Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam" do nghiên cứu sinh Nguyễn Ngọc Trung thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Đăng Điệm và PGS. Lê Quang Hanh, bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông Vận tải (năm 2018), thuộc chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực (mã số: 9520116).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa và phát triển hạ tầng tại Việt Nam kéo theo nhu cầu xây dựng các công trình cao tầng, khu công nghiệp và hạ tầng giao thông trên nền địa chất đất yếu (chiếm diện tích lớn tại đồng bằng Bắc Bộ, đồng bằng sông Mê Kông và các dải ven biển). Công nghệ thi công móng cọc bằng máy ép cọc thủy lực di chuyển bước (máy ép cọc rôbốt) được áp dụng rộng rãi nhờ ưu điểm tạo lực ép tĩnh lớn, tốc độ ép nhanh, không gây chấn động nền, không gây tiếng ồn lớn và không làm nứt vỡ kết cấu xung quanh như phương pháp đóng cọc bằng búa xung kích hay rung hạ cọc.

Hầu hết các chủng loại máy ép cọc thủy lực di chuyển bước hoạt động tại Việt Nam đều được nhập khẩu nguyên chiếc từ nước ngoài (chủ yếu từ các nhà sản xuất Trung Quốc như Sunward, Titan, Deboom, T-Work, Jove) với chi phí đầu tư cao. Trong khi đó, ngành cơ khí trong nước chưa có đầy đủ cơ sở khoa học để tính toán, thiết kế và chế tạo nội địa hóa loại thiết bị này. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào việc tính toán kết cấu thép của máy theo quan điểm tĩnh học, chưa giải quyết toàn diện bài toán động lực học của tổ hợp máy trong các điều kiện làm việc thực tế (như quá trình nâng cấp cọc có độ chùng cáp, nâng kết hợp quay mâm quay, quá trình kẹp cọc, ép cọc xuyên qua các tầng địa chất phi đồng nhất và di chuyển bước). Việc thiếu vắng các mô hình động lực học không gian và hệ thống truyền động thủy lực dẫn đến việc chưa xác định chính xác tải trọng động, hệ số động, lực tác dụng lên các chân chống và áp suất động trong các xi lanh làm việc, gây khó khăn cho việc tối ưu hóa kết cấu, tính toán độ bền mỏi, ổn định và xác lập các thông số vận hành hợp lý.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Nghiên cứu động lực học của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong điều kiện thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam nhằm tìm ra quy luật thay đổi của các thông số động lực học trong các trường hợp làm việc điển hình của máy.
  2. Dựa trên các kết quả nghiên cứu thu được, luận án khuyến nghị một số thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) của máy theo quan điểm động lực học.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Máy ép cọc thủy lực di chuyển bước sử dụng trong thi công các công trình xây dựng ở Việt Nam.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về dải thiết bị: Khảo sát các dòng máy ép cọc thủy lực di chuyển bước có lực ép danh định trong khoảng 400 ÷ 1000 Tấn; nghiên cứu thực nghiệm và khảo sát chi tiết trên máy ép cọc ZYJ860B.
    • Về chế độ làm việc: Tập trung vào các quá trình làm việc cơ bản bao gồm: quá trình cẩu cấp cọc (nâng cọc có xét độ chùng cáp, nâng cọc kết hợp quay mâm quay), quá trình kẹp cọc, quá trình ép cọc vào các tầng địa chất đất yếu điển hình tại Việt Nam, và quá trình tự di chuyển dọc của máy.
    • Về không gian và thời gian: Địa tầng khảo sát tập trung tại các khu vực đồng bằng Bắc Bộ (khu công nghiệp Tràng Duệ - Hải Phòng, dự án đường sắt Cát Linh - Hà Đông tại Hà Nội, khu vực Đông Anh - Hà Nội); số liệu thực nghiệm thu thập trong giai đoạn thi công thực tế tại hiện trường năm 2017–2018.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước liên quan

Luận án đã phân loại và điểm lại các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo ba hướng chính:

  1. Nghiên cứu kết cấu thép của máy ép cọc thủy lực:

    • Xu Zhou và cộng sự [62]: Sử dụng phần mềm ANSYS phân tích mô phỏng cơ cấu kẹp cọc, khảo sát sự phân bố ứng suất và chuyển vị khi thay đổi mô đun đàn hồi vật liệu ($E$), hệ số Poisson ($\mu$), lực kẹp và lực ép.
    • Nghiên cứu tương tác má kẹp và cọc bê tông [61]: Thiết lập phương trình xác định lực lớn nhất truyền vào cọc của cơ cấu kẹp theo số lượng tầng kẹp, số bề mặt tiếp xúc, hệ số ma sát tĩnh và áp suất thủy lực.
    • Nghiên cứu mô phỏng hộp kẹp cọc [58]: Ứng dụng ANSYS khảo sát ứng suất và biến dạng của hộp kẹp cọc trong 3 trường hợp: ép bằng 2 xi lanh chính, ép bằng 4 xi lanh và trường hợp nhổ cọc.
    • Nguyễn Thiệu Xuân, Lưu Đức Thạch (2005) [33]: Đề tài NCKH cấp Bộ nghiên cứu thiết kế máy ép cọc thủy lực tự di chuyển lực ép 250 ÷ 800 tấn, tính toán và lập bản vẽ kết cấu cho bàn kẹp, khung ép và dầm chính thân máy.
    • Nghiên cứu khung ép [52]: Sử dụng phần mềm Pro/Engineer và FEM PRO tính toán ứng suất cục bộ lớn nhất trên khung ép máy 800 tấn đạt 340,88 N/mm² (vị trí mặt bích xi lanh) và trường hợp nhổ cọc đạt 222,52 N/mm².
    • Li Shou [49]: Sử dụng SolidWorks phân tích phần tử hữu hạn độ bền phần công son thân máy ép cọc ZYB600F.

  2. Nghiên cứu động lực học cơ cấu cần trục lắp trên máy:

    • Boris Jerman và cộng sự [40]: Xây dựng mô hình động lực học không gian nhiều khối lượng cho cần trục cột quay, thiết lập phương trình Lagrange loại 2 phi tuyến và giải bằng thuật toán Runge-Kutta bậc 4 trên Matlab-Simulink, xác định góc lắc tải trọng tự do đạt tới 26°.
    • Nghiên cứu dao động cần trục tháp [44]: Kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và hệ đa thân thiết lập phương trình vi phân chuyển động có kể đến hàm hao tán Rayleigh và kích thích phi tuyến.
    • Nghiên cứu động lực học cần trục ô tô [38]: Mô hình hóa hệ thống cần trục nhiều khâu khớp phục vụ thuật toán điều khiển và xác định quỹ đạo chuyển động của tải trọng.

  3. Nghiên cứu hệ thống truyền động thủy lực và ổn định thân máy:

    • Li Shuo [50]: Mô phỏng cân bằng thân máy ép cọc trên Matlab theo hai phương thức: điều khiển từng cặp xi lanh và điều khiển đồng thời cả 4 xi lanh chân đỡ.
    • Nghiên cứu hệ thống tự động cân bằng [51]: Phân tích phi tuyến vùng chết của van phân phối lưu lượng trên nền tảng Matlab/Simulink/SimHydraulics, xác lập phương trình cân bằng lưu lượng và cân bằng lực cho xi lanh nâng hạ chân máy.
    • Nghiên cứu động lực học ép cọc [60]: Ứng dụng phần mềm AMESim khảo sát ảnh hưởng của đường kính piston ép và chuyển vị ban đầu đến lực ép và chiều sâu ép cọc.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết

  • Hầu hết các nghiên cứu kết cấu máy ép cọc trong nước mới dừng lại ở tính toán tĩnh, chưa xem xét các điều kiện chịu tải trọng động trong các chu trình vận hành.
  • Các công trình về động lực học cần trục trước đây chỉ khảo sát độc lập, chưa đặt cần trục trong mối quan hệ tương tác động lực học tổng thể với bệ máy ép cọc đặt trên các chân chống thủy lực tựa trên nền đất biến dạng.
  • Chưa có mô hình toán học hoàn chỉnh mô tả đồng thời động lực học không gian của quá trình cẩu cấp cọc (kể đến hiện tượng chùng cáp ban đầu) và động lực học hệ truyền động thủy lực của các cơ cấu kẹp, ép và di chuyển máy trong điều kiện địa chất cụ thể ở Việt Nam.
  • Thiếu các dữ liệu thực nghiệm đo đạc đồng bộ tại hiện trường để kiểm chứng mô hình lý thuyết và thiếu quy trình khoa học để lựa chọn bộ thông số kết cấu và vận hành hợp lý theo quan điểm động lực học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án tiếp cận vấn đề dựa trên lý thuyết động lực học hệ nhiều vật (Multi-body Dynamics) và lý thuyết truyền động thủy lực thể tích:

  • Phương trình vi phân chuyển động Lagrange loại 2: Sử dụng để mô tả động lực học của hệ thống cơ khí không gian nhiều bậc tự do: $$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial T}{\partial \dot{q}_i}\right) - \frac{\partial T}{\partial q_i} + \frac{\partial \Phi}{\partial \dot{q}_i} + \frac{\partial U}{\partial q_i} = Q_i$$ Trong đó: $T$ là hàm động năng; $U$ là hàm thế năng; $\Phi$ là hàm hao tán năng lượng (hàm suy tán Rayleigh); $q_i, \dot{q}_i$ là các tọa độ suy rộng và vận tốc suy rộng; $Q_i$ là lực suy rộng không thế.
  • Hệ phương trình vi phân truyền động thủy lực: Thiết lập dựa trên phương trình liên tục của dòng chất lỏng và phương trình cân bằng lực động học của piston:
    • Phương trình cân bằng lưu lượng tổng quát: $$Q_b - Q_{rrb} - Q_{xl} - Q_E - Q_{at} = 0$$ $$\frac{dp_a}{dt} = \frac{E_a}{V_a}\left(Q_b - Q_{rrb} - A_1 \dot{y} - C_{ec} p_a\right)$$
    • Phương trình cân bằng lực của xi lanh thủy lực: $$p_1 A_1 - p_2 A_2 = m_{qd} \ddot{y} + b \dot{y} + F_{cản}(t)$$ Trong đó $F_{cản}(t)$ là tổng lực cản ép cọc $W_C$ gồm lực cản mũi $W_R$ và ma sát thành cọc $W_{ms}$ thay đổi theo chiều sâu địa tầng.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ ba phương pháp:

  1. Phương pháp lý thuyết - mô phỏng số: Thiết lập hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc cao mô tả chuyển động cơ khí và áp suất - lưu lượng thủy lực; lập trình giải số trên môi trường Matlab - Simulink.
  2. Phương pháp thực nghiệm hiện trường: Đo đạc các thông số động lực học thực tế trên máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ860B tại công trường thi công nhà máy LG Display (KCN Tràng Duệ, Hải Phòng).
  3. Phương pháp khảo sát đơn và đa yếu tố: Khảo sát sự thay đổi của các chỉ tiêu động lực học khi thay đổi tải trọng cẩu, bán kính làm việc, vận tốc nâng, vận tốc quay mâm quay, đường kính cáp, đường kính xi lanh ép/di chuyển và các điều kiện địa chất khác nhau.

Nguồn dữ liệu và thiết bị phục vụ nghiên cứu

  • Dữ liệu địa chất: Sử dụng số liệu khảo sát địa chất công trình tại 3 địa điểm: KCN Tràng Duệ (Hải Phòng), dự án đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đông (Hà Nội) và khu vực huyện Đông Anh (Hà Nội), cùng bảng phân loại 18 lớp đất chuẩn vùng đồng bằng Bắc Bộ.
  • Thiết bị đo thực nghiệm:
    • Cảm biến lực kéo kiểu loadcell mã hiệu DSCK của hãng BONGSHIN đo lực căng cáp nâng.
    • Cảm biến áp suất dầu thủy lực lắp trên các đường ống cấp vào xi lanh chân đỡ, xi lanh kẹp, xi lanh ép và xi lanh di chuyển.
    • Cảm biến đo lưu lượng dầu mã hiệu R5S7HK75.
    • Cảm biến đo dịch chuyển kiểu quay của hãng Hengstler đo hành trình ép cọc và hành trình di chuyển máy.
    • Thiết bị thu thập, số hóa và ghép nối tín hiệu đa kênh NI-6009 (National Instruments) kết nối với máy tính chuyên dụng.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương 1 trình bày tổng quan về điều kiện địa chất công trình tại Việt Nam, đặc biệt là các đặc tính cơ lý của các tầng đất sét mềm, bùn sét, than bùn bão hòa nước tại lưu vực sông Hồng và sông Mê Kông với các chỉ tiêu đặc thù: độ ẩm cao ($W > 30 \div 50%$), chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT $N = 0 \div 5$, sức kháng cắt không thoát nước $S_u = 20 \div 40\text{ kPa}$, sức chịu tải thấp ($0,5 \div 1,0\text{ kG/cm}^2$), hệ số rỗng $e > 1,0$, mô đun biến dạng $E_0 < 50\text{ kG/cm}^2$.

Lớp đất điển hình Tên đất và trạng thái Độ ẩm $W$ (%) Dung trọng $\gamma_r$ (g/cm³) Hệ số rỗng $e$ Mô đun biến dạng $E_0$ (kG/cm²) Lực dính $C$ (kG/cm²) Góc ma sát $\varphi$ (độ)
1a Cát bụi bão hoà nước 30 1,82 0,93 44 0,08 27
1b Bùn sét pha cát 44 2,69 1,26 35 0,01 14
4a1 Bùn sét lẫn than bùn 76 2,69 2,07 14 0,14 6
4a2 Bùn sét 59 2,70 1,60 16 1,11 8
6a+b Sét pha cát sặc sỡ 32 2,72 0,93 44 0,19 13
10 Cát từ vừa đến thô 26 2,67 0,80 88 0,02 33

Chương này phân tích các phương pháp gia cố nền (đệm cát/đá/đất, bấc thấm, cọc cát-sỏi, cọc đóng, cọc khoan nhồi và cọc ép thủy lực). Luận án mô tả chi tiết nguyên lý cấu tạo của máy ép cọc thủy lực di chuyển bước: hệ thống kết cấu gồm 32 xi lanh thủy lực, 3 động cơ thủy lực, 3 bơm thủy lực chính, hai cabin điều khiển riêng biệt cho cụm cẩu cấp cọc và cụm ép cọc/di chuyển. Ba giai đoạn vận hành cơ bản được phân tích gồm: giai đoạn cấp cọc (cẩu cọc từ bãi chứa và nạp vào hộp kẹp), giai đoạn ép cọc (chu trình lặp kẹp - ép hạ - nhả kẹp - rút xi lanh ép đi lên), và giai đoạn tự di chuyển bước (sự phối hợp giữa 2 xi lanh dọc, 2 xi lanh ngang và 4 xi lanh chân đỡ thẳng đứng).

Chương 1 cũng tổng hợp các công trình nghiên cứu về kết cấu hộp kẹp cọc, khung ép, thân máy và các nghiên cứu động lực học cần trục, động lực học hệ thống tự cân bằng và truyền động thủy lực; từ đó xác lập tính cấp thiết và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án.

CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC

Chương 2 tập trung xây dựng hệ thống mô hình toán học và chương trình mô phỏng trên Matlab - Simulink cho các cơ cấu chính:

  1. Động lực học quá trình nâng cọc có xét đến độ chùng của cáp:

    • Hệ dao động được mô hình hóa với 3 tọa độ suy rộng: góc quay trục động cơ thủy lực tời nâng $q_1$, chuyển vị dịch chuyển dọc của cọc $q_2$, và góc lắc của cọc trong mặt phẳng thẳng đứng $q_3$.
    • Mô hình mô tả sự biến thiên đột ngột của lực căng cáp $F_c$ từ trạng thái chùng ($F_c = 0$, cáp chưa chịu lực) sang trạng thái cáp căng chịu toàn bộ tải trọng cọc, tạo ra xung lực động lớn tác dụng lên đỉnh cần và thân máy.

  2. Động lực học quá trình vừa nâng cọc vừa quay mâm quay trong không gian:

    • Xây dựng mô hình 6 bậc tự do: góc quay động cơ tời nâng $q_1$, chuyển vị thẳng đứng của cọc $q_2$, góc lắc của cọc trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần trục ($X_1O_1Z_1$) $q_3$, góc lắc của cọc trong mặt phẳng vuông góc với cần ($Y_1O_1Z_1$) $q_4$, góc quay trục động cơ quay $q_5$, và góc quay của mâm quay $q_6$.
    • Thiết lập hệ phương trình vi phân phi tuyến dạng ma trận tổng quát: $$[M]{\ddot{q}} + ([K^] + [K_{cor}] + [K]){\dot{q}} + [S]{q} = {f(t)}$$ Trong đó: $[M]$ là ma trận khối lượng và mô men quán tính quy dẫn; $[K^]$ là ma trận lực ly tâm; $[K_{cor}]$ là các ma trận biểu diễn lực Coriolis ($K_{2i}, K_{3i}, K_{6i}$); $[K]$ là ma trận hệ số cản dập tắt dao động; $[S]$ là ma trận độ cứng quy dẫn của cáp thép ($S_1$) và cơ cấu quay ($S_2$); ${f(t)}$ là véc-tơ lực kích động.

  3. Xác định lực tác dụng lên các chân chống của máy:

    • Thiết lập mô hình xác định phản lực $R_i$ ($i = 1 \div 4$) tại 4 xi lanh chân đỡ thân máy biến thiên tuần hoàn theo góc quay mâm quay $q_6$ từ $0^\circ$ đến $360^\circ$. Sự phân bố tải trọng thay đổi liên tục làm xuất hiện các chân chống chịu tải cực đại và các chân chống bị giảm tải nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định chống lật.

  4. Động lực học hệ thống truyền động thủy lực:

    • Cơ cấu kẹp cọc: Mô hình hóa quá trình cấp dầu vào xi lanh kẹp, chuyển động của piston và má kẹp, áp suất dầu khoang cao áp tăng vọt khi má kẹp tiếp xúc và ép chặt vào thân cọc (thời gian kẹp $0 \div 1,6\text{ s}$).
    • Cơ cấu ép cọc: Thiết lập hệ phương trình liên hệ giữa lưu lượng bơm cung cấp, lưu lượng tiêu thụ của xi lanh ép chính, áp suất dầu trong khoang cao áp và vận tốc ép cọc chịu tác động của lực cản địa chất $W_C(y)$.
    • Cơ cấu di chuyển dọc máy: Xây dựng mô hình động học và động lực học của xi lanh đẩy thân máy trượt trên chân thuyền dài/ngắn, xác định quy luật thay đổi lực đẩy, áp suất và vận tốc di chuyển.

CHƯƠNG 3 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC

Chương 3 trình bày quy trình và kết quả đo đạc thực nghiệm trên máy ép cọc ZYJ860B tại hiện trường thi công dự án nhà máy LG Display Hải Phòng:

  • Bố trí thí nghiệm: Cảm biến lực kéo DSCK lắp nối tiếp trên đường cáp nâng cọc; các đầu đo áp suất lắp tại đường dầu vào 4 xi lanh chân đỡ, xi lanh kẹp cọc, xi lanh ép chính và xi lanh di chuyển máy; đầu đo lưu lượng R5S7HK75 và cảm biến dịch chuyển kiểu quay Hengstler gắn cố định tại cơ cấu ép và thân máy; tín hiệu được xử lý đồng bộ qua khối NI-6009.
  • Các trường hợp đo thực nghiệm:
    1. Trường hợp nâng cọc từ bãi chứa có xét độ chùng cáp ban đầu.
    2. Trường hợp khởi động đồng thời cơ cấu nâng và cơ cấu quay mâm quay cẩu cọc.
    3. Trường hợp phanh hãm cơ cấu quay mâm quay khi đưa cọc vào hộp kẹp.
    4. Quá trình kẹp chặt cọc và nhả cọc của xi lanh kẹp.
    5. Quá trình ép cọc sâu vào lòng đất qua các lớp địa tầng khác nhau.
    6. Giai đoạn khởi động, di chuyển ổn định và phanh hãm của cơ cấu di chuyển dọc máy.
Thông số đo đạc Giá trị lý thuyết mô phỏng Giá trị thực nghiệm hiện trường Sai số tương đối (%)
Lực căng cáp lớn nhất khi nâng có chùng cáp ($F_{c\max}$) $72,5\text{ kN}$ $76,8\text{ kN}$ $5,60%$
Lực căng cáp khi vừa nâng vừa quay ($F_{c\max}$) $68,4\text{ kN}$ $72,1\text{ kN}$ $5,13%$
Áp suất khoang cao áp xi lanh kẹp cọc ($p_{k\max}$) $18,2\text{ MPa}$ $17,4\text{ MPa}$ $4,60%$
Áp suất cực đại xi lanh ép chính ($p_{e\max}$) $24,6\text{ MPa}$ $23,5\text{ MPa}$ $4,68%$
Áp suất cực đại xi lanh di chuyển dọc ($p_{dc\max}$) $14,8\text{ MPa}$ $15,6\text{ MPa}$ $5,13%$

Kết quả so sánh giữa tính toán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm cho thấy sai số tương đối giữa các thông số dao động trong khoảng $4,60% \div 5,60%$ (đều nhỏ hơn giới hạn kỹ thuật cho phép 10%), khẳng định độ tin cậy và tính đúng đắn của các mô hình toán học và chương trình mô phỏng đã thiết lập.

CHƯƠNG 4 - KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ÉP CỌC THỦY LỰC DI CHUYỂN BƯỚC

Chương 4 sử dụng chương trình mô phỏng đã được kiểm chứng để khảo sát định lượng các yếu tố ảnh hưởng và đưa ra khuyến nghị thông số kỹ thuật hợp lý:

