Tổng quan luận án

Công tác đất là công đoạn nặng nhọc, chiếm tỷ trọng khối lượng và chi phí lớn trong thi công xây dựng công trình 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 tạo nên mật độ xây dựng cao tại các khu dân cư hiện hữu và khu phố cũ, nơi các công trình nhà ở tư nhân thường có diện tích từ 20 đến 100 $\text{m}^2$ với lối vào chật hẹp chỉ từ 1 đến 3 m. Đồng thời, nhu cầu cải tạo hạ ngầm đồng bộ mạng lưới kỹ thuật như cáp điện lực, cáp viễn thông, đường ống cấp thoát nước dọc vỉa hè đô thị là rất lớn. Điển hình tại thành phố Hà Nội, theo danh mục hạ ngầm giai đoạn 2016–2021 của Sở Thông tin và Truyền thông, kế hoạch ngầm hóa được thực hiện 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) cùng cam kết đầu tư 3.500 tỷ đồng từ các doanh nghiệp viễn thông và Tổng công ty Điện lực Hà Nội. Tại khu vực nông thôn và ngoại thành, nhu cầu đào rãnh cấp thoát nước, đánh luống, đặt đường ống tưới tiêu phục vụ nông nghiệp công nghệ cao phân bố rải rác nhưng hệ thống giao thông chưa đồng bộ.

Khoảng trống nghiên cứu và thực tiễn phát sinh do các loại máy đào một gầu hiện có (cỡ nhỏ, vừa và lớn) không thể tiếp cận địa hình chật hẹp hoặc cho hiệu quả kinh tế thấp do chi phí vận chuyển cao so với khối lượng công việc nhỏ lẻ; trong khi các loại máy đào rãnh nhập khẩu có giá thành cao và khó nội địa hóa. Do đó, phần lớn khối lượng công tác đất trong điều kiện này vẫn phải thực hiện bằng lao động thủ công với năng suất thấp và chi phí cao. 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" của tác giả Trần Văn Viết (hướng dẫn khoa học: PGS. Phạm Quang Dũng, Trường Đại học Xây dựng) được thực hiện nhằm giải quyết yêu cầu cấp thiết này.

Mục đích nghiên cứu của luận án là xác định cơ sở khoa học về 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 hiệu quả và năng suất cao.

Nội dung nghiên cứu của luận án gồm ba nhiệm vụ trọng tâm:

  1. Nghiên cứu xây dựng nguyên tắc thiết lập máy và đề xuất mới phương án cấu tạo, nguyên lý làm việc của bộ phận công tác máy đào cỡ siêu nhỏ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đề ra.
  2. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nhằm xác định các thông số kết cấu và chế độ làm việc hợp lý của bộ phận công tác đã đề xuất làm cơ sở cho 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 và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: 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: Thi công rãnh đào có chiều rộng đến 0,4 m; chiều sâu đào đến 1 m trên nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát có độ cứng đến cấp III (khối lượng riêng trạng thái chặt $1700 \div 1850\text{ kg/m}^3$, hệ số tơi $k_t = 1,1 \div 1,3$, độ ẩm $22 \div 26%$), hoạt động trong địa hình chật hẹp có lối vào từ 1 đến 3 m.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tiến hành tổng quan có hệ thống các công trình nghiên cứu và giải pháp thiết bị trên thế giới và tại Việt Nam:

1. Máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ (Micro-excavator)

Các dòng máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ (trọng lượng dưới 1 tấn, chiều rộng máy dưới 1 m, dung tích gầu $10 \div 30\text{ lít}$, chiều rộng gầu $0,2 \div 0,45\text{ m}$, chiều sâu đào đến 2 m, năng suất $2,5 \div 6\text{ m}^3\text{/h}$) của các hãng Powerfab, Microturbo (Anh); Kaho, Komatsu, Kobelco (Nhật Bản); Talpino (Ý); Cubota (Mỹ) đã được khảo sát.

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

Ưu điểm của dòng máy này là tính vạn năng cao, đào sâu; nhược điểm là làm việc theo chu kỳ nên năng suất thấp, thiết bị công tác dạng cần gầu cồng kềnh, giá thành nhập khẩu cao và khó chế tạo nội địa do hệ thống thủy lực phức tạp.

2. Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục

Dòng máy làm việc liên tục dạng xích cào (như Case TL70 của Mỹ: nặng 275 kg, rãnh sâu $0,61\text{ m} \times \text{rộng } 0,102\text{ m}$, công suất 5,2 kW, năng suất $5,2 \div 7\text{ m}^3\text{/h}$; Melroe Europe T108 của Bỉ: nặng 365 kg, rãnh sâu $0,915\text{ m} \times \text{rộng } 0,15\text{ m}$, công suất 5,6 kW, năng suất $6,3 \div 7,5\text{ m}^3\text{/h}$) có khả năng đào rãnh hẹp nhưng kích thước chưa thật nhỏ gọn và kết cấu xích phức tạp.

Các giải pháp sáng chế tổ hợp cắt và vận chuyển đất:

  • Sáng chế số 459563 (CHLB Nga): Dùng vít xoắn cắt đất kết hợp rô to văng ly tâm để nạo vét kênh mương.
  • Sáng chế số 308158 (CHLB Nga): Sử dụng cụm lưỡi phay cắt đất truyền động qua trục vít – bánh vít từ rô to văng ly tâm có máng dẫn hướng.
  • Sáng chế số 291006 (CHLB Nga): Tang cắt có răng hình nêm dẫn động bằng động cơ điện, chuyển đất qua máng vào rô to ly tâm.
  • Sáng chế số 2798314 (Mỹ): Dẫn động cụm lưỡi phay và rô to văng ly tâm bằng động cơ đốt trong qua các bộ truyền đai.
  • Dòng máy ZMTI của Trường Đại học Xây dựng Kiev (Ucraina): Gồm mẫu ZMTI-1 (động cơ đốt trong) và ZMTI-2e (động cơ điện).
Thông số kỹ thuật ZMTI-1 ZMTI-2e
Trọng lượng máy (N) 1000 1300
Kích thước bao ($R \times C \times D$, m) $0,4 \times 1,1 \times 1,3$ $0,4 \times 1,0 \times 1,4$
Kích thước rãnh một lần đào (m) Sâu $0,25 \div 0,3$; Rộng 0,4 Sâu $0,25 \div 0,3$; Rộng 0,4
Chiều sâu đào tối đa (m) $0,8 \div 1,0$ $0,8 \div 1,0$
Loại động cơ và công suất Đốt trong, 3,2 kW Điện, 4,0 kW
Năng suất đất cấp I ($\text{m}^3\text{/h}$) $9,5 \div 11$ $11 \div 12$
Năng suất đất cấp II ($\text{m}^3\text{/h}$) $7,5 \div 8,5$ $9 \div 10$
Năng suất đất cấp III ($\text{m}^3\text{/h}$) $6,5 \div 7,5$ $8 \div 9$
Tầm xa văng đất (m) $3 \div 4$ $3 \div 4$

Máy ZMTI có kích thước gọn nhưng bộ phận công tác còn phức tạp do cắt và vận chuyển tách biệt, truyền động trục vít – bánh vít có hiệu suất thấp và tỷ lệ tốc độ giữa bộ phận công tác và bánh xe di chuyển bị cố định.

  • Giải pháp hữu ích số 4364476 (CHLB Nga): Cắt đất theo chu vi rãnh bằng các đĩa cắt hình sao tự xoay để tạo lõi đất tự sập, kết hợp cánh gạt vận chuyển ly tâm. Tuy nhiên đĩa cắt hình sao có độ cứng vững thấp, chịu tải động kém, dễ gãy trục và gây bết dính ở đất ẩm cấp III.

3. Lý thuyết cắt đất và thiết bị vận chuyển văng ly tâm

  • Lý thuyết cắt đất: Đômbrôvski ($P = k_1 b h$, $N = \psi P$), Zelenhin ($P = A c_z^{1,35} (1+2,6b)(1-0,0075\delta)z$) và Vétrôv ($P = P_M + P_c + P_{cc}$). Luận án lựa chọn lý thuyết của Viện sỹ Vétrôv vì phản ánh rõ bản chất không gian của vệt cắt hình thang, phân định thành phần nứt vỡ và cắt thuần túy, có độ chính xác và tính giải thuật cao.
  • Lý thuyết rô to văng ly tâm: Các nghiên cứu của Cavalerov, Kudra, Ixraphilov, Zabrov, Glaxco, Nhicôlaiev, Caravaev và Đônchuc đã hoàn thiện tính toán rô to với máng dẫn hướng cố định hoặc di động (sáng chế SU 76060, SU 2868351, US 2779445, SU 233540). Tuy nhiên, các mô hình trước đây chỉ áp dụng cho dòng cấp đất liên tục, đều đặn; chưa giải quyết trường hợp đất cấp gián đoạn theo chu kỳ sập lõi đất.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn: Cải tiến và tích hợp cơ cấu cắt đất bằng dao phẳng hình nêm cố định trên các cánh gạt của rô to văng ly tâm nhằm cắt chu vi tạo lõi đất tự sập, loại bỏ truyền động trung gian, thiết lập mô hình toán và khảo sát thực nghiệm quá trình làm việc chu kỳ sập đất để phục vụ thiết kế máy đào cỡ siêu nhỏ phù hợp điều kiện Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

1. Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án ứng dụng lý thuyết cắt đất của Viện sỹ Vétrôv đối với lưỡi cắt đơn giản hình nêm phẳng có cạnh trước vuông góc với hướng cắt. Lực cản tiếp tuyến $P$ được xác định qua 3 thành phần:

$$P = P_M + P_c + P_{cc} = F_M p_M + F_c p_c + L_{cc} p_{cc}$$

Quy đổi theo các hệ số thực nghiệm đặc trưng cho nền đất:

$$P = \varphi \cdot m_M b h + 2 m_c h^2 + 2 m_{cc} h$$

Trong đó:

  • $F_M = b h$ là diện tích mặt cắt trước mũi lưỡi cắt ($\text{cm}^2$).
  • $F_c = k_1^2 h^2 \cot\theta$ là diện tích nứt vỡ hai bên với $k_1 = h_1/h = 0,65 \div 0,9$; $\theta = 30^\circ \div 35^\circ$.
  • $L_{cc} = 2h(1 - k_1)$ là chiều dài cạnh cắt thuần túy ($\text{cm}$).
  • $\varphi$ là hệ số ảnh hưởng của góc cắt $\delta$ (khi $\delta = 45^\circ$ thì $\varphi = 1$).
  • $m_M$ là lực cản riêng vùng trước mũi lưỡi cắt ($\text{N/cm}^2$).
  • $m_c = 0,5 k_1^2 \cot\theta \cdot p_c$ và $m_{cc} = (1 - k_1) p_{cc}$.

Lực cản pháp tuyến $N$ được tính qua góc ma sát ngoài giữa đất và thép $\mu$:

$$N = P \tan(\delta - \mu)$$

Mô hình cấu trúc quá trình làm việc của bộ phận công tác gồm 4 nhóm thông số:

  • Nhóm thông số đầu vào (ĐV): Tính chất cơ lý đất cấp I–III, chiều rộng rãnh $B$, chiều sâu $H$, $H_T$, cự ly văng đất $L_{VC}$, năng suất $Q$, lực giữ tay lái $P_g$, trọng lượng máy $G$.
  • Nhóm thông số kết cấu (KC): Thông số cắt đất $\text{KC}{cđ}$ (chiều rộng lưỡi cắt $b_c$, góc nhọn đỉnh $\alpha$, góc cắt $\delta$, góc sau $\beta$, góc sắc $\gamma$) và thông số vận chuyển $\text{KC}{vc}$ (bán kính rô to $R$, số cánh chuyển đất $n_o$, chiều dài cánh $l$, chiều rộng cánh $c$).
  • Nhóm thông số động học (ĐH): Tốc độ di chuyển máy $v$ và tốc độ quay rô to $n$.
  • Nhóm thông số đầu ra (ĐR): Lực cản di chuyển $P_{dc}$, mô men cản quay $M_q$, công suất di chuyển $N_{dc}$, công suất quay $N_q$, chi phí năng lượng riêng $E$.

2. Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp lý thuyết: Thiết lập mô hình động học chuyển động xoắn ốc của lưỡi cắt, tính toán các thành phần lực cản và lập trình thuật toán khảo sát đa yếu tố trên môi trường Matlab để tìm miền thông số kết cấu hợp lý của lưỡi cắt ($\delta, \beta, \gamma, b_c$).
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thiết bị dẫn động bằng hệ thống thủy lực, sử dụng các cảm biến đo áp lực dầu mô tơ ($p_{02}, p_q, p_{m2}$) và xilanh di chuyển ($p_{01}, p_{dc}, p_{m1}$).
    • Đánh giá cấp đất bằng búa va đập đo độ cứng.
    • Ứng dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm cực trị đa yếu tố (phương pháp Box-Wilson, phương trình hồi quy bậc hai) với 3 biến điều khiển: $X_1$ (chiều rộng cánh chuyển đất $c$, cm), $X_2$ (vận tốc di chuyển $v$, m/s), $X_3$ (tốc độ quay rô to $n$, v/ph).
    • Kiểm định độ đồng nhất phương sai bằng chuẩn Kohren ($G_{tt} < G_b$) và kiểm định độ tương thích mô hình bằng chuẩn Fisher ($F_{tt} < F_b$).

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày bối cảnh cơ giới hóa thi công ngầm tại đô thị và nông thôn Việt Nam, lý do lựa chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, cơ sở khoa học và cấu trúc tổng thể của luận án.

Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Phân tích thực trạng thi công hạ ngầm cáp điện lực, viễn thông và cấp thoát nước tại các đô thị lớn (Hà Nội, TP.HCM) và khu vực nông thôn. Đánh giá ưu nhược điểm của các loại máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ, máy đào rãnh liên tục dạng xích và các sáng chế máy đào cỡ siêu nhỏ trên thế giới. Xác định các yêu cầu kỹ thuật đối với máy đào cỡ siêu nhỏ cần thiết lập tại Việt Nam: thi công đất cấp I–III, rãnh rộng đến 0,4 m, sâu đến 1 m, kích thước và trọng lượng nhỏ gọn, di chuyển linh hoạt trong ngõ ngách $1 \div 3\text{ m}$, năng suất cao hơn và giá thành thấp hơn máy đào một gầu cùng cỡ.

Chương 2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình làm việc của bộ phận công tác máy đào cỡ siêu nhỏ

Xây dựng 6 nguyên tắc thiết lập máy đào cỡ siêu nhỏ:

  1. Chế độ làm việc liên tục, kết cấu khung trên hai bánh xe chủ động kết hợp càng lái.
  2. Phương án dẫn động tách biệt hoặc điều chỉnh linh hoạt giữa chuyển động quay rô to và chuyển động di chuyển.
  3. Công đoạn cắt đất thực hiện bởi lưỡi cắt hình nêm cắt theo chu vi tiết diện rãnh tạo lõi đất tự sập.
  4. Vận chuyển đất bằng rô to theo nguyên lý văng ly tâm.
  5. Tích hợp chức năng cắt và vận chuyển trong cùng một cụm chi tiết trên rô to, không qua bộ truyền trung gian.
  6. Hướng đến mục tiêu giảm thiểu chi phí năng lượng riêng $E$, lực cản di chuyển $P_{dc}$ và lực giữ tay lái $P_g$.

Đề xuất phương án kết cấu bộ phận công tác: Đĩa quay gắn các cánh chuyển đất hướng kính, trên đỉnh cánh lắp các lưỡi cắt hình nêm phẳng bằng vít chìm có gân tăng cứng tam giác; máng dẫn hướng cố định có khả năng điều chỉnh góc xoay xả đất.

Xây dựng mô hình toán học động học và động lực học công đoạn cắt đất: Quỹ đạo chuyển động của lưỡi cắt là đường xoắn ốc trong không gian; xác định phương, chiều và độ lớn các thành phần lực cắt tiếp tuyến $P_i$ và pháp tuyến $N_i$. Sử dụng thuật toán tối ưu trên Matlab khảo sát hàm chi phí năng lượng riêng $E_{cđ} = f(\delta, \beta)$ để xác định góc cắt hợp lý $\delta = 35^\circ \div 45^\circ$, góc sau $\beta = 6^\circ \div 8^\circ$, góc sắc $\gamma = 27^\circ \div 39^\circ$.

Quá trình làm việc chu kỳ của bộ phận công tác:
[Lưỡi cắt hình nêm quay + tịnh tiến] 
[Cắt đất theo chu vi rãnh đào (tạo mặt côn định tâm)]
[Tạo lõi đất ở giữa rãnh]
[Lõi đất đạt độ dài giới hạn -> Tự sập xuống dưới trọng bản thân & lực động]
[Cánh gạt rô to cuốn đất tơi đưa vào máng dẫn hướng]
[Văng ly tâm xả đất thành dòng ra khỏi rãnh đào]

Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm để xác định các thông số hợp lý của bộ phận công tác

Thiết lập mô hình thực nghiệm với hệ thống nguồn thủy lực độc lập cho mô tơ quay rô to và xilanh đẩy di chuyển. Tiến hành đo đạc áp lực dầu ở trạng thái có tải ($c = 7\text{ cm}$, $v = 1,5\text{ m/ph}$, $n = 550\text{ v/ph}$) và ghi nhận sự tăng áp lực dầu tức thời tại thời điểm sập lõi đất.

So sánh giá trị tính toán lý thuyết và giá trị đo thực nghiệm:

  • Lực cản di chuyển: sai số $\Delta P = 8,3 \div 12,6%$.
  • Mô men cản quay: sai số $\Delta M = 7,2 \div 11,5%$.
  • Chi phí năng lượng riêng: sai số $\Delta E = 6,8 \div 10,4%$.

Xây dựng ma trận quy hoạch thực nghiệm bậc hai đa yếu tố, xác định phương trình hồi quy biểu diễn các hàm mục tiêu: chi phí năng lượng riêng $Y_E$, lực cản di chuyển $Y_P$, mô men cản quay $Y_M$. Vẽ đồ thị bề mặt và đường đồng mức của hàm $Y_E = f(X_1, X_2)$ tại mức $X_3 = 0,1$. Xử lý bài toán tối ưu đa mục tiêu với các hàm điều kiện biên về điều kiện bám bánh xe ($P_{dc} \le P_{dc}^{dk}$), mô men ổn định lật ($M_q \le M_q^{dk}$) và giới hạn lực giữ tay lái ($P_g \le P_{g\max}$). Kết quả tối ưu xác định miền thông số hợp lý: $c = 6,5 \div 7,5\text{ cm}$, $v = 1,2 \div 1,8\text{ m/ph}$, $n = 500 \div 600\text{ v/ph}$.

Chương 4. Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án

Xây dựng quy trình 8 bước tính toán thiết kế máy đào cỡ siêu nhỏ cho kỹ sư ngành Máy xây dựng:

  1. Xác định yêu cầu công nghệ và điều kiện làm việc ($B, H, H_T, Q$, cấp đất).
  2. Lựa chọn thông số kết cấu và động học hợp lý của bộ phận công tác từ cơ sở dữ liệu tối ưu.
  3. Tính toán các thành phần lực cản và công suất công tác ($P_{dc}, M_q, N_{cđ}, N_{vc}$).
  4. Tính toán thiết kế hệ thống truyền động và lựa chọn động cơ.
  5. Tính toán động học, động lực học và độ ổn định tĩnh, ổn định động của máy.
  6. Thiết kế kết cấu khung bệ, hệ thống di chuyển bánh lốp và cơ cấu điều khiển càng lái.
  7. Kiểm tra điều kiện bám và lực giữ trên tay lái người vận hành.
  8. Hoàn thiện hồ sơ thiết kế kỹ thuật và quy trình công nghệ chế tạo.

Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mẫu máy đào cỡ siêu nhỏ MDM-1E:

  • Động cơ điện 3 pha công suất 4 kW.
  • Truyền động qua hộp giảm tốc trục vít và bộ truyền xích.
  • Bộ phận công tác đường kính $R = 0,2\text{ m}$ (đường kính ngoài $0,4\text{ m}$), 6 cánh gạt, bề rộng cắt $0,4\text{ m}$.
  • Thử nghiệm thi công thực tế tại hiện trường đạt năng suất $8 \div 10\text{ m}^3\text{/h}$ trên đất cấp II–III, rãnh đào phẳng cạnh, văng đất xa $3 \div 3,5\text{ m}$, máy vận hành ổn định.

Kết quả và những đóng góp mới

1. Đóng góp mới về mặt khoa học

  • Đề xuất được bộ phận công tác mới có kết cấu tích hợp chức năng cắt và vận chuyển đất trên cùng một rô to văng ly tâm, làm việc theo nguyên lý cắt chu vi tạo lõi đất tự sập, loại bỏ tổn thất năng lượng qua các bộ truyền trung gian phức tạp.
  • Làm rõ quy luật thay đổi của các thông số đầu ra (chi phí năng lượng riêng $E$, lực cản di chuyển $P_{dc}$, mô men cản quay $M_q$) phụ thuộc phi tuyến vào các thông số kết cấu ($b_c, \delta, c$) và thông số động học ($v, n$) thông qua việc kết hợp mô hình lý thuyết cắt đất Vétrôv với phương pháp quy hoạch thực nghiệm cực trị đa yếu tố.
  • Xác lập được mô hình toán và cơ sở dữ liệu xác định miền giá trị tối ưu của các thông số kỹ thuật bộ phận công tác trong điều kiện tải trọng động chu kỳ do sập lõi đất.

2. Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Xây dựng hoàn chỉnh phương pháp và quy trình tính toán thiết kế máy đào cỡ siêu nhỏ làm tài liệu tính toán cho kỹ sư ngành Cơ khí Xây dựng.
  • Chế tạo thử nghiệm thành công máy đào cỡ siêu nhỏ MDM-1E dẫn động bằng động cơ điện, chứng minh tính khả thi công nghệ và hiệu quả thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp tại Việt Nam.
  • Kết quả nghiên cứu của luận án và bộ phận công tác máy đào đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp Bằng độc quyền sáng chế số 24312 ("Máy đào đất cỡ siêu nhỏ dẫn động bằng động cơ điện", Quyết định số 6168w/QĐ-SHTT ngày 27/05/2020).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các kết quả thực nghiệm và mô hình tính toán trong luận án được xác lập giới hạn trên nhóm đất á sét trung bình, á cát và đất cát có độ cứng đến cấp III, độ ẩm $22 \div 26%$, kích thước rãnh đào rộng tối đa 0,4 m và sâu đến 1 m. Nghiên cứu chưa mở rộng khảo sát đối với nền đất dính cao có độ ẩm bão hòa lớn hoặc đất lẫn đá tảng kích thước lớn hơn tiết diện cánh gạt.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Hoàn thiện kết cấu máy MDM-1E theo hướng đa dạng hóa nguồn động lực (nghiên cứu phương án sử dụng động cơ nổ hoặc pin/ắc quy tích điện để tăng tính cơ động tại hiện trường không có lưới điện).
    • Nghiên cứu chế tạo cơ cấu tự động điều chỉnh tốc độ di chuyển $v$ phù hợp với sự thay đổi độ cứng cục bộ của nền đất dọc tuyến đào.
    • Mở rộng phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trên các loại đất đặc thù khác (đất sét dẻo mềm, đất đồi gồ ghề).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên ngành Máy xây dựng, Cơ khí Xây dựng, Cơ giới hóa Nông nghiệp: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình toán tương tác giữa cơ cấu công tác và môi trường đất rãnh hẹp, phương pháp ứng dụng quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố trong tối ưu hóa máy xây dựng.
  • Kỹ sư thiết kế và các viện nghiên cứu máy cơ giới: Sử dụng quy trình 8 bước và hệ thống công thức giải tích để tính toán thiết kế các dòng máy đào rãnh liên tục cỡ nhỏ và siêu nhỏ.
  • Các đơn vị thi công hạ ngầm cáp viễn thông, điện lực, cấp thoát nước đô thị: Ứng dụng mẫu máy đào MDM-1E hoặc nguyên lý bộ phận công tác mới để thay thế lao động thủ công trong các ngõ ngách, vỉa hè chật hẹp nhằm nâng cao năng suất và giảm chi phí thi công.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý cắt đất tạo lõi tự sập của bộ phận công tác trong luận án có ưu điểm gì so với việc cắt toàn bộ tiết diện rãnh đào?

Bộ phận công tác chỉ sử dụng các lưỡi cắt hình nêm gắn trên đỉnh cánh gạt để cắt đất theo chu vi biên dạng của rãnh đào, tạo ra bề mặt hình nón cụt định tâm và để lại lõi đất ở giữa. Khi máy tiến lên, lõi đất dài ra và tự sập xuống dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và lực rung động. Nguyên lý này giúp giảm đáng kể công cắt gọt cơ học trực tiếp trên toàn bộ thể tích rãnh, từ đó giảm chi phí năng lượng riêng $E$, giảm lực cản di chuyển $P_{dc}$ và giảm hao mòn lưỡi cắt.

2. Sự khác biệt cơ bản về mặt kết cấu giữa bộ phận công tác đề xuất và mẫu máy ZMTI (Đại học Xây dựng Kiev) là gì?

Ở máy ZMTI, chức năng cắt đất (cụm lưỡi phay) và chức năng vận chuyển đất (rô to văng ly tâm) là hai cụm chi tiết riêng biệt, truyền động qua bộ truyền trục vít – bánh vít có hiệu suất thấp, làm kết cấu cồng kềnh và nặng. Bộ phận công tác trong luận án tích hợp trực tiếp lưỡi cắt phẳng hình nêm lên đỉnh các cánh chuyển đất của rô to văng ly tâm, loại bỏ hoàn toàn bộ truyền trung gian, giúp giảm chi phí kim loại riêng, nâng cao hiệu suất và đơn giản hóa quy trình chế tạo.

3. Tại sao luận án lựa chọn lý thuyết cắt đất của Viện sỹ Vétrôv thay vì phương pháp của Đômbrôvski hay Zelenhin?

Phương pháp Đômbrôvski quá đơn giản, dựa nhiều vào hệ số thực nghiệm chung và tính lực pháp tuyến $N$ kém chính xác. Phương pháp Zelenhin có nhiều hệ số thực nghiệm phức tạp và khó áp dụng giải tích. Phương pháp Vétrôv phản ánh đầy đủ tính không gian của vệt cắt hình thang, phân tách rõ thành phần lực cản mũi cắt $P_M$, lực phá vỡ nứt hai bên $P_c$ và lực cắt thuần túy $P_{cc}$, đồng thời liên kết trực tiếp với góc cắt $\delta$ và góc ma sát ngoài $\mu$, tạo cơ sở giải thuật chặt chẽ để tối ưu hóa hình học lưỡi cắt.

4. Các thông số điều khiển chính trong mô hình quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố ở Chương 3 là gì?

Mô hình quy hoạch thực nghiệm sử dụng 3 biến điều khiển:

  • $X_1$: Chiều rộng cánh chuyển đất $c$ (cm).
  • $X_2$: Vận tốc di chuyển của máy $v$ (m/s hoặc m/ph).
  • $X_3$: Tốc độ quay của rô to $n$ (vòng/phút). Các hàm mục tiêu đầu ra cần tối ưu gồm chi phí năng lượng riêng $Y_E$, lực cản di chuyển $Y_P$ và mô men cản quay $Y_M$.

5. Kết quả thử nghiệm thực tế của mẫu máy MDM-1E đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật nào?

Mẫu máy MDM-1E sử dụng động cơ điện 4 kW, đào rãnh rộng 0,4 m, sâu đến 1 m trên đất cấp II–III. Năng suất đào thực tế đạt $8 \div 10\text{ m}^3\text{/h}$, cự ly văng đất xa $3 \div 3,5\text{ m}$, máy di chuyển và vận hành ổn định trong rãnh đào, đáp ứng các tiêu chuẩn đặt ra cho điều kiện thi công chật hẹp tại Việt Nam.

Kết luận

Luận án của tác giả Trần Văn Viết đã giải quyết trọn vẹn vấn đề khoa học và thực tiễn trong việc cơ giới hóa công tác đào rãnh tại các khu vực địa hình chật hẹp ở Việt Nam. Bằng việc kết hợp lý thuyết cắt đất Vétrôv và phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố, tác giả đã đề xuất thành công kết cấu bộ phận công tác mới tích hợp cắt đất chu vi tạo lõi tự sập và vận chuyển văng ly tâm, đồng thời xác lập được bộ thông số hình học và chế độ làm việc tối ưu. Công trình đã xây dựng quy trình tính toán thiết kế chuẩn mực cho kỹ sư cơ khí xây dựng, chế tạo hoàn chỉnh mẫu máy thử nghiệm MDM-1E và được cấp Bằng độc quyền sáng chế số 24312, đóng góp thiết thực cho sự phát triển của ngành máy xây dựng trong nước.