Tổng quan luận án

Công tác đất là công đoạn thi công nặng nhọc, chiếm tỷ trọng khối lượng và chi phí lớn trong các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp, giao thông, thủy lợi và hạ tầng kỹ thuật. Tại Việt Nam, quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh chóng đã hình thành một khối lượng lớn công trình xây dựng tư nhân có quy mô mặt bằng nhỏ từ 20 đến 100 $\text{m}^2$, nằm sâu trong các khu dân cư cũ với ngõ ngách chật hẹp, lối vào chỉ rộng từ 1 đến 3 m. Đồng thời, nhu cầu cải tạo hạ tầng kỹ thuật đô thị như hạ ngầm mạng lưới cáp điện lực, cáp viễn thông, lắp đặt đường ống cấp thoát nước là rất lớn. Điển hình tại thành phố Hà Nội, kế hoạch hạ ngầm cáp giai đoạn 2016–2021 triển khai trên 180 tuyến phố với tổng chiều dài 170,1 km (gồm 115 tuyến phố nội thành cũ và 65 tuyến phố tại các quận mới) với cam kết đầu tư 3.500 tỷ đồng từ các doanh nghiệp viễn thông và Tổng công ty Điện lực Hà Nội.

Song song đó, tại khu vực ngoại thành và nông thôn, nhu cầu đào rãnh cấp thoát nước, đánh luống, lắp đặt đường ống tưới tiêu phục vụ sản xuất nông nghiệp công nghệ cao, kinh tế trang trại diễn ra phân tán, nhỏ lẻ trong điều kiện đường giao thông chưa đồng bộ. Các loại máy đào truyền thống cỡ lớn, vừa hoặc nhỏ không thể tiếp cận hoặc vận hành không hiệu quả kinh tế do chi phí vận chuyển cao. Do thiếu thiết bị cơ giới hóa cỡ siêu nhỏ, phần lớn khối lượng công tác đất nêu trên phải thực hiện thủ công bằng sức người với năng suất thấp và chi phí cao. Xuất phát từ thực tiễn đó, luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí của nghiên cứu sinh Trần Văn Viết với đề tài "Nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán, thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp ở Việt Nam" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán cấp thiết này.

Luận án xác định mục đích nghiên cứu là xây dựng cơ sở khoa học xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của máy đào đất trong điều kiện địa hình chật hẹp, từ đó tính toán, thiết kế và chế tạo thử nghiệm máy đào cỡ siêu nhỏ tại Việt Nam đạt năng suất và hiệu quả kỹ thuật. Để đạt được mục đích, tác giả đặt ra ba nội dung nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu xây dựng nguyên tắc thiết lập máy và đề xuất phương án mới đối với bộ phận công tác của máy đào cỡ siêu nhỏ, đáp ứng yêu cầu thi công trong không gian hẹp.
  2. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nhằm xác định các thông số hình học, kết cấu và chế độ làm việc hợp lý của bộ phận công tác đề xuất, làm cơ sở tính toán thiết kế máy.
  3. Xây dựng phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ; thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mẫu máy đào cỡ siêu nhỏ MDM-1E dẫn động bằng động cơ điện.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục, chuyên dùng thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc khối lượng thi công nhỏ lẻ. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở máy đào thi công rãnh đào có chiều rộng đến 0,4 m, chiều sâu đào một lần từ 0,25 đến 0,3 m và chiều sâu rãnh đào tối đa đạt 0,8 đến 1,0 m; áp dụng trên nền đất san nền, đất vườn tương đương đất á sét trung bình, á cát, đất cát có độ cứng đến cấp III, khối lượng riêng ở trạng thái chặt từ 1700 đến 1850 $\text{kg/m}^3$, hệ số tơi $k_t = 1,1 \div 1,3$, độ ẩm từ 22% đến 26%, trong điều kiện lối vào thi công rộng từ 1 đến 3 m.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan các công trình nghiên cứu về máy đào cỡ siêu nhỏ và quá trình làm việc của bộ phận công tác được tác giả phân tích có hệ thống qua hai nhóm thiết bị chính và các lý thuyết cơ học đất ứng dụng.

