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 tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

TRẦN VĂN VIẾT
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

Ngành:

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Mã số:

9520103

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ

hµ néi – N¡M 2020


Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Phạm Quang Dũng

Phản biện 1: GS. TSKH. Phạm Văn Lang
Phản biện 2: GS. TS. Chu Văn Đạt
Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Ngọc Quế

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp
tại Trường Đại học Xây dựng

Vào hồi …… giờ ….., ngày …… tháng …… năm 2020.

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Thư viện Trường Đại học Xây dựng.


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Các loại máy đào cỡ nhỏ, vừa và lớn đóng vai trò chủ lực trong
thi công công tác đất, đem lại hiệu quả cao. Tuy nhiên, trong điều
kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ, khối lượng thi công nhỏ lẻ thì
các loại máy nêu trên không thể thi công được hoặc cho hiệu quả
kinh tế thấp, buộc phải thi công bằng sức lao động thủ công nặng
nhọc, năng suất thấp, chi phí cao.
Khối lượng công tác đất buộc phải thi công bằng lao động thủ
công gồm:
- Địa bàn đô thị: đào rãnh đặt đường ống cấp thoát nước, đặt
đường cáp ngầm; đào các hố móng nhỏ…tại các khu phố nhỏ, địa
hình chật hẹp, lối vào nhỏ, với khối lượng khá lớn, các loại máy nêu
trên không vào thi công được.
- Địa bàn nông thôn: đào rãnh cấp thoát nước, đặt ống nước tưới
tiêu, đánh luống,… với khối lượng thi công nhỏ lẻ, nằm rải rác, hạ
tầng giao thông còn kém, đưa các máy trên đến thi công cho hiệu
quả thấp.
Vì những lý do trên mà 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” là một yêu cầu cấp thiết.
2. Mục đích, nội dung nghiên cứu

Mục đích của luận án là nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các
yếu tố ảnh hưởng đến máy đào đất thi công trong điều kiện địa hình
chật hẹp để thiết kế và chế tạo thử nghiệm máy đào cỡ siêu nhỏ ở
Việt Nam, đáp ứng nhu cầu thực tế, đạt năng suất và hiệu quả cao.
Để đạt được mục đích nêu trên, nội dung nghiên cứu của luận án
bao gồm:
- Nghiên cứu xây dựng nguyên tắc thiết lập máy và đề xuất mới
phương án đối với bộ phận công tác của máy đào cỡ siêu nhỏ, đáp
ứng yêu cầu đặt ra đối với máy.
- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định các thông số
và chế độ làm việc hợp lý của bộ phận công tác đã đề xuất, làm cơ sở
cho việc thiết kế máy đào cỡ siêu nhỏ.
- Xây dựng phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ
siêu nhỏ; thiết kế và chế tạo thử nghiệm mẫu máy đào cỡ siêu nhỏ
MDM – 1E theo các yêu cầu đặt ra đối với máy.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu


2
3.1 Đối tượng nghiên cứu
Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục, chuyên dùng để
thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối
lượng thi công nhỏ lẻ, thay thế sức lao động thủ công nặng nhọc.
3.2 Phạm vi nghiên cứu
Máy đào cỡ siêu nhỏ dùng để thi công đào rãnh có chiều rộng đến
0,4m; chiều sâu đến 1m, trên nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát
có độ cứng đến cấp III, trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ
1 ÷ 3m.
4. Cơ sơ khoa học
Luận án xây dựng cơ sở lý thuyết quá trình làm việc bộ phận công

