Nghiên cứu động lực học của máy san thi công trong điều kiện việt nam

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu,
kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kì công trình nào khác.

Tác giả luận án


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. i
MỤC LỤC .........................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TRONG LUẬN ÁN……………………………….vi
DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN............................................. ix
DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN .................................. ix
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1
Chương 1 ........................................................................................................................... 5
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................................................ 5
1.1. Tổng quan về môi trường đất đá và đặc điểm cấu tạo của máy san ...................... 5
1.1.1. Tổng quan về môi trường đất và quá trình đào đất tự nhiên. .............................. 5
1.1.2. Tổng quan về đặc điểm cấu tạo của máy san ...................................................... 9
1.2. Tổng quan các nghiên cứu về tương tác giữa cơ cấu công tác của máy san
với môi trường đất. ...................................................................................................... 15
1.3. Xu hướng phát triển máy san nhằm nâng cao năng suất và chất lượng san
phẳng mặt đường. ........................................................................................................ 17
1.4. Tổng quan về các kết quả đã nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam có liên
quan đến nội dung nghiên cứu .................................................................................... 19

1.4.1. Tổng quan các kết quả nghiên cứu về bài toán động lực học. .......................... 19
1.4.2. Tổng quan các kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao năng suất, hiệu quả và
chất lượng làm việc. .................................................................................................... 22
1.4.3. Tổng quan về các kết quả nghiên cứu tương tác giữa thiết bị công tác với
môi trường đất. ............................................................................................................ 23
1.4.4. Phân tích cơ sở để hình thành tên và các nội dung nghiên cứu của Luận
án. ................................................................................................................................ 24


iii

1.5. Xác định mục tiêu, nhiệm vụ của luận án ............................................................ 25
1.5.1. Mục tiêu của Luận án. ....................................................................................... 25
1.5.2. Nhiệm vụ của Luận án. ..................................................................................... 25
Kết luận chương 1 .......................................................................................................... 27
Chương 2 ......................................................................................................................... 28
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY SAN TRONG QUÁ
TRÌNH LÀM VIỆC ....................................................................................................... 28
2.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động lực học ................................................. 28
2.1.1. Xác định chiều dày phoi cắt .............................................................................. 28
2.1.2. Cơ sở lý thuyết tính toán tổng lực cản cắt đất của máy san .............................. 29
2.1.3. Xác định độ mấp mô mặt đất đường ................................................................. 37
2.1.4. Cơ sở lý thuyết tính toán lực kéo, cản tác dụng lên các bánh xe ...................... 40
2.1.5. Xác định hệ số đàn hồi, hệ số cản nhớt tương đương của lốp và nền đất ......... 42
2.2. Xây dựng mô hình động lực học của máy san trong quá trình làm việc ............. 43
2.2.1. Lựa chọn mô hình nghiên cứu........................................................................... 43
2.2.2. Các giả thiết khi xây dựng mô hình động lực học ............................................ 43
2.2.3. Lựa chọn hệ tọa độ ............................................................................................ 44
2.2.4. Mô hình tính toán dao động của máy san ......................................................... 45
2.2.5. Nguồn kích động ............................................................................................... 48

2.3. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của máy san trong quá trình
làm việc ....................................................................................................................... 48
2.3.1. Cơ sở để lập phương trình vi phân chuyển động của hệ ................................... 48
2.3.2. Hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ ............................................. 58
Kết luận chương 2 .......................................................................................................... 63
Chương 3 ......................................................................................................................... 64


iv

KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY SAN TRONG
QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC ............................................................................................. 64
3.1. Tổ chức tính toán khảo sát ................................................................................... 64
3.1.1. Lựa chọn chương trình tính ............................................................................... 64
3.1.2. Xây dựng chương trình tính .............................................................................. 65
3.1.3. Xác định các thông số đầu vào cho chương trình tính ...................................... 70
3.1.4. Số liệu đầu ra của chương trình......................................................................... 76
3.2. Khảo sát các thông số chính ảnh hưởng đến tổng lực cản cắt đất Pd ................... 76
3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc di chuyển đến tổng lực cản cắt đất trong
quá trình máy san làm việc. ......................................................................................... 76
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến tổng lực cản cắt đất của máy san
trong quá trình làm việc. .............................................................................................. 78
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của góc φ tạo bởi giữa lưỡi san và trục dọc của máy
đến tổng lực cản cắt đất trong quá trình làm việc. ...................................................... 80
3.3. Kết quả tính toán khảo sát ĐLH máy san trong quá trình làm việc ..................... 81
3.3.1. Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 1 ................................................... 81
3.3.2. Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của khâu 3 ................................................... 83
3.4. Kết quả tính toán, khảo sát xác định bộ thông số làm việc hợp lý. ..................... 85
3.4.1. Bộ thông số khảo sát và sơ đồ thuật toán khảo sát............................................ 85
3.4.2. Một số kết quả khảo sát điển hình:.................................................................... 87

