Nghiên cứu thiết kế, chế thử búa rung thủy lực 70 tấn ở trong nước

ª PGS. TS. Thái Hà Phi ª ThS. Vũ Văn Trung ª KS. Nguyễn Văn Kựu Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: PGS. TS. Nguyễn Đăng Điệm GS. TS. Chu Văn Đạt

Tóm tắt: Bài báo trình bày tóm tắt kết quả nghiên cứu của đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ, mã số B2013-04-09: “Nghiên cứu thiết kế, chế thử búa rung thủy lực 70 tấn”. Sản phẩm của đề tài - búa rung thủy lực 70 tấn hiện nay đã được chuyển giao cho Công ty 473 - Cienco4 đang thi công cầu Đồng Quang, huyện  Ba Vì, TP. Hà Nội.

Từ khóa: Búa rung, búa rung dẫn động thủy lực, búa rung thủy lực.

Abstract: The article present the research result summary of the project scientific research, code: B2013-04-09: “Research to design and manufacture a 70 tons hydraulic vibratory hammer”. The project of produce - hydraulic vibratory hammer 70-tons has transferred to Company 473 - Cienco4 which has executed Dong Quang bridge (Ba Vi - Ha Noi).

Keywords: Hydraulic vibratory hammer, hydraulic vibratory pile driving equipment, hydraulic vibro driver, hydraulic vibro hammer.

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, nhu cầu cơ giới hóa trong công tác xây dựng công trình ở Việt Nam đang là vấn đề sống còn đối với các đơn vị thi công và cũng là giải pháp chính mà các nhà thầu sử dụng nhằm nâng cao chất lượng thi công, đồng thời đẩy nhanh tiến độ và rút ngắn thời gian thi công, mang lại hiệu quả kinh tế. Do vậy, trong những năm gần đây, nhiều đơn vị đã rất chú trọng và quan tâm đến việc đầu tư thiết bị phục vụ cho quá trình thi công. Tuy nhiên, hầu hết các loại máy móc và thiết bị phục vụ thi công các công trình hạ tầng giao thông ở nước ta hiện nay đều là các thiết bị nhập ngoại và số lượng thiết bị thi công được sản xuất trong nước chiếm một tỷ trọng rất nhỏ, chính vì vậy mà trong những năm vừa qua, Nhà nước đã đưa ra nhiều chính sách nhằm hỗ trợ và thúc đẩy công tác chế tạo các thiết bị thi công trong nước. Xuất phát từ vấn đề trên, nhóm tác giả đã tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế thử búa rung thủy lực 70 tấn ở trong nước” nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế, chế tạo các loại búa rung thủy lực nói riêng, búa rung nói chung nhằm phục vụ nhu cầu thi công các công trình ở trong nước.

Búa rung là thiết bị được sử dụng rất rộng rãi và phổ biến trong công tác thi công các công trình hạ tầng, trong đó có các công trình giao thông. Hiện nay, ở trong nước, các đơn vị thi công thường sử dụng búa rung dẫn động điện để hạ cọc (cọc thép, cọc ván thép…). Tuy nhiên, búa rung dẫn động điện có nhược điểm lớn là: Hoặc là không thay đổi được tần số rung động hoặc nếu có thay đổi thì phải phải có thiết bị phụ trợ đi kèm (biến tần...), vì vậy đối với các búa rung lớn để điều chỉnh tần số rung trở nên khó khăn. Mặt khác, chúng ta biết rằng, cùng một loại cọc như nhau nhưng khi thi công trong những điều kiện địa chất khác nhau để quá trình hạ cọc hiệu quả nhất thì yêu cầu búa rung phải có lực rung, biên độ và tần số rung động phù hợp khác nhau. Từ quá trình thi công thực tế bằng búa rung dẫn động điện cho thấy, với một loại cọc nhất định hai búa rung có cùng công suất động cơ điện như nhau nhưng có búa hạ được cọc, có búa không hạ được cọc, do tần số của quả búa không phù hợp với địa chất tại vị trí thi công. Thực tế này đã xảy ra ở nhiều đơn vị thi công dẫn đến hư hỏng nhiều búa rung điện. Xuất phát từ những thực tế trong quá trình thi công bằng búa rung của các đơn vị thi công, để khắc phục các nhược điểm của búa rung dẫn động điện, nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu thiết kế, chế tạo búa rung dẫn động thủy lực với những ưu điểm nổi bật là hoàn toàn có thể điều chỉnh được tần số rung một cách vô cấp và dễ dàng, có thể sử dụng nguồn dầu thủy lực từ các loại máy cơ sở phục vụ thi công (cần trục, máy xúc...). Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo búa rung thủy lực 70 tấn” đã đáp ứng nhu cầu sử dụng búa rung của các đơn vị thi công trong nước với giá thành rẻ chỉ bằng 40 - 50 % giá thành nhập ngoại.

2. Nội dung nghiên cứu

2.1. Các tiêu  chí cần đạt được trong thiết kế chế tạo búa rung thủy lực

2.1.1. Chất lượng

- Phù hợp về tính năng kỹ thuật theo các thông số kỹ thuật của đề tài đã được phê duyệt;

- Vận hành ổn định;

- Sản phẩm làm ra đạt yêu cầu về chất lượng của cơ quan kiểm định chất lượng của ngành GTVT.

2.1.2. Kinh tế

- Máy chế tạo ra phải có giá thành rẻ hơn so với máy nhập ngoại từ 40% - 50% với chất lượng tương đương;

- Có thể chế tạo được trong nước các chi tiết, cụm chi tiết thay thế khi cần mà không cần nhập ngoại.

2.1.3. Môi trường

- Tiết kiệm nhiên, nguyên vật liệu do có thể sử dụng nguồn động lực của máy cở sở (cần trục bánh xích, máy xúc...) để dẫn động nên không cần thiết phải có thêm nguồn động lực cấp riêng cho quả búa;

- Giảm khí độc hại, không gây không gây ô nhiễm môi trường, ít gây ồn và chấn động đến các công trình phụ cần hơn so với các loại búa khác.

2.2. Xác định các thông số cơ bản của búa rung thủy lực

Việc xác định các thông số cơ bản của búa rung thủy lực được nhóm tác giả căn cứ trên hiệu quả đóng cọc thông qua 3 điều kiện:

- Điều kiện thứ nhất: Lực rung động sinh ra trong quá trình đóng cọc phải lớn hơn hoặc bằng tổng các lực ma sát cản trở quá trình đóng cọc.

- Điều kiện thứ hai: Biên độ dao động lớn nhất của búa phải lớn hơn biên độ dao động của cọc và đất bó xung quanh thân cọc.

- Điều kiện thứ ba: Tổng trọng lượng tĩnh của búa - cọc phải lớn hơn tổng lực cản thẳng đứng ở đầu cọc (với búa rung kiểu cứng và kiểu mềm) và tổng trọng lượng tĩnh của búa - cọc và lực xung kích phải lớn hơn tổng lực cản thẳng đứng ở đầu cọc (với búa va rung).

Từ cơ sở các điều kiện trên, nhóm tác giả đã tiến hành xác định được các thông số của búa rung, cụ thể như sau:

- Lực rung: P = 70 tấn;

- Số vòng quay của trục gây rung: n = 2.200 v/ph;

- Trọng lượng búa: G_b = 2,5 tấn;

- Vận tốc góc trục gây rung: ω = 230,38 rad/s;

- Mô-men quả lệch tâm: M = 12,94 kG.m;

- Biên độ dao động của búa: A_b = 5,2mm;         

 - Công suất của búa rung: N = 90kW.

Qua việc tính toán thiết kế, xác định các thông số của búa rung thủy lực 70 tấn đề tài đã:

- Xây dựng tập bản vẽ kỹ thuật các chi tiết của búa rung thủy lực 70 tấn;

- Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết của búa rung thủy lực 70 tấn.

2.3. Nghiên cứu động lực học của búa rung thủy lực 70 tấn

- Giả thiết tính toán: Bỏ qua hệ số cản nhớt và hệ số cản đàn hồi của nền và bộ phận gây rung được kẹp chặt nên cọc nên coi khối lượng của phần gây rung và khối lượng cọc được quy kết thành một khối lượng (M_vib). Phần khối lượng của thanh treo phía trên được qui kết thành một khối lượng (M_s).

Hình 2.1: Mô hình động lực học của búa rung thủy lực 70 tấn

 

- Phương trình vi phân: Theo định luật 2 Newton, ta xây dựng được phương trình chuyển động của hệ búa - cọc như sau:

                                 

 

 

 

Trong đó:

u’’ - Gia tốc của cọc (m/s²);                               

M_tot -  Tổng khối lượng búa rung - cọc (kg);

M_vib - Khối lượng phần rung (gồm bệ gây rung, kẹp cọc và cọc) (kg);          

m_e - Mô-men lệch tâm (kg.m);

ω - Vận tốc góc trục lệch tâm (rad/s);                                   

r - Bán kính quy đổi của cọc (m);

h_i - Chiều sâu đóng cọc (m);

τ_i - Lực cản bó thân cọc của nền tác dụng lên cọc, kPa);

T_toe - Lực cản đầu cọc (kN).

- Xây dựng chương trình tính bằng phần mềm Matlab - Simulink:

Hình 2.2: Sơ đồ thuật toán mô tả phương trình chuyển động trên Matlab

 

- Các thông số sử dụng trong mô hình:

 

- Kết quả tính toán động lực học của búa rung:

Hình 2.3: Đồ thị biểu diễn gia tốc, vận tốc và chuyển vị của búa rung thủy lực

 

2.4. Các sản phẩm của đề tài

Đề tài đã đạt được các kết quả sau đây:

- Đã khảo sát thực trạng và đánh giá được nhu cầu sử dụng búa rung thủy lực trong thi công nền móng các công trình xây dựng giao thông ở Việt Nam. Việc chế tạo thành công búa rung thủy lực đem lại hiệu quả sử dụng và giải quyết các nhu cầu thực tiễn trong vấn đề thi công nền móng hiện nay.

- Đã nghiên cứu, khảo sát các loại búa rung mẫu của các hãng trên thế giới, trên cơ sở đó đã lựa chọn được phương án thiết kế búa rung thủy lực chế tạo ở trong nước với những phương án thiết kế phù hợp cụ thể như sau: Đề tài lựa chọn phương án búa rung gồm 4 trục gây rung đặt trên 4 đỉnh của hình thang cân, truyền động từ động cơ gây rung đến các trục sử dụng bánh răng trên các trục sử dụng các vòng bi loại nhỏ, giá thành rẻ, thông dụng trên thị trường và thiết kế mạch thủy lực tự khử “E” trong hệ thống.

- Trong nội dung nghiên cứu của đề tài đã đề xuất nhiều giải pháp công nghệ phù hợp với điều kiện chế tạo trong nước cụ thể như sau: Gia công vỏ búa là giai đoạn quan trọng nhất, do đó đề tài đã đề ra giải pháp là gia công từng công đoạn kết hợp với hoàn thiện từng công đoạn. Gia công các lỗ trục gây rung trong 01 lần gá kẹp để đảm bảo độ chính xác yêu cầu. Các trục, bánh răng được tôi cao tần và thấm than nên chịu lực tốt, chịu mỏi tốt.

- Trên kết quả nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực của búa rung thủy lực, đề tài đã đưa ra được các kết luận như sau: Áp suất của hệ thống thay đổi với giá trị nhỏ khi búa rung làm việc với tần số nhỏ, công suất của búa rung giảm nhanh hơn mức độ giảm của vận tốc làm việc của búa. Mức độ giảm của áp suất làm việc lớn hơn mức độ giảm của vận tốc làm việc của búa, do đó hệ thống thủy lực của búa làm việc ổn định hơn khi búa làm việc với vận tốc thấp.

- Búa rung thủy lực có thể tích hợp được với các máy cơ sở là: Máy đào truyền động thủy lực, giá búa đóng cọc, cần trục tự hành bánh xích. Trong thực tế thi công nền móng các công trình xây dựng giao thông thì máy cơ sở phù hợp nhất để lắp búa rung thủy lực là cần trục tự hành bánh xích. Đề tài đã xác định được các điều kiện phù hợp của cần trục tự hành bánh xích với búa rung thủy lực về nguồn động lực, hệ điều khiển, hệ truyền động thủy lực và ổn định.

- Sản phẩm búa rung thủy lực do đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo đã được chuyển giao cho Công ty Xây dựng công trình 473 (Cienco4 - Bộ GTVT ), để thi công nền móng cầu Đồng Quang nối giữa Ba Vì - Hà Nội với Phú Thọ qua sông Đà. Giá thành của búa rung thủy lực 70 tấn được chế tạo trong nước bằng 50% giá thành búa rung thủy lực nhập ngoại.

- Trong quá trình thực hiện đề tài đã đào tạo thành công 01 kỹ sư, 02 thạc sỹ và công bố 3 bài báo trên các tạp chí khoa học ở trong nước.

3. Kết luận và kiến nghị

3.1. Kết luận

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế thử búa rung thủy lực 70 tấn” mã số B2013-04-09 đã chế tạo thành công búa rung thủy lực 70 tấn và đã chuyển giao búa cho các đơn vị xây dựng công trình giao thông của ngành GTVT.

3.2. Kiến nghị

Do tính chất nền của các công trình giao thông ở Việt Nam rất phức tạp nên trở lực cản trong quá trình đóng cọc thay đổi rất thất thường, do đó để nâng cao hiệu quả khai thác búa rung thủy lực nên nghiên cứu thiết kế chế tạo búa rung thủy lực có hệ truyền động được điều khiển linh hoạt theo tải. Đây sẽ là hướng nghiên cứu tiếp theo của nhóm tác giả, rất mong nhận được sự ủng hộ của các cơ quan quản lý khoa học các cấp.

Tài liệu tham khảo

[1]. PGS. TS. Nguyễn Bính (2005), Máy thi công chuyên dụng, NXB. GTVT.

[2]. Kenneth Viking,Vibro-Driveability - a field study of vibratory driven sheet piles in non-cohesive soils, Department of Civil and Architectural Engineerring, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden.

[3]. PGS. TS. Thái Hà Phi, ThS. Phạm Trọng Hòa (2012), Nghiên cứu lựa chọn các thông số kỹ thuật hợp lý của búa rung trong thi công đóng cọc thép ở Việt Nam, Tạp chí GTVT, số 5.

[4]. PGS. TS. Thái Hà Phi, ThS. Vũ Văn Trung; KS. Lê Mạnh Hùng (2013), Nghiên cứu tích hợp cần trục cơ sở với búa rung thủy lực 70 tấn chế tạo tại Việt Nam, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số tháng 5.

[5]. PGS. TS. Thái Hà Phi, ThS. Vũ Văn Trung, ThS. Phạm Trọng Hòa (2013), Nghiên cứu khảo sát động lực học hệ thống truyền động thủy lực của búa rung thủy lực 70 tấn lắp trên cần trục bánh xích, Tạp chí Khoa học GTVT, số đặc biệt, tháng 10.

[6]. PGS. TS. Thái Hà Phi, ThS. Vũ Văn Trung, ThS. Lê Toàn Thắng (2014), Nghiên cứu khảo sát động lực học búa rung thủy lực lắp trên cần trục bánh xích thi công trên các công trình GTVT, Tạp chí Khoa học GTVT, số tháng 3.

[7]. PGS. TS. Thái Hà Phi, Nghiên cứu thiết kế, chế thử búa rung thủy lực 70 tấn, Đề tài NCKH cấp Bộ, mã số B2013-04-09.