  1. Khảo sát động lực học quá trình cung cấp cọc:
    • Ảnh hưởng của tầm với ($R$) và tải trọng cọc ($G_Q$): Khi tầm với tăng từ $R = 4\text{ m}$ đến $R = 12\text{ m}$, lực tác dụng lên các chân chống phía trước tăng mạnh, làm giảm đáng kể hệ số ổn định chống lật của máy.
    • Ảnh hưởng của vận tốc nâng cọc ($v_n$): Khảo sát các mức vận tốc nâng từ $0,15\text{ m/s}$ đến $0,45\text{ m/s}$; vận tốc nâng càng cao làm xung lực căng cáp khi chuyển từ chùng sang căng tăng lên, hệ số tải trọng động của cáp nâng $k_đ$ tăng từ $1,28$ lên $1,62$.
    • Ảnh hưởng của vận tốc quay mâm quay ($n_q$): Khi vận tốc quay tăng từ $0,5\text{ vòng/phút}$ đến $1,8\text{ vòng/phút}$, góc lắc không gian của cọc ($q_3, q_4$) tăng mạnh; quá trình phanh hãm mâm quay làm phát sinh mô men quán tính lớn, làm tăng tải trọng động tác dụng lên cáp và kết cấu cần.
    • Ảnh hưởng của đường kính cáp thép ($d_c$): Thay đổi $d_c$ làm thay đổi độ cứng quy dẫn $S_1$, ảnh hưởng trực tiếp đến tần số dao động riêng và biên độ dao động của cọc treo.
Vận tốc quay mâm quay $n_q$ (vòng/phút) Vận tốc nâng cọc $v_n$ (m/s) Lực căng cáp lớn nhất $F_{c\max}$ (kN) Hệ số động lực căng cáp $k_đ$
0,5 0,15 61,2 1,22
0,8 0,25 68,4 1,36
1,2 0,35 74,8 1,49
1,8 0,45 82,5 1,65

  1. Khảo sát động lực học quá trình ép cọc theo điều kiện địa chất:

    • Khảo sát biến thiên áp suất và lưu lượng của xi lanh ép khi cọc xuyên qua các mặt cắt địa chất tại KCN Tràng Duệ (Hải Phòng), Cát Linh - Hà Đông và Đông Anh (Hà Nội).
    • Tại các ranh giới chuyển tiếp giữa lớp đất yếu sang lớp đất cát/sét chặt (ví dụ ở độ sâu $5\text{ m}$, $12,83\text{ m}$, $25,74\text{ m}$, $27,24\text{ m}$, $28\text{ m}$), lực cản đất $W_C$ tăng đột ngột dẫn đến áp suất dầu trong khoang cao áp tăng vọt cục bộ, lưu lượng tiêu thụ giảm và vận tốc ép bị suy giảm tức thời.
    • Khảo sát ảnh hưởng của đường kính xi lanh ép $D_e$: Tăng $D_e$ giúp tăng lực ép tổng nhưng đòi hỏi lưu lượng cấp lớn hơn, làm giảm vận tốc ép nếu công suất trạm bơm không đổi.

  2. Khảo sát quá trình tự di chuyển bước của máy:

    • Khảo sát ảnh hưởng của đường kính xi lanh di chuyển dọc $D_{dc}$: Xác định quy luật biến thiên áp suất động và lực đẩy trong giai đoạn khởi động (thắng lực ma sát nghỉ giữa chân thuyền và mặt đất) và giai đoạn phanh dừng máy.

  3. Quy trình và kết quả xác định các thông số kỹ thuật hợp lý:

    • Luận án xây dựng quy trình tính toán gồm các bước: Nhập thông số công nghệ $\rightarrow$ Xây dựng mô hình ĐLH $\rightarrow$ Mô phỏng khảo sát động lực học $\rightarrow$ Đánh giá theo tiêu chuẩn ổn định, ứng suất động và hệ số động $\rightarrow$ Tối ưu hóa chọn bộ thông số hợp lý.
    • Kết quả xác định bộ thông số hợp lý cho máy ép cọc ZYJ860B:
Nhóm thông số Tên thông số kỹ thuật Giá trị hợp lý theo quan điểm ĐLH
Thông số làm việc cơ cấu cấp cọc Vận tốc nâng cọc hợp lý ($v_n$) $0,20 \div 0,30\text{ m/s}$
Vận tốc quay mâm quay hợp lý ($n_q$) $0,80 \div 1,10\text{ vòng/phút}$
Tầm với làm việc an toàn ($R$) $\le 9,5\text{ m}$
Thông số kết cấu hệ thống cẩu Đường kính cáp nâng hạ cọc ($d_c$) $18\text{ mm}$ (bội suất cáp $a = 4$)
Thông số hệ truyền động thủy lực Đường kính trong xi lanh ép cọc ($D_e$) $220\text{ mm}$ (áp suất danh định $25\text{ MPa}$)
Đường kính xi lanh di chuyển dọc ($D_{dc}$) $180\text{ mm}$
Thời gian đóng má kẹp cọc ($t_k$) $1,2 \div 1,5\text{ s}$

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học (Lý luận)

  1. Xây dựng thành công mô hình động lực học không gian nhiều bậc tự do mô tả đồng thời hai trường hợp làm việc điển hình của hệ thống cần trục cấp cọc lắp trên máy ép cọc thủy lực di chuyển bước: trường hợp nâng cọc có xét đến độ chùng cáp ban đầu và trường hợp vừa nâng cọc vừa quay mâm quay. Ứng dụng phương pháp Lagrange loại 2 thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động phi tuyến có xét đến lực ly tâm, lực Coriolis và các ma trận cản, độ cứng đàn hồi của kết cấu cáp.
  2. Xây dựng hệ thống mô hình toán học và chương trình mô phỏng trên Matlab - Simulink mô tả động lực học hệ truyền động thủy lực của 3 cơ cấu chấp hành chính: cơ cấu kẹp cọc, cơ cấu ép cọc và cơ cấu di chuyển dọc máy, có xét đến tính nén được của dầu, rò rỉ chất lỏng và sự biến thiên của lực cản địa chất theo chiều sâu cọc ép.
  3. Xác định được quy luật biến thiên của phản lực tác dụng lên 4 chân chống thủy lực đỡ thân máy theo góc quay mâm quay và tải trọng cẩu, làm cơ sở khoa học cho bài toán đánh giá ổn định chống lật và tính toán độ bền mỏi kết cấu thân máy.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Thực hiện thành công chương trình đo đạc thực nghiệm đồng bộ các thông số động lực học (lực căng cáp động, áp suất động các xi lanh, lưu lượng dầu, chuyển vị cọc và máy) trên máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ860B đang thi công tại hiện trường Việt Nam, khẳng định độ tin cậy của mô hình lý thuyết với sai số dưới $5,6%$.
  2. Xây dựng quy trình khoa học để xác định các thông số kỹ thuật hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) cho máy ép cọc thủy lực di chuyển bước theo quan điểm động lực học.
  3. Xác lập cụ thể bộ thông số làm việc và thông số kết cấu hợp lý cho dòng máy ZYJ860B, phục vụ trực tiếp cho công tác vận hành an toàn và tính toán thiết kế chế tạo mới thiết bị trong nước.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Các đơn vị thi công nền móng cần tuân thủ dải vận tốc nâng ($v_n \le 0,3\text{ m/s}$) và vận tốc quay mâm quay ($n_q \le 1,1\text{ vòng/phút}$), tránh hiện tượng giật cáp khi cẩu cọc từ bãi chứa và giảm thiểu góc lắc hàng để đảm bảo an toàn ổn định chân máy.
  • Các cơ sở nghiên cứu, thiết kế máy xây dựng trong nước có thể ứng dụng quy trình và hệ phương trình của luận án để tính toán động lực học cho các dòng máy ép cọc có lực ép từ 400 đến 1000 Tấn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Luận án mới chỉ tập trung khảo sát chi tiết trên dòng máy ép cọc có lực ép 860 Tấn (ZYJ860B); các dòng máy có dải lực ép khác (nhỏ hơn 400 Tấn hoặc lớn hơn 1000 Tấn) chưa được đo đạc thực nghiệm đối chứng trực tiếp.
  • Mô hình tương tác giữa chân máy và nền đất công trường được giả thiết là liên kết tựa cứng có xét hệ số cản và độ cứng quy dẫn đàn hồi, chưa xét đến biến dạng lún không đều cục bộ của nền đất yếu dưới chân thuyền khi máy tự di chuyển.
  • Chưa khảo sát các chế độ làm việc phức hợp đồng thời giữa quá trình ép cọc và quá trình tự cân bằng tự động của thân máy.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng mô hình động lực học cho các cơ cấu di chuyển ngang, cơ cấu quay chân máy và chế độ ép biên/ép góc của máy ép cọc thủy lực.
  • Nghiên cứu thuật toán điều khiển tự động thích nghi cho hệ truyền động thủy lực: tự động điều chỉnh lưu lượng và áp suất bơm ép cọc tương ứng với sự biến thiên liên tục của các lớp địa chất nhằm tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ.
  • Nghiên cứu động lực học tương tác phi tuyến giữa hệ thống chân thuyền của máy ép cọc với nền đất yếu chịu tải trọng chu kỳ trong suốt quá trình thi công công trình.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, Máy xây dựng - Xếp dỡ: Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp mô hình hóa động lực học không gian hệ nhiều vật phi tuyến, phương pháp mô phỏng hệ truyền động thủy lực trên Matlab - Simulink và kỹ thuật thu thập, xử lý số liệu thực nghiệm hiện trường bằng thiết bị ghép nối đa kênh.
  • Đối với các kỹ sư và viện thiết kế cơ khí: Cung cấp phương pháp luận và quy trình tính toán xác định tải trọng động, hệ số động lực học, hỗ trợ tính toán thiết kế kết cấu thép, chọn bơm, van và xi lanh thủy lực cho các dòng máy ép cọc chế tạo nội địa.
  • Đối với các nhà thầu thi công nền móng và cán bộ quản lý thiết bị: Cung cấp cơ sở khoa học để thiết lập quy trình vận hành thiết bị an toàn, kiểm soát chế độ tải trọng cẩu cọc, hạn chế hiện tượng mất ổn định chân chống và nâng cao tuổi thọ của hệ thống thủy lực máy ép cọc rôbốt.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần xét đến độ chùng của cáp trong bài toán động lực học cơ cấu cấp cọc?

Khi cần trục bắt đầu nâng cọc từ bãi chứa, cáp thép thường ở trạng thái chùng ban đầu ($F_c = 0$). Khi tời cuốn cáp đạt vận tốc nhất định và cáp chuyển đột ngột sang trạng thái căng để nâng toàn bộ khối lượng cọc $m_4$, sự thay đổi gia tốc tức thời tạo ra xung lực động lớn trong sợi cáp (hệ số động $k_đ$ có thể lên tới $1,62 \div 1,65$). Việc xét độ chùng cáp cho phép xác định chính xác lực căng đỉnh $F_{c\max}$ và phản lực động truyền xuống các chân đỡ máy, tránh đứt cáp hoặc lật máy.

2. Mô hình động lực học không gian của quá trình cấp cọc gồm những bậc tự do nào?

Mô hình toán học trong trường hợp nâng cọc kết hợp quay mâm quay gồm 6 tọa độ suy rộng ($q_1 \div q_6$):

  • $q_1$: Chuyển vị góc của trục động cơ thủy lực tời nâng hàng.
  • $q_2$: Chuyển vị thẳng đứng của tải trọng cọc.
  • $q_3$: Chuyển vị góc lắc của cọc trong mặt phẳng thẳng đứng chứa cần trục ($X_1O_1Z_1$).
  • $q_4$: Chuyển vị góc lắc của cọc trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng chứa cần ($Y_1O_1Z_1$).
  • $q_5$: Chuyển vị góc của trục động cơ thủy lực cơ cấu quay mâm quay.
  • $q_6$: Chuyển vị góc quay của mâm quay cần trục.

3. Sự thay đổi của các tầng địa chất ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống thủy lực ép cọc?

Khi mũi cọc xuyên qua ranh giới giữa hai tầng địa chất có độ chặt khác nhau (ví dụ từ bùn sét yếu sang sét dẻo cứng hoặc cát chặt), tổng trở lực ép $W_C$ tăng đột ngột. Điều này dẫn đến sự biến thiên áp suất tức thời trong khoang cao áp của xi lanh ép chính (áp suất tăng vọt để tạo lực ép lớn hơn), lưu lượng dầu tiêu thụ giảm xuống và vận tốc ép cọc bị suy giảm đột ngột trước khi xác lập trạng thái làm việc ổn định mới.

4. Đối tượng thực nghiệm hiện trường của luận án là thiết bị nào và đo đạc tại đâu?

Thực nghiệm được thực hiện trực tiếp trên máy ép cọc thủy lực di chuyển bước ZYJ860B (thuộc Công ty Cổ phần Kỹ thuật Nền móng và Công trình ngầm FECON) trong quá trình thi công ép cọc thực tế tại công trường xây dựng nhà máy Công ty TNHH LG Display Việt Nam (Khu công nghiệp Tràng Duệ, thành phố Hải Phòng).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Ngọc Trung đã giải quyết trọn vẹn bài toán nghiên cứu động lực học máy ép cọc thủy lực di chuyển bước trong điều kiện thi công tại Việt Nam thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa lý thuyết hệ nhiều vật, mô phỏng hệ truyền động thủy lực trên Matlab - Simulink và đo đạc thực nghiệm hiện trường trên máy ZYJ860B với sai số dưới $5,6%$. Công trình đã làm rõ quy luật biến thiên của lực căng cáp động, phản lực tác dụng lên các chân chống và áp suất động trong các xi lanh công tác khi cọc xuyên qua các tầng địa chất biến đổi. Kết quả nghiên cứu đã cung cấp quy trình khoa học cùng bộ thông số kỹ thuật hợp lý theo quan điểm động lực học, đóng góp tài liệu phục vụ cho công tác tính toán thiết kế, chế tạo nội địa hóa và khai thác an toàn dòng thiết bị ép cọc thủy lực tại Việt Nam.