3.4.4. Kết quả bộ thông số hợp lý: .............................................................................. 96
Kết luận chương 3 ........................................................................................................ 101
Chương 4 ....................................................................................................................... 102
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.............................................................................. 102
4.1. Mục đích và các thông số đo .............................................................................. 102


v

4.2. Trang thiết bị thực nghiệm ................................................................................. 104
4.2.1. Máy san DZ - 122............................................................................................ 104
4.2.2. Cảm biến đo lực LCV-A và đồ gá đặt cảm biến đo lực .................................. 104
4.2.3. Cảm biến đo khoảng cách H7 ......................................................................... 107
4.2.4. Đầu đo xác định chuyển vị của lưỡi san trong quá trình làm việc.................. 108
4.2.5. Đầu đo áp suất, lưu lượng của dòng dầu thủy lực........................................... 110
4.2.6. Thiết bị ghi và xử lý tín hiệu Dewetron 3020 ................................................. 111
4.2.7. Phần mềm xử lý số liệu Dasylab 11 ................................................................ 113
4.3. Các bước tổ chức thực nghiệm........................................................................... 115
4.3.1. Chuẩn bị làm thực nghiệm .............................................................................. 115
4.3.2. Tiến hành thực nghiệm .................................................................................... 117
4.4. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 122
4.4.1. Quy luật thay đổi lực cản cắt đất ..................................................................... 123
4.4.2. Kết quả chuyển vị, vận tốc, gia tốc của lưỡi san khi máy làm việc. ............... 124
4.4.3. So sánh kết quả giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm ............................... 126
Kết luận chương 4 ........................................................................................................ 130
KẾT LUẬN CHUNG................................................................................................... 131
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ..................................................................... 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 134

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

Vd

Thể tích khối đất lăn trước nửa lưỡi san

m3

B

Chiều rộng lưỡi san

m

H

Chiều cao lưỡi san

m

htb

Chiều sâu phoi cắt trung bình

m

Pd

Tổng lực cản cắt đất

N

P1

Lực cản cắt đất

N

P2

Lực cản do ấn lưỡi dao xuống nền đất

N

P3

Lực cản di chuyển do ma sát giữa dao cắt với nền đất

N

P4

Lực cản di chuyển do khối đất lăn trước lưỡi san

N

P5
P6
kv

Lực cản di chuyển do khối đất cuộn lên phía trên lưỡi
san
Lực ma sát sinh ra do đất trượt dọc lưỡi san

N
N

Hệ số kể đến ảnh hưởng của các yếu tố vật lý trong
quá trình cắt đất, phụ thuộc vào tốc độ cắt vc

b

Chiều rộng phoi cắt

m



Trọng lượng riêng của đất

kN/m3



Góc sau của dao cắt

độ



Góc cắt của dao cắt

độ



Góc tạo bởi quỹ đạo chuyển động của dao và phương
chuyển động của các phần tử đất về các phía

độ.

vc

Vận tốc di chuyển của dao cắt

m/s

g

Gia tốc rơi tự do

m/s2

φ

Góc quay của lưỡi san trong mặt phẳng ngang.

độ

Gd

Trọng lượng khối đất lăn trước lưỡi san

kN


vii

Vd

Thể tích khối đất lăn trước lưỡi san

f1

Hệ số ma sát giữa đất và đất

f2

Hệ số ma sát ngoài (giữa đất và thép);

N

Áp lực của đất tác dụng lên lưỡi san

m3

KN

Pms

Lực ma sát (giữa đất và thép)

KN

Gd

Trọng lượng khối đất lăn trước lưỡi san

kN

µ1

Hệ số ma sát giữa đất và thép

µ2
S
S0

Hệ số ma sát giữa khối đất lăn trước lưỡi san và mặt
nền đất cơ bản
Chiều dài quãng đường xe đi được
Chiều dài quãng đường xe đi được đến thời điểm
xuất hiện mấp mô.

m
m

h0

Biên dạng mấp mô



Tần số kích thích

Tc

Chu kỳ.

s



Tần số sóng mặt đường

1/m

s

Chiều dài sóng mặt đường.

m

Fkmax

lực kéo lớn nhất của máy

kG

Gk

Trọng lượng kéo

kG

Ga

Trọng lượng máy

kg

φb

Hệ số bám

Pft

Lực cản ở bánh trước

R1

Là lực cản tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe ở cầu trước

cx
Pfs

Khoảng cách từ trọng tâm máy đến vị trí đặt tổng lực
cản cắt đất
Lực cản ở bánh sau

m

kG

m
kG


viii

R2

là lực cản tiếp tuyến ở cầu

CL

số đàn hồi của lốp

KL

hệ số cản nhớt của lốp

Cđ

hệ số đàn hồi của đất được xác định từ thực nghiệm

Kđ

Hệ số cản nhớt của đất được xác định từ thực nghiệm

Ctđ

hệ số đàn hồi tương đương của nền đất và lốp

Ktđ

hệ số cản nhớt tương đương của nền đất và lốp

kG


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN
Bảng 2.1. Sự phụ thuộc của hệ số cắt vào tốc độ cắt ........................................................ 32
Bảng 3.1. Các thông số khối lượng và mô men quán tính của các khâu ........................... 71
Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của cảm biến đo lực LCV-A. ............................................ 105
Bảng 4.2. Các thông số kỹ thuật của cảm biến H7. ......................................................... 108
Bảng 4.3. Các thông số cơ bản của đầu đo OCM-511 .................................................... 110
Bảng 4.4. Các thông số cơ bản của đầu đo R4S7HD25 .................................................. 111
Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật thiết bị ghi và xử lý tín hiệu Dewetron 3020. ................... 112

DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN

Hình 1.1. Cấu tạo ba thể của đất .......................................................................................... 6
Hình 1.2. Sơ đồ cắt đất ........................................................................................................ 7
Hình 1.3. Các dạng phoi cắt cơ bản ..................................................................................... 8
Hình 1.4: Sơ đồ lực cản cắt đất ........................................................................................... 8
Hình 1.5. Các loại máy san theo công thức trục của máy ................................................. 10
Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo tổng thể của máy san DZ-122 ..................................................... 11
Hình 1.9. Cấu tạo khung chính ......................................................................................... 13
Hình 1.10. Cấu tạo bộ công tác của máy san .................................................................... 14
Hình 1.11. Mô hình động lực học của máy san khi di chuyển .......................................... 19


x

Hình 1.12. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của độ cứng, giảm chấn của xy lanh thủy
lực nâng hạ cơ cấu công tác đến người lái ............................................................................. 20
Hình 2.1. Sơ đồ vị trí lực cản cắt tác dụng lên lưỡi san khi làm việc................................ 29
Hình 2.2. Sơ đồ tổng quát lực tác động lên lưỡi san khi cắt, chuyển đất lý thuyết ........... 30
Hình 2.3. Sơ đồ chi tiết lực tác động lên lưỡi san khi cắt và chuyển đất lý thuyết ........... 30
Hình 2.4. Sơ đồ chi tiết lực tác động lên lưỡi san khi cắt và chuyển đất thực tế tính
toán ......................................................................................................................................... 31
Hình 2.5. Mấp mô dạng bậc ............................................................................................. 38
Hình 2.6. Mấp mô dạng điều hòa ...................................................................................... 39
Hình 2.7. Mấp mô dạng tự nhiên của bề mặt nền đường đất ........................................... 40
Hình 2.8. Sơ đồ liên kết giữa lốp và nền đất ..................................................................... 42
Hình 3.1. Sơ đồ thuật toán xác định chuyển vị của lưỡi san khi đào và chuyển đất ......... 66
Hình 3.2. Khối đầu vào chuyển vị góc .............................................................................. 66
Hình 3.3. Khối đầu vào vận tốc ban đầu ........................................................................... 67
Hình 3.4. Khối tích phân 1 ................................................................................................ 68
Hình 3.5. Khối tích phân 2 ................................................................................................ 68
Hình 3.5. Mô hình 3D máy san DZ-122 ............................................................................ 71

Hình 3.6. Tổng lực cản cắt đất ứng với q1 = 0.6 m/s, htb=0,1 m. ...................................... 77
Hình 3.8. Tổng lực cản cắt đất ứng với q1 = 0.8 m/s, htb=0,1 m. ...................................... 78
Hình 3.9. Tổng lực cản cắt đất ứng với q1 = 0.8 m/s, htb=0,05 m. .................................... 79
Hình 3.10. Tổng lực cản cắt đất ứng với q1 = 0.8 m/s, htb=0,07 m. .................................. 79
Hình 3.12. Tổng lực cản cắt đất ứng với q1 = 0.8 m/s, htb=0,1 m. .................................... 81
Hình 3.13. Đồ thị q1 (m) .................................................................................................... 82


xi

Hình 3.14. Đồ thị

q1 (m/s) ................................................................................................. 82

1 (m/s2) ............................................................................................... 83
Hình 3.15. Đồ thị q
Hình 3.16. Đồ thị q6 ........................................................................................................... 83
Hình 3.17. Đồ thị

q6 (m/s) ................................................................................................. 84

6 (m/s2)............................................................................................... 84
Hình 3.18. Đồ thị q
Hình 3.20. Kết quả khảo sát ở chế độ v2, φ36, hi ................................................................ 90
Hình 3.21. Kết quả khảo sát ở chế độ v3, φ28, hi ................................................................ 92
Hình 3.22. Kết quả khảo sát ở chế độ v3, φ35, hi ................................................................ 92
Hình 4.1. Đoàn cán bộ tại hiện trường thực nghiệm. ...................................................... 103
Hình 4.2. Máy san DZ-122 để làm thực nghiệm. ............................................................ 104
Hình 4.3. Cảm biến đo lực LCV-A. ................................................................................ 105
Hình 4.4. Đồ gá cảm biến đo lực LCV-A........................................................................ 106

