Phương trình động học của lớp đất thứ j dưới biến dạng theo chiều dọc như sau:
2 2 2 2 2 j j j j j j j j j 2 2 2 j 2 j 2 j 2 2 2 j j j j 2 j 2 w G w 1 w w w w ( 2G ). G . . z r r r r t z t w w w 1 . . t r r r t + + + + + + + + = (1.1) Với: 2 j Ej j/ (1 j)(1 2 ), Gj j j.(V )j = + − = Trong đó:
• j; Gj; wj=wj(r,,z,t); j; Ej; j;Vj và nj lần lượt là hằng số, độ dịch chuyển theo chiều thẳng đứng, mật độ, phương trình co giãn, tỷ số Poisson, vận tốc cắt và hệ số giảm độ nhớt của lớp đất thứ j.
Ngoài ra, nhóm tác giả cịn xây dựng phương trình động lực học của vành dẫn hướng.
Gọi WjP= WjP(r,,z,t) là độ dịch chuyển theo chiều dọc của vành dẫn hướng thứ
j ta có phương trình động lực học của vành dẫn hướng thứ j như sau:
2 p 3 p 2 p j j j p p p p p p p j j 2 j j 2 j 2 j j,o rzj j,o w w w E A A m r (r , , z, t) 0 z z t t + − − = (1.2)
Nhận xét: Sau khi phân tích, nhóm tác giả trong [67] sử dụng phép biến đổi Laplace và tách biến để giải các phương trình trên. Để kiểm định tính hợp lý của các giả định đối với vành dẫn hướng và tương tác lớp đất, nhóm tác giả đã thí nghiệm động trên một tấm tồn diện tại hiện trường. Vậy cơng trình nghiên cứu trên tuy có đề cập đến ĐLH của vành dẫn hướng nhưng ĐLH hệ thống truyền động thủy lực của cơ cấu thì chưa được xét tới.
Theo [63], nhóm tác giả tập trung thể hiện các đặc tính về ĐLH của cơ cấu giá dẫn hướng của MKCN kiểu gầu xoay, đồng thời cũng đề cập đến việc cải hoán một vài bộ phận quan trọng của hệ thống thủy lực trong quá trình nâng. Đầu tiên, tác giả thiết lập mơ hình ĐLH của cơ cấu giá dẫn hướng dựa trên phương pháp Newton-
Euler, sau đó xây dựng một tập hợp các thơng số vị trí cài đặt tối ưu thơng qua việc phân tích và so sánh các đặc tính động trong q trình nâng bằng cách thay đổi vị trí
của cơ cấu nâng.
Cấu tạo giá dẫn hướng bộ công tác của MKCN kiểu gầu xoay bao gồm có cơ cấu hình tam giác nối khung, xi lanh thủy lực điều chỉnh độ nghiêng của giá dẫn hướng và giá dẫn hướng được thể hiện trong Hình 1.7 dưới đây. Trong quá trình nâng, tay nâng, thanh nối, giá đỡ cột dẫn hướng và các xi lanh thủy lực tay nâng không dịch chuyển; giá dẫn hướng quay quanh bản lề tại điểm F dưới tác động của xi lanh thủy lực điều chỉnh độ nghiêng của giá dẫn hướng.
MKCN kiểu gầu xoay động giá dẫn hướng bộ công tác của MKCN kiểu gầu xoay
Phương trình vận tốc và gia tốc của xi lanh thủy lực điều chỉnh độ nghiêng của giá dẫn hướng có thể được mơ tả như sau:
* 1 2 2 2 3 3 2 2 3 3 2 2 2 3 3 3 2 3 3 3 2 2 3 3 2 r r sin r r
r cos( ) r 2 r sin( ) r cos( )
r sin( ) = − + − − − − = − (1.3)
Sơ đồ mạch thuỷ lực của xi lanh thuỷ lực điều chỉnh độ nghiêng giá dẫn hướng được biểu thị trên hình sau đây:
Hình 1.9. Sơ đồ mạch thuỷ lực của xi lanh
điều chỉnh độ nghiêng giá dẫn hướng
Hình 1.10 Sơ đồ khối của chương trình
Matlab Simulink
Với các thơng số của một máy cụ thể ngồi thực tế, đã thu được kết quả sau đây:
Hình 1.11. Quá trình thay đổi lực trên cán piston của xi lanh thuỷ lực điều chỉnh độ
nghiêng giá dẫn hướng theo thời gian tại các vị trí lắp đặt khác nhau
Hình 1.12. Q trình thay đổi lực ép của khớp bản lề tại điểm F của khớp bản lề tại điểm F
Nhận xét: Mơ hình mơ phỏng cơ cấu giá dẫn hướng của MKCN kiểu gầu xoay được xây dựngbằng cách sử dụng phương pháp mơ hình hóa tổng hợp, nhóm tác giả
Các vị trí lắp đặt r2 khác nhau của giá dẫn hướng
L ự c tr ên c án p ist o n (N ) Các vị trí lắp đặt r2 khác nhau của giá dẫn hướng L ự c ép c ủ a k h ớ p b ả n l ề t ạ i đi ể
trong [63] đã tiến hành thay đổi vị trí lắp đặt của xi lanh điều chỉnh góc nghiêng giá dẫn hướng, kết quả phân tích cho thấy vị trí lắp đặt hợp lý của xi lanh là một trong những yếu tố quan trọng khi thiết kế chế tạo thiết bị này. Phương pháp mơ hình hóa tổng hợp ở trên là cơ sở áp dụng cho các bài toán thiết kế cơ cấu giá dẫn hướng của các loại MKCN tương tự khác. Vậy có thể thấy rằng, cơng trình trên chủ yếu chỉ dừng lại ở việc mô phỏng ĐLH cơ cấu giá dẫn hướng của MKCN mà chưa xét đến ĐLH hệ thống TĐTL của máy.
1.2.2. Tổng quan các cơng trình nghiên cứu về phân tích, tối ưu hố kết cấu của máy khoan cọc nhồi
Theo [66], nhóm tác giả đưa ra mơ hình và sơ đồ TĐTL của một loại MKCN
kiểu gầu xoay (Rotary drilling rig- RDR) điển hình hiện nay như sau:
Hình 1.13. Sơ đồ mạch thuỷ lực của 1 loại máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay (RDR) 1-Hệ thống truyền động; 2-Bơm thuỷ lực; 3- Bơm thay đổi lưu lượng; 4- van giảm áp;
5- Cơ cấu tăng áp lực khoan; 6- Hệ thống quay không tải; 7- Cơ cấu điều khiển mâm quay; 8-Van điều khiển của bộ tời; 9- Động cơ thủy lực với van cân bằng;
10- Hộp số; 11- Bộ tời.
Khi khoan tạo lỗ, các trạng thái làm việc quan trọng nhất của (RDR) thường là
nâng, hạ, tăng áp lực khoan, khoan, nâng gầu lên và quay khơng tải. Hình 1.14 dưới
đây chỉ ra các hoạt động điển hình trong một chu kỳ làm việc của máy. Khi đó một lượng lớn năng lượng tiềm năng của (RDR) đã được tiêu thụ dưới dạng nhiệt ở trạng
thái khi thả gầu khoan đi xuống.
Bộ điều khiển Độn cơ Truyền tín hiệu Bộ truyền cơ khí Bộ truyền thủy lực Tải
Hình 1.14. Sơ đồ trạng thái điển hình của máy khoan cọc nhồi 0-Trạng tháichờ; 1- Trạng thái hạgầu đi xuống, 2- Trạng thái tăng áp lực 0-Trạng tháichờ; 1- Trạng thái hạgầu đi xuống, 2- Trạng thái tăng áp lực
khoan và khoan; 3- Trạng thái nâng gầu lên; 4- Trạng thái quay khơng tải;
Theo nhóm tác giả [66], hệ thống khoan kiểu gầu xoay (RDR) bao gồm động cơ, cơ cấu tăng áp lực khoan, cơ cấu quay, thanh Kelly và hệ thống tời. Trong một chu kì làm việc, thế năng của tải trọng sẽ bị mất dưới dạng nhiệt thông qua van cân bằng khi các mũi khoan và cần khoan được thả xuống các lỗ dưới lịng đất từ vị trí khơng tải. Ngồi ra, động cơ luôn phải hoạt động để đáp ứng các yêu cầu về công suất trong các điều kiện làm việc khác nhau. Sự phức tạp của điều kiện làm việc khiến động cơ không thể làm việc được tốt nhất, điều này dẫn tới sự tiêu hao nhiên liệu của động cơ với sự thay đổi điều kiện làm việc theo đường cong tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Chính vì vậy, nhóm tác giả [66] đã đưa ra sơ đồ hệ TĐTL hệ thống khoan kiểu gầu lai Hybrid (HDR) dưới đây:
Hình 1.15. Hệ TĐTL của hệ thống khoan kiểu gầu lai (hybrid) HDR
1-Hệ thống truyền động; 2-Bơm thuỷ lực; 3- Bơm thay đổi lưu lượng; 4- Bình ắc
quy cao áp; 5- Bình chứa thuỷ lực áp lực thấp; 6- Thiết bị điều khiển I; 7- Thiết bị
điều khiển II; 8- Bộ truyền động thuỷ lực của cơ cấu tăng áp; 9- Động cơ thuỷ lực của cơ cấu quay; 10- Thiết bị điểu khiển III; 11- Thiết bị điều khiển IV; 12- Động cơ thuỷ lực của mâm quay; 14- Động cơ thuỷ lực của bộ tời; 14- Hệ thống truyền
động II; 15- Hệ thống truyền động III; 16- Bộ tời
X: Thời gian [s] Y : Cô n g su ấ t [kW ]
Trong trạng thái chờ và trạng thái hạ tải của hệ thống HDR, động cơ luôn làm việc ở vùng cao của biểu đồ, do đó một lượng lớn năng lượng cơ học khơng cần thiết cho động cơ có thể được chuyển thành năng lượng điện thông qua mô tơ điện/máy phát I và được lưu trữ trong siêu tụ điện. Sự khác biệt chính so với thiết bị điều khiển bằng thủy lực truyền thống thông thường là nguồn năng lượng của HDR chủ yếu được cung cấp với hai loại luồng năng lượng là năng lượng cơ học được sản xuất bởi động cơ và năng lượng điện được tạo ra bởi các siêu tụ điện.
Nhận xét: Các tác giả [66] đã phân tích so sánh hiệu quả kinh tế về mặt chi phí
nhiên liệu giữa hệ thống khoan kiểu gầu xoay (RDR) và hệ thống khoan kiểu gầu lai
(hybrid)-HDR theo phương pháp ngưỡng-logic trong cùng một điều kiện hoạt động
chung. Kết quả cho thấy hiệu quả tiết kiệm năng lượng của hệ thống khoan kiểu gầu lai (hybrid) là 18,8% và hiệu suất sử dụng nhiên liệu của hệ thống khoan kiểu gầu lai (hybrid) đạt 15,9% trong điều kiện hoạt động điển hình. Vậy có thể thấy rằng, nội
dung đưa ra là tối ưu hóa về chi phí nhiên liệu của thiết bị, việc tối ưu hóa các thơng
số kết cấu và thông số làm việc của thiết bị chưa được đề cập đến.
Trong [62], nhóm tác giả đã đưa ra mơ hình cơ học của cần khoan trên MKCN
kiểu gầu xoay mã hiệu XR180L. Cần khoan trên MKCN XR180L là một trong những phần chính của thiết bị, có kết cấu thép dạng hộp, bản thân cần chịu tác dụng của các loại tải trọng trong quá trình làm việc. Độ cứng của kết cấu cần khoan có thể ảnh hưởng trực tiếp đến q trình làm việc của máy khoan cọc nhồi. Vì vậy,việc nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu thép của cần khoan trên MKCN kiểu gầu xoay là cấp thiết và
có ý nghĩa trong việc thiết kế chế tạo và vận hành máy.
Theo nhóm tác giả, cần khoanlàm việc ở các trạng thái khácnhau như trạng thái cần được nâng lên, trạng thái khoan nâng, trạng thái khoan, trạng thái nâng gầu đổ đất, trạng thái khi dịch chuyển. Những trạng thái như nâng cần, trạng thái nâng gầu khoan và trạng thái khoan là những trạng thái làm việc hết sức quan trọng của cần. Vì vậy, nhóm tác giả thực hiện việc phân tích tình hình phân bố ứng suất của giá dẫn hướng ở trạng thái nâng gầu khoan và trạng thái khoan. Nhóm tác giả [62] đã tiến
hành mô phỏng kết cấu của cần khoan gồm 3 phần chính là phần đầu cột, đoạn giữa
và đoạn cột dưới của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay bằng phần mềm tính tốn phần tử hữu hạn ANSYS và đưa ra những kết quả dưới đây:
Hình 1.16. Phân bố ứng suất trên giá dẫn
hướng tại trạng thái lực nâng lớn nhất
Hình 1.17.Chuyển vị của giá dẫn
hướng tại trạng thái lực nâng lớn
nhất
Hình 1.18. Phân bố ứng suất của giá dẫn
hướng ở trạng thái mơ men xoắn cực đại
Hình 1.19. Chuyển vị của giá dẫn hướng
ở trạng thái mô men xoắn cực đại
Nhận xét: Nhóm tác giả [62] đã chỉ ra được một vài vị trí nguy hiểm như là mặt
phẳng tiếp xúc giữa đoạn đầu ngỗng và đoạn cột phía trên, hoặc mặt tiếp xúc giữa đoạn cột giữa và cột dưới. Các phần khác của cần khoanđược coi là an toàn nơi mà sự tập trung ứng suất ít hơn. Những kết luận của cơng trình [62] là cơ sở lý thuyết quan trọng giúp cho việc thiết kế tối ưu hoá phần tử kết cấu sau này của thiết bị. Vậy có thể thấy rằng, trong [62] tác giả mới chỉ dừng lại ở việc tối ưu hóa kết cấu thép của cần dạng hộp, việc tối ưu các thông số của gầu khoan chưa được thực hiện.
Các tác giả [60] đã thực hiện việc tối ưu hóa vị trí lắp đặt bộ tời trên MKCN kiểu gầu xoay. Các bộ phận chính của MKCN gầu xoay bao gồm bộ di chuyển, sàn
máy, tời chính và phụ, cabin, khung liên kết máy cơ sở với cần khoan, cần khoan, cơ cấu dẫn động mâm khoan, gầu khoan như Hình 1.20 dưới đây:
Hình 1.20. Sơ đồ cấu tạo của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay
Nhóm tác giả [60] đã phân tích nội lực trong cần khoan tại 2 vị trí đặt bộ tời
khác nhau như sau:
Hình 1.21. Lực tác dụng lên cần khoan trong trường hợp bộ tời chính đặt trên sàn máy Hình 1.22. Lực tác dụng lên cần khoan trong trường hợp bộ tời chính gắn với phần dưới của cần
Trong [60], các tác giả đã xây dựng hệ trục toạ độ X, Y với tâm là N. Lực dọc trục và mô men xoắn tại một điểm của cần khoan trên máy khoan cọc nhồi được biểu diễn như Hình 1.23 dưới đây. Theo Hình 1.23, lực dọc trục lớn nhất
xuất hiện trong đoạn HI và mô men xoắn lớn nhất xuất hiện trong đoạn KI khi tời chính được gắn trên sàn máy.
Hình 1.23. Biểu đồ lực dọc trục và mô men xuất hiện trên cần khoan của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay trong trường hợp bộ tời chính được đặt trên sàn máy
Tương tự như trên, khi bộ tời chính được gắn ở phần dưới của cầnlực dọc trục lớn nhất xuất hiện trong đoạn GR và có giá trị lớn hơn so với trường hợp bộ tời đặt trên sàn máy. Mô men xoắn lớn nhất xuất hiện tại điểm G và cũng lớn hơn rất nhiều so với trường hợp bộ tời lắp trên sàn máy.
Hình 1.24. Biểu đồ lực dọc trục và mô men xoắn xuất hiện trên cần khoan của máy khoan cọc nhồi kiểu gầu xoay trong trường hợp bộ tời chính được gắn lên trên
phần dưới của cần.
Nhận xét: Nhóm tác giả [60] chỉ ra rằng, khi lắp bộ tời trên sàn máy, lực dọc
trục và mô men xoắn xuất hiện trên giá dẫn hướng đều có lợi hơn nhiều so với khi gắn trên phần dưới của cần. Vậy cơng trình [60] mới đề cập đến vấn đề tối ưu hóa vị trí lắp đặt bộ tời mà chưa xét đến vấn đề tối ưu hóa các thơng số kỹ thuật của bộ cơng
C h i ề u d ài c ầ n k h o an ( m ) (m) Chi ề u d ài c ầ n k h o an ( m ) Lực dọc trục (N) Mô men (N.m) C h i ề u d ài c ầ n k h o an ( m ) C h i ề u d ài c ầ n k h o an ( m ) Lực dọc trục (N) Mơ men (N.m)
tác.
Nhóm tác giả [35] tiến hành xác định các thông số vận hành hợp lý của MKCN
khi làm việc với gầu mở rộng đáy. Đối với một MKCN cho trước, khi lắp gầu mở
rộng đáy lên nó, cần phải biết rõ đường kính cho phép lớn nhất của gầu cũng như các thông số vận hành chủ yếu của thiết bị là tốc độ quay của thanh Kelly và tốc độ mở rộng cánh gầu sao cho máy làm việc hiệu quả và không bị quá tải, thành hố khoan không bị sập. Trước tiên, tác giả [35] đưa ra mơ hình động học của gầu khoan khi cắt
đất và được mơ tả như Hình 1.25. dưới đây. Khi gầu vừa quay vừa mờ rộng cánh, quá
trình cắt đất được thực hiện. Trên gầu xuất hiện mô men cản đào tác dụng lên thanh
Kelly như sau:
MX=M1+Mh+Mms (1.4)
Trong đó:
• M1 là mô men do lực cản cắt đất thuần túy theo phương tiếp tuyến của 2 lưỡi cắt gây ra, (Nm);
• Mb là mơ men do lực cản của bùn khoan tác dụng lên 2 lưỡi cắt gây ra, (Nm);
• Mms là mơ men cản do lực ma sát trượt giữa đáy gầu, mặt cạnh cánh khoan với
đất, (Nm)
Hình 1.25. Mơ hình khảo sát động học gầu mở rộng đáy gầu mở rộng đáy
Hình 1.26. Mơ hình xác định mơ men cản do lực cản cắt đất gây ra cản do lực cản cắt đất gây ra
Sử dụng phương pháp xác định lực cản cắt của N.G. Dombrovski, các tác giả [35] đã đưa ra mơ hình tính và xây dựng được cơng thức tính lực cản cắt đất, từ đó