Các thông số động học chính của máy khoan là vận tốc quay của trục khoan, l−ợng cung cấp. Các thông số này có quan hệ chặt chẽ với nhau và phụ thuộc vào công suất truyền đến trục khoan cũng nh− mô men cản trên trục khoan.
3.4.2.1. Vận tốc quay của trục khoan
Theo các tài liệu về máy khoan hố [16], vận tốc quay của trục khoan nằm trong khoảng 100 đến 350 vòng/phút. Với các máy khoan đ−a đất ra khỏi hố, vận tốc quay của trục khoan th−ờng đ−ợc chọn từ 250 đến 350 v/ph kết hợp với việc xác định góc nghiêng l−ỡi cắt phù hợp. Các máy khoan không đ−a đất ra khỏi hố th−ờng có vận tốc quay không quá 200 v/ph và không có phần cánh tung hất đất. Để có cơ sở tính toán thiết kế máy, chúng tôi chọn sơ bộ vận tốc quay của trục khoan là 200 v/phút. Vận tốc quay này cũng nh− giá trị các góc đặt của l−ỡi khoan sẽ đ−ợc xem xét hiệu chỉnh sau khi thử nghiệm mẫu máy.
3.4.2.2. Mô men cản và lực dọc trục trên trục khoan
Mô men cản trên trục khoan có thể xác định theo công thức sau:
M= Mmũi +Ml−ỡi cắt+Mma sát l−ỡi+Mma sát trục.. (3.6) Trong đó Mmũi- mô men cản trên mũi tâm;
Ml−ỡi cắt - mô men cản trên l−ỡi cắt đáy;
Mma sát trục - mô men cản do ma sát giữa đất và bề mặt trục khoan.
Mô men cản trên mũi tâm phụ thuộc đ−ờng kính mũi tâm và tính chất cơ lý của đất. Theo các kết quả thực nghiệm [16], với mũi tâm có đ−ờng kính 100 - 140 mm, trên các loại đất có độ chặt trung bình trở lên, mô men cản Mmũi có trị số trong khoảng 8-15 kGm.
Với máy đào đang thiết kế, đ−ờng kính mũi tâm 80 mm, đất trồng cây lâm nghiệp có độ chặt lớn, ta chọn Mmũi= 8 kGm .
Ml−ỡi cắt = 0,5.[iq2cosψ + k2.s.sin(δ0+ϕ1)].(r02-rmũi2), kG.cm (3.7) Trong đó:
i- số l−ỡi cắt; Với máy đang thiết kế, số l−ỡi cắt i=2.
q2- hệ số kể đến lực cản của đất trên l−ỡi cắt, phụ thuộc tính chất cơ lý và bề dày cạnh sắc, kG/cm;
k2- hệ số kể đến lực cản của đất do biến dạng, phụ thuộc tính chất cơ lý của đất, tính bằng kG/cm2.
ψ- góc nghiêng của lực cản của đất trên cạnh sắc trong mặt phẳng vuông góc với trục quay.
s- l−ợng cung cấp; với các máy khoan hố, th−ờng chọn s = 1- 10 cm. δ0- góc cắt tr−ớc của l−ỡi cắt, theo mục 3.4.1.1, ta có δ0= 400.
ϕ1- góc ma sát giữa đất và thép, Theo các số liệu đã thu thập đ−ợc, hệ số ma sát giữa đất và thép trong khoảng 0,4-0,6, khi này, góc ma sát ϕ1= 22-310. Chọn giá trị trung bình ϕ1= 260.
r0- bán kính hố đào, r0= 200 mm = 20 cm. rmũi- bán kính mũi tâm; rmũi = 40mm = 4 cm.
Đối với đất đồng cỏ, độ chặt nhỏ, khi cạnh sắc th−ờng xuyên đ−ợc mài sửa, có thể chọn nh− sau: q2= 3,6 kG/cm; k2= 2,5 kG/cm2; ψ= 52-580. Khi hố khoan sâu, trên đất nhẹ, có thể chọn: q2= (1,8-2,4) kG/cm2; k2= (1,2-1,7) kG/cm2; ψ= 30-350. Đối với đất có độ chặt cao và đất hoang hoá, các trị số trên có thể lấy tăng lên khoảng 60-80%.
Đối t−ợng làm việc của máy khoan đang thiết kế chủ yếu là rừng trồng, đất có độ chặt lớn, ta chọn : q2= 5,4 kG/cm2; k2= 3,75 kG/cm2; ψ= 550.
Thay các giá trị vào công thức trên, ta xác định đ−ợc quan hệ giữa Mô men cản trên l−ỡi cắt của khoan với l−ợng cung cấp s.
Ml−ỡi cắt = 0,5[2.6,48.cos520 + 4,5.s.sin(400 +260)].(202- 42), kGcm. Ml−ỡi cắt = 1532 + 789.s; kGcm;
Từ kết quả thu đ−ợc có thể thấy Mô men cản trên l−ỡi cắt phụ thuộc bậc nhất theo l−ợng cung cấp s của l−ỡi khoan.
Biểu diễn mối quan hệ trên bằng đồ thị, ta đ−ợc đồ thị trên hình 3.9.
Sự phụ thuộc của mô men cản trên l−ỡi cắt vào l−ợng cung cấp
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 L−ợng cung cấp, cm M ô m en c ản t rên l − ỡ i c ắ t, k G .c m 0
Hình 3.9. Quan hệ giữa mô men cản trên l−ỡi cắt với l−ợng cung cấp .
Mô men cản do ma sát sinh ra giữa khối đất bên trên l−ỡi cắt mới mặt trên l−ỡi cắt đ−ợc xác định từ mô hình trên hình 3.10.
4' 2 1 2 1 H Fm G G Fm 3' 4 K K ω
Hình 3.10. Sơ đồ xác định mô men ma sát trên l−ỡi cắt do khối đất trong lòng hố sinh ra.
Trên sơ đồ tính toán, gọi trọng l−ợng khối đất phía trên mỗi l−ỡi cắt (1234-1'2'3'4') là G, Khi l−ỡi khoan ở vị trí sâu nhất, ứng với sâu tối đa của hố đào H=400 mm, trọng l−ợng G sẽ có giá trị lớn nhất.
Khi này G= V.γ; (3.8)
ở đây, V là thể tích khối đất phía trên một l−ỡi cắt, m3; γ là trọng l−ợng riêng của đất trong lòng hố, kG/m3.
Lực ma sát giữa khối đất và mặt trên l−ỡi cắt Fms sẽ đ−ợc xác định theo công thức:
Fms= G.f; (3.9)
Trong đó f là hệ số ma sát giữa đất và thép. Theo các số liệu có đ−ợc thì hệ số giữa đất và thép nằm trong khoảng 0,4 - 0,6. Chọn 0,5 để tính toán.
Mô men của ngẫu lực Fms, chính là mô men ma sát Mma sát l−ỡi đ−ợc xác định theo công thức:
Mma sát l−ỡi = Fms.d (3.10)
với d là cánh tay đòn của ngẫu Fms.
Có thể xem gần đúng các trọng lực G đặt tại các điểm K, nằm trên vòng tròn có đ−ờng kính bằng 2/3 đ−ờng kính hố. Khi này d= (2/3) D ≈ 270 mm = 27 cm.
Từ các số liệu của l−ỡi cắt đã thiết kế, sử dụng phần mềm thiết kế Inventor, ta dễ dàng xác định đ−ợc diện tích mặt trên của l−ỡi cắt dt(1234)= 15790 mm2= 157cm2.
Với chiều sâu hố H= 40 cm, thể tích khối đất phía trên mỗi l−ỡi cắt sẽ là: V= dt(1234).H= 157.40= 6280 cm3 = 0.0063 m3.
Theo các số liệu thu đ−ợc về tính chất cơ lý của đất trồng rừng, ta có khối l−ợng riêng của đất γ = 1,7 tấn/m3= 1700 kG/m3.
Thay các giá trị nhận đ−ợc vào công thức (3.8), ta đ−ợc:
G = 0,0063 . 17000 = 107,1 kG. Fms= 107.0.5 = 53,55 kG.
Cuối cùng ta đ−ợc:
Mma sát l−ỡi = 53,55.27 = 144,6 kGcm.
Mô men ma sát giữa bề mặt trục khoan và đất trong lòng hố có thể xem là không đáng kể, vì trục khoan đặt thẳng đứng trong khi khối đất hầu nh−
không có chuyển động ngang trong lòng hố.
Nh− vậy, mô men cản trên trục khoan sẽ bằng:
M= Mmũi + Ml−ỡi cắt + Mma sát l−ỡi + Mma sát trục.= 800+ 1532 + 789.s +114,6 = = 2446,6+789s.
Trong các thành phần thuộc vế phải của công thức (3.8), chỉ có mô men cản trên l−ỡi cắt Ml−ỡi cắt là phụ thuộc l−ợng cung cấp. Đồ thị quan hệ giữa mô men cản của máy khoan với l−ợng cung cấp cũng tuân theo quy luật tuyến tính (hình 3.10).
Với các máy đào hố khác nhau, l−ợng cung cấp th−ờng chọn trong khoảng 10 – 100 mm trên một vòng quay của l−ỡi khoan [16]. Trị số nhỏ dùng khi l−ỡi khoan có đ−ờng kính lớn và khi làm việc trên đất có độ chặt cao. Đối với máy đào hố cho đất dốc lâm nghiệp, kích th−ớc hố không lớn, độ chặt của đất cao, ta chọn l−ợng cung cấp của máy khoan là 10 mm = 1 cm.
Khi này, mô men cản trên trục máy khoan sẽ là: M = 3236 kGcm.
3.4.2.3. Công suất cần thiết trên trục máy khoan
Công suất cần thiết trên trục máy khoan đ−ợc xác định theo công thức: N= M.n.kat/97500; kW
Với kat- hệ số an toàn, lấy kat= 2,0; số vòng quay trong một phút của trục khoan n = 200 v/ph; M = 3236 kG.cm, ta tính đ−ợc công suất cần thiết trên trục khoan:
N = 13,3 kW;
Nh− vậy, có thể sử dụng máy kéo SHIBAURA-3000A với các thiết bị thuỷ lực đã chọn để liên hợp với máy khoan hố.