Hình 4.5. Cảm biến đo khoảng cách H7. ......................................................................... 107
Hình 4.6. Đầu đo gia tốc .................................................................................................. 108
Hình 4.7. Thiết bị ghi và xử lý tín hiệu Dewetron 3020. ................................................ 112
Hình 4.8. Các mô đun của phần mềm Dasylab 11. ......................................................... 114
Hình 4.9. Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo trên DaSyLab 11. ................................................. 114
Hình 4.10. Mặt bằng thực nghiệm ................................................................................... 115
Hình 4.11. Vị trí lắp đầu đo tổng lực cản cắt đất............................................................. 116
Hình 4.12.Vị trí lắp đặt các cảm biến gia tốc, H7 ........................................................... 116
Hình 4.13. Cảm biến đo mấp mô ngẫu nhiên của mặt đường ......................................... 117
Hình 4.14. Sơ đồ lực tác dụng lên máy san thực nghiệm. ............................................... 117
Hình 4.15. Đồ gá tạo mặt phẳng đo mấp mô tự nhiên của mặt đường đất ...................... 120


xii

Hình 4.16. Mấp mô dạng tự nhiên của mặt đường đất ................................................... 120
Hình 4.17. Lực cản cắt đất (ứng với q1 = 0.8 m/s, htb=0,05 m) ...................................... 123
Hình 4.18. Lực cản cắt đất (ứng với q1 = 0.8 m/s, htb=0,07 m) ...................................... 123
Hình 4.19. Lực cản cắt đất (ứng với q1 = 0.8 m/s, htb=0,1 m) ........................................ 124
Hình 4.21. Vận tốc của Lưỡi san ..................................................................................... 125
Hình 4.22. Gia tốc của Lưỡi san ...................................................................................... 126
Hình 4.23. Đồ thị chuyển vị lưỡi san theo tính toán lý thuyết - thực nghiệm ................. 127
Hình 4.24. Đồ thị vận tốc lưỡi san theo tính toán lý thuyết ............................................ 128
Hình 4.25. Đồ thị vận tốc lưỡi san theo thực nghiệm ..................................................... 128
Hình 4.26. Đồ thị gia tốc lưỡi san theo tính toán lý thuyết ............................................. 129
Hình 4.27. Đồ thị gia tốc lưỡi san theo thực nghiệm ...................................................... 129


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, trong thi công các công trình giao thông, xây dựng dân dụng thì
khối lượng công việc làm đất là rất quan trọng và nặng nhọc nhất chiếm tới gần 50%
so với tổng khối lượng công trình. Do đó việc cơ giới hoá công tác làm đất có vai trò
hết sức quan trọng, không những làm giảm nhẹ sức lao động của con người với
những công việc nặng nhọc, rút ngắn thời gian thi công, hạ giá thành công trình mà
còn bảo đảm đúng tiến độ và nâng cao chất lượng công trình.
Máy san thuộc nhóm máy đào và chuyển đất, được sử dụng để đào và cắt
đất, san phẳng bề mặt nền đường, để chuẩn bị cho các công đoạn tiếp theo trong thi
công đường hoặc các công trình khác. Độ phẳng của bề mặt nền đường đất sau quá
trình san phụ thuộc rất nhiều vào các thông số làm việc của máy như: Vận tốc di
chuyển máy, chiều sâu cắt, góc cắt, số lần san …Chính vì vậy yêu cầu cấp bách đặt ra
là phải đi khảo sát ảnh hưởng của các thông số làm việc đến độ phẳng của bề mặt nền
đường đất trong điều kiện thi công tại Việt Nam. Căn cứ vào kết quả khảo sát đó sẽ
đề xuất bộ thông số làm việc hợp lý nhất để nâng cao độ phẳng của bề mặt nền đường
đất trong quá trình làm việc của máy san ở môi trường đất tại các tỉnh phía Bắc của
Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu động lực học của máy san
trong quá trình làm việc, từ đó xác định được bộ thông số làm việc hợp lý của
máy nhằm nâng cao độ phẳng của bề mặt nền đường đất sau quá trình san trong
điều kiện thi công tại Việt Nam.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các máy san loại DZ-122 (là loại
máy san đang được sử dụng khá phổ biến trong thi công nền đường đất tại các
tỉnh phía Bắc nước ta) và thiết bị công tác của chúng.


