảo sát ảnh hưởng đường kính xy lanh thủy lực độ cứng đối tượng khoan đến rung động giá khoan 3.1 Lý sử dụng phương trình Lagrange dạng nhân tử Khi sử dụng phương trình Lagrange dạng nhân tử cho hệ nhiều vật mạch vòng có đặc điểm sau: - Thơng thường phương trình Lagrange loại truyền thống thường áp dụng giải hệ phương trình vi phân tọa độ suy rộng độc lập Do đó, hệ mạch vịng muốn áp dụng phương pháp tọa độ suy rộng phụ thuộc phải biểu diễn dạng giải tích tường minh thơng qua phương trình liên kết Việc khó thực phương trình liên kết phương trình phi tuyến, việc tách tọa độ phụ thuộc dạng giải tích khơng khả thi - Cịn giải hệ phương trình vi phân - đại số (DAE) tọa độ suy rộng, vận tốc suy rộng nhân tử Lagrange phụ thuộc thời gian Do đó, phản lực liên kết khớp khơng cần giải phóng mà xác định thông qua nhân tử Lagrange Ưu điểm sử dụng nhân tử Lagrange hệ phương trình chuyển động hệ nhiều vật chịu liên kết xây dựng theo biến độc lập biến phụ thuộc, dễ áp dụng với phần mềm tính tốn Khi đó, lực suy rộng phương trình ràng buộc biểu diễn giải tích tường minh qua tọa độ suy rộng vận tốc suy rộng Mặt khác, động hệ hệ DAE biểu diễn đơn giản thông qua tọa độ suy rộng độc lập tọa độ suy rộng phụ thuộc 3.2 Mơ hình động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan 3.2.1 Các giả thiết xây dựng mô hình Với đặc điểm kết cấu nguyên lý làm việc hệ giá đỡ thiết bị khoan nổ mìn chế tạo nước, để xây dựng mơ hình động lực học, số giả thiết nêu sau: + Nền máy đứng, khâu chuỗi máy sở cứng tuyệt đối; + Hệ giá đỡ chuỗi động kín bao gồm khâu liên kết với khớp dẫn động xilanh thủy lực, liên kết khớp khe hở (liên kết hơlơnơm giữ dừng), bỏ qua ma sát (liên kết lý tưởng) khơng có biến dạng đàn hồi, xi lanh thủy lực bị khóa đường dầu vào - vị trí trước khoan xi lanh coi phần tử đàn hồi tính chịu nén chất lỏng; + Mũi khâu dẫn hướng khoan (khâu 6) ghim tỳ tiếp xúc với vách gương khoan Khâu dẫn hướng cứng tuyệt đối nên không bị biến dạng xoắn ngẫu lực gây từ mô men cản cắt; + Xem môi trường khoan đồng có độ cứng ổn định 3.2.2 Mơ hình khảo sát động lực học hệ Trên sở kết cấu hoạt động máy thực, mô tả chi tiết hình 1.4 hình 2.2 với mơ hình chia làm khâu Các tọa độ suy rộng q   q1 q2 q3 q4 q5 q6  dùng để xác định vị trí hệ theo phương pháp Denavit - Hartenberg Mơ hình hệ giá đỡ thiết bị khoan có 06 khâu giữ dừng, chịu liên kết theo hai phương y E z E điểm tỳ E ( y E = const; zE = const) dịch T 12 chuyển dọc theo phương xE Do đó, áp dụng cơng thức tính số bậc tự theo Định lý Grübler với mơ hình (Hình 3.1) có 06 khâu số bậc tự 04 Coi cụm mũi khoan, cần khoan mô tơ khoan vật rắn (khâu 7) chịu tác dụng lực thay đổi tác dụng liên tục trình khoan, tổ hợp lực ngoại lực tác động vào giá dẫn hướng máy khoan (khâu 6) Các khâu liên kết với khớp lề O1 (khâu với khâu 0); O2 (khâu với khâu 1); khớp quay O4 (khâu với khâu 3); O5 (khâu với khâu 4); O6 (khâu với khâu 5) liên kết tịnh tiến khâu với khâu x7 z7 z6 cG x6 x5 E q5 kG q6 z3 z2 S z4 FG (t) O6 T M G (t) z5 m 6g I x4 k4 O5 m5 g I kG q1 m3g I x1 m2 g I z1 y7 cG z0 I4 m4 g q4 x3 z7 z6 c4 O4 y6 z3 z2=x1 E x5 S M G(t) q5 z5 x0 T q2 x2 O2 O1 m 1g I1 y0 FG(t) O O4 x4 y x0 O2 q1 O1 O y2 z1 y0 Hình 3.1 Mơ hình động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan Ma trận truyền D6 xác định từ công thức (2.5) (2.6) cho biết vị trí điểm tỳ E thông qua véc tơ rO6 (0) Do đó, phương trình xác định tọa độ vị trí điểm E (điểm mũi tỳ) khâu dẫn hướng có biểu thức cụ thể sau: Bảng 3.1 Vị trí khối tâm ma trận quán tính khâu hệ tọa độ khâu 3.2.3 Hệ phương trình vi phân chuyển động hệ khảo sát Sử dụng phương trình Lagrange dạng nhân tử, ta thu hệ phương trình vi phân - đại số mơ tả chuyển động hệ nhiều vật chịu liên kết giữ lý tưởng sau: 13 M q q  C q, q q  g q   Q  qT q  (3.1) f (q )  Trong đó: Ma trận khối lượng suy rộng (ma trận quán tính) đước xác định biểu thức: (3.2) T (i )T (i ) (i )  M (q )   JTi mi JTi  J Ri Ii J Ri  (3.3)   i 1 Ma trận quán tính ly tâm Coriolis xác định nhờ sử dụng đạo hàm ma trận khối lượng suy rộng theo tọa độ suy rộng tích Kronecker: C q, q     M (q )   M (q ) T   M (q ) I n  q    q  I n    q  I n        q  q   q     Thế hệ viết dạng:    mi g Tri , g  0, 0,  g    i 1 T (3.4) với gia tốc trọng trường g  9.81 m / s Véctơ lực trọng trường xác định biểu thức: T     T   g (q )      miJTi   q   i 1 Các phương trình liên kết (ràng buộc) vị trí điểm tỳ E: f1  yE  yEE   g   (3.5) (3.6) f2  z E  z EE  Trong y EE , z EE tọa độ điểm tỳ trạng thái giữ dừng ban đầu Và Q lực suy rộng ứng với lực hoạt động khơng có thế, λ   1 , 2  véctơ nhân tử T Lagrange, f   f1 , f  điều kiện ràng buộc, Φq ma trận Jacobi f cỡ  T f (3.7) q Hệ phương trình vi phân - đại số (3.1) (3.2) triển khai theo dạng sau:   m11 m16   q1   c11 c16   q1   g1   Q1   11  21                  1                      2   m61 m66   q6  c61 c66   q6   g  Q6   16  26  (3.8)  f1    f2    Phần tử ma trận M; C; g; Q; Φq xác định phần mềm Maple Matlab Do phần tử có biểu thức đại số dài cơng kềnh nên trình bày chi tiết phụ lục đính kèm luận án Hệ phương trình (3.8) hệ phương trình vi phân - đại số, giải sử dụng phương pháp Lagrange dạng nhân tử có sử dụng điều kiện ràng buộc mức gia tốc ổn định hóa Baumgarte 3.3 Lực suy rộng lực hoạt động 3.3.1 Các lực hoạt động Các lực hoạt động tác động vào hệ thể bảng 3.2 Bảng 3.2 Các lực hoạt động tác động vào hệ TT LỰC HOẠT ĐỘNG KÝ HIỆU CÁCH XÁC ĐỊNH Lực tác động vào giá khoan FG(t) Xác định thực nghiệm Mô men xoắn giá khoan MG(t) Xác định thực nghiệm Xác định theo lý thuyết kết Phản lực đá vào mũi tỳ FD(t) hợp thực nghiệm Lực tác động lên xy lanh Xác định theo lý thuyết Fxl Φq  14 TT LỰC HOẠT ĐỘNG KÝ HIỆU CÁCH XÁC ĐỊNH Ngẫu lực tương tác khâu Xác định theo lý thuyết M4 khâu 3.3.2 Xác định lực hoạt động 3.3.2.1 Ngoại lực tác động vào hệ a Mô tả tác động ngoại lực Trên hình 3.4 ngoại lực tác động vào mũi khoan (1) bao gồm lực FC(t) MC(t) phản lực mô men cản tác động vào mũi khoan làm việc Coi cần khoan cứng tuyết đối, không bị cong xoắn làm việc Khi khoan xi lanh thủy lực (7) thông qua nhánh cáp tiến (8) tạo lực nhằm ép mũi khoan tỳ vào đá cứng, đuôi thân xi lanh (7) tỳ trực tiếp vào giá dẫn hướng tạo nên phản lực tác động lên giá FG(t) Ngoài để thắng mô men cản cắt MC(t) đầu khoan phải tạo mô men phát động, mô men tác động lên giá dẫn hướng tạo thành mô men ngoại lực MG(t) M C (t) FC (t) 11 10 M G (t) FG (t) z6 x6 Khâu FG (t) E S O6 T MG (t) Hình 3.2 Ngoại lực sơ đồ biểu diễn ngoại lực tác động vào hệ FC(t) MC(t) phản lực mô men cản tác dụng vào mũi khoan; FG(t) MG(t) lực mô men tác động cụm khoan lên giá đỡ; - mũi khoan; - cấu chống cong cần khoan; - cần khoan; - cụm máy khoan; - đế liên kết máy khoan với bàn trượt; - giá dẫn hướng khoan; - xi lanh dẫn tiến; - nhánh cáp tiến; - cụm puly cáp; 10 - nhánh cáp lùi; 11- mũi tỳ giá dẫn hướng vào gương khoan Ngoại lực FG(t) MG(t) xác định thực nghiệm, kết đo xử lý hồi quy số liệu ngẫu nhiên thành hàm ngoại lực thông qua phép biến đổi Fourier, nội dung chi tiết trình bày mục b nội dung b Xác định hàm ngoại lực từ giá trị thực nghiệm Theo lý thuyết chuỗi Fourier, hàm tuần hồn x(t) có chu kỳ T khai triển thành tổng hàm điều hòa dạng:   (3.9) x(t )   xk (t )  A0   Ak cos (2 f k t   k ) k 0 k 0 Cơng thức (3.9) cịn gọi chuổi Fourier thực phía, tần số f k có giá trị dương biên độ Ak nhận giá trị số thực Áp dụng công thức (3.9) cho số liệu thu sau xử lý từ số liệu thực nghiệm, kết hàm hóa thỏa mãn R2  0,99 có biểu thức sau: Tương tự việc xử lý số liệu FG(t), FG (t)  a a1 * cos(t * w )  b1 * sin(t * w ) sau hồi quy số liệu mô men xoắn tác dụng a * cos(2 * t * w )  b2 * sin(2 * t * w ) lên giá khoan, thu hàm đồ thị mô men tác a * cos(3 * t * w )  b * sin(3 * t * w ) dụng vào khâu dẫn hướng hình 3.2 a * cos(4 * t * w )  b * sin(4 * t * w ) a * cos(5 * t * w )  b * sin(5 * t * w ); Trong hệ số khai triển Fourier hàm lực có giá trị cụ thể: w  a1  a2  a3  a4  a5  0.2042; 316.6; a0  b1  7541; - 442.1; 225.3; b5  - 216.9; - 18.87; - 13.3; 96.13; b2  b3  b4  32.92; 236.9; 185.5; MG (t)  a a1 * cos(t * w )  b1 * sin(t * w ) a * cos(2 * t * w )  b2 * sin(2 * t * w ) a * cos(3 * t * w )  b * sin(3 * t * w ) a * cos(4 * t * w )  b * sin(4 * t * w ) a * cos(5 * t * w )  b * sin(5 * t * w ); Trong hệ số khai triển Fourier hàm mơ men có giá trị cụ thể: Hàm FG(t) biểu diễn đồ thị hình 3.3 Hàm MG(t) biểu diễn đồ thị hình 3.4 G M [kN.m] 15 Hình 3.4 Đồ thị mơmen MG (t) Hình 3.3 Đồ thị hàm lực tác dụng vào giá dẫn hướng 3.3.2.2 Phản lực từ đá lên điểm tỳ Lực tác dụng vào giá khoan từ đá FD(t) làm việc Lực FD(t) tác dụng ngược chiều với trục z  hệ x 6y 6z  Các hình chiếu FD(t) là: FD (6) 0      cd x E  x E (0)  kd x E   FD(0)  A6FD(6)  1    (3.10) Trong cd , kd độ cứng độ cản đá, xác định theo phương trình Hsieh bảng 3.3.2.3 Lực tác động lên xy lanh Từ phương trình (3.1), việc xác định lực suy rộng ứng với lực hoạt động khơng nhiệm vụ chính, đặc biệt xác định lực tác động lên xy lanh vấn đề cần quan tâm luận án Phát triển từ mơ hình động lực học xi lanh thủy lực toán phẳng trình bày kỹ nhiều tài liệu, mơ hình động lực học xy lanh thủy lực luận án trình bày chi tiết hình 3.5 Để đơn giản hóa mơ hình, giả thiết tính nén dầu thủy lực E 0(p) khơng đổi, với dầu thủy lực hệ thống truyền động thủy lực máy xây dựng thường chọn là: E  2, 85.109 , (N/m2) Với điều kiện rị rỉ dầu xy lanh Qrc = Qrpt = 0, mạch thủy lực có bố trí van chiều có điều khiển nối với cửa vào xi lanh  x Qrpt F pA 1 pA QA 0A SA F SB F ms Qrc pB 0B pB QB  0A 2 Hình 3.5 Mơ hình động lực học xy lanh thủy lực E (pA ) A (pA )  S Ax  va pB  E (pB ) (3.12) QB (pB )  SB x  V0A  SAx V0B  S B x Trong đó: pA, pB - Tương ứng áp suất dầu khoang A B; SA, SB - Tương ứng diện tích bề mặt pít tông khoang A B; k - Hệ số ma sát pít tơng xy lanh, xi lanh thủy lực chọn theo Error! Reference source not found., lấy giá trị k = 10 Ns/mm; x - Dịch chuyển pít tơng xy lanh; F(x) - Lực tác dụng lên cán pít tơng (trọng lượng quy đổi tồn thiết bị cơng tác quy đổi cán pít tơng); V0A - Thể tích ban đầu khoang A pít tơng vị trí giữa; QA ( p A ) - Lưu lượng dầu p A  Q Ký hiệu lực tác động lên xy lanh F Do khối lượng xi lanh nhỏ nhiều so với khối lượng khâu nên ta bỏ qua khối lượng xy lanh Từ mô hình động lực học (Hình 3.5) ta có hệ phương trình cân xi lanh thủy lực sau: (3.11) F  pA SA  pB SB  k x vào khoang A; QB ( pB ) - Lưu lượng dầu vào khoang B Do van phân phối khóa dịng dầu cấp cho xi lanh thủy lực nhằm giữ hệ giá đỡ trước khoan nên QA = QB = Từ biểu thức (3.11), ta suy ra: 16 dpA  dt E0 V0A  x S A (S A dpA E S A E S A dx )    dpA  dx dt dx V0A  x S A V0A  x S A p A ( x)   EO ln VOA  x.S A  C , x = ta có p A  p A (0) nên ta có: Suy ra: p A (0)   E0 ln VOA  C  C  p A (0)  E0 ln VOA Suy công thức tính áp suất khoang A: p A ( x)   E0 ln VOA  x.S A  p A (0)  E0 ln VOA   E0 ln Với lOA  VOA  x.S A x  p A (0)   E0 ln   pA (0) VOA lOA (3.13) VOA chiều dài ban đầu khoang A x = SA Từ biểu thức (3.12) ta suy ra: dpB dx  E SB V0B  x S B cơng thức tính áp suất khoang B: pB (x )  E ln  x l 0B , biến đổi tương tự p A ( x ) ta thu  pB (0) (3.14) Thế (3.13) (3.14) vào (3.11), ta công thức xác định lực xy lanh tổng quát:     x x   F (x )  E ln   pA (0) S A  E ln   pB (0).S B  k x     l0A l 0B   (3.15) Bj (k) uk Pj uj Bi (k) F xl xj zi (Ri) Oi xi rj yi zo r Pi ri (Ro) xo Oo zj (Rj ) Oj yj Trong l 0A, l 0B chiều dài ban đầu khoang A B, pA (0), pB (0) áp suất ban đầu r Pj Pi ui F xl khoang A B Sau xác định lực xy lanh theo (3.15), ta có mơ hình lực xy lanh tác dụng lên khâu hình 3.6 yo Hình 3.6 Mơ hình tính tốn lực tác dụng xy lanh 3.3.2.4 Ngẫu lực hoạt động tác động khâu khâu Ngẫu lực hoạt động tác động khâu khâu có biểu thức: (3.16) M  c4 ( q4  q4(0) )  k4 q4 Trong mơ hình tính, khâu quay xung quanh đỉnh khâu 3, dẫn động giữ xi lanh thủy lực kiểu quay 3600, đặc trưng độ cứng hệ số cản tương đương Từ biểu thức (3.15), xét x dịch chuyển nhỏ ta xây dựng độ cứng tương đương xi lanh thủy lực (c4) có biểu thức sau: S S (3.17) c4  E0 ( A  B ); k4  2. c4 l0 A l0 B Với  hệ số cản tỷ lệ, thường chọn   0.1 Căn vào thông số nguồn thủy lực lực liên kết khâu khâu 4, chọn xi lanh quay có mã số HTR1.8 Thay thông số vào (3.17) xác định giá trị c4 k4 17 3.3.3 Xác định lực suy rộng Lực suy rộng lực hoạt động tác dụng vào hệ xác định thông qua biểu thức công suất lực Từ biểu thức xác định công suất ngoại lực, công suất phản lực từ đá tác dụng lên giá tỳ, công suất lực tác động lên xy lanh, công suất ngẫu lực khâu khâu 4, ta thu biểu thức công suất loại lực hoạt động:   W  W FG (t )  W MG (t ) W FD   W Fxl(k )  W M  k 1 (3.18) Biểu thức (3.18) viết dạng: W  QT q , ma trận lực suy rộng biểu diễn sau: Q  QG  QMG  QD   Q(xlk )  Q4 (3.19) k 1 3.4 Mô số 3.4.1 Số liệu đầu vào Để giải tốn, cần có số liệu đầu vào gồm thơng số hình học kết cấu, thơng số vị trí xi lanh khơng gian, thơng số mơ men qn tính thông số trạng thái ban đầu hệ Khi giải sử dụng phương pháp Lagrange dạng nhân tử có sử dụng điều kiện ràng buộc mức gia tốc ổn định hóa Baumgarte, thơng số bao gồm: Tham số máy khoan nổ mìn; ma trận quán tính khâu hệ tọa độ khâu; thông số kết cấu áp suất dầu ban đầu khoang xy lanh thủy lực; thông số vị trí; thơng số ngoại lực Mơ tính tốn thể sơ đồ khối hình 3.9 với điểm khoan hình 3.8 z0 y0 O Hình 3.8 Vị trí lỗ khoan thí nghiệm mẫu khoan Thơng số tọa độ ban đầu lỗ khoan số 1: yE(0)  0.5 m , z E(0)  1.605 m , q1(0)  5.80, q2 (0)  85.20, q (0)  2.145m, q (0)  900, q 5(0)  98.60, q (0)  62.50 Thông số tọa độ ban đầu lỗ khoan số 9: y E(0)  0.35 m , z E(0)  1.788 m , q 1(0)  30 , q (0)  690 , Hình 3.9 Sơ đồ khối chương trình tính động lực học q (0)  1.940m, q (0)  900 , q (0)  90.7 0, q (0)  41.50 Kết mô MATLAB dựa sơ đồ thuật tốn chương trình hình 3.9 3.4.2 Kết mô số Sau nhập thơng số ban đầu vào chương trình tính, xác định chuyển vị khâu điểm khảo sát Kết khoan lỗ số thể từ hình 3.10 đến hình 3.18 18 Hình 3.10 Đồ thị q1 Hình 3.14 Đồ thị q Hình 3.11 Đồ thị q Hình 3.15 Đồ thị q Hình 3.18 Đồ thị phương trình liên kết Hình 3.12 Đồ thị q Hình 3.13 Đồ thị q Hình 3.16 Quỹ đạo điểm S mặt phẳng pha YOZ điểm khoan số Hình 3.17 Chuyển vị điểm S theo phương OZ Hình 3.19 Quỹ đạo điểm S mặt phẳng pha YOZ điểm khoan 01 3.5 Sai lệch lỗ khoan Sai lệch lỗ khoan đánh giá so với quy định tiêu chuẩn, tiến hành xác định thông số đánh giá sai lệch theo mơ hình hình 3.20 Theo quan hệ hình học, ta có: L L x (3.21)  k  x  k Z S Z S LS LS Hình 3.20 Mơ hình xác định sai lệch lỗ khoan 3.6 Khảo sát ảnh hưởng số thông số đặc trưng đến rung động giá khoan Mục khảo sát thay đổi đường kính xy lanh thủy lực thay đổi độ cứng đối tượng khoan ảnh hưởng đến rung động giá dẫn hướng thiết bị khoan 3.6.1 Ảnh hưởng đường kính xi lanh thủy lực đến rung động giá khoan Muốn xét ảnh hưởng xy lanh thủy lực tới rung hệ phải vào thông số đặc trưng cho độ cứng dầu thủy lực khoang xi lanh Từ công thức xác định độ cứng tương đương xy lanh, muốn thay đổi cxl thay đổi tiết diện pít tơng (SA; SB), thay đổi chiều dài khoang chứa dầu (l0A; l0B) thay đổi hai thông số Tuy nhiên, thay đổi chiều dài khoang chứa dầu điểm liên kết hai đầu xy lanh với khâu bị thay đổi dẫn tới thay đổi trạng thái cân tĩnh hệ Vì vậy, tốn khảo sát thay đổi tiết diện pít tơng rung động rung động giá dẫn hướng thiết bị khoan Khi khảo sát xét ảnh hưởng xy lanh đến hệ, xi lanh khác giữ nguyên kết cấu (khảo sát đơn yếu tố đánh giá ảnh hưởng), ngoại lực tác động vào hệ khơng thay đổi Khảo sát với đường kính pít tơng thay đổi lân cận với đường kính xy lanh thực, xy lanh khảo sát chọn theo xy lanh tiêu chuẩn Kết khảo sát thể hình từ hình 3.21 đến hình 3.25 19 90 70 80 90 Hình 3.21 Đồ thị chuyển vị điểm S thay đổi đường kính xy lanh lắc khâu đế (XL1) 90 70 80 Hình 3.22 Đồ thị chuyển vị điểm S thay đổi đường kính xy lanh nâng hạ cần (XL2) 80 Hình 3.23 Đồ thị chuyển vị điểm S thay đổi đường kính xi lanh đẩy cần (XL3) Hình 3.25 Đồ thị chuyển vị điểm S thay đổi đường kính xi lanh nâng hạ giá dẫn hướng (XL5) 70 Hình 3.24 Đồ thị chuyển vị điểm S thay đổi đường kính xi lanh lắc giá tam giác (XL4) Nhận xét: Khi thay đổi đường kính pít tơng xy lanh giữ ngun xy lanh cịn lại ảnh hưởng đến rung động giá dẫn hướng thiết bị khoan khác Từ kết khảo sát xác định đường kính phù hợp cho xy lanh với miền giá trị là: XL1 = 80  90 mm; XL2 = 80  90 mm; XL3 = 90  100 mm; XL4 = 63  70 mm XL5 = 70  80 mm, xy lanh XL2, XL3 XL5 có ảnh hưởng nhiều với tỷ lệ sai lệch XL2 lên đến 31%, XL3 lên đến 48% XL5 lên đến 39% Đây sở khoa học cho hướng phát triển toán tối ưu đồng đường kính xy lanh để rung động giá dẫn hướng thiết bị khoan nhỏ 3.6.2 Thay đổi tính đối tượng khoan Mục tiêu việc thay đổi độ cứng đối tượng khoan nhằm xác định phạm vi hoạt động hệ giá đỡ thiết bị khoan chế tạo nước Tiến hành xác định chuyển vị điểm S (Hình 3.20) khoan mẫu có độ cứng thay đổi Giới hạn làm việc máy khoan vào tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 91612012, chỉnh biên năm 2018) áp dụng với máy khoan có chiều dài cần công tác Lkmax = 1.5m, sai lệch lớn có giá trị xmax = 22,5 mm Tăng độ cứng theo bước nhỏ để xác định phạm vi khoan máy theo độ cứng sơ đồ thuật tốn hình 3.26 20 Bảng 3.6 Sai lệch viền lỗ khoan ứng với độ cứng đá Bắt đầu - Nhập độ cứng ban đầu đá cđ0 Nhập độ cản nhớt ban đầu đá kđ0 Nhập điều kiện sai lệch lỗ khoan k=1 Chạy chương trình tính tốn dao động hệ giá đỡ theo sơ đồ tính động lực học Tính tốn sai lệch lỗ khoan Kiểm tra điều kiện dừng Đúng Sai Tăng độ cứng độ cản nhớt đá k=k+1 Hiển thị kết độ cứng lớn Kết thúc Hình 3.26 Sơ đồ thuật tốn xác định phạm vi làm việc máy khoan theo độ cứng đá Hình 3.27 Đồ thị biểu diễn sai lệch lỗ khoan ứng với độ cứng mẫu đá Nhận xét: Từ bảng 3.6 hình 3.27 nhận thấy máy khoan hoạt động hiệu với đá có độ cứng lớn fkp = 8.255, lúc sai lệch lỗ khoan đạt ngưỡng cho phép theo tiêu chuẩn KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung nghiên cứu chương thu kết sau: Đã xây dựng mơ hình động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan xét không gian áp dụng dạng thức hệ nhiều vật có cấu trúc nửa kín nửa hở sử dụng phương pháp số phù hợp, phần mềm giải xác định thông số nghiên cứu; Đã trình bày bước điều kiện hồi quy số liệu thực nghiệm ngẫu nhiên thành hàm ngoại lực tác dụng vào hệ thông qua phép biến đổi Fourier Khảo sát ảnh hưởng số thông số đặc trưng đến rung động giá khoan thu số kết cụ thể sau: - Khi thay đổi đường kính pít tơng xy lanh giữ nguyên xy lanh cịn lại ảnh hưởng đến rung động giá dẫn hướng thiết bị khoan khác Từ kết khảo sát xác định đường kính phù hợp cho xy lanh với miền giá trị là: XL1 = 80  90 mm; XL2 = 80  90 mm; XL3 = 90  100 mm; XL4 = 63  70 mm XL5 = 70  80 mm, xy lanh XL2, XL3 XL5 có ảnh hưởng nhiều với tỷ lệ sai lệch XL2 lên đến 31%, XL3 lên đến 48% XL5 lên đến 39% Đây sở khoa học cho hướng phát triển tốn tối ưu đồng đường kính xy lanh để rung động giá dẫn hướng thiết bị khoan nhỏ - Do ngoại lực tác động vào hệ có tần số ổn định tỷ lệ thuận với tần số đập cụm đầu khoan nên thay đổi độ cứng mẫu khoan tần số ngoại lực thông số không thay đổi, tiến hành tăng độ cứng theo bước nhỏ để xác định phạm vi khoan hiệu máy Kết khảo sát xác định máy khoan hoạt động hiệu với đá có độ cứng lớn fkp = 8.255 Từ kết mô số, kết chuyển vị điểm S mặt phẳng pha YOZ, kết đồ thị sai số phương trình liên kết cỡ 10-11 mét kết khảo sát thơng số ảnh hưởng, khẳng định mơ hình nghiên cứu hoàn toàn tin cậy 21 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích nội dung nghiên cứu 4.1.1 Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số hình học, thơng số động học, thơng số động lực học nhằm: Để xác định thông số đầu vào phục vụ việc khảo sát lý thuyết; Để so sánh kiểm chứng độ tin cậy mơ hình nghiên cứu kết khảo sát động học, động lực học Để đảm bảo hệ thống thủy lực máy kín khít thơng số đo đạt độ tin cậy cao, phần tử hệ thống thủy lực xy lanh, van phân phối đường dầu thủy lực thay 4.1.2 Nội dung thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm nhằm xác định nội dung sau: - Xác định thơng số hình học đặc trưng khâu; - Xác định đặc trưng động lực học khối lượng mơ men qn tính khối lượng; - Xác định ngoại lực tác động vào giá khoan; - Đo chuyển vị, gia tốc điểm khảo sát 4.2 Các thông số đo mục đích sử dụng Thực nghiệm tiến hành điều kiện thông số đo trục thời gian, cần phải đo thông số sau: Bảng 4.1 Thông số đo thực nghiệm mục đích sử dụng TT THƠNG SỐ ĐO MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG - Kích thước hình học khâu; - Mô máy thực; - Khoảng cách điểm; - Dùng làm thơng số đầu vào cho tốn động - Hành trình xi lanh; học, động lực học - Thông số xi lanh thủy lực; - Áp suất hai khoang xi lanh thủy - Xác định lực cân tĩnh hệ lực vị trí cân - Lưu lượng vào khoang xi - Xác định tốc độ dẫn tiến khoan lanh dẫn tiến - Chuyển vị, gia tốc điểm đo - So sánh với tính tốn lý thuyết - Đo lực khoan thông qua đo áp suất - Xây dựng hàm ngoại lực tác dụng vào hệ khoang xi lanh dẫn tiến; giá đỡ thiết bị khoan làm việc - Đo mô men khoan thông qua biến dạng thép liên kết đế mô tơ - Làm sở cho toán động lực học; - Đo độ cứng đối tượng khoan - Khảo sát ảnh hưởng độ cứng đến hệ - Kiểm tra tính thép - Xác định mô đun đàn hồi mẫu thép 4.3 Phương tiện thiết bị thực nghiệm 4.3.1 Phương tiện thiết bị thực nghiệm Phương tiện thực nghiệm bao gồm: Máy khoan đá kiểu xoay đập nhà máy Z49 chế tạo Lữ đồn Cơng Binh 131 Hải Quân quản lý sử dụng; Máy thí nghiệm dùng mô 3D chương 2; Các kết nối khí kết nối hệ thống thủy lực; Hình 4.1 Các nhà khoa học chứng kiến nội dung thực nghiệm 4.3.2 Các thiết bị đo, thiết bị nối kết ngồi thực địa Thiết bị đo thơng số hình học quan sát kết cấu máy sử dụng máy ảnh, dụng cụ đo thước cặp, thước đo góc Thiết bị đo xử lý số liệu: Sử dụng đầu đo áp suất OCM-511 Hãng Huba Control chế tạo; đầu đo lưu lượng loại R4S7HD25; đầu đo chuyển vị GA8910014; đầu đo gia tốc AC102-M12A Hãng CTC Mỹ chế tạo; điện trở; sử dụng thiết bị NI-6009 Hãng National Instruments Mỹ chế tạo, có chức nhận tín hiệu từ thiết bị đo đưa đến máy tính Tín hiệu vào máy tính xử lý phần mềm DaSyLab 11, thiết lập kênh đo theo sơ đồ 22 4.3.3 Thiết bị phịng thí nghiệm Máy cắt mẫu bê tông DK-5V Hàn Quốc chế tạo sử dụng cắt lấy mẫu bê tông từ khối bê tơng đúc sẵn, cắt lấy tối thiểu 03 mẫu có kích thước: 100x150 ; Máy nén bê tơng 3000 kN điện tử Matest Model C070D Italia sản xuất sử dụng nén ép thử cường độ mẫu lấy từ khối bê tơng thí nghiệm; Máy kéo nén vạn 2000 kN sử dụng kéo mẫu thép xác định mơ đun đàn hồi, mẫu thép vật liệu liên kết mô tơ khoan với đế trượt 4.4 Tổ chức trình thực nghiệm 4.4.1 Các bước chuẩn bị thực nghiệm Lựa chọn vị trí, mơi trường thực nghiệm sau: - Địa điểm thực nghiệm: Lữ đồn Cơng Binh 131 Hải Qn - Qn Toan - Hải Phịng - Mơi trường thực nghiệm: Là khối bê tơng xi măng đúc sẵn có độ cứng fkp = 3, fkp = 5, fkp = tương đương cường độ nén C30, C50, C70 tuổi 28 ngày - Địa điểm thí nghiệm thử mẫu: Phịng LAS-XD72 Trường Đại học Công nghệ GTVT 4.4.2 Bố trí đầu đo thiết bị đo Trong trình thí nghiệm, lực thiết bị cần đo nhiều thông số lúc nên việc kết nối xử lý tín hiệu phải dùng hai thiết bị nhận tín hiệu tính hoạt động đồng thời Các đầu đo (Hình 4.2) bố trí theo thứ tự sau: 1,2 - Đầu đo áp suất dầu thủy lực khoang khoang xi lanh nâng hạ cần; 3,4,5 - Các đầu đo chuyển vị; - Đầu đo gia tốc theo phương vng góc với giá dẫn hướng khoan; 7,8 - Lá điện trở đo biến dạng; - Đầu đo áp suất lưu lượng dầu thủy lực khoang xi lanh đẩy mũi khoan; 10,11 - Đầu đo áp suất khoang khoang xi lanh nâng hạ giá khoan Thiết bị nhận tín hiệu số kết nối đầu đo: 3, 4, 5, 7, 8; Thiết bị nhận tín hiệu số kết nối đầu đo: 1, 2, 6, 9, 10, 11 4.4.2.1 Đo thơng số phục vụ mơ máy thực 4.4.2.2 Thí nghiệm phòng Mẫu thép liên kết đế mô tơ khoan lấy từ thép, tiến hành kéo mẫu máy kéo vạn để xác định mô đun đàn hồi thép Khoan lấy số mẫu từ khối bê tông đúc sẵn thí nghiệm phịng thí nghiệm chun ngành LAS-XD72 nén ép xác định cường độ nén 4.4.2.3 Thực nghiệm trường Sau lắp đặt thiết bị đầu đo lên máy, tiến hành thí nghiệm đo thông số với mũi khoan, khoan lỗ bám chân ghim, sau ghim máy chắn ổn định trước khoan lỗ Trong q trình mũi khoan làm việc, tất các thơng số ghi thời điểm xử lý loại thiết bị nhận tín hiệu 4.4.3 Xác định thơng số q trình thực nghiệm Thí nghiệm xác định thơng số gồm: Xác định ngoại lực tác động vào giá dẫn hướng thiết bị khoan việc xác định áp suất dầu thủy lực cấp vào khoang xi lanh dẫn tiến q trình khoan; Xác định mơ men tác động vào giá dẫn hướng khoan phương pháp tenxơ điện trở, dán điện trở vào thép gá cụm mô tơ khoan 4.4.4 Phương pháp xử lý kết thực nghiệm Các liệu thực nghiệm xuất S dạng file văn (*.txt), tần suất đo 10-3(s), để sử dụng liệu tác giả dùng phần mềm Matlab ThiÕt bÞ nhËn tÝn Máy tính hiƯu - NI 6009 tiến hành: import liệu, sử dụng thuật toán cộng N 10 11 dồn thời gian, lọc quãng thời gian chết đo đạc, lọc số tín hiệu nhiễu xuất liệu dạng đồ thị ThiÕt bÞ nhËn tÝn Tiến hành đo đạc nhiều lần để xây dựng mẫu hiÖu - NI 6009 chuẩn sau xác định phân bố chuẩn mẫu Máy tính đánh giá sai số so với lí thuyết Trong khn khổ luận án thể so sánh sai số với thí nghiệm khoan lần Với thí nghiệm Hình 4.2 Sơ đồ bố trí thiết bị đo khác việc đánh giá sai số tiến hành, kết khoảng cách đặt thiết bị tổng hợp bảng tổng hợp phần phụ lục 23 4.5 Kết thực nghiệm Trong q trình thí nghiệm thực nghiệm, luận án thu kết phòng thí nghiệm ngồi trường Trong phịng thí nghiệm thu kết thử độ cứng mẫu bê tông C30, C50, C70 xác định mô đun đàn hồi thép gá cụm mô tơ khoan Ngồi trường thu thơng số hình học, kích thước, áp suất, lưu lượng, gia tốc biến dạng điện trở 4.6 Đánh giá kết lí thuyết thực nghiệm Mơ hình tốn xác định chuyển động khâu chuyển vị điểm xét (điểm S) ứng với thông số đầu vào mơ hình tính Khi thay đổi giá trị ngoại lực (bằng cách thay đổi độ cứng mẫu khoan), giá trị chuyển vị điểm khảo sát thay đổi thể hình 4.3 Từ đồ thị hình 4.3, nhận thấy chuyển vị điểm S có giá trị tính tốn lý thuyết nhỏ giá trị thực nghiệm, giá trị sai lệch lớn đạt 17.5% Ngoài đánh giá kết chuyển vị, luận án cịn đánh giá thơng số áp suất khoang xi lanh, đánh giá xi lanh nâng hạ cần xi lanh nâng hạ giá trượt Giá trị đánh giá xi Hình 4.3 Chuyển vị điểm S khoan mẫu lanh lại tập hợp theo phụ lục có cường độ C30 Trên sở so sánh kết lí thuyết thực nghiệm xi lanh nâng hạ cần xi lanh nâng hạ giá trượt, có nhận xét sau: - Xu hướng biến thiên đồ thị tương đối phù hợp lý thuyết thực nghiệm - Trị số sai số giá trị lớn khoảng từ 4.17% 13.68%, nhiên giá trị lớn đánh giá thời điểm lệch Các sai số nhiều nguyên nhân cần xem xét như: rơ lỏng khớp liên kết khâu, tay nghề vận hành thợ, rò lọt dầu thủy lực,… Hình 4.4 Sai số lý thuyết - thực nghiệm áp suất Hình 4.5 Sai số lý thuyết - thực nghiệm áp suất xy lanh nâng hạ cần (x1) xy lanh nâng hạ giá trượt (x2) Xét hình dáng hai đường kết lý thuyết thực nghiệm x1 gần giống với x1 So sánh đối chiếu thấy quy luật thay đổi áp suất x1_LT theo tính tốn lý thuyết thay đổi từ 38.7 ÷ 42.1 (bar), x1_TN giá trị thay đổi từ 43.8 ÷ 45.6 (bar) Về sai số thấy giá dao động từ ÷ 11 % Về hình dáng hai đường kết lý thuyết thực nghiệm x2 gần giống với x2 So sánh đối chiếu thấy quy luật thay đổi áp suất x2_LT theo tính tốn lý thuyết thay đổi từ 10.8 ÷ 12.6 (bar), x2_TN giá trị thay đổi từ 10.2 ÷ 14.2 (bar) Về sai số thấy giá dao động từ ÷ 13% Kết đánh giá sai số giá trị lớn tính tốn lý thuyết với thực nghiệm chuyển vị, gia tốc, áp suất khoang xi lanh,… thể chi tiết phần phụ lục Nhận xét: Căn vào đánh giá sai số lý thuyết thực nghiệm với mức độ chấp nhận được, quy luật biến thiên đường lý thuyết gần với đường thực nghiệm, điều khẳng định mô hình nghiên cứu thuật giải phù hợp tin cậy 24 KẾT LUẬN CHƯƠNG Quá trình nghiên cứu thực nghiệm với trợ giúp chuyên gia, nhà khoa học đơn vị thực thực nghiệm, nghiên cứu sinh thực nội dung sau: Đã chuẩn bị đầy đủ trang thiết bị phịng thí nghiệm phục vụ cho thí nghiệm - thực nghiệm; xây dựng phương án thí nghiệm - thực nghiệm thu thập số liệu cần thiết cho luận án Đã xác định thơng số hình học, thơng số động học, thông số động lực học thông số liên quan đến độ cứng, lực cản đối tượng khoan lên giá khoan Đã sử dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để xác định số lần đo lý thuyết xác suất thống kê để đánh giá sai số đo, xử lý số liệu thực nghiệm đưa kết thành bảng thống kê, phục vụ việc hồi quy số liệu thực nghiệm Kết thực nghiệm thể tương đồng cao với kết tính tốn lý thuyết Sai số tính tốn lý thuyết với thực nghiệm giá trị chuyển vị 17.5%, áp suất khoang xi lanh 13.68% Kết so sánh số thông số, nhận thấy phương pháp thí nghiệm, thực nghiệm khoa học hoàn toàn tin KẾT LUẬN CHUNG A KẾT LUẬN: Luận án giải cách nhiệm vụ đề với kết thu sau: Đã xây dựng mơ hình động học hệ giá đỡ thiết bị khoan không gian, xác định không gian làm việc máy khoan, phân tích, tính tốn kiến nghị thay đổi phạm vi làm việc khâu quay 3600 đỉnh khâu 3, lúc mũi khoan thao tác đến điểm khoan thấp có cao độ -0,2092m đảm bảo thỏa mãn không gian làm việc mũi khoan theo yêu cầu hộ chiếu gương khoan Liên quan đến nội dung nghiên cứu động học hệ giá đỡ thiết bị khoan, luận án sử dụng phần mềm (Inventor, Soliwork) để mô máy thực nhằm xác định đặc trưng hình học khâu làm thơng số đầu vào cho mơ hình động lực học so sánh với kết tính tốn lý thuyết động học khẳng định đường lối tính toán động học thuận, động học ngược hệ giá đỡ thiết bị khoan phù hợp, khoa học xác Đã xây dựng mơ hình động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan xét không gian áp dụng dạng thức hệ nhiều vật có cấu trúc nửa kín nửa hở sử dụng phương pháp số phù hợp, phần mềm đại xác định thông số nghiên cứu Một phần quan trọng nội dung động lực học khảo sát ảnh hưởng đường kính xy lanh thủy lực độ cứng đối tượng khoan đến rung động giá khoan Khi xét ảnh hưởng xy lanh thủy lực, thông qua kết khảo sát xác định đường kính phù hợp cho xy lanh với miền giá trị là: XL1 = 80  90 mm; XL2 = 80  90 mm; XL3 = 90  100 mm; XL4 = 63  70 mm XL5 = 70  80 mm, xy lanh XL2, XL3 XL5 có ảnh hưởng nhiều tới rung động giá khoan với tỷ lệ sai lệch XL2 lên đến 31%, XL3 lên đến 48% XL5 lên đến 39% Còn khảo sát độ cứng đối tượng khoan, xác định độ cứng lớn mà máy làm việc hiệu fkp = 8.255 Luận án sử dụng thiết bị phù hợp, phương pháp đo xử lý số liệu khoa học Kết thí nghiệm dùng làm thơng số đầu vào toán động học, động lực học, dùng làm sở so sánh với tính toán lý thuyết Đặc biệt, luận án xử lý số liệu thực nghiệm hàm hóa số liệu ngẫu nhiên thành hàm ngoại lực tác dụng vào hệ thông qua phép biến đổi Fourier Kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm có quy luật biến đổi tương đồng Sai số tính tốn lý thuyết với thực nghiệm giá trị chuyển vị 17.5%, áp suất khoang xi lanh 13.68% So sánh số thông số, nhận thấy kết phù hợp khẳng định mơ hình nghiên cứu, phương pháp giải, phương pháp thí nghiệm thực nghiệm khoa học hoàn toàn tin cậy B ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN Đã đề xuất mơ hình nghiên cứu động học động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan lắp máy đào hệ nhiều vật khơng gian có cấu trúc nửa kín nửa hở, chịu tương tác với môi trường (liên kết không lý tưởng); Sử dụng kiến thức học phù hợp (sử dụng phương trình Lagrange dạng nhân tử dạng ma trận để thiết lập phương trình vi phân chuyển động hệ giá đỡ thiết bị khoan áp dụng thuật giải hệ phương trình vi phân - đại số kết hợp với ổn định Baumgarte) phần mềm xác định thông số nghiên cứu; Đã khảo sát ảnh hưởng số thông số đặc trưng đến rung động hệ giá đỡ thiết bị khoan; Triển khai thực nghiệm máy thực hồi quy số liệu ngẫu nhiên thành hàm ngoại lực C HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO: Mặc dù luận án giải cách nhiệm vụ đặt ra, nội dung nghiên cứu luận án số vấn đề cần tiếp tục giải quyết, cụ thể sau: Nghiên cứu khảo sát đồng đường kính xi lanh dẫn động nhằm xác định xi lanh có đường kính tối ưu giúp cho hệ rung nhỏ Để máy làm việc hiệu quả, xác suất cao cần khai thác kết nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu điều khiển tự động máy DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Bùi Văn Trầm, Chu Văn Đạt, Nguyễn Lâm Khánh (2014), “Đặc điểm ồn rung máy khoan xoay đập thi cơng hầm độ vừa nhỏ”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, (ISSN 0866 - 7056), số 03/2014, tr.99-103 Bùi Văn Trầm, Chu Văn Đạt, Nguyễn Lâm Khánh (2015), “Nghiên cứu động học ngược thiết bị khoan xoay đập lắp máy đào thi công hầm độ vừa nhỏ”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, (ISSN 1859 - 3585), số 27 tháng 04/2015, tr.134-136 Bùi Văn Trầm, Chu Văn Đạt, Nguyễn Lâm Khánh (2015), “Mô động học máy khoan nổ mìn chế tạo nước khoan hầm độ vừa nhỏ phần mềm chun dùng”, Tạp chí Giao thơng vận tải, (ISSN 2354 - 0818), số đặc biệt tháng 10/2015, tr.232-234 Bùi Văn Trầm, Chu Văn Đạt, Nguyễn Văn Quyền, Nguyễn Lâm Khánh (2018), “Nghiên cứu động lực học giá đỡ máy khoan nổ mìn kiểu xoay đập Việt Nam chế tạo”, Hội nghị Khoa học Cơng nghệ tồn quốc Cơ khí lần thứ V - tháng 10/2018 (ISBN: 978-604-671103-2), tr 1054-1067 Bùi Văn Trầm, Chu Văn Đạt, Nguyễn Văn Quyền, Nguyễn Lâm Khánh (2018), “Nghiên cứu sở xác định rung động hệ giá đỡ máy khoan nổ mìn việt nam chế tạo”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam (ISSN 0866 - 7056), số đặc biệt tháng 10/2018, tr 364-372 ... với đề tài: ? ?Nghiên cứu động lực học thi? ??t bị khoan xoay đập lắp máy đào phục vụ thi công hầm độ vừa nhỏ? ?? nhằm tạo sở khoa học cho việc hoàn thi? ??n thi? ??t bị có, phục vụ thi? ??t kế thi? ??t bị nâng cao... quan đến thi? ??t bị thi công đường hầm độ vừa nhỏ, xây dựng mô hình khảo sát động học động lực học, thi? ??t lập hệ phương trình chuyển động, xác định giá trị thông số động học động lực học mơ hình,... pháp nghiên cứu phù hợp cho luận án gồm: Ngoại lực tác động vào hệ giá đỡ thi? ??t bị khoan; động học động lực học hệ giá đỡ thi? ??t bị khoan 1.6.1 Xác định ngoại lực tác động vào hệ Trong thi cơng khoan