tác mới của máy đào cỡ siêu nhỏ chuyên dùng để thi công trong điều
kiện địa hình chật hẹp dựa trên các cơ sở khoa học sau:
Lý thuyết cắt đất của viện sỹ Vétsrôv;
Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm cực trị đa yếu tố.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
5.1. Về lý thuyết
- Phân tích tổng quan về máy đào cỡ siêu nhỏ và các công trình
nghiên cứu quá trình làm việc của máy để xây dựng các nguyên tắc
thiết lập máy và đề xuất phương án bộ phận công tác.
- Sử dụng lý thuyết cắt đất để xây dựng mô hình toán học cho
công đoạn cắt đất của bộ phận công tác; khảo sát đa yêu tố để xác
định giá trị hợp lý các thông số kết cấu của lưỡi cắt bằng chương
trình máy tính viết trên nền Matlab.
5.2. Về thực nghiệm
- Tiến hành các thí nghiệm trên mô hình thực nghiệm để kiểm
chứng tính đúng đắn của mô hình toán học đã xây dựng bằng nghiên
cứu lý thuyết.
- Nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố bằng phương pháp qui hoạch
thực nghiệm cực trị để xác định các thông số kết cấu và động học
hợp lý của bộ phận công tác.
6. Đóng góp mới của luận án
6.1. Về phương diện khoa học
- Đã đề xuất được bộ phận công tác đào đất mới có cấu tạo đơn
giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo, cho chi phí năng lượng riêng và chi phí
kim loại riêng nhỏ.


3
- Bằng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, đã làm rõ

được quy luật thay đổi của các thông số đầu ra, bao gồm: chi phí
năng lượng riêng, lực cản công tác theo phương di chuyển và mô
men cản quay rô to, phụ thuộc vào các thông số kết cấu và động học
của bộ phận công tác, theo đó xác định được các thông số và chế độ
làm việc hợp lý của bộ phận công tác đã đề xuất, làm cơ sở cho việc
thiết kế máy đào cỡ siêu nhỏ.
6.2. Về phương diện thực tiễn
Xây dựng được phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ
siêu nhỏ dùng cho kỹ sư Máy xây dựng; thiết kế, chế tạo thử nghiệm
mẫu máy đào cỡ siêu nhỏ MDM – 1E là cơ sở cho việc tiếp tục đầu
tư nghiên cứu hoàn thiện để tạo ra được loại máy đào cỡ siêu nhỏ
mới ở Việt Nam, đáp ứng nhu cầu thực tế, đem lại hiệu quả cao.
7. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương, kết luận, tài liệu tham khảo
và các công trình đã công bố.
Luận án đã kế thừa và phát triển kết quả của đề tài NCKH cấp
thành phố Hà Nội, mã số 01C-01/06-2013-2 do Thầy hướng dẫn chủ
trì và NCS là thành viên chính.
Nội dung luận án đã được công bố trong các công trình sau:
- Mô hình nghiên cứu thực nghiệm là kết quả của đề tài NCKH
cấp Trường trọng điểm và được công bố trên tạp chí Công nghiệp
nông thôn;
- Nội dung và kết quả nghiên cứu ở Chương 2 và Chương 3 được
công bố trên tạp chí Cơ khí Việt Nam và tạp chí Xây dựng, Bộ Xây
dựng;
- Máy đào cỡ siêu nhỏ dẫn động bằng động cơ điện MDM-1E và
bộ phận công tác của máy đã được cấp bằng sáng chế độc quyền số
24312: “Máy đào đất cỡ siêu nhỏ dẫn động bằng động cơ điện”, theo
Quyết định số 6168w/QĐ-SHTT, ngày 27/05/2020 của Cục sở hữu
trí tuệ, Bộ Khoa học và Công nghệ.

Luận án được thực hiện tại Bộ môn Máy xây dựng và Phòng
nghiên cứu thực nghiệm cơ khí, trường Đại học Xây dựng.


4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Tình hình cơ giới hóa thi công công tác đất trong điều kiện
địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ
ở Việt Nam
Công tác đất là một công việc nặng nhọc, có khối lượng và chi
phí rất lớn trong xây dựng. Khối lượng công tác đất buộc phải thi
công bằng lao động thủ công gồm:
- Địa bàn đô thị: đào rãnh đặt đường ống cấp thoát nước, đặt đường
cáp ngầm; đào các hố móng nhỏ…tại các khu phố nhỏ, địa hình chật
hẹp, lối vào nhỏ từ 1 m đến 3 m; hạ ngầm cáp điện lực, cáp viễn
thông dọc vỉa hè các tuyến phố cũ. