ẢNH HƯỞNG của các THÔNG số HÌNH học đầu cắt SAN hô đến lực cản cắt và mô MEN dẫn ĐỘNG

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC ĐẦU CẮT SAN HÔ
ĐẾN LỰC CẢN CẮT VÀ MÔ MEN DẪN ĐỘNG
Trần Hữu Lý
Viện Kỹ thuật Cơ giới Quân sự
42 Đông Quan, P. Quan Hoa, Q. Cầu Giấy, HN.
Email: ; Tel: 0915 555 551
TÓM TẮT:
trong quá trình nạo vét nền san hô bằng thiết bị
cắt hút chuyên dụng. Kết quả nghiên cứu làm
Bài báo trình bày phương pháp phân tích
cơ sở tính toán lựa chọn các cụm chi tiết phục
tương tác giữa đầu cắt và đá san hô từ đó khảo
vụ cho việc thiết kế, chế tạo thiết bị mở luồng
sát ảnh hưởng của các thông số hình học đầu
không nổ.
cắt đến lực cản đào và mô men dẫn động nó
Từ khóa: đầu cắt, nền san hô, thông số hình học, thông số làm việc
1. GIỚI THIỆU
Hiện nay, nhu cầu xây dựng các công trình
dân sinh cũng như các công trình phục vụ công
tác an ninh quốc phòng trên các quần đảo là rất
lớn, do vậy nhu cầu nguyên vật liệu tăng cao. Để
đáp ứng các yêu cầu đó thì vấn đề đặt ra là làm
sao để các tàu tải trọng lớn chuyên chở nguyên
vật liệu có thể tiếp cận được các đảo để đẩy
nhanh quá trình vận chuyển cũng như tiếp tế
lương thực. Mở luồng là một trong những giải
pháp tốt nhất để giúp các tàu tải trọng lớn tiếp cận

được các đảo. Phương pháp mở luồng chủ yếu
vẫn là sử dụng vật liệu nổ vì có ưu điểm là mở
luồng nhanh nhưng nhược điểm là dễ gây ra mất
an toàn cho con người, ảnh hưởng tới môi sinh và
địa chất của khu vực, thêm vào đó việc sử dụng
vật liệu nổ hiện nay rất nhạy cảm về mặt chính trị
khi tranh chấp tại khu vực quần đảo Trường Sa và
Hoàng Sa đang gia tăng. Một giải pháp để thay
thế phương pháp mở luồng bằng vật liệu nổ đó là
sử dụng thiết bị cắt hút chuyên dụng, thiết bị này
vừa cắt phá đá vừa hút và chuyển sản phẩm đi
nơi khác một cách nhanh chóng. Do cắt phá đá
hoàn toàn bằng các răng cắt nên không ảnh
hưởng tới cấu trúc địa chất cũng như môi sinh.

bản chất của tương tác môi trường đến thiết bị
cắt. Năm 1989, Miedema [2], [3] đã đưa ra mô
hình tính toán lý thuyết để tính toán lực cản cắt,
mô men và năng lượng cắt riêng của đầu cắt thi
công dưới nước. Năm 2003, Losif Kovacs và các
tác giả [4] trình bày phân tích tương tác giữa đầu
cắt và đá, bằng cách sử dụng quy tắc bảo toàn
chuyển động có tính đến hiện tượng tải trọng động
gây ra bởi tính không đồng đều của môi trường
tương tác để xác định lực cản và mô men đối với
đầu cắt. Cũng nghiên cứu về thiết bị cắt dưới
nước, năm 2005, Vlasbom [5] trình bày phương
pháp tính toán thiết kế máy cắt hút kết hợp đặt
trên tàu để thi công ngoài khơi. Năm 2015,
Mamet’ev [6] đề xuất đầu cắt sử dụng đĩa hai chóp

và đĩa dạng nón làm răng cắt để cắt nền đá có
tính không đồng nhất. Đồng thời phân tích số liệu
trên mô hình trạng thái ứng suất của răng cắt kiểu
mới để cho thấy cơ chế tác dụng của tải trọng lên
răng trong quá trình cắt đất.
Bài báo này kế thừa phương pháp tính toán ở
trên để tính toán trong điều kiện làm việc cụ thể
của thiết bị cắt hút khi thi công tại Việt Nam (Hình
1).

Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu
về tương tác giữa răng cắt và nền đất như N. G
Dombroski, A. N Zelenhin, Ju. A. Vetro ... [1],
phương pháp tính toán này đã được sử dụng rộng
rãi để tính toán lực cản cắt đất trong quá trình tính
toán và thiết kế máy thi công đất. Tuy nhiên để
tính toán lực cản cắt của đầu cắt thiết bị nạo vét,
thì những công thức này chưa phản ánh đầy đủ

Trang 61


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Hình 2. Sơ đồ tính toán chiều dày lớp cắt
+ Đầu cắt không có xâm thực:
Hình 1. Đầu cắt phá san hô dưới nước-Tổng công
ty Xây dựng Lũng Lô

c  gb e  2 Rn cos   vs 60sin  cos  
Fc  1  a .


k m cos cos  
60
np



2

(6)
+ Đầu cắt có xâm thực:

2. Tƣơng tác giữa đầu cắt và nền
2.1.Tính toán lực cản cắt
Để xác định được lực cản cắt lên đầu cắt, ta có
một số giả thiết sau:
Đầu cắt có dạng hình nón với góc ở đỉnh

•

là ξ.
•
Răng cắt tạo với phương dọc trục của đầu
cắt một góc ι Chiều dày cắt khi đó được xác định
bằng công thức sau:

h i  h max sin  cos


vs 60

h max  np


(1)

Chiều rộng của lưỡi cắt chiếu lên trục của đầu cắt:

ba  bcos  cos

Fc  d1 g

ba
v 60sin  cos  (7)
. z  10  s
cos cos 
np

2.2.Tính toán lực cản và mô men dẫn động
Hiện có hai phương pháp cắt phá được sử
dụng khi đầu cắt làm việc dưới nước phụ thuộc
vào hướng của lưỡi cắt và chiều quay của đầu
cắt. Phương pháp 1: cắt từ trên xuống (răng cắt sẽ
chuyển động cắt từ trên mặt thoáng xuống phía
dưới) và phương pháp 2: cắt từ dưới lên (răng cắt
sẽ cắt đất từ trong nền). Sơ đồ tính toán lực cắt
được thể hiện trong Hình 3.
Theo [2] tổng lực cản trung bình được tính

bằng tổng các lực cản

(2)

Vận tốc cắt của lưỡi cắt được tính thông qua vận
tốc của đầu cắt:
 vs  vc cos


2 Rn
 vc  60

(3)

Vận tốc trượt của răng cắt:

2 Rn sin
vt 
60

Hình 3. Sơ đồ tính toán lực cản cắt
(4)

Thành phần tác dụng lên đầu cắt được tính bằng
công thức:

Vận tốc dọc trục của lưỡi cắt:
2 Rn sin
sin 
va 

.
60
sin    

(5)

Theo [2] và [3], lực cản cắt sẽ được tính trong hai
trường hợp:

Trang 62

Fct 

p
2

0

 F d

(8)

c

0

Lực và mô men theo các phương được xác định
như sau:
+ Tổng lực cản theo phương s

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM
1
 1

Fst  cgc g1  sin 2  cos d  g 2  sin 3 d  
0
 0


(9)



 cca g 3  sin  cos d  g 4  sin 2 d 
1
 1

0

0

[+] Tổng lực cản theo phương đứng v
1
 1

Fvt  cgc g1  sin 3 d  g 2  sin 2  cos d  
 0


0
0
0


 cca  g 3  sin 2 d  g 4  sin 2 d 
1
1



(10)
+ Tổng lực cản theo phương dọc trục a
0

1

Fat  cgcg 5  sin d  cca g 6  sin d (11)
2

1

0

c1
0.291
α
30o
b
0.2

g
9.81

c2
0.202
β
33.636o
z
0.6
p
10

d1
2.303
φ
37o
vs
0.2
R

d2
1.424
δ
21o
ι
30o

ρw
1000
n

80
ξ
30o

0.5

Các thông số hình học của đầu cắt cần khảo
sát đó là: bán kính đầu cắt R, số lượng răng cắt p,
góc nón của đầu cắt ξ, góc nghiêng của răng cắt
so với phương dọc trục của đầu cắt ι.Thay các
thông số vào các công thức từ (9) đến 14, sử
dụng phần mềm Matlap tính toán ta được các kết
quả khảo sát.
3.1. Ảnh hƣởng của bán kính đầu cắt R

+ Mô men dẫn động
1

0

0

1

M t  cgcg1R  sin 2 d  cca g 3R  sin d (12)
2.3 Năng lƣợng cắt riêng của đầu cắt
Theo [2] và [3], năng lượng cắt riêng được
tính toán dựa trên mô men dẫn động trung bình,
lực dẫn tiến trung bình và lực cắt phá trung bình.
Năng lượng cắt riêng được tính theo công thức:

E

Bảng 1. Các số liệu đầu vào

M t  Fst vs
M t

Avs
vs ba R 1  cos 0 

(13)

Từ phương trình (9), (12) và (13) ta có:

 2c1e Rvs cos cos 
1  cos 1  (14)
pk m
E

0 
 d1  z  10   0  1 


 g 

Khi bán kính đầu cắt R tăng thì lực cản cắt
tăng lên đáng kể, tuy nhiên có sự khác biệt giữa
phương pháp 1 và 2. Ở phương pháp cắt 1, toàn
bộ lực cắt đều tăng phi tuyến theo chiều tăng của

bán kính đầu cắt, khoảng tăng mạnh nhất là từ giá
trị R=0.4-0.8 sau đó giảm dần. Ở phương pháp 2
thì lực cản theo phương dọc trục và phương tịnh
tiến tăng trong khi đó lực cản theo phương đứng
(v) lại giảm dần, tuy nhiên mức độ giảm của lực
này không lớn do đó ảnh hưởng của việc tăng bán
kính cắt đối với lực cản theo phương này là không
lớn (Hình 4). Bên cạnh việc tăng lực cản cắt thì
việc tăng bán kính đầu cắt cũng làm tăng mô men
dẫn động và năng lượng riêng của đầu cắt (Hình
5). Mức độ tăng của mô men dẫn động là tuyến
tuyến tính, trong khi năng lượng riêng thay đổi phi
tuyến.

3. Ảnh hƣởng của các thông số hình học của
đầu cắt đến lực cản cắt và mô men dẫn động
Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các thông
số hình học của đầu cắt đến lực cản cắt, mô men
dẫn động và năng lượng riêng cần thiết khi làm
việc. Để thuận lợi cho quá trình khảo sát, nhóm
tác giả sử dụng dữ liệu nghiên cứu về nền san hô
từ tài liệu [7] và [2]. Các thông số của đầu cắt lấy
theo thiết bị mở luồng của Tổng công ty Xây dựng
Lũng Lô.

Hình 4. Ảnh hưởng bán kính đầu cắt đến lực
cản cắt

Trang 63

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

(Hình 8). Đối với mô men dẫn động và năng lượng
riêng, khi tăng góc côn của đầu cắt thì mô men
dẫn động và năng lượng riêng giảm nhanh (Hình
9).

Hình 5. Ảnh hưởng bán kính đầu cắt đến mô
men và năng lượng riêng
3.2. Ảnh hƣởng của số lƣợng răng cắt p
Khi tăng số lượng răng cắt của đầu cắt thì lực
cản cắt giảm trong cả hai trường hợp. Tuy nhiên
lực cản cắt giảm mạnh khi số lượng răng cắt tăng
từ 2-6 và sau đó giảm ít hơn khi số lượng răng cắt
tiếp tục tăng. Tuy nhiên trong phương pháp 1 thì
dường như số lượng răng cắt thay đổi không làm
thay đổi lực cản theo phương đứng (v) (Hình 6).
Tương tự, mô men và năng lượng riêng cũng
giảm mạnh khi số lượng răng cắt nhỏ hơn hoặc
bằng 6 sau đó tốc độ giảm chậm lại nếu tiếp tục
tăng số lượng răng cắt (Hình 7).

Hình 8. Ảnh hưởng góc nón đầu cắt đến lực cản
cắt

Hình 9. Ảnh hưởng của góc nón đầu cắt đến mô
men dẫn động và năng lượng riêng
3.4. Ảnh hƣởng của góc nghiêng răng cắt ι

Hình 6. Ảnh hưởng của số răng cắt đến lực
cản cắt

Khi tăng góc nghiêng răng cắt, lực cản theo
phương đứng (v) và phương tịnh tiến đầu cắt (s)
đều giảm nhưng ngược lại thì lực cản theo
phương dọc trục (a) lại tăng lên ở cả hai phương
pháp cắt (Hình 10). Do vậy khi thiết kế cần lựa
chọn góc nghiêng răng cắt sao cho các lực cản
theo các phương phải phù hợp với nhau. Mô men
dẫn động và năng lượng riêng trong trường hợp
này đều giảm (Hình 11).

Hình 7. Ảnh hưởng của số răng cắt đến mô
men dẫn động và năng lượng riêng
3.3. Ảnh hƣởng của góc nón đầu cắt ξ
Khi góc nón đầu cắt tăng thì giá trị lực cản
giảm, lực cản giảm mạnh nhất khi góc nón tăng
trên 250. Tuy nhiên, lực cản theo phương dọc trục
lại tăng dần khi ξ tăng từ 100 và đạt giá trị lớn nhất
khi ξ đạt giá trị 230 sau đó nếu tiếp tục tăng ξ thì
lực cản theo phương này lại bắt đầu giảm xuống

Trang 64

Hình 10. Ảnh hưởng góc nghiêng răng cắt đến lực
cản cắt

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Hình 11. Ảnh hưởng của góc nghiêng răng cắt đến
mô men dẫn động và năng lượng riêng
4. KẾT LUẬN

của đầu cắt phá đá san hô thi công dưới nước.
Đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các thông số
hình học của đầu cắt đến các giá trị này. Kết quả
khảo sát cho thấy ảnh hưởng của các thông số kết
cấu: Bên cạnh việc làm tăng lực cản cắt thì việc
tăng bán kính đầu cắt cũng làm tăng mô men dẫn
động và năng lượng riêng của đầu cắt; khi tăng
góc côn của đầu cắt thì mô men dẫn động và năng
lượng riêng giảm nhanh; Khi tăng số lượng răng
cắt của đầu cắt thì lực cản cắt giảm trong cả hai
trường hợp. Tuy nhiên lực cản cắt giảm mạnh khi
số lượng răng cắt tăng từ 2-6. Kết quả trên được
sử dụng làm cơ sở để tính toán, thiết kế, chế tạo
thiết bị mở luồng không nổ.

Bài báo trình bày phương pháp xác định lực
cản cắt, mô men dẫn động và năng lượng riêng
CÁC KÝ HIỆU

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phạm Văn Đỗng, Lưu Đức Thuận và Hoàng
Văn Ngữ, Máy làm đất, 2004.
[2] A. Miedema, “The Cutting Forces in Saturated

Sand of a Seagoing Cutter Suction Dredger”,
Processding WODCON XII, orlando, Florida
USA, April 1989.
[3] A. Miedema, “Calculation of the Cutting Force
when Cutting Water Saturated Sand”, Proc.
WODCON XII, Orlando, Florida, USA,1989.
[4] I. Kovacs, M.-S. Nan, and I. Andras, “Study of
the interaction of the cutting heads of the rock
cutting machines with rocks”, University of
Miskolc Series A. Mining, vol. 65, no. A, pp.
73–93, 2004.
[5]

W. Vlasblom, Dredging equipment and
technology - Chap3: The cutter suction
dredger, 2003, vol. 1.

[6] L. Mamet’ev, A. Khoreshok, A. Tsekhin, and A.
Borisov, “Stress Distribution in Attachments of
Disc Cutters in Heading Drivage”, Journal of
Mining Science, vol. 51, no. 6, pp. 1150–1156,
2015.
[7] H. X. Lượng, “Nghiên cứu các chỉ tiêu kỹ thuật
của nền san hô và tương tác giữa kết cấu công
trình và nền san hô”, Báo cáo tổng hợp kết quả
đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước mã
số: KC.09.07/06-10, 2010.

vs - Vận tốc chuyển động của đầu cắt
theo phương s, [m/s]

 - Góc nghiêng lưỡi cắt, [rad]

 - Góc trượt của san hô, [rad]
n- Tốc độ vòng quay của đầu cắt,
[vòng/phút]
p- Số lượng răng cắt
ba- Chiều rộng vết cắt của răng cắt theo
phương dọc trục đầu cắt, [m]
 - Góc nón của đầu cắt, [rad]
 - Góc nghiêng của răng cắt theo phương
dọc trục đầu cắt, [rad]
v c - Vận tốc dài của răng cắt, [m/s]
h m - Chiều dày phoi cắt lớn nhất, [m]
h i - Chiều dày phoi cắt, [m]

 - Trọng lượng riêng của nước, [kg/m3]

R - Bán kính đầu cắt, [m]
 - Góc ở tâm phần cung đầu cắt cắt đất,
[rad]

0 - Góc ở tâm lớn nhất, [rad]
1 - Góc xảy ra quá trình xâm thực, [rad]
c1;c2 - Hệ số lực cắt không thứ nguyên
d1;d 2 - Hệ số lực cắt không thứ nguyên

Trang 65


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017

Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

EFFECT OF CORAL ROCK CUTTER GEOMETRIC PARAMETERS ON
CUTTING FOCE AND DRIVEN MOMEN
ABSTRACT
This article presents a method of analyzing
interaction between cutting head and coral
thereby determining cut resistance forces,
resistance torque on the drive shaft. Investigating
the effects of geometric parameters and working
parameters of cutting head to cut power and

torque resistance during dredging coral
foundation by dedicated cutting suction
equipment. The research results are used for the
calculating, designing and choosing equipment
during manufacture dredging equipment to open
channels in Vietnam.

Keywords: cutter head, coral foundation, geometric parameters, working parameters

Trang 66