đề tài nghiên cứu máy gia cố cọc xi măng đất

Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
1

LỜI MỞ ĐẦU
Tham gia NCKH là một cơ hội để sinh viên được vận dụng kiến thức vào việc
giải quyết những vấn đề thực tế, qua đó nâng cao thêm trình độ, biết cách tiếp cận
để giải quyết một công việc khoa học.
Với nhận thức đó, nhóm sinh viên chuyên ngành Cơ giới hóa xây dựng khoá 52
gồm:
- Nguyễn Huy Đăng
- Võ Hồng Chiến
- Nguyễn Văn Đạt
- Trần Mạnh Linh
đã tham gia đề tài NCKH: “Nghiên cứu thiết kế bộ công tác máy khoan gia cố xi
măng đất và lựa chọn lắp trên máy cơ sở phù hợp”
Đề tài đã được hoàn thành nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của ThS.Nguyễn Văn
Dũng cùng sự nỗ lực của nhóm nghiên cứu.
Kết quả của đề tài gồm những nội dung sau:
- Nói được tính cấp thiết của đề tài
- Nêu rõ tổng quan công nghệ và thiết bị
- Thiết kế tính toán được bộ công tác khoan gồm : mũi khoan, động cơ dân
động khoan, trục dẫn động, cột dẫn hướng và đưa ra bảng tông số cụ thể
- Dựa vào bảng thông số bộ công tác chọn máy cơ sở phù hợp
- Tính toán được sự ổn định của bộ máy khoan trong các trường hợp cụ thể
- Tính toán kết cấu thép của cần máy đào để thỏa mãn điều kiện bền
- Đánh giá hiệu quả kinh tế của phương án chế tạo thiết kế
TP Hồ Chí Minh ngày 05/05/2014
Nhóm sinh viên thực hiện

Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014

Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
2


MỤC LỤC


Phần I: Tính cấp thiết của đề tài
1

Phần II: Nội dung
2
I
Chƣơng I: Tổng quan về công nghệ và thiết bị
2
1.1
Tổng quan về công nghệ
2
1.2
Tổng quan về thiết bị
7
II
Chƣơng II: Thiết kế bộ công tác hai mũi khoan
10
2.1
Thiết kế mũi khoan chuyên dùng
10
2.2
Tính chọn động cơ dẫn động cơ cấu khoan
19

2.3
Tính cột dẫn động khoan
20
III
Chƣơng III: Khái quát loại máy cơ sở thƣờng dùng gia
cố nền móng và lựa chọn máy cơ sở phù hợp
21
3.1
Máy đào một gầu thủy lực
21
3.2
Máy cần trục bánh xích
28
3.3
Xác định thông số bộ công tác và chọn máy cơ sở
31
IV
Chƣơng IV: Tính toán độ ổn định của bộ máy khoan khi
lắp vào máy cơ sở đƣợc lựa chọn.
33
4.1
Các thông số cơ bản về trọng lượng
35
4.2
Tính toán ổn định trong các trường hợp
35

Khi máy khoan trên mặt phẳng ngang
35

Khi khoan xuyên dương góc 18,5
o

42

Khi khoan xuyên âm góc 5
o

45

Khi khoan trên dốc nghiêng ( lên dốc)
47

Khi khoan trên dốc nghiêng (xuống dốc)

52
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
3

V
Chƣơng V: Tính toán kết cấu thép của cần máy đào để
thỏa mãn điều kiện bền
58
5.1
Xác định ngoại lực tác dụng lên cần
58
5.2
Xác định nội lực trong cần
60

5.3
Kiểm tra sức bền cho cần
61
VI
Chƣơng VI: Đánh giá hiệu quả kinh tế của phƣơng án
chế tạo thiết kế
65
6.1
Giá thành của các thiết bị hiện có trên thị trường
65
6.2

Giá trị đầu tư các máy trên thị trường sau khi khảo sát thực
tế tại các công ty và tài liệu nước ngoài, thông tin tin cậy từ
các trang wed
66
6.3
Dự toán giá trị của sản phẩm thiết kế
68

Kết luận và kiến nghị
69

Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
4

PHẦN I : TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay công tác xử lý nền đất yếu đặt ra nhiều thách thức cho các nhà thi
công để đảm bảo chất lượng công trình và chất lượng công trình và tiến độ thi
công.Công nghệ gia cố nền bằng cọc xi măng đất đang đem lại nhiều ưu điểm phù
hợp với nền địa chất của Việt Nam.
Ưu điểm của công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất:
- Chi phí thấp (giá của một đơn vị CXMĐ rẻ hơn đáng kể so với cọc bê tông), chi
phí xử lý nền đất yếu có thể giảm đến 30%. ,tiến độ thi công nhanh.
- Đặc biệt không gây rung động, ồn ào, tiếng động lớn , không tạo ra chất thải trong
quá trình thi công.
Có rất nhiều công trình lớn đã áp dụng công nghệ này, đặc biệt là khu vực phía
Nam với các công trình lớn như : sân bay Long Thành, sân bay Trà Nóc, đường
Phạm Văn Đồng - Bình Lợi – Vành Đai Ngoài, Cầu Đỏ … và đã đạt chất lượng tốt.
Nhưng hệ thống máy móc và thiết bị công nghệp phục vụ thi công hiện nay Việt
Nam đang phải nhập ngoại của các nước như Nhật, Đức, Trung Quốc và các nước
Tây Âu với chi phí đầu tư thiết bị lớn ( VD: máy gia cố nền DHJ80 có giá từ 4,5 –
5 tỷ đồng) gây khó khăn cho các công ty.
Trước tình hình đó, việc lựa chọn một máy cơ sở phù hợp lắp vào bộ công tác
khoan theo yêu cầu thiết kế có khả năng chế tạo trong nước để giảm giá thành đầu
tư máy tiết kiệm ngoại tệ đồng thời vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật là điều rất
quan trọng đối với các công ty hiện nay.

Do đó đề tài nghiên cứu thiết kế công tác khoan gia cố nền xi măng đất và lựa
chọn lắp trên máy cơ sở phù hợp có tính cấp thiết và phù hợp với yêu cầu thực tiễn
thi công là xu hướng mà các công ty thi công đang áp dụng hiện nay.

Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
5

PHẦN II: NỘI DUNG
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ.
1.1 Tổng quan về công nghệ:
Công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất là một trong những
công nghệ gia cố đã và đang được thế giới quan tâm và áp dụng trong nhiều hạng
mục công trình quan trọng như sân bay, bãi đỗ xe, bến cảng Ưu điểm của công
nghệ này là chi phí thấp (giá của một đơn vị cọc xi măng đất rẻ hơn đáng kể so với
cọc bê tông, đặc biệt đối với các công trình có tải trọng phân bố đều trên diện rộng
thì chi phí xử lý nền đất yếu có thể giảm đến 30%) và tiến độ thi công nhanh, đặc
biệt không gây rung động, ồn ào, có thể thi công trong khu dân cư hoặc các khu đô
thị.
Hình 1.1 Máy khoan cọc xi măng đất gắn trên máy giá búa
Ưu điểm của công nghệ này là chi phí thấp (giá có thể giảm 25 - 40%) và tiến
độ, thi công nhanh, đặc biệt gây rung động, ồn ào rất ít so với thi công cột bê tông
nên có thể thi công trong khu dân cư hoặc các khu đô thị.
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
6

Nước ứng dụng công nghệ DMM nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng
Scandinaver. Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai
đoạn 80-96 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 BTĐ. Riêng từ 1977 đến 1993,

lượng đất gia cố bằngcông nghệ DMM ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các
dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án. Hiện nay hàng năm thi
công khoảng 2 triệu m3. Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm
1970, tổng khối lượng xử lý bằng công nghệ DMM ở Trung Quốc cho đến nay vào
khoảng trên 1 triệu m3. Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển
và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967. Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (cao 6m, dài
8m) đã được xây dựng ở Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích
hiệu quả của hình dạng và chiều dài cột về mặt khả năng chịu tải.
Tại Việt Nam, từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc XMĐ
vào xây dựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh
Hòa) đã sử dụng 4000m cọc XMĐ có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô; xử
lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ. Năm 2004 cọc
XMĐ được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà
Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng), các dự án trên
đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m. Tháng 5 năm
2004, các nhà thầu Nhật Bản đã sử dụng Jet - grouting để sửa chữa khuyết điểm
cho các cọc nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội). Năm 2005, một số dự án cũng đã áp
dụng cọc XMĐ như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự án sân
bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu….
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
7


Hình 1.2Thi công trong khu dân cư

Hình 1.3Máy khoan phun kiểu ướt
Trong công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất có hai phương pháp thi
công là:
1/ Cọc xi măng đất phun kiểu khô: Xi măng được phun khô và trộn vào khối

đất trong cọc để tạo thành cột xi măng đất.
2/ Cọc xi măng đất phun kiểu ướt: Xi măng được trộn thành vữa và phun vào
khối đất trong cọc để tạo thành cột xi măng đất.
Trong công nghệ cọc xi măng đất phun kiểu ướt lại chia ra hai loại: phun vữa
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
8

xi măng cao áp (jet grouting) và phun vữa xi măng. Công nghệ phun vữa xi măng
cao áp thường được áp dụng ở Tây Đức và các nước Bắc Âu, công nghệ này đòi
hỏi dòng vữa xi măng phun ra dạng tia, có áp suất rất cao (thường khoảng 400-600
kG/cm
2
), vận tốc lớn (≥100 m/s) và công suất động cơ dẫn động cũng rất lớn (từ 50
- 420 kW). Trong quá trình phun (hoặc bơm) chất kết dính để trộn với đất trong hố
khoan, tuỳ theo yêu cầu có thể được thực hiện ở cả hai pha khoan xuống và rút
lên của mũi khoan hoặc chỉ thực hiện ở pha rút mũi khoan lên. Để tránh lãng phí xi
măng, hạn chế xi măng thoát ra khỏi mặt đất gây ô nhiễm môi trường thông thường
khi rút mũi khoan lên cách độ cao mặt đất từ 0,5m đến 1,5m người ta dừng phun
chất kết dính, nhưng đoạn cọc 0,5m đến 1,5m này vẫn được phun đầy đủ chất kết
dính là nhờ chất kết dính có trong đường ống tiếp tục được phun (hoặc bơm) vào
hố khoan.Trong khi đó, công nghệ phun vữa xi măng thông thường chỉ đòi hỏi áp
suất phun khoảng 70-100 kG/cm
2
và vận tốc phun không lớn. Hiện nay hệ thống
dây chuyền thiết bị phun vữa xi măng thông thường (gọi tắt là thiết bị phun vữa xi
măng) là phổ biến hơn,phù hợp với điều kiên khách quan ở nước ta, điển hình như
dây chuyền thiết bị của Nhật Bản và Trung Quốc.
Ngoài ra hiện nay trên thế giới đã phát triển ba công nghệ Jet-grouting: đầu
tiên là công nghệ S, tiếp theo là công nghệ T, và gần đây là công nghệ D. + Công

nghệ đơn pha S: Công nghệ đơn pha tạo ra các cọc xi măng đất có đường kính vừa
và nhỏ 0,4 - 0,8m. Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công nền đất đắp, cọc
Công nghệ hai pha D: Công nghệ hai pha tạo ra các cọc xi măng đất có đường
kính từ 0,8 -1,2m. Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công các tường chắn, cọc và
hào chống thấm.
Công nghệ ba pha T: Phun ba pha là phương pháp thay thế đất mà không xáo
trộn đất. Công nghệ T sử dụng để làm các cọc, các tường ngăn chống thấm, có thể
tạo ra cột Soilcrete đường kính đến 3m.
Trình tự thi công cọc xi măng đất
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
9

Thi công cải tạo nền đất yếu bằng cọc xi măng đất có thể theo các bước sau:
- Định vị và đưa thiết bị thi công vào vị trí thiết kế;
- Khoan hạ đầu phun trộn xuống đáy khối đất cần gia cố;
- Bắt đầu quá trình khoan trộn và kéo dần đầu khoan lên đến miệng lỗ;
- Đóng tắt thiết bị thi công và chuyển sang vị trí mới.

Hình 1.4 Máy khoan xi măng đất (phun khô bằng khí nén)
1.2 Tổng quan về thiết bị:
Thiết bị thi công cọc gia cố xi măng đất là một tổ hợp gồm nhiều thiết bị:
Máy cơ sở, thiết bị khoan, thiết bị trộn vữa xi măng, bơm vữa xi măng, thiết bị định
lượng vữa xi măng và hệ điều khiển.
Máy cơ sở là thiết bị có nhiệm vụ neo giữ giá khoan và dẫn động cho mũi
khoan tịnh tiến lên - xuống giá khoan theo các yêu cầu trong thi công cọc gia cố.
Thiết bị khoan bao gồm các bộ phận chính như giá khoan, đầu khoan, cần
khoan và mũi khoan.Giá khoan có nhiệm vụ neo giữ và dẫn hướng cho đầu khoan
chuyển động lên - xuống, giá khoan có thể thay đổi được góc nghiêng (để thi công
các cọc xiên khi cần).Đầu khoan (được dẫn động bởi nguồn thủy lực của máy cơ

Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
10

sở, hoặc nguồn điện) truyền chuyển động quay cho mũi khoan thông qua cần
khoan.Khi khoan, nhờ trọng lượng bản thân của bộ phận đầu khoan và góc xoắn
của mũi khoan mà mũi khoan đi vào nền đất với chiều sâu yêu cầu.Hệ thống tời rút
mũi khoan trên máy cơ sở được dẫn động nhờ nguồn dẫn động thủy lực hoặc điện
của máy cơ sở.
Hình 1.5 Một số máy khoan xi măng đất khác
Thiết bị trộn vữa xi măng có nhiệm vụ trộn xi măng với nước thành vữa xi
măng (đối với kiểu phun vữa ướt); đồng thời làm nhiệm vụ bồn chứa hoặc có bồn
chứa vữa xi măng đi cùng.
s
Hình 1.6 Máy khoan gia cố xi măng đất chuyển động cơ khí (Trung Quốc)
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
11


Hình 1.7 Tổng thể dây chuyền thiết bị thi công cọc vữa xi măng đất.
1- Thùng chứa nước; 2- Cơ cấu cung cấp xi măng; 3- Thùng chứa xi măng;
4- Tủ điện; 5- Đường ống cấp vật liệu; 6- Phễu chứa vật liệu; 7- Thùng chứa và
trộn vữa; 8- Máy bơm vữa; 9- Máy di chuyển bánh xích; 10- Cụm puly móc câu;
11- Động cơ dẫn động quay; 12- Đường ống dẫn vữa xi măng; 13- Mũi khoan
chuyên dung;14- Cân cộng dồn phụ gia; 15- Cân điện tử xi măng; 16- Cân điện tử
nước.

Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52

12

Hình 1.8 Máy khoan có bộ công tác khoan gắn trên máy giá búa
So với sản phẩm cùng loại của Nhật Bản hay các nước Tây Âu thì thiết bị
nghiên cứu này chắc chắn có tính năng kỹ thuật tương đương nhưng giá thành giảm
xuống. So với thiết bị của Trung Quốc, thiết bị có nhiều tính năng ưu việt hơn hẳn:
Do sử dựng máy cơ sở là loại búa đóng cọc di chuyển bằng bánh xích, nên tính cơ
động cao, tốc độ làm việc của thiết bị khoan lớn, năng suất gấp 1,5 - 2 lần. Đặc
biệt, tổ hợp thiết bị được trang bị hệ thống điều khiển hiện đại, toàn bộ các thao tác
thi công cọc gia cố được tự động hóa theo các chương trình, các số liệu về lượng xi
măng sử dụng trên từng mét cọc được hiển thị, lưu giữ và in thành bảng kết quả thi
công cho từng cọc. Đây chính là những chỉ tiêu rất quan trọng đánh giá chất lượng
của thiết bị cũng như chất lượng của cọc gia cố được thi công.Đây là lần đầu tiên ở
trong nước chế tạo được tổ hợp thiết bị thi công cọc gia cố.Thiết bị có giá thành
thấp, phù hợp với khả năng tài chính của các đơn vị thi công.
Bơm vữa xi măng đóng vai trò quan trọng, nó tạo ra dòng vữa xi măng có đủ
áp suất giúp dễ dàng trộn đều vữa xi măng với đất gia cố trong lỗ khoan.Trong quá
trình bơm thì việc rút khoan lên phải phối hợp nhịp nhàng với nhau.
Thiết bị định lượng vữa xi măng có nhiệm vụ định lượng vữa xi măng cho
từng cọc, phun vữa xi măng theo tốc độ rút mũi khoan cùng với việc trộn đều vữa
xi măng trong cọc của thiết bị khoan. Khi mũi khoan vừa được rút lên thi bộ công
tác sẽ phun xi măng vào trong cùng với thiết bị là cánh tay xới trộn xi măng với tạo
nên cọc xi măng đất.
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
13

CHƢƠNG II: THIẾT KẾ BỘ CÔNG TÁC HAI MŨI KHOAN
2.1 Thiết kế mũi khoan chuyên dùng:
Tính toán lực cản cắt đất.

Theo công thức 1.2 [ 4 ] của GS.VS N.G.Dombrovski ta có:
Lực cản cắt thuần túy: P
0
=P
01
+P
02
(N)
Trong đó:
P
0
: Lực cản cắt thuần túy
P
01
:Lực cản tiếp tuyến
P
02
:Lực cản pháp tuyến
2.1.1 Xét trƣờng hợp cánh tay cắt đất và xới đất lúc đi xuống:
*Xét cánh tay cắt đất:
a. Tính lực cản lên lƣỡi cắt:
Lực cản tiếp tuyến:P
01
= K.K
2
.B.h
K: Hệ số xét đến số số răng cắt đất trên cánh tay cắt, với K ≤ 1, chọn K = 1
K
2
: Hệ số cắt đất thuần túy. Chọn loại đất trong trường hợp này là đất cấp IV

chọn K
2
= 19 N/cm
2

B: Chiều rộng phoi đất cắt. chọn B = 300mm = 30 cm
h: Chiều dầy phoi đất cắt. chọn h = 40 mm = 4 cm

Hình 2.1: Sơ đồ tính cánh tay cắt đất lúc đi xuống.
Vậy: P
01
= 19.30.4 = 2280 N
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
14

Ta có: P
02
= ψ.P
01

Trong đó:
ψ: Hệ số phụ thuộc ( 0,1 – 0,5). Chọn ψ = 0,3
Vậy: P
02
= 0,3.2280 = 684 N
Tại 1 điểm trên cánh tay cắt chịu đồng thời cả 2 lực P
01
và P
02

nên ta có:
P
0
x
= P
01
x
- P
02
x
= 1612,2 - 483,6 = 1128,6 N
P
0
y
= P
01
y
+ P
02
y
=1612,2 + 483,6 = 2095,8 N
Nhận xét: Theo sơ đồ ta thất lực tác dụng vào cánh tay cắt gồm có lực P
0
x
và P
0
y

trong đó tác dụng lực cắt đất là P
0

x
và lực đẩy lưỡi cắt ngược trở lại là P
0
y
.
Do có 2 cánh tay cắt nên lực cản sẽ là:
P
c
c
=2.P = 2. 2095,8 = 4191,6 N
b. Tính lực cản lên cánh tay cắt:
Ta có: P=
P = . (1)
Trong đó:
R: khoảng cách từ tâm trục quay tới mép ngoài cùng cánh tay cắt (chọn R= 0.3 m)
r: khoảng cách từ tâm trục quay tới mép trong cùng cánh tay cắt( chọn r = 0,05 m)
γ: Trọng lượng thể tích, có γ = 19500 N/m
3

g: gia tốc trọng trường; lấy g = 9,81
b: bề rộng cánh tay cắt; b = b
0
.sinα = 0,1 m
β: hệ số ứng với vận tốc:
n
xuống
= 8÷25 vòng/phút → chọn n
xuống
= 18 vòng/phút có β = 2
n

lên
= 50÷100 vòng/phút → chọn n
lên
= 60 vòng/phút có β = 4
Thay số ta có lực cản tác dụng vào cánh tay cắt lúc đi xuống là:
P = . = 14333,1 N
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
15

Do có 2 cánh tay cắt đất nên lực cản là:
= 2.P = 2. 14333,1 = 28666,2 N
Mô men cản cắt của cánh tay cắt là: M
c
c
= . x
0
= 28666,2.0,225 = 6450 N.m
*Xét cánh tay xới đất
a. Tính lực trên lƣỡi xới
Lực cản tiếp tuyến
P
01
= K.K
2
.B.h= 2.30.4 = 240 N
Ta có: P
02
= ψ.P
01

=0,3.240 = 72 N

Vì cánh tay xới đặt vuông góc với mũi khoan ta có các thành phần lực:
P
01
x
= P
01
y
= P
01
= 240 N
P
02
x
= P
02
y
= P
02
= 72 N
Tại 1 điểm trên cánh tay xới chịu đồng thời cả 2 lực P
01
và P
02

Ta có: P
0
x
= P

01
x
- P
02
x
= 240-72 = 168 N
P
0
y
= P
01
y
+ P
02
y
=240 +72 = 312 N
Do có 2 cánh tay cắt nên lực cản sẽ là:
P
c
c
=2.P = 2. 312 = 624 N
Nhận xét : Lực tác dụng vào cánh tay xới gồm có lực P
0
x
và P
0
y
trong đó tác
dụng lực xới đất là P
0

x
và lực đẩy tay xới ngược trở lại là P
0
y
.
b. Tính lực tác dụng vào cánh tay xới:
Lực cản đất tác dụng vào cánh tay xới đất lúc xuống là:
P = .
P = 2133,6 N
Do có 2 cánh tay xới nên lực cản sẽ là:
P
c
x
=2.P = 2.2133,6 = 4267,2 N
Tọa độ điểm đặt lực:
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
16

x
0
= . = 0,225 m
Mômen cản cắt trên cánh tay xới là:
M
c
x
= P
c
x
. x

0
= 4267,2.0,225 = 960,1 N.m
Lực tác dụng ngược lại từ nền đất lên mũi khoan là:
P
pl
= P
c
y
+ P
x
y
= 4191,6 + 624 = 4815,6 N
Lực cản tổng cộng lúc đi xuống là:
P
∑
= + P
c
x
=28666,2 + 960,1 = 29626,3 N
Mô men cản tổng hợp là:
M
c
= M
c
c
+ M
c
x
= 6450 + 960,1 = 7410,1 N
Công suất cần thiết để quay mũi khoan lúc đi xuống là:

N = M
c
. ω= 7410,1 . 1,884 = 13960 W =13,96 Kw
2.1.2 Xét trường hợp cánh tay cắt đất và xới đất lúc đi lên:
*Xét trên cánh tay cắt đất:
a. Tính lực cản lên lƣỡi cắt

Hình 2.2Sơ đồ tính cánh tay cắt đất lúc đi lên.
Lực cản cắt lúc này là lực cản xới:
P
01
= K.K
2
.B.h
Trong đó:
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
17

K: Hệ số xét đến số số răng cắt đất trên cánh tay cắt, với K ≤ 1, chọn K = 1
trong trường hợp không có răng cắt nào.
K
2
: Hệ số cắt đất thuần túy. Chọn loại đất trong trường hợp này là đất cấp I
Theo bảng 1.III.1[ 4 ] chọn K
2
= 1 N/cm
2

B: Chiều rộng phoi đất cắt. Chọn B = 300mm = 30 cm

h: Chiều dầy phoi đất cắt chọn h =12 mm = 1,2 cm
Vì cánh tay cắt đặt nghiêng 1 góc α=45
0
nên ta có các thành phần lực:
P
01
x
= P
01
.cosα = 36.cos 45
0
= 25,4 N
P
01
y
= P
01
.sinα = 36.sin 45
0
= 25,4 N
P
02
x
= P
02
.cosα = 10,8.cos 45
0
= 7,6 N
P
02

y
= P
02
.sinα = 10,8.sin 45
0
= 7,6 N
Tại 1 điểm trên cánh tay cắt chịu đồng thời cả 2 lực P
01
và P
02
nên ta có:
P
0
x
= P
01
x
- P
02
x
= 25,4 - 7,6 = 17,8 N
P
0
y
= P
01
y
+ P
02
y

= 25,4 + 7,6 = 33 N
Nhận xét : Lực tác dụng vào cánh tay cắt gồm có lực P
0
x
và P
0
y
trong đó
tác dụng lực cắt đất là P
0
x
và lực đẩy lưỡi cắt ngược trở lại là P
0
y
.
b. Tính lực cản lên tay cắt:
Lực cản tác dụng vào cánh tay cắt lúc đi lên là:
P = . = 6280 N
Do có 2 cánh tay cắt đất nên lực cắt là:
= 2.P = 2. 6280 = 12560 N
Tọa độ điểm đặt lực:
x
0
= . = 0,225 m
Mô men cản cắt là:
M
c
c
= . x
0

= 12560 . 0,225 = 2826 N.m
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
18

*Xét cánh tay xới đất
a.Tính lực cản trên lưỡi xới:
Lực cản tiếp tuyến: P
01
= K.K
2
.B.h
Trong đó: K: Hệ số xét đến số số răng cắt đất trên cánh tay cắt,
với K ≤ 1, chọn K = 1 trong trường hợp không có răng cắt nào.
K
2
: Hệ số cắt đất thuần túy. Chọn loại đất trong trường hợp này là đất cấp I
Theo bảng 1.III.1 [ 4 ] chọn K
2
= 1 N/cm
2

B: Chiều rộng phoi đất cắt Chọn B = 300 mm = 30 cm
h: Chiều dầy phoi đất xới chọn h = 12 mm = 1,2 cm

Hình 2.3Sơ đồ tính cánh tay xới đất lúc đi lên.
Vậy: P
01
= 1.30.1,2 = 36 N
P

02
= ψ.P
01
= 0,3.36 = 10,8 N
Vì cánh tay xới đặt vuông góc với mũi khoan ta có các thành phần lực:
P
01
x
= P
01
y
= P
01
= 36 N
P
02
x
= P
02
y
= P
02
= 10,8 N
Tại 1 điểm trên cánh tay cắt chịu đồng thời cả 2 lực P
01
và P
02
nên ta có:
P
0

x
= P
01
x
- P
02
x
= 36 – 10,8 = 25,2
P
0
y
= P
01
y
+ P
02
y
=36 +10,8 = 46,8 N
Nhận xét: Lực tác dụng vào cánh tay xới gồm có lực P
0
x
và P
0
y
trong đó tác
dụng lực cắt đất là P
0
x
và lực đẩy lưỡi cắt ngược trở lại là P
0

y

b.Tính lực trên cánh tay xới đất:
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
19

Lực cản đất tác dụng vào cánh tay xới đất lúc đi lên là:
P = . = 8890 N
Do có 2 cánh tay xới nên lực cản sẽ là:
P
c
x
=2.P = 2.8890 = 17780 N
Mô men cản tổng hợp tác dụng vào mũi khoan lúc rút lên là:
M
c
= M
c
c
+ M
c
x
= 2826 + 4000,5 = 6826,5 N
Lực tác dụng ngược lại từ nền đất lên mũi khoan đi lên là:
P
pl
= P
c
y

+ P
x
y
= 33 + 10,8 = 43,8 N
Lực cản tổng cộng lúc đi lên là:
P
∑
= + P
c
x
= 12560 + 17780 = 30340 N
Công suất cần thiết để quay mũi khoan lúc đi lên là:
N = M
c
. ω
lên
= 6826,5 . 6,28 = 42870 W = 42,87 kW
* Nhận xét: So sánh trường hợp mũi khoan đi xuống và đi lên nhận thấy lúc
đi lên có lực cản nhỏ hơn nhưng lại có tốc độ quay mũi khoan lớn hơn so với
trường hợp lúc đi xuống cắt đất có vận tốc thấp mà lực cản cắt lớn, công suất động
cơ trong trường hợp rút mũi khoan lên là lớn nhất, vì vậy công suất cần thiết dẫn
động mũi khoan là:
N = 42,87 kW
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
20


Hình 2.4 Mô hình tổng thể mũi khoan đã chế tạo.
1- Đầu mũi khoan; 2- Cánh tay cắt; 3- Bu lông 8; 4- Đệm vênh 8; 5- Đai ốc 8;

6- Đệm vênh Ø150; 7- Cánh tay xới; 8- Lỗ phun vữa; 9- Ống dẫn vữa; 10- Vấu liên
kết; 11- Lỗ chốt
Sau khi lắp ráp ta có mô hình tổng thể mũi khoan đã chế tạo như sau:
Thông số
Giá trị
Đường kính
600 mm
Chiều dài
1500 mm
Vật liệu
cánh tay cắt
thép 45X
cánh tay xới
thép 35
Góc ngiêng cánh tay
45 độ
Trọng lượng
300 kG
Công suất dẫn động
42,87 kW

Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
21


Hình 2.5 Bộ công tác 2 mũi khoan
2.2Tính chọn động cơ dẫn động cơ cấu khoan.
Theo tính toán của phần lực cắt đất ta có công suất cần thiết dẫn động mũi
khoan là: N = 42,87 kW

Do có sự truyền động từ động cơ điện qua hộp giảm tốc đến bộ truyền động
quay cơ khí nên công suất thực tế sẽ là:
N
tt
= (kW)
Trong đó: η :Hiệu suất truyền động
η = η
1
. η
2

η
1
: Hiệu suất truyền động qua hộp giảm tốc, ta có η
1
= 0,9
η
2
: Hiệu suất truyền động qua bộ truyền động quay cơ khí, η
2
= 0,9
Vậy : η = 0,9 . 0,9 =0,81
Công suất thực tế của động cơ điện là:
Ntt = = 52,9 kW
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
22

Chọn động cơ điện số hiệu: KUA 136A 251 M4
Công suất

N = 55 kW
Lực vòng
F
a
= 90,1 kN
Khối lượng
M = 862 kg
Dài
L = 1564 mm
Tỷ số truyền
i = 43
Rộng
B = 814 mm
Lực hướng tâm
F
r
= 49,8 kN
Cao
H = 752 mm

2.3 Tính cột dẫn động khoan:
-Cột cao 15000 mm
-Đường kính ngoài 150 mm
-Đường kính trong 50 mm
-Nặng 800kg.
Trục mũi khoan là đoạn ống thép đặc có lỗ tròn ở giữa đường kính d = 50
mm để dẫn vữa xi măng đi xuống.
Ta có mô hình như sau:

Hình 2.5 Cấu tạo cột dẫn động khoan

15000
2000
10803120
480
5880
45601880
920
3l? X R120
400
2 l? X R200
Ø500
200
500
Ø1500
200
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
23

CHƢƠNG III: LỰA CHỌN MÁY CƠ SỞ PHÙ HỢP
3.1Máy đào một gầu thủy lực:
Sử dụng máy đào làm máy cơ sở.Máy cơ sở này được thiết kế thêm cơ cấu
liên kết với cột dẫn hướng thiết bị khoan.Cột dẫn hướng được lắp dựng từ cột dẫn
hướng của giá búa đóng cọc có sẵn trong nước. Thiết bị dẫn động khoan được mắc
vào cơ cấu cáp treo liên kết với tang được trích công suất từ động cơ để quay cơ
cấu tang tời.
Máy đào có hệ thống thủy lực sử dụng được cho cơ cấu dẫn động quay của
mũi khoan bằng thiết bị quay mũi khoan dẫn động thủy lực được trích luôn từ
nguồn động cơ thủy lực của máy đào. Như vậy sẽ tận dụng được nguồn thủy lực
của động cơ, tiết kiệm được chi phí so với việc phải lắp thiết bị khoan bằng động

cơ điện
Đặc điểm của thiết bị lắp trên máy đào:
+ Ưu điểm:
- Giá thành rẻ do tận dụng được máy cơ sở và thiết bị cột dẫn hướng có sẵn
rất nhiều trong nước.
- Chế tạo đơn giản, thích hợp với công trình nhỏ và vừa.
- Lắp dựng và tháo dỡ nhanh, vận chuyển dễ dàng.
- Tính cơ động cao, di chuyển dễ dàng.
- Di chuyển dễ dàng, không cần sử dụng thép lót cho máy khoan.
- Tăng khả năng làm việc cho máy khoan nhờ động cơ điện xoay chiều 3
pha.



Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
24

Bảng 1: Một số loại máy đào có thông số phù hợp
Hãng sản
xuất
Model
Hạng mục
Đơn vị
Thông số
Caterpillar
( CAT)
328D LRC
Loại

Bánh xích
Dung tích gầu
m3
1,6
Công suất ước định
kW
152
Chiều dài tay gàu
mm
3200
Dung tích xi lanh
lít
7,42
Trọng lượng
Kg
34700
Khả năng đào sâu
mm
6940
Tầm vươn xa nhất
mm
10560
Tầm cao đổ tải
mm
8040
330 C
Loại

Bánh xích
Dung tích gầu

m3
2,2
Công suất ước định
kW
184
Chiều dài tay gàu
mm
3200
Dung tích xi lanh
lít
7,80
Trọng lượng
Kg
33400
Khả năng đào sâu
mm
8090
Tầm vươn xa nhất
mm
11640
Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 - 2014
Nhóm sinh viên thực hiện Cơ Giới Hóa K52
25

Tầm cao đổ tải
mm
7640
Komatsu
PC340NLC
Loại

Bánh xích
Dung tích gầu
m3
2,31
Công suất ước định
kW
184
Chiều dài tay gàu
mm
2600
Dung tích xi lanh
lít
7,36
Trọng lượng
Kg
32970
Khả năng đào sâu
mm
8180
Tầm vươn xa nhất
mm
11900
Tầm cao đổ tải
mm
7490
PC340LC
Loại

Bánh xích

Dung tích gầu
m3
2,31
Công suất ước định
kW
184
Chiều dài tay gàu
mm
2600
Dung tích xi lanh
lít
7,40
Trọng lượng
Kg
33830
Khả năng đào sâu
mm
8180
Tầm vươn xa nhất
mm
11900
Tầm cao đổ tải
mm
7490
Hitachi
ZX350LC
Loại

Bánh xích
Dung tích gầu

m3
1,98
Công suất ước định
kW
202