Về máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ (micro-excavator), đây là dòng máy làm việc theo chu kỳ, trọng lượng thường dưới 1 tấn, chiều rộng máy dưới 1 m, dung tích gầu từ 7 đến 30 lít, chiều sâu đào đến 2 m, năng suất từ 2,3 đến 6 $\text{m}^3\text{/h}$. Tác giả đã phân tích các mẫu máy tiêu biểu của các hãng quốc tế:

Thông số kỹ thuật Powerfab 360W (Anh) Kobelco PCO-3 (Nhật Bản) Talpino (Ý)
Trọng lượng máy (N) 8200 7400 4500
Dung tích gầu (lít) 20; 30 20 7 ÷ 16
Kích thước bao (dài x rộng x cao, m) 0,7 x 1,7 x 2,5 0,81 x 1,6 x 2,3 0,7 x 1,1 x 1,3
Chiều sâu đào (m) 2,0 1,5 1,1
Chiều rộng đào (m) 0,4 0,34 0,15 ÷ 0,32
Công suất động cơ (kW) 5,0 5,5 3,7
Năng suất đào đất cấp I–III ($\text{m}^3\text{/h}$) 4 ÷ 5,5 4,5 ÷ 6 2,3 ÷ 3
Bán kính đào (m) 3,3 2,8 1,45
Chiều cao đổ đất (m) 2,0 1,98 1,1

Nhược điểm chung của máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ là làm việc theo chu kỳ nên năng suất thấp; kết cấu tay cần và hệ thống thủy lực cồng kềnh, giá thành nhập khẩu cao và khó nội địa hóa tại Việt Nam do đòi hỏi công nghệ chế tạo phức tạp.

Về máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục (Micro digging machine), dòng máy này xuất hiện từ giữa thập niên 1980 tại châu Âu và Mỹ với năng suất cao hơn từ 1,5 đến 2 lần và giá thành hạ từ 2 đến 2,5 lần so với máy đào một gầu. Điển hình là mẫu Case TL70 (Mỹ) nặng 275 kg, công suất 5,2 kW, rãnh đào sâu 0,61 m, rộng 0,102 m, năng suất 5,2–7 $\text{m}^3\text{/h}$; Melroe Europe T108 (Bỉ) nặng 365 kg, công suất 5,6 kW, kích thước $0,815 \times 1,2 \times 1,7\text{ m}$, rãnh đào sâu 0,915 m, rộng 0,15 m, năng suất 6,3–7,5 $\text{m}^3\text{/h}$ sử dụng cơ cấu cắt dạng xích. Dù có khả năng đào đất cứng, kết cấu truyền động xích đòi hỏi bảo dưỡng phức tạp, khó chế tạo trong nước.

Hướng cải tiến kết hợp chức năng cắt đất và vận chuyển đất văng ly tâm được ghi nhận qua hàng loạt sáng chế quốc tế:

  • Sáng chế số 459563 (CHLB Nga): Cắt đất bằng vít xoắn và vận chuyển lên rô to theo nguyên lý văng ly tâm qua vỏ bao che kín.
  • Sáng chế số 308158 (CHLB Nga): Cắt đất bằng cụm lưỡi phay, truyền động sang rô to văng ly tâm bằng bộ truyền trục vít – bánh vít kết hợp máng dẫn hướng.
  • Sáng chế số 291006 (CHLB Nga): Tang quay gắn răng cắt hình nêm dẫn động bằng động cơ điện, máng dẫn hướng đưa đất vào rô to văng ly tâm riêng.
  • Sáng chế số 2798314 (Mỹ): Động cơ đốt trong truyền động qua hệ đai đến rô to văng ly tâm và cụm lưỡi phay cắt đất.
  • Máy đào cỡ siêu nhỏ ZMTI của Trường Đại học Xây dựng Kiev (KISI – Ucraina) gồm hai phiên bản ZMTI-1 (động cơ đốt trong 3,2 kW, trọng lượng 1000 N, kích thước $0,4 \times 1,1 \times 1,3\text{ m}$) và ZMTI-2e (động cơ điện 4 kW, trọng lượng 1300 N, kích thước $0,4 \times 1,0 \times 1,4\text{ m}$), năng suất đào đất cấp I–III đạt 6,5–12 $\text{m}^3\text{/h}$, độ xa văng đất 3–4 m. Tuy nhiên, máy ZMTI sử dụng bộ truyền trục vít – bánh vít nối giữa cụm phay và rô to có hiệu suất thấp và tỷ số truyền cố định giữa chuyển động cắt và di chuyển.
  • Giải pháp hữu ích số 4364476 (CHLB Nga): Bộ phận công tác dạng rô to gắn các đĩa cắt hình sao tự xoay, chỉ cắt đất theo chu vi rãnh đào tạo lõi đất tự sập, đất được cánh gạt văng ly tâm ra ngoài. Điểm hạn chế là ổ trục của đĩa sao chịu tải trọng động kém ở tốc độ cao, mũi sao dễ bết dính khi gặp đất ẩm dẻo cấp III.

Về lý thuyết cắt đất và vận chuyển vật liệu:

  • Phương pháp Đômbrôvski tính lực tiếp tuyến $P = k_1 b h$ và pháp tuyến $N = \delta_1 P$ với hệ số cản riêng $k_1$ và hệ số trạng thái $\delta_1 = 0,1 \div 0,45$, có ưu điểm đơn giản nhưng thiếu tính giải tích chính xác khi thay đổi góc cắt.
  • Phương pháp Zelenhin xác định lực cắt theo công thức thực nghiệm $P = A c_z^{1,35} (1 + 2,6b)(1 - 0,0075\delta)z$ chứa nhiều hệ số thực nghiệm phức tạp.
  • Phương pháp của Viện sỹ Vétrôv phân tích vệt cắt hình thang trong không gian với 3 vùng biến dạng: vùng đất bị nén trượt trước mũi cắt ($P_M$), vùng đất bị nứt vỡ ở hai bên ($P_c$) và vùng đất cắt thuần túy phía dưới ($P_{cc}$), đưa ra công thức tổng quát $P = \varphi m_M b h + 2 m_c h^2 + 2 m_{cc} h$ và $N = P \tan(\delta - \mu)$, phản ánh chính xác tương quan hình học phoi cắt và cơ lý đất.
  • Lý thuyết rô to văng ly tâm của Cavalerov, Zabrov, Glaxco, Nhicôlaiev và kết quả thực nghiệm rô to đường kính 0,4 m của Đônchuc.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn là: Chưa có công trình nào nghiên cứu toàn diện quá trình làm việc của bộ phận công tác máy đào cỡ siêu nhỏ tích hợp lưỡi cắt hình nêm phẳng trên đỉnh cánh chuyển đất rô to văng ly tâm làm việc theo nguyên lý cắt chu vi tạo lõi đất tự sập trong điều kiện cấp đất chu kỳ gián đoạn, cũng như chưa có phương pháp tính toán thiết kế máy đào siêu nhỏ dẫn động độc lập phù hợp với điều kiện chế tạo và thi công tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của luận án được xây dựng dựa trên:

  1. Lý thuyết cắt đất tạo phoi của Viện sỹ Vétrôv áp dụng cho lưỡi cắt hình nêm phẳng.
  2. Lý thuyết chuyển động văng ly tâm của dòng vật liệu rời trong rô to có máng dẫn hướng cố định.
  3. Lý thuyết mô hình hóa và tối ưu hóa máy xây dựng của Balôvnhep lấy hàm mục tiêu là chi phí năng lượng riêng ($E_{cđ}$) và chi phí kim loại riêng.
  4. Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố (phương pháp Box-Hunter bậc hai) để xác định phương trình hồi quy và miền giá trị tối ưu.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm:

Về nghiên cứu lý thuyết, tác giả thiết lập mô hình toán học động học và động lực học của quá trình cắt đất. Lưỡi cắt chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc không gian dọc theo rãnh đào. Quá trình cắt tạo thành bề mặt nón cụt định tâm và lõi đất ở giữa. Lực cản tiếp tuyến $P_i$ và pháp tuyến $N_i$ trên từng lưỡi cắt được tính toán dựa trên việc tích hợp các thành phần lực cản riêng $p_M, p_c, p_{cc}$ của Vétrôv theo góc nghiêng tiếp tuyến quỹ đạo $\alpha_i$ và góc ma sát đất – thép $\mu$. Từ đó, xây dựng các biểu thức giải tích xác định mômen cản quay rô to ($M_{qcđ}$), lực cản di chuyển máy ($P_{dccđ}$), công suất cắt đất ($N_{ccđ}$) và chi phí năng lượng riêng ($E_{cđ}$). Một chương trình tính toán số được lập trình trên nền tảng phần mềm Matlab để khảo sát ảnh hưởng của các thông số hình học lưỡi cắt ($\delta, \iota, \beta, b, h$).

Về nghiên cứu thực nghiệm, tác giả chế tạo mô hình thực nghiệm với hệ thống truyền động thủy lực độc lập gồm xilanh thủy lực kéo tịnh tiến khung máy và mô tơ thủy lực quay rô to. Hệ thống đo đạc gắn các cảm biến áp suất để ghi nhận áp lực dầu $p_{01}$ (xilanh) và $p_{02}$ (mô tơ) trong quá trình cắt đất ổn định cũng như thời điểm cực trị khi lõi đất sập ($p_{m1}, p_{m2}$). Thí nghiệm quy hoạch đa yếu tố được thực hiện với 3 thông số điều khiển:

  • $X_1$: Chiều rộng cánh chuyển đất $c$ (cm),
  • $X_2$: Vận tốc di chuyển máy $v$ (m/ph hoặc m/s),
  • $X_3$: Tốc độ quay của rô to $n$ (v/ph).

Dữ liệu thực nghiệm được xử lý thống kê, kiểm định tính đồng nhất phương sai bằng chuẩn Kohren ($G_b$) và kiểm định độ tương thích của mô hình hồi quy bằng chuẩn Fisher ($F_{tt}$).

Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu thu thập trực tiếp từ phòng nghiên cứu thực nghiệm cơ khí – Trường Đại học Xây dựng trên mô hình đất nhân tạo đại diện cho đất cấp III (độ ẩm 22–26%, dung trọng $1700 \div 1850\text{ kg/m}^3$) và bộ dữ liệu tối ưu hóa trích xuất từ chương trình tính toán OPT.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương 1 khảo sát tình hình thi công công tác đất quy mô nhỏ tại đô thị và nông thôn Việt Nam, phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật của máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ (Kobelco PCO-3, Talpino, Powerfab 360W) và máy đào làm việc liên tục (Case TL70, Melroe Europe T108, ZMTI-1, ZMTI-2e). Chương này tổng thuật các bằng sáng chế liên quan đến cơ cấu đào – văng ly tâm (sáng chế số 459563, 308158, 291006, 2798314 và GPHI 4364476), phân tích ưu nhược điểm của các mô hình lý thuyết cắt đất (Đômbrôvski, Zelenhin, Vétrôv) và lý thuyết rô to văng ly tâm.

Từ đó, chương 1 xác lập 4 yêu cầu kỹ thuật đối với máy đào cỡ siêu nhỏ cần thiết lập:

  • Thi công hiệu quả trên nền đất á sét, á cát đến cấp III, độ ẩm 22–26%.
  • Kích thước rãnh đào rộng 0,4 m, sâu $0,6 \div 1,0\text{ m}$.
  • Kích thước nhỏ gọn, lối vào $1 \div 3\text{ m}$, vận chuyển được bằng xe bán tải, xe ba bánh hoặc phương tiện thô sơ.
  • Đảm bảo tính khả thi chế tạo nội địa, tận dụng linh kiện tiêu chuẩn.

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA BỘ PHẬN CÔNG TÁC MÁY ĐÀO CỠ SIÊU NHỎ

Chương 2 đề xuất 6 nguyên tắc thiết lập máy đào cỡ siêu nhỏ: làm việc liên tục; dẫn động độc lập linh hoạt giữa chuyển động quay và tịnh tiến; cắt đất tạo phoi chu vi tạo lõi tự sập; vận chuyển đất văng ly tâm; tích hợp cụm chi tiết cắt – chuyển đất không qua bộ truyền trung gian; tối thiểu hóa chi phí năng lượng riêng ($E_{cđ}$), lực cản di chuyển ($P_{dc}$) và lực giữ tay lái ($P_g$).

Cấu tạo bộ phận công tác đề xuất gồm đĩa quay gắn các cánh chuyển đất hướng kính vuông góc với đĩa, trên đỉnh mỗi cánh lắp lưỡi cắt hình nêm phẳng bằng vít chìm và có gân tăng cứng tam giác; máng dẫn hướng cố định có thể xoay điều chỉnh góc xả đất. Khi làm việc, lưỡi cắt chuyển động xoắn ốc cắt rãnh vành khăn tạo bề mặt nón cụt định tâm, lõi đất giữa tự sập dưới trọng lượng bản thân và tải trọng động.

Mô hình toán học xác định các thành phần lực tác dụng lên mỗi lưỡi cắt thứ $i$:

  • Lực tiếp tuyến: $P_i = \varphi m_M b h + m_c h^2 + m_{cc} h$ (trường hợp cắt lấn).
  • Lực pháp tuyến: $N_i = P_i \tan(\delta - \mu)$.
  • Chi phí năng lượng riêng công đoạn cắt đất: $$E_{cđ} = \frac{N_{ccđ}}{Q} = \frac{M_{qcđ} \cdot \omega_r + P_{dccđ} \cdot v}{S_h \cdot v}$$ Khảo sát giải tích trên Matlab xác định miền thông số kết cấu hợp lý của lưỡi cắt: góc cắt $\delta = 40^\circ \div 50^\circ$, góc sau $\beta = 5^\circ \div 10^\circ$, góc sắc $\iota = 30^\circ \div 40^\circ$, chiều rộng lưỡi cắt $b = 4 \div 6\text{ cm}$.

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA BỘ PHẬN CÔNG TÁC

Chương 3 trình bày chương trình thực nghiệm trên mô hình dẫn động thủy lực tại phòng thí nghiệm Đại học Xây dựng. Tác giả tiến hành kiểm chứng mô hình toán học bằng cách so sánh số liệu đo đạc áp lực dầu ($p_{01}, p_{02}$) với giá trị tính toán lý thuyết. Kết quả cho thấy sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm đối với lực cản di chuyển ($\Delta P$), mômen cản quay ($\Delta M$) và chi phí năng lượng riêng ($\Delta E$) đều nằm trong giới hạn cho phép ($< 12%$).

Áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc hai với 3 yếu tố ($X_1: c, X_2: v, X_3: n$), tác giả thiết lập các phương trình hồi quy dạng thực biểu diễn hàm mục tiêu chi phí năng lượng riêng $Y_E$, mômen cản quay $Y_M$, lực cản di chuyển $Y_P$. Qua phân tích đường mức và bề mặt đáp ứng, luận án giải bài toán tối ưu có điều kiện (ràng buộc điều kiện bám $P_{dc} \le [P_{dc}]{đk}$, ổn định máy $M_q \le [M_q]{đk}$, lực giữ tay lái $P_g \le 150\text{ N}$) bằng việc quét tập dữ liệu số (bộ dữ liệu số 11876, 12336, 12337). Kết quả xác định được bộ thông số làm việc tối ưu của bộ phận công tác:

  • Chiều rộng cánh chuyển đất: $c = 6 \div 8\text{ cm}$.
  • Vận tốc di chuyển máy: $v = 1,2 \div 1,8\text{ m/ph}$.
  • Tốc độ quay rô to: $n = 500 \div 600\text{ v/ph}$.

CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

Chương 4 tổng hợp quy trình 9 bước tính toán thiết kế máy đào cỡ siêu nhỏ cho kỹ sư cơ khí máy xây dựng. Áp dụng quy trình này, tác giả thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mẫu máy đào cỡ siêu nhỏ MDM-1E dẫn động bằng động cơ điện và tiến hành thử nghiệm thi công thực tế.

Thông số kỹ thuật Giá trị thiết kế / thực nghiệm máy MDM-1E
Chiều rộng rãnh đào một lần ($B$) 0,4 m
Chiều sâu đào một lần ($H$) 0,25 ÷ 0,30 m
Chiều sâu đào tối đa ($H_T$) 0,8 ÷ 1,0 m
Đường kính ngoài của rô to ($2R$) 0,4 m
Số lượng cánh chuyển đất ($n_0$) 6 cánh
Chiều rộng cánh chuyển đất ($c$) 7 cm
Vận tốc di chuyển máy ($v$) 1,5 m/ph
Tốc độ quay của rô to ($n$) 550 v/ph
Động cơ dẫn động bộ phận công tác Động cơ điện 3 pha, công suất 4,0 kW
Động cơ di chuyển máy Động cơ điện công suất 0,75 kW
Trọng lượng toàn bộ máy ($G_m$) ~1200 N (~120 kg)
Năng suất thi công thực tế đất cấp II–III 7,5 ÷ 9,5 $\text{m}^3\text{/h}$
Độ xa văng đất ($L_{VC}$) 3 ÷ 4 m

Kết quả thử nghiệm khẳng định máy MDM-1E vận hành ổn định, tạo rãnh đào thành vách phẳng, đất văng thành đống gọn gàng dọc mép rãnh, người vận hành giữ tay lái nhẹ nhàng.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án mang lại các đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn:

Về phương diện khoa học:

  • Đề xuất giải pháp kết cấu bộ phận công tác mới dạng rô to tích hợp lưỡi cắt hình nêm phẳng gắn trên cánh chuyển đất, kết hợp đồng thời công đoạn cắt phoi đất theo chu vi và vận chuyển đất bằng lực văng ly tâm trên cùng một cụm chi tiết, không cắt toàn bộ tiết diện rãnh đào nhằm giảm thiểu chi phí năng lượng riêng và chi phí kim loại riêng.
  • Xây dựng mô hình toán học giải tích mô tả chính xác tương tác động học và động lực học giữa cụm lưỡi cắt với nền đất trong điều kiện chuyển động xoắn ốc không gian; làm rõ quy luật biến thiên của chi phí năng lượng riêng ($E_{cđ}$), lực cản di chuyển ($P_{dccđ}$) và mômen cản quay ($M_{qcđ}$) theo các thông số kết cấu và chế độ động học.

Về phương diện thực tiễn:

  • Xây dựng hoàn chỉnh phương pháp và thuật toán tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ phục vụ công tác thiết kế của kỹ sư ngành Máy xây dựng.
  • Thiết kế, chế tạo thử nghiệm thành công máy đào cỡ siêu nhỏ MDM-1E dẫn động bằng động cơ điện, chứng minh tính khả thi ứng dụng trong thi công hạ tầng đô thị chật hẹp và rãnh tưới tiêu nông nghiệp tại Việt Nam.
  • Kết quả nghiên cứu bộ phận công tác và máy đào MDM-1E được Cục Sở hữu trí tuệ – Bộ Khoa học và Công nghệ cấp Bằng độc quyền sáng chế số 24312 ("Máy đào đất cỡ siêu nhỏ dẫn động bằng động cơ điện", theo Quyết định số 6168w/QĐ-SHTT ngày 27/05/2020).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng của máy đào giới hạn trên nền đất nhóm á sét, á cát, đất cát có độ cứng đến cấp III; chưa khảo sát trên các nền đất lẫn đá tảng lớn, bê tông phế thải kích thước lớn.
  • Khi gặp vật cản quá lớn trên dải cắt vành khăn, khớp an toàn ngắt truyền động đòi hỏi người vận hành phải dừng máy xử lý thủ công vật cản.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu hoàn thiện kết cấu cơ khí, tối ưu hóa vật liệu chế tạo lưỡi cắt chịu mài mòn cao trong điều kiện đất có độ mài mòn lớn.
  • Phát triển hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh tốc độ di chuyển ($v$) theo tải trọng mômen quay ($M_q$) nhằm duy trì công suất động cơ ở vùng hiệu suất tối ưu.
  • Thử nghiệm mở rộng trên các dòng máy đào siêu nhỏ sử dụng động cơ đốt trong hoặc nguồn pin/ắc quy tích điện để tăng tính cơ động tại các vùng sâu, vùng xa.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu có giá trị đối với:

  • Các kỹ sư thiết kế máy, cán bộ kỹ thuật tại các viện nghiên cứu, doanh nghiệp cơ khí chế tạo máy xây dựng, máy nông nghiệp trong việc tính toán thiết kế các cơ cấu đào – vận chuyển đất liên tục.
  • Giảng viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Máy xây dựng, Cơ giới hóa xây dựng tại các trường đại học kỹ thuật (Đại học Xây dựng, Đại học Bách Khoa, Đại học Giao thông Vận tải) tham khảo về phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố và lý thuyết cắt đất Vétrôv.
  • Các đơn vị thi công hạ tầng viễn thông, điện lực, cấp thoát nước đô thị và các ban quản lý dự án nông nghiệp công nghệ cao tham khảo giải pháp cơ giới hóa thi công rãnh hẹp thay thế lao động thủ công.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý cắt đất của bộ phận công tác máy đào MDM-1E có điểm gì khác biệt so với máy đào truyền thống?
Bộ phận công tác không cắt gọt toàn bộ tiết diện rãnh đào mà các lưỡi cắt hình nêm phẳng gắn trên đầu cánh chuyển đất chỉ cắt rãnh vành khăn theo chu vi ngoài, tạo ra bề mặt nón cụt định tâm và một lõi đất ở giữa. Lõi đất này tự nứt gãy và sập xuống dưới tác dụng của trọng lượng bản thân cùng lực động, giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng cắt đất.

2. Tại sao bộ phận công tác đề xuất lại có chi phí năng lượng riêng và chi phí kim loại riêng nhỏ hơn so với mẫu máy ZMTI của Ucraina?
Máy ZMTI thực hiện việc cắt đất bằng cụm dao phay riêng và chuyển đất bằng rô to riêng thông qua bộ truyền trục vít – bánh vít trung gian có hiệu suất thấp, kết cấu nặng nề. Bộ phận công tác mới tích hợp cả chức năng cắt phoi và cánh văng ly tâm trên cùng một cụm chi tiết đĩa quay rô to, loại bỏ hoàn toàn bộ truyền trung gian, giúp giảm tổn thất cơ năng và giảm khối lượng kết cấu.

3. Các thông số làm việc hợp lý của máy đào MDM-1E được xác định là bao nhiêu?
Qua quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố và tối ưu hóa giải tích, các thông số hợp lý được xác định gồm: chiều rộng cánh chuyển đất $c = 6 \div 8\text{ cm}$ (chọn 7 cm), vận tốc di chuyển máy $v = 1,2 \div 1,8\text{ m/ph}$ (chọn 1,5 m/ph), tốc độ quay rô to $n = 500 \div 600\text{ v/ph}$ (chọn 550 v/ph), góc cắt lưỡi nêm $\delta = 40^\circ \div 50^\circ$.

4. Máy đào MDM-1E giải quyết vấn đề an toàn thế nào khi gặp phải gạch đá hoặc chướng ngại vật cứng trong lòng đất?
Đối với gạch đá nhỏ, lưỡi cắt và cánh văng có khả năng nghiền đẩy văng ra ngoài theo dòng đất. Nếu gặp vật cản lớn nằm trên dải cắt vành khăn vượt quá giới hạn tải trọng, khớp giới hạn mômen trong hệ thống truyền động sẽ trượt ngắt truyền động để bảo vệ động cơ điện và hệ dẫn động.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Văn Viết đã giải quyết trọn vẹn bài toán khoa học và thực tiễn về cơ giới hóa công tác đất trong điều kiện địa hình chật hẹp tại Việt Nam. Bằng việc kết hợp lý thuyết cắt đất Vétrôv với phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố, tác giả đã làm sáng tỏ bản chất động học, động lực học của bộ phận công tác dạng rô to cắt đất chu vi kết hợp văng ly tâm. Công trình đã xây dựng thành công phương pháp tính toán thiết kế chuẩn tắc, chế tạo và thử nghiệm mẫu máy MDM-1E hoạt động ổn định, đạt các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật và được cấp Bằng độc quyền sáng chế quốc gia. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển thiết thực cho ngành chế tạo máy xây dựng cỡ nhỏ tự chủ trong nước.