Nhận xét:
Đồ thị hình 2.17 và hình 2.18 biểu thị sự biến thiên của lực động R và A R do B bánh xe tác động lên nền trong quá trình nhổ cọc. Ta thấy giá trị của RA thay đổi liên tục và giảm dần từ đầu đến cuối hành trình trong khi lực động RBthì thay đổi theo chiều ngược lại. Điều này là do trong quá trình nhổ cọc, búa và cọc được gắn với nhau nhờ bộ côn nhổ cọc và được nâng lên nhờ lực của XLTL. Lực này thay đổi theo thời gian và có xu hướng gây ra mơ men lật quanh điểm tiếp xúc của bánh xe A với mặt đường. Xét cân bằng mô men với điểm A và B, khi cọc được nhổ lên dần khỏi nền thì lực nhổ cọc giảm do ma sát giữa cọc với nền giảm, vì vậy giá trị của R giảm đi và A RBtăng lên.
2.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy đóng cọc hộ
lan trong q trình làm việc
2.2.1. Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực của máy MHP-01
Theo các tài liệu [2], [5], [6], [13], sơ đồ hệ thống TĐTL của máy MHP-01 được thể hiện như trên hình 2.1, gồm có: 01 bơm nguồn; 01 ĐCTL; 03 cụm XLTL, trong đó có hai cụm xi lanh đơn và một cụm xi lanh đôi; 01 BTL; 01 thùng dầu; 01 két làm mát dầu; 05 van phân phối; 01 đồng hồ đo áp suất; 01 van an toàn; các ống dẫn và cút nối.
KLV KH 9 10 11 12 14 13 15 7 6 5 1 16 2 3 4 M 8
1- Thùng dầu thủy lực; 2- Hệ thống làm mát; 3- Bơm thủy lực; 4- Lọc dầu thủy lực; 5- Động cơ diesel; 6- Van an toàn; 7- Đồng hồđo áp suất; 8- ĐCTL di chuyển máy; 9- XLTL dịch ngang khung máy; 10- XLTL vi chỉnh cột dẫn hướng; 11- XLTL nâng hạ
cần treo búa; 12- Búa thủy lực; 13- Van điều khiển búa (tự động); 14- Ắc quy thủy lực
(đường thấp áp); 15- Ắc quy thủy lực (đường cao áp); 16- Cụm van phân phối; KLV- Khoang làm việc; KH- Khoang hồi
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động thủy lực của máy MHP-01
Nguyên lý hoạt động của hệ thống TĐTL của máy MHP-01 như sau: - Nguồn động lực là động cơ diezel có:
+ Cơng suất 22, 5 kW / 2200 vòng / phút
+ Số vòng quay của động cơ diezel được điều chỉnh trong phạm vi từ 1800 2500 vịng / phút nhằm duy trì lưu lượng và áp suất dầu tương đối ổn định. - Bơm thủy lực: là loại bơm bánh răng với lưu lượng 3 3
Q 1, 25.10= − m / s ở số vòng quay n 1450 vòng / phút= . Trục bơm gắn puli kép ba rãnh đai B17 kết nối với puli ba rãnh đai trên bánh đà động cơ, bơm tạo ra dầu thủy lực có áp suất tối đa
6
p=20.10 Pa.
- Dịng dầu thủy lực có áp suất cao từbơm tới cụm van phân phối gồm năm chiếc kết nối thành một cụm van phân phối (16), bao gồm các van:
+ Van điều khiển ĐCTL di chuyển máy: Khi tay van để ở vị trí trung gian thì động cơ (8) khơng quay, khi ấn cần tay van xuống, dầu thủy lực trên ống cao áp thông với một cửa van của van phân phối làm cho động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ - ứng với chiều máy tiến về phía trước. Khi cần cho máy lùi lại thì đảo chiều của tay van, đường dầu cao áp sẽ chuyển qua ngăn kế bên làm cho đường dầu cao áp chuyển qua nhánh kia của đường dầu. Kết quả làm cho động cơ đổi chiều quay (ngược chiều kim đồng hồ) làm cho máy di chuyển lùi.
+ Van điều khiển XLTL (9), van điều khiển cặp XLTL (10), van điều khiển XLTL (11): các van này có nguyên lý làm việc như nhau và tương tự như van điều khiển động cơ di chuyển máy.
+ Đặc biệt là van điều khiển BTL: Van này cho phép dầu cao áp đi vào khoang làm việc; trục của chúng sẽ quay liên tục nên dòng dầu ra (hồi) được đưa về két làm mát dầu thủy lực (2). Khi áp suất dầu trong đường ống tăng quá 6
p =12.10 Pa thì van số (6) sẽ làm việc, lượng dầu sau khi qua bơm sẽ qua van này và trở về thùng chứa dầu. Giá trị áp suất làm việc của dầu trong đường ống cao áp được theo dõi qua đồng hồ đo áp (7). - Làm mát dầu thủy lực: Dầu thủy lực dẫn động cho máy đóng cọc chủ yếu là cho búa thủy lực (12) hoạt động. Do chế độ làm việc nặng nhọc nên lượng dầu này sẽ tăng nhiệt độ rất nhanh, khi đó làm cho độ nhớt của dầu giảm nhanh chóng. Hậu quả của
việc độ nhớt giảm là sẽ làm áp suất của dầu giảm theo, dẫn đến lực va đập của búa giảm. Vì vậy cần bố trí két làm mát dầu thủy lực cho hệ thống. Về nguyên tắc cấu tạo, két này tương tự như két làm mát nước của ơ tơ. Phía trước két làm mát này có bố trí một quạt gió đểđẩy nhanh tốc độ làm mát dầu thủy lực trong hệ thống.
2.2.3. Nghiên cứu động lực học xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa trong các quá trình làm việc trình làm việc
2.2.3.1. Nghiên cứu động lực học của xi lanh thủy lực nâng hạ cần treo búa khi đóng cọc bằng búa thủy lực kết hợp với lực ép của xi lanh
a. Mơ hình vật lý
Hình 2.20. Quá trình làm
việc của máy khi đóng cọc bằng búa thủy lực kết hợp với
lực ép của xi lanh nâng hạ cần 6- XLTL nâng hạ cần; 8- Cần treo búa; 14- BTL; 20- Cọc ( ) c P t - Lực tác dụng lên đỉnh XLTL nâng hạ cần khi đóng cọc, N ; R - c Lực cản tác dụng của nền vào đầu cọc,
N ; F - Lực ma sát của nền ms vào thành cọc, N ; cb G - Trọng lượng của cần và búa, N ; P t - L( ) ực xung kích của búa đóng cọc, N
Ngun lý hoạt động: Sau khi đi của chng búa đã ốp vào đầu cọc, hệ thống
thủy lực dẫn động búa bắt đầu hoạt động. Lực xung kích do pít tơng búa tạo ra sẽ tác dụng vào choòng búa và truyền sang đầu cọc để cọc chìm vào nền. Trong quá trình thực tế khai thác, người ta sử dụng lực của XLTL để tận dụng trọng lượng của máy nén ép lên đầu cọc, làm tăng hiệu quả đóng cọc. Do dùng chung một bơm nên BTL và XLTL làm việc độc lập với nhau và q trình đóng cọc diễn ra theo từng chu trình: ép cọc xuống bằng XLTL trước rồi BTL tiến hành đóng cọc, sau đó lại ép và đóng cọc đến khi đạt độ sâu theo yêu cầu.
Để xây dựng mơ hình ĐLH cho XLTL nâng hạ cần treo búa trong q trình đóng cọc, NCS đề xuất các giả thiết như sau [64]:
1. Van an tồn được coi như khâu khơng tuyến tính và khơng qn tính; 2. Lực cản nội ma sát của XLTL được tính đến thơng qua hiệu suất cơ khí c;
3. Mô đun đàn hồi của dầu trong ống dẫn không phụ thuộc vào áp suất trong hệ thống; 4. Tổn thất năng lượng trong hệ thống được tính như ma sát và mất mát thể tích của bơm thủy lực;
5. Khơng xét đến qn tính của dầu trong quá trình hệ thống thủy lực làm việc;
6. Các thông số kỹ thuật của dầu (trọng lượng riêng, độ nhớt, mô đun đàn hồi) được coi là hằng số;
7. Tổn thất lưu lượng của bơm thủy lực trong giới hạn chế độ làm việc tỉ lệ với áp suất trong đường ống;
8. Về tương tác giữa các đối tượng thi công chỉ xét ma sát giữa cọc và nền đất.
9. Trong q trình đóng cọc, quả búa ln tì lên đỉnh cọc nên có thể coi trọng lượng của búa chỉ tác dụng lên cọc mà khơng treo lên cần;
10. Sự chìm cọc vào nền là do lực tác dụng của đầu búa lên cọc và lực ép của XLTL nâng hạ cần treo búa (lực tác dụng của đầu búa không trực tiếp tương tác với cần nâng và hệ thống xi lanh do liên kết cơ học là các chốt bản lề);
11. Mơ men lực do búa gây ra khi đóng cọc khơng tác dụng lên XLTL (do cơ cấu bình hành cho phép dao động);
12. Lực cản đầu cọc truyền qua thân búa tác dụng lên cần và hệ thống XLTL nâng cần; 13. Không xét đến ảnh hưởng của dao động khung máy do sự đàn hồi của bộ di chuyển bánh lốp đến hoạt động của XLTL;
14. Không xét đến ma sát giữa BTL và cột dẫn hướng;
15. Động cơ diezel ln làm việc trên đường đặc tính ngồi (cơng suất động cơ đạt giá trị danh nghĩa ở số vòng quay danh nghĩa).
Từ các giả thiết trên đây và từ sơ đồ của máy đóng cọc hộ lan khi tiến hành đóng cọc như trên hình 2.20, NCS đã xây dựng được mơ hình ĐLH của XLTL nâng hạ cần treo búa như hình 2.21:
P1,A1 P2 ,A2 m Z mZ mg : FXL Pc(t) Pt 7 8 3 5 4 M Pat Qat rb nb Vb Pa B A Ea P T Pt 1 2 6 Pa Hình 2.21. Mơ hình động lực học của xi lanh thủy lực nâng hạ cần
treo búa khi đóng cọc
1- Thùng đựng dầu; 2- Bộ lọc dầu; 3- Động cơ lai bơm; 4- Bơm
thủy lực; 5- Van an toàn; 6- Van phân phối; 7- XLTL nâng hạ cần treo búa; 8- Khối lượng quy dẫn
của cần treo búa
b. Mơ hình tốn
Để xây dựng mơ hình tính tốn động lực học của XLTL khi đóng cọc, theo [64], NCS sử dụng định luật bảo toàn năng lượng viết cho phương trình dịng chảy liên tục (phương trình cân bằng lưu lượng) của dầu công tác trong các đường ống và phương trình cân bằng lực của hệ XLTL - cọc trong q trình đóng cọc.
- Phương trình cân bằng lưu lượng:
Theo mơ hình ĐLH như trên hình 2.21 thì phương trình cân bằng lưu lượng trong đường ống cao áp của XLTL khi đóng cọc được viết như sau:
b rb at E xl bua
Q −Q −Q −Q −Q −Q = 0 (2.70)
Hay: Q = QE b −Qrb −Qat −Qxl−Qbua (2.71) + Lưu lượng của bơm thủy lực:
3
b b b
Q =V n , m / s (2.72) Với: Q - Lưu lượng của bơm thủy lực, b 3
m / s ; V - Lưu lượng riêng của bơm thủy lực, b
3
m / vòng ; n - b Số vòng quay của bơm thủy lực, vòng / s. + Lưu lượng rò rỉ ở bơm thủy lực:
3
rb b a
Q =r P , m / s (2.73) Với: Q - Lưu lượng rò rỉ của bơm thủy lực, rb 3
m / s ; r - b Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực,( 3 )
m / s / Pa ; P - a Áp suất của dầu công tác trong đường ống cao áp,Pa . Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực được xác định:
( ) ( ) b b b 3 b b V n 1 η r , m / s / Pa P − =
Với: nb - Số vòng quay danh nghĩa của bơm thủy lực, vòng/s; P - b Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực, Pa ; b- Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực.
+ Lưu lượng dầu qua van an toàn tổng:
( ) 3
at a at at
Q = P −P k , m / s (2.74) Nếu (Pa −Pat)0 thì Qat =(Pa −Pat)kat, ngược lại Qat =0
Với: Pat- Áp suất cài đặt của van an toàn tổng, Pa ; kat- Hệ số lưu lượng qua van an toàn tổng, ( 3 )
m / s / Pa .
+ Lưu lượng dầu cấp cho xi lanh:
3
xl 2
Q =A Z , m /s (2.75) Với: A - Diện tích tiết diện của khoang cán (khoang cao áp) của xi lanh, 2 m ; Z - Vận 2
tốc ép của xi lanh, m / s .
+ Lưu lượng dầu làm biến dạng hệ thống:
a E a dP Q E , dt = m /s 3 (2.76)
Với: E - a Mô đun biến dạng đàn hồi trong đường ống cao áp, biến dạng này được xác định như sau: d c d k k c c k k d d c 3 a E d a E d 1 . 1 . E E V V E , m / P E E + + = + (2.77)
Trong đó: V - c Thể tích dầu cơng tác trong đường ống dẫn bằng cao su, 3
m ;
k
V - Thể tích dầu cơng tác trong đường ống dẫn bằng kim loại, 3
m ; E - c Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống dẫn bằng cao su, Pa ; E - k Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống dẫn bằng kim loại, Pa ; d - c Đường kính trong của ống dẫn dầu bằng cao su, m ; d - Đường kính trong của ống dẫn dầu bằng kim loại, k m ; c- Chiều dày của ống dẫn dầu bằng cao su, m ; k- Chiều dày của ống dẫn dầu bằng kim loại, m .
Thể tích dầu cơng tác trong đường ống dẫn bằng cao su được xác định như sau:
2 3 c c c π.d V l . , m 4 =
Với: l - c Chiều dài đường ống dẫn dầu bằng cao su, m
2 3 k k k π.d V l . , m 4 =
Với: lk- Chiều dài đường ống dẫn dầu bằng kim loại, m + Lưu lượng dầu cấp cho búa thủy lực: 3
bua
Q , m / s.
Thay các phương trình (2.3), (2.4), (2.5), (2.6), (2.7) vào (2.2) ta có:
( ) a a b b b a a at at 2 bua dP E V n r P P P k A Z Q dt = − − − − − (2.78) - Phương trình cân bằng lực:
Phương trình cân bằng lực trên xi lanh nâng hạ cần khi đóng cọc được xác định như sau: ( ) qt xl c F −F +P t −mg=0 (2.79) Hay: Fqt =Fxl+mg−P tc( ) (2.80) + Lực quán tính: qt F =m.Z (2.81)
Với: m - Khối lượng quy dẫn về đầu cán pít tơng của XLTL trong q trình đóng cọc, kg ;
c b p
m=m +m +m , kg
Với: m - Khối lượng của cần treo búa quy dẫn về đỉnh cán pít tơng (đỉnh XLTL nâng c hạ cần), kg ; m - b Khối lượng quy dẫn của búa về đỉnh XLTL nâng hạ cần, kg ;
p
m - Khối lượng của pít tơng và cán pít tơng, kg ; + Lực tác dụng của XLTL:
Fxl =(A P2 a−A P1 t)ηc, N (2.82) Với: F - xl Lực tác dụng của XLTL khi đóng cọc, N; c- Hiệu suất cơ khí của XLTL;
1
A - Diện tích tiết diện của pít tơng ở khoang bụng của XLTL, 2
m ; A - Diện tích tiết 2 diện của pít tơng ở khoang cán của XLTL, 2
m ; P1=Pt- Áp suất của dầu ở khoang bụng của XLTL, Pa ; P2 =Pa- Áp suất của dầu ở khoang cán của XLTL, Pa .
+ Lực tác dụng của cần lên đỉnh XLTL trong q trình đóng cọc: P t c( )
Trong mơ hình ĐLH của XLTL nâng hạ cần treo búa ở hình 2.21, BTL đã được quy dẫn khối lượng về m, và ảnh hưởng của xung lực đóng cọc P t ( ) của BTL được coi là ngoại lực tác dụng lên hệ đã được đưa vào phương trình một cách gián tiếp thông qua P t . c( ) Đây là lực thay đổi trong q trình đóng cọc - phụ thuộc vào vị trí của cần trong q trình đóng cọc và phụ thuộc vào chiều sâu của cọc trong nền; P t c( ) được xác định bằng việc xét cân bằng của cần.
Từ hình 2.20, xét cân bằng mơ men đối với điểm E ta có: E M 0 = Suy ra: ( ) ms c ( ) cb c F R P t c G .b P t , N a + − − = (2.83)
Với: G - Trọng lượng của cần và búa, quy dẫn về trọng tâm cần, N; cb F - Lms ực ma sát của nền đất vào thành cọc (thay đổi theo chiều sâu đóng cọc vào nền), N; Rc - Lực cản của nền đất vào đầu cọc (thay đổi theo chiều sâu đóng cọc vào nền), N;
( )
P t - Lực xung kích của BTL để đóng cọc, N; a, b, c - Các kích thước phụ thuộc vào vị trí của cần treo búa quay quanh khớp E trong khi đóng cọc, m