Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số động lực học của hệ giá đỡ của máy khoan lỗ nổ mìn kiểu xoay đập do Việt Nam chế tạo

Bài báo trình bày các bước thực nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm để xác định các thông số động lực học hệ giá đỡ của máy khoan lỗ nổ mìn kiểu xoay đập do Việt Nam chế tạo trong quá trình làm việc. Bài báo sử dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm xác định số lần đo, lý thuyết xác suất thống kê đánh giá sai số đo, xử lý số liệu thực nghiệm đưa kết quả thành các bảng thống kê, phục vụ việc hồi quy các số liệu thực nghiệm.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Ứ Ự ỆM XÁC ĐỊ Ố ĐỘ Ự Ọ Ệ GIÁ ĐỠ Ủ Ỗ Ổ ỂU XOAY ĐẬ Ệ Ế Ạ RESEARCHING OF EXPERIMENTAL FOR THE DETERMINATION OF THE DYNAMIC PARAMETERS OF THE LIFTING SYSTEM OF ROTARY PERCUSSION DRILLER PRODUCED IN VIETNAM BÙI VĂN TRẦM1*, CHU VĂN ĐẠT2, NGUYỄN VĂN QUYỀN3, NGUYỄN LÂM KHÁNH4 Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Giao thông vận tải *Email liên hệ: trambv@utt.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày bước thực nghiệm xử lý số liệu thực nghiệm để xác định thông số động lực học hệ giá đỡ máy khoan lỗ nổ mìn kiểu xoay đập Việt Nam chế tạo trình làm việc Bài báo sử dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm xác định số lần đo, lý thuyết xác suất thống kê 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 Nội dung báo cịn trình bày bước điều kiện hồi quy số liệu thực nghiệm ngẫu nhiên rời rạc thành hàm ngoại lực tác dụng vào máy khoan thơng qua phép biến đổi Fourier Từ khóa: Máy khoan kiểu xoay đập, nghiên cứu thực nghiệm, thông số động lực học, ngoại lực liên kết, phép biến đổi Fourier Abstract The paper proposes the steps of conducting experiments and processing experimental data to determine the dynamic parameters of the lifting system of the rotary percussion driller produced in Vietnam in operation The article applies experimental programming theory to detect the number of measurements and uses statistical probability theory to evaluate measurement errors, processing experimental data to turn the results into statistical tables to regress the experimental data Additionally, the paper also presents the steps and conditions for regressing the randomly experimental data into an external force function acting on the drill based on the Fourier transform 304 Keywords: Rotary percussion driller, Research of experiments, dynamic parameters, external reaction forces, Fourier transform Đặt vấn đề Khi khoan đường hầm độ vừa nhỏ phải sử dụng thiết bị nhỏ gọn, động, hoạt động an toàn, ổn định hiệu Với yêu cầu thiết bị nhập ngoại không phù hợp mà phải tập trung phát triển hồn thiện thiết bị có nước tồn nhiều hạn chế [3] Trong trình làm việc, hệ giá đỡ máy khoan 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 công tác làm việc xác, ổn định điều kiện hoạt động khó khăn [7-8] Đây vấn đề phức tạp, cần có nghiên cứu chuyên sâu động lực học hệ giá đỡ, việc xác định thông số động lực học thực nghiệm bước quan trọng [2], [5-6] Kết cấu hệ giá đỡ hệ phức tạp thuộc loại cấu không gian nhiều khâu, nhiều khớp, loại nửa hở nửa kín, chịu tương tác với mơi trường (là loại hệ chịu liên kết không lý tưởng) [3] Việc nghiên cứu hệ chịu liên kết khơng lý tưởng địi hỏi cần kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, khơng nghiên cứu thực nghiệm khơng thể xác định ngoại lực tác động vào hệ [7] Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định thông số đầu vào phục vụ việc khảo sát lý thuyết, so sánh kiểm chứng độ tin cậy mơ hình nghiên cứu [3] Đặc trưng làm việc máy khoan nổ mìn kiểu xoay đập nhà máy Z49 - Binh chủng Công binh chế tạo, ký hiệu MK-Z49 khác nhiều so với máy SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 xây dựng, làm việc hệ giá đỡ máy khoan ghim chặt tỳ sát với gương khoan Trên (Hình 1) 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) FC(t) MC(t) 10 J, tính từ: J m i [yi y ]2 (2) Công thức (2) cịn sử dụng để tính tốn cho phép đo khác chất lượng đường cong phù hợp, có hệ số xác định gọi giá trị bình phương R2 với biểu thức: (3) Phép hồi quy phù hợp tốt tương ứng với R2≥ 0,99 FG(t) 11 phương độ lệch giá trị y từ trung bình chúng Cơng đoạn lọc số liệu thực chất việc phân tích MG(t) số liệu cách chi tiết, thực với mục đích khác nhau, việc tách thành phần có tính chu kỳ làm sai lệch kết sau biến đổi Fourier Trong Hình minh họa cho cơng đoạn làm trơn số liệu quy tâm số liệu, B chiều rộng dải làm trơn cịn gọi bước lọc Hình Kết cấu ngoại lực tác động vào hệ giá đỡ thiết bị khoan xoay đập MK-Z49 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; Chú thích: 1- mũi khoan; 2- cấu chống cong cần khoan; 3- cần khoan; 4- cụm máy khoan; 5- đế liên kết máy khoan với bàn trượt; 6- giá dẫn hướng khoan; 7- xi lanh dẫn tiến; - nhánh cáp tiến; - cụm puly Hình Làm trơn số liệu cáp; 10 - nhánh cáp lùi; 11- mũi tỳ vào gương khoan Một hàm tuần hồn y(t) khai Cơ sở nghiên thực nghiệm triển thành tổng hàm điều hòa dạng: Trong kỹ thuật đo đạc ta nhận số liệu rời rạc, từ số liệu đo cần biểu diễn thành đường cong liên tục để biết đặc tính hệ khảo sát xác định giá trị lân cận giá trị đo Để kiểm tra kết hồi quy có phù hợp với liệu đo được, thường sử dụng tiêu chuẩn bình phương tối thiểu, sử dụng cho hàm f(x) tổng bình phương phần dư S với biểu thức sau: m S i [ f (x i ) yi ]2 (1) Sử dụng giá trị S để so sánh chất lượng đường cong mô tả liệu Hàm cho giá trị S nhỏ phù hợp Khi biểu thị tổng bình SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) y(t ) a0 k ak cos(2 fkt ) bk sin(2 fkt ) (4) Cơng thức (4) cịn gọi chuỗi Fourier Tổ chức thực nghiệm [3, 5] Để đảm bảo hệ thống thủy lực máy kín khít thông số đo đạt độ tin cậy cao, phần tử hệ thống thủy lực xi lanh, van phân phối đường dầu thủy lực thay Tiến hành thực nghiệm với nội dung sau: Xác định ngoại lực tác động vào giá khoan; đo chuyển vị, gia tốc điểm khảo sát; đo áp suất lưu lượng khoang xi lanh thủy lực Thực nghiệm tiến hành điều kiện thông số đo 305 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 trục thời gian Đo lực khoan thông qua đo áp suất khoang xi lanh dẫn tiến cụm mũi khoan Phương tiện thực nghiệm bao gồm: Máy khoan đá kiểu xoay đập Các kết nối khí kết nối hệ thống thủy lực 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; 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 Các phương tiện thiết bị bố trí kết nối Hình Ngồi cần có máy cắt mẫu bê tơng DK-5V để cắt lấy mẫu bê tông từ khối bê tơng đúc sẵn, cắt lấy tối thiểu 03 mẫu có kích thước 100 150 ; Máy nén bê tơng 3000kN 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 2000kN sử dụng kéo mẫu thép xác định mơ đun đàn hồi, mẫu thép vật liệu liên kết mô tơ khoan với đế trượt Khối bê tơng xi măng đúc sẵn có độ cứng fkp fkp , fkp , fkp Sau lắp đặt thiết bị đầu đo lên máy, tiến hành thí nghiệm đo thơng 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 thông số ghi thời điểm xử lý loại thiết bị nhận tín hiệu Xử lý số liệu kết [1, 4, 6] Các liệu thực nghiệm xuất với tần suất đo 10-3(s) Để sử dụng liệu tác giả dùng phần mềm Matlab tiến hành: import liệu, sử dụng thuật toán cộng dồn thời gian, lọc quãng thời gian chết đo đạc, lọc số tín hiệu nhiễu xuất liệu dạng đồ thị Tiến hành đo đạc nhiều lần để xây dựng mẫu chuẩn sau xác định phân bố chuẩn mẫu đánh giá sai số so với lý thuyết 5, §o thùc nghiƯm m¸y khoan tương đương cường độ nén C30, C50, C70, C90 tuổi 28 ngày LS HƯ gi¸ ®ì S L6 10 ThiÕt bÞ nhËn tÝn hiƯu - NI 6009 L3 N Máy tính ThiÕt bÞ nhËn tÝn hiƯu - NI 6009 H1 H2 L4 Đo Chuyển vị, ngoại lực gia tốc 11 Xy lanh thủy lực Đá khoan L5 tốc theo phương vng góc với giá dẫn hướng khoan; 7, 8- Lá điện trở đo biến dạng; 9- 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 L2 L1 Ap suất L-u l-ợng Cơ tính Hình Sơ đồ khối dẫn thơng số cần đo 4.1 Xác định ngoại lực 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 Hình Ngoại lực tác động vào hệ gồm lực FG(t) mơ men MG(t) (Hình 1) Thành phần lực xác định thông qua đo áp suất khoang xi lanh dẫn tiến cụm khoan, thành phần mô men xác định thông qua biến dạng thép gá cụm đầu khoan Khi xác định số liệu giá trị rời rạc thời điểm đo, phải tiến hành lọc số liệu, tính tốn biến đổi trung gian hàm hóa số liệu tạo thành hàm ngoại lực đường cong liên tục Các đầu đo bố trí: 1, 2- Đầu đo áp suất dầu thủy lực khoang khoang xi lanh nâng hạ cần; 3, 4, 5- Các đầu đo chuyển vị; 6- Đầu đo gia Áp dụng công thức (4) cho số liệu thực nghiệm rời rạc, kết giải tích hóa thỏa mãn R2 [2] ta nhận biểu thức FG(t) MG(t) theo công thức (5) (6): Máy tính 1 Hình Sơ đồ bố trí thiết bị đo 306 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 (5) (6) Trong hệ số khai triển Fourier hàm lực mơ men có giá trị cụ thể Bảng Hình Đồ thị hàm lực tác dụng vào giá dẫn hướng Bảng Giá trị hệ số khai triển Fourier TT HÀM LỰC FG(t) HÀM MÔ MEN MG(t) = 0,2042 a0 = 7541 = 0,5027 c0 = 6315 a1 = 316,6 b1 = -442,1 c1 = - 638,1 s1 = - 828,3 a2 = -18,87 b2 = 32,92 c2 = - 927,6 s2 = 103,1 a3 = -13,3 b3 = 236,9 c3 = 114,3 s3 = 685,7 a4 = 96,13 b4 = 185,5 c4 = 433,4 s4 = - 133,4 a5 = 225,3 b5 = -216,9 c5 = - 700,5 s5 = - 208,8 Hình Đồ thị môm men MG(t) Bảng Kết xác định mô đun đàn hồi thép gá cụm động Kí TT hiệu Gauges1 P … M1 Mẫu M2 Mẫu M3 Strain dạng Gauges2 (vol) (kN) Mẫu Số đọc Biến Strain tải mẫu … Số đọc Cấp Mô đun Biến Biến dạng Ứng đàn hôi Mô đun dạng trung suất đàn hồi bình mẫu (vol) (Mpa) 0,00 0,001 1,005 0,000 0,000 3,30 0,139 138,690 0,133 133,665 136,178 27,500 0,503 10,00 0,422 423,105 0,417 419,085 421,095 83,333 0,00 0,001 1,005 0,000 0,000 3,35 0,135 134,670 0,139 139,695 137,183 27,917 10,10 0,429 430,140 0,427 429,638 429,638 84,167 0,00 0,001 1,005 0,000 0,503 3,40 0,135 134,670 0,131 133,163 133,163 28,333 10,26 0,416 417,075 0,417 418,080 418,080 85,500 Ei(Mpa) Ei(Mpa) 0,000 0,503 1,96E+05 0,000 0,503 1,94E+05 1,96E+05 0,000 1,99E+05 Bảng Kích thước vị trí lắp đặt thiết bị (mm) Trường hợp Lần đo H1 H2 L1 L2 L3 L4 L5 L6 LS 1020 1620 165 180 950 270 210 180 410 1020 1620 165 180 950 270 210 180 410 1020 1620 165 180 950 270 210 180 410 1020 1620 165 180 950 270 210 180 410 930 1450 165 250 290 210 200 360 930 1450 165 250 290 210 200 360 560 1050 150 700 300 220 200 440 560 1050 150 700 300 220 200 440 1630 1788 150 250 700 330 220 200 410 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 307 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hàm FG(t) biểu diễn đồ thị Hình Tương tự việc xử lý số liệu FG(t), sau hồi quy số liệu mô men xoắn tác dụng lên giá khoan, ta thu hàm đồ thị mơ men MG(t) Hình Đồ thị hàm FG(t) MG(t) vừa xác định có tín hiệu tuần hồn, với đặc tính dao động khí 4.2 Xác định tham số khác Trong phịng thí nghiệm xác định cường độ mẫu bê tông C30, C50, C70, C90 xác định mô đun đàn hồi thép gá động làm xác định mô men dẫn động cụm khoan Hình Chuyển vị điểm S mẫu có cường độ C70 Ngồi đánh giá kết chuyển vị, báo cịn đánh giá thơng số áp suất khoang xi lanh, Bảng đánh giá xi lanh nâng hạ cần xi lanh nâng hạ giá dẫn hướng khoan Trên sở so sánh kết lí thuyết thực nghiệm Bảng có nhận xét sau: Ngồi trường, thơng số hình học (Hình 3) xác định qua lần đo thể Bảng Đánh giá kết lý thuyết thực nghiệm - Xu hướng biến thiên đồ thị tương đối phù hợp lý thuyết thực nghiệm Thực nghiệm đo xác định chuyển động khâu chuyển vị điểm xét (điểm S nằm giá dẫn hướng, Hình 3) ứng với thơng số đầu vào mơ hình tính Đối chiếu với kết nghiên cứu lý thuyết tài liệu [3] ta có kết so sánh sau - Trị số sai số giá trị lớn khoảng từ 6,75% ¸13,64%, nhiên giá trị lớn đánh giá thời điểm lệch - Các sai số nhiều nguyên nhân cần xem xét như: ghim tỳ chặt giá khoan, rơ lỏng khớp liên kết khâu, rò lọt dầu thủy lực,… 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 Từ Hình so sánh đối chiếu thấy quy luật thay đổi áp suất p1_LT theo tính tốn lý thuyết thay đổi từ 38,7 ÷ 42,1 (bar), p 1_TN giá trị Từ đồ thị Hình 7, nhận thấy chuyển vị điểm S có giá trị tính tốn lý thuyết nhỏ giá trị thực nghiệm, giá trị sai lệch lớn đạt 16,5% ảng Đánh giá kế TT 308 ả ệ ự ẫ Lần đo Đơn vị Giá trị theo lý Giá trị theo thuyết thực nghiệm (%) Bar 42,1 45,6 7,68 Bar 41,7 45,7 8,75 Bar 40,6 46,6 12,88 Bar 39,9 45,1 11,53 Bar 41,5 44,8 7,37 Bar 39,2 45,2 13,27 Bar 42 46,4 9,48 Bar 42,7 44,8 7,64 Bar 43,4 46,9 7,46 Bar 21,6 23,33 7,42 Bar 20,7 22,45 7,80 Bar 21,8 24,15 9,73 Áp suất nâng Bar 20,9 24,2 13,64 hạ giá dẫn Bar 23,1 25,6 9,77 hướng khoan Bar 23,5 25,2 6,75 Bar 24,7 26,9 8,18 Bar 22,5 25,2 9,23 Bar 21,3 23,8 10,50 Thông số Áp suất nâng hạ cần Sai số SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hình Sai số lý thuyết - thực nghiệm áp suất xi lanh Hình Sai số lý thuyết - thực nghiệm áp suất xi lanh nâng hạ cần nâng hạ giá trượt thay đổi từ 43,8 ÷ 45,6 (bar) Sự biến động độ áp suất xi lanh nâng hạ cần xẩy 38,5s Kết luận Từ kết thu sau thực nghiệm, nhóm tác giả đến số kết luận sau đây: - Xây dựng phương án thí nghiệm thực nghiệm phù hợp máy khoan lỗ nổ mìn kiểu xoay đập Việt Nam chế tạo - Xác định thông số động lực học thông số liên quan đến độ cứng, lực cản đối tượng khoan lên hệ giá đỡ máy khoan - Đã sử dụng 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 Đã hồi quy số liệu rời rạc thành hàm ngoại lực theo phép biến đổi Fourier, thu hàm ngoại lực FG(t) MG(t) - Sai số tính toán lý thuyết với thực nghiệm giá trị chuyển vị 16,5%, áp suất khoang xi lanh 13,64% Kết so sánh số thông số, nhận thấy phương pháp thí nghiệm, thực nghiệm khoa học hoàn toàn tin [6] Jaho Seo, Jin-Sun Park, Heungsub Kim, Dae Kyung Noh (2015), Experimental Evaluation of Percussion Performance for Rock-Drill Drifter, Journal of Biosystems Engineering, Vol.40, No 1, 2015 [7] M Wiercigroch, J Wojewoda, A.M Krivtsov, Dynamics of ultrasonic percussive drilling of hard rocks, Journal of Sound and Vibration 280 (2005), pp.739-757, 2005 [8] Vahid Vaziri, Marcin Kapitaniak, and Marian Wiercigroch, Suppression of Drill-String StickSlip Vibration, MATEC Web of Conferences 148, 16008, 2018 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa lần 1: Ngày nhận sửa lần 2: Ngày duyệt đăng: 29/6/2021 06/8/2021 20/8/2021 23/8/2021 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Cảnh, Quy hoạch thực nghiệm, NXB Đại học Quốc gia - Hồ Chí Minh, 2016 [2] Nguyễn Phong Điền, Kỹ thuật đo phân tích rung học, NXB Giáo dục Việt Nam, 2015 [3] Bùi Văn Trầm, Nghiên cứu động lực học thiết bị khoan xoay đập lắp máy đào phục vụ thi công hầm độ vừa nhỏ, Luận án Tiến sĩ khoa học, Học viện Kỹ thuật Quân sự, 2019 [4] Nguyễn Quốc Trung, Xử lý tín hiệu lọc số, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2006 [5] Nguyễn Thiệu Xuân, Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm máy xây dựng, NXB Xây dựng, 2014 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 309 ... sau thực nghiệm, nhóm tác giả đến số kết luận sau đây: - Xây dựng phương án thí nghiệm thực nghiệm phù hợp máy khoan lỗ nổ mìn kiểu xoay đập Việt Nam chế tạo - Xác định thông số động lực học thông. .. KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 trục thời gian Đo lực khoan thông qua đo áp suất khoang xi lanh dẫn tiến cụm mũi khoan Phương tiện thực nghiệm bao gồm: Máy khoan đá kiểu xoay đập Các kết nối khí kết nối hệ. .. ngoại lực tác động vào hệ giá đỡ thiết bị khoan xoay đập MK-Z49 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; Chú thích: 1- mũi khoan;