2

4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là sự kết hợp giữa lý thuyết, ứng
dụng các phần mềm chuyên dùng, tính toán số liệu và thực nghiệm.
Về phương pháp lý thuyết: Luận án đã sử dụng phương trình Lagrang
loại II để lập hệ phương trình vi phân chuyển động cho cơ hệ. Sau đó sử dụng các
phần mềm chuyên dùng kết hợp với phương pháp tính toán số liệu để giải hệ
phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ. Tiến hành khảo sát, đánh giá ảnh
hưởng của các thông số làm việc cần quan tâm như: Vận tốc cắt, chiều dày phoi
cắt, góc cắt, số lần san,… đến độ phẳng của bề mặt nền đường đất trong điều kiện
thi công tại Việt Nam.
Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng được phương án thực nghiệm để
xác định giá trị của một số thông số đầu vào và đầu ra. So sánh kết quả thực
nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết, từ đó kiểm chứng sự đúng đắn của mô
hình toán và phương pháp tính toán lý thuyết.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa học
Luận án giải quyết một trong những bài toán phức tạp của cơ học, đó là bài
toán khảo sát các thông số làm việc của máy san khi làm việc ở điều kiện địa hình là
nền đất ở các tỉnh phía Bắc Việt Nam. Tính phức tạp nằm ở cả bản thân của cơ hệ
khảo sát và tải trọng mà nó phải chịu tác dụng trong quá trình làm việc.
Luận án đã giải quyết hàng loạt các vấn đề có liên quan như: Xác định tính
chất cơ lý đặc trưng của đất ở các tỉnh phía Bắc Việt Nam, xây dựng mô hình khảo
sát động lực học, thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động, xác định giá trị các
thông số động lực học trong mô hình, xác định được tổng lực cản cắt đất trong quá
trình làm việc, giải hệ phương trình vi phân chuyển động và khảo sát sự ảnh hưởng
của các thông số làm việc đến độ phẳng của bề mặt nền đường đất trong quá trình
san. Căn cứ vào kết quả khảo sát đó sẽ đề xuất bộ thông số làm việc hợp lý nhất để
nâng cao độ phẳng của bề mặt nền đường đất trong quá trình san.

3

5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Những kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở thực tiễn để định hướng việc
cải tiến một số hệ thống, bộ phận, đặc biệt là hệ thống điều khiển và cơ cấu công tác
của máy san DZ-122 nhằm nâng cao độ phẳng của bề mặt nền đường đất, tiết kiệm
năng lượng, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả sử dụng của máy.
6. Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo, các
nội dung chính của luận án được chia thành 4 chương.
Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chương này đề cập đến các
vấn đề về môi trường đất nói chung, tổng quan về cấu tạo của máy san, xu hướng
phát triển và hoàn thiện của máy san để nâng cao độ phẳng của bề mặt đường, kết
quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước về những nội dung có liên
quan đến luận án, từ đó đề ra mục tiêu và nhiệm vụ của luận án.
Chương 2. Xây dựng mô hình động lực học của máy san trong quá trình
làm việc. Trên cơ sở tìm hiểu kết cấu thực và điều kiện làm việc thực tế của máy san
DZ-122, chương 2 của luận án đề xuất mô hình khảo sát động lực học của máy.
Những nội dung liên quan trực tiếp đến việc xây dụng mô hình khảo sát động lực
học bao gồm: Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình, các giả thiết đơn giản hóa, sơ đồ
mô hình, xác định các thông số động lực học trong mô hình (các khối lượng và
mômen quán tính khối lượng, hệ số độ cứng, hệ số cản của giảm chấn, lực kéo và
các lực cản,…) thiết lập được hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ.
Chương 3. Khảo sát các thông số làm việc của máy san trong quá trình
làm việc. Chương này sử dụng phần mềm Matlab Simulink để giải hệ phương trình
vi phân chuyển động và khảo sát các thông số làm việc chính có ảnh hưởng đến tổng
lực cản cắt đất và độ phẳng của bề mặt nền đường. Tiến hành khảo sát nhiều bộ
thông số làm việc khác nhau rồi so sánh độ phẳng và cao độ đạt được sau mỗi lượt
san. Căn cứ vào kết quả của các bộ thông số khảo sát đó sẽ đề xuất bộ thông thông

số làm việc hợp lý nhất để nâng cao độ phẳng của bề mặt nền đường trong quá trình
san.


4

Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm. Chương này trình bày cơ sở lý thuyết
liên quan đến thực nghiệm, giới thiệu một số kết quả thực nghiệm xác định tính chất
cơ lý của đất, mấp mô tự nhiên của bề mặt nền đất, xác định lực kéo, chuyển vị, vận
tốc, gia tốc của lưỡi san, quy luật tác dụng của tổng lực cản cắt đất và sự thay đổi
của các thông số liên quan đến lực này nhằm chuẩn hóa bộ thông số đầu vào cho
việc khảo sát các thông số làm việc của máy san và kiểm nghiệm độ tin cậy của các
công thức lý thuyết đã xây dựng.


5

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Nội dung cơ bản của chương này là nghiên cứu tổng quan về môi trường
đất đá và đặc điểm cấu tạo của máy san; nghiên cứu tổng quan về xu hướng phát
triển hoàn thiện máy san để nâng cao năng suất, độ phẳng của bề mặt nền đường
sau san gạt; nghiên cứu kết quả các công trình nghiên cứu về bài toán động lực
học của máy san nhằm xây dựng mục tiêu và nhiệm vụ của Luận án.
1.1. Tổng quan về môi trường đất và đặc điểm cấu tạo của máy san
1.1.1. Tổng quan về môi trường đất và quá trình đào đất tự nhiên.
1.1.1.1. Tổng quan về môi trường đất tự nhiên.
Môi trường đất trong tự nhiên được chuyển biến từ đá thành đất theo các
quá trình phong hoá (gồm phong hoá cơ lý và phong hoá sinh hoá), quá trình
chuyển dời và trầm tích xảy ra trong một thời gian rất dài (tính hàng vạn năm)

dưới tác động của các yếu tố tự nhiên như gió, nhiệt độ, nước…
Có nhiều quan điểm để phân loại đất đá tự nhiên, theo B.A. Priclônxki căn
cứ vào độ cứng của đất và phân chia thành năm loại sau:
- Đá: Có độ bền nén giới hạn lớn hơn 500.104 N/m2, cần phải sử dụng
phương pháp khoan, khoan- nổ để bóc tách các lớp ra khỏi khối đá.
- Pha đá: Có độ bền nhỏ hơn 500.104 N/m2, là loại không thấm nước.
Việc gia công loại đất này cũng giống như loại đá đã nói ở trên.
- Đất tảng: Có độ bền kém hơn hai loại đất trên. Có thể sử dụng một số
dạng TBCT như lưỡi cày, lưỡi xới, gầu xúc có răng… để gia công loại đất.
- Đất cát: Gồm những hạt có kích thước từ 0,05-2mm. Để gia công loại đất
này, có thể sử dụng tất cả các dạng TBCT hiện có trên các máy làm đất.
- Đất sét: Thường có kích cỡ hạt < 0,05mm. Việc gia công loại đất này có
thể sử dụng các máy làm đất có TBCT giống như đất cát.


6

Theo [7, 15, 16], đất đá phân loại theo nguồn gốc phong hoá gồm:
- Đất rời: Gồm đá dăm, sỏi, cuội và các loại cát có hạt tương đối to. Loại
đất này khi khô thì rời rạc, khi ẩm cũng không dẻo, tính thấm lớn nhưng lượng
hút nước nhỏ. Đây là loại đất tạo nên môi trường hạt rời.
- Đất dính: Gồm các đất sét được tạo ra từ quá trình phong hoá sinh hoá với
các hạt rất nhỏ, khó phân biệt được bằng mắt thường, khi khô thì cứng thành
khối, khi ẩm thì dẻo, ít thấm nhưng lượng hút nước lớn.
Ngoài ra còn có loại đất pha trộn hai loại đất rời và đất dính. Nếu cát có lẫn
một ít sét thì đất đá được gọi là cát pha (hay gọi là á sét). Nếu sét có lẫn một ít cát
thì gọi là sét pha (hay gọi là sét).
Về cấu trúc đất tự nhiên, theo [15, 16,], coi đất là một vật liệu đa nguyên,
tồn tại ở ba dạng: Kết cấu hạt đơn, kết cấu tổ ong và kết cấu bông tuyết.
Cấu tạo của đất gồm: Các hạt rắn (hạt khoáng vật) có kích thước khác nhau

được sắp xếp một cách rời rạc, hoặc gắn kết với nhau bởi các lực liên kết, tạo nên
thể tích rỗng giữa các hạt, thể tích rỗng có thể chứa chất lỏng và không khí, hoặc
chất lỏng, hoặc không khí (hình 1.1).

Hình 1.1. Cấu tạo ba thể của đất
1. Chất rắn (khoáng chất rắn);
2. Chất lỏng (nước, dung dịch);
3. Khí.

Thành phần nước tồn tại trong đất ở các dạng sau: Nước nằm trong các
hạt, nước liên kết mặt ngoài của các hạt và nước tự do. Thành phần nước sẽ
quyết định đến độ ẩm, độ dẻo, độ dính kết và độ hoà tan của đất. Thành phần
không khí tồn tại ở trong đất gồm khí tự do và khí hoà tan trong nước.


7

Sự thay đổi đặc tính và khối lượng các thành phần của đất sẽ quyết định
đến đặc tính cơ lý của đất. Đối với loại đất được gia công bằng máy làm đất, có
một số đặc tính cơ lý là: Thành phần cấp phối; trọng lượng riêng; độ tơi xốp; độ
ẩm, độ dẻo; độ bết dính; lực cản trượt, hệ số ma sát đất-đất và đất-thép.
Như vậy, đất là môi trường đa vật thể, có đặc tính cơ lý tuỳ thuộc vào quá
trình phong hoá đá gốc. Đặc tính này có thể được thay đổi theo sự tác động của
các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm,…, và ảnh hưởng rất lớn đến sự quá
trình đào, bốc xúc hoặc vận chuyển đất đá bằng các máy làm đất.
1.1.1.2. Tổng quan về quá trình đào đất tự nhiên:
Để bóc tách các lớp đất ra khỏi khối đất, TBCT của các máy làm đất cần
có một phần tử tác động trực tiếp vào môi trường đất và được đặc trưng bằng
các dao cắt. Theo [7, 16], TBCT của máy làm đất sử dụng các loại dao cắt như
sau: dao cắt phẳng vuông góc; dao cắt phẳng vuông góc lệch; dao cắt phẳng

vuông góc với lưỡi cắt là đường gấp khúc; dao cắt phẳng vuông góc với lưỡi cắt
là đường cong; dao cắt với 2 hay 3 lưỡi cắt.
Để đào đất, TBCT máy làm đất tương tác với môi trường đất thực hiện
quá trình cắt và di chuyển đất. Khi cắt đất bằng các lưỡi cắt của TBCT, các lớp
đất được bóc tách ra khỏi khối đất.. Sơ đồ cắt đất thể hiện trên hình 1.2.

a

b
Hình 1.2. Sơ đồ cắt đất

a. Sơ đồ cắt đất không gian; b. Sơ đồ cắt đất phẳng


8

Hiện nay, theo [7, 15, 16], có các phương pháp cắt đất như sau: cắt ấn, cắt
lấn, cắt kín, cắt nửa tự do, cắt hớt. Các phoi được bóc tách ra khỏi khối đất tuỳ
thuộc vào đặc tính cơ lý của từng loại đất. Theo [15, 16], có các dạng phoi đất
đặc trưng như sau: Phoi dính liên kết, phoi bậc thang, phoi từng phần riêng biệt
(phoi rời rạc), phoi đứt đoạn (hình 1.3).
Hình 1.3. Các dạng phoi cắt
cơ bản
a. Phoi dính liên kết;
b. Phoi bậc thang;

a

b

c. Phoi từng phần riêng
biệt (phoi rời rạc);
d. Phoi đứt đoạn.
c

d

Khi cắt đất, sẽ xuất hiện sự cản cắt và cản di chuyển, tạo ra lực cản cắt và
lực cản di chuyển đất. Lực cản cắt được phân chia thành hai thành phần: Lực
cản pháp tuyến và lực cản tiếp tuyến (hình 1.4).
Thực nghiệm cho thấy
các loại đất khác nhau sẽ có
lực cản cắt khác nhau, cùng
một loại đât nếu có một vài
tính chất cơ lý khác nhau (như
độ ẩm, độ tơi xốp, độ dẻo…)
thì sự cản này cũng khác nhau,
nghĩa là lực cản cắt cũng khác
nhau.

Hình 1.4: Sơ đồ lực cản cắt đất

Như vậy, lực cản cắt không chỉ phụ thuộc vào loại đất, mà còn phụ thuộc
vào sự thay đổi tính chất cơ lý trong một loại đất.


9

1.1.2. Tổng quan về đặc điểm cấu tạo của máy san
1.1.2.1. Đặc điểm cấu tạo chung của máy san

Máy san thuộc nhóm máy đào, chuyển đất. Chức năng cơ bản của máy
san là san phẳng, tạo mặt bằng cho các công trình giao thông hoặc xây dựng các
khu đô thị mới, các khu công nghiệp, dùng san phẳng các sân vận động, sân bay,
quảng trường, các nền nhà máy lớn. Trong ngành xây dựng đường ô tô và đường
thành phố, máy san được sử dụng rất rộng rãi để san phẳng các vật liệu rải trên
mặt đường như đá dăm hoặc hỗn hợp bê tông, tạo điều kiện thuận lợi cho các
máy đầm làm việc được dễ dàng và hiệu quả đầm tốt hơn. Máy san làm việc có
hiệu quả cao với đất cấp I và II. Với đất cấp cao hơn nên xới đất trước khi máy
san làm việc.
Với các công dụng trên nên việc nghiên cứu, lựa chọn các loại máy san và
biết sử dụng chúng một cách hợp lý để mang lại độ phẳng, năng suất, hiệu quả
kinh tế kỹ thuật là hết sức cần thiết. Mỗi loại máy san có các ưu nhược điểm
khác nhau, phân tích đặc điểm cấu tạo, ưu nhược điểm đó có ý nghĩa quan trọng
cho việc lựa chọn thiết kế, chế tạo và sử dụng đạt độ phẳng, năng suất, chất
lượng cao.
Để dễ so sánh, đánh giá ưu nhược điểm các loại máy san cần phải phân
loại các dạng máy san. Dựa vào các dấu hiệu sau đây có thể phân loại được máy
san:
a. Dựa vào công thức trục của máy san.
Dựa vào công thức trục của máy san ta có thể phân loại được máy san.
Giả sử công thức trục của máy san có dạng:
ABC
Trong đó:
A – Số trục mang bánh dẫn hướng ;
B – Số trục mang bánh chủ động;

(1.1)


10

C – Tổng số trục.
+ Máy san 2 trục với các công thức: 1  1 2; 2 2  2 (hình1.5a,b).
+ Máy san 3 trục: 1 2  3; 1 3 3 và 3 3 3 (hình1.5c,d,e)

Hình 1.5. Các loại máy san theo công thức trục của máy
Máy san với công thức trục 123 được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.
b. Dựa vào phương pháp điều khiển có:
+ Máy san điều khiển bằng thuỷ lực.
+ Máy san điều khiển bằng cơ khí.
Trong đó điều khiển bằng thuỷ lực có nhiều ưu điểm hơn máy san điều
khiển bằng cơ khí như: Điều khiển nhẹ nhàng, chính xác, an toàn, chăm sóc bảo
quản đơn giản hơn. Nhưng hệ thống thuỷ lực yêu cầu độ chính xác cao, khó chế
tạo, sản xuất, giá thành máy đắt. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo máy ngày nay đã
khác phục được các nhược điểm trên của hệ thống thuỷ lực nên điều khiển bằng
thuỷ lực đang và sẽ được áp dụng rộng rãi ở tất cả các loại máy san.
Khi tính toán, thiết kế máy san ngoài việc phân tích, đánh giá ưu nhược
điểm của từng dạng máy san còn phải xác định, phân tích ảnh hưởng của các
thông số kỹ thuật cơ bản để nâng cao chất lượng san phẳng cũng như năng suất
máy, hạ giá thành công trình.


11

1.1.2.2. Đặc điểm cấu tạo của máy san DZ – 122
a. Đặc điểm cấu tạo của máy.

Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo tổng thể của máy san DZ-122
1. Hàng lưỡi xới; 2. Xi lanh kéo đẩy; 3, 6. Trục lái hướng; 4. Khung đẩy;
5. Đôi xilanh nâng hạ lưỡi san; 7. Ca bin; 8. Đầu máy; 9. Bánh chủ động;

10,13. Hộp giảm tốc; 11. Hộp Balance; 12. Khớp nối; 14. Lưỡi san; 15. Mâm
xoay; 16. Khung nghiêng hạ lưỡi san; 17. Khớp cầu; 18. Bánh lốp trước (bánh
dẫn hướng).
Cấu tạo chung của máy san DZ-122 được thể hiện trên hình 1.8. Đầu máy
và buồng điều khiển đặt ở phía sau. Máy được trang bị bộ di chuyển bánh hơi.
Hai trục bánh phía sau được nhận động lực từ động cơ thông qua bộ truyền động
cơ khí hoặc thủy lực trung gian, hai bánh trước làm nhiệm vụ dẫn hướng và
thường được cấu tạo sao cho có thể điều khiển được mặt phẳng bánh nghiêng
góc khác H/2 so với mặt nền. Nhờ vậy máy có thể làm việc ổn định ngay cả trên
sườn dốc. Đầu máy phía sau và hệ thống bánh phía trước được liên kết với nhau
bằng khung chính, trên khung chính gá các bộ công tác và bộ phận điều khiển


12

nó. Bộ phận chính của thiết bị công tác là lưỡi san, lưỡi san làm việc linh hoạt
hơn lưỡi ủi. Từ buồng lái thông qua hệ thống thủy lực để điều khiển các động
tác sau:
- Nâng hạ lưỡi san
- Đưa lưỡi san sang hai bên của máy.
- Quay lưỡi để có góc san (góc nghiêng của lưỡi san so với trục dọc máy).
- Dúi lệch một đầu lưỡi san xuống nền (bên phải hoặc trái).
b. Cấu tạo một số bộ phận chính của máy san.
* Động cơ: Động cơ được đặt ở phía sau gồm có:
- Động cơ.
- Ly hợp.
- Hộp số.
- Hệ thống truyền động.
* Khung chính: Khung chính là bộ phận chịu đựng mọi sự kích thích như:
sức oằn, sức vặn và dùng để lắp ghép các chi tiết với nhau.

Có hai loại khung chính là loại làm bằng thép ống và loại làm bằng thép
hộp. Khung chính thường là khung chính cứng nhưng hiện nay để tiện cho việc
di chuyển vào đường cong có bán kính nhỏ và thi công ở những địa hình phức
tạp đòi hỏi kỹ thuật cao, người ta đã chế tạo ra loại máy san có khung mềm để
đáp ứng cho mọi địa hình thi công và di chuyển máy.
Cấu tạo khung chính:


13

Hình 1.9. Cấu tạo khung chính
* Khung kéo
- Khung kéo được lắp với khung chính bởi một khớp cầu và các khâu nối
tiếp. Khung kéo dùng để kéo mâm quay và lưỡi san.
* Mâm quay và lưỡi
Mâm quay làm khung di động cho lưỡi san, nhờ có nó mà lưỡi san đặt
được nhiều vị trí khác nhau và xoay tròn.
Lưỡi được cấu tạo gồm hai phần: Bàn lưỡi và lưỡi cắt.
Lưỡi cắt được lắp với bàn lưỡi bằng bu lông đầu chìm, lưỡi cắt có thể
chuyển từ bên này sang bên kia và thay thế khi mòn.
Bộ công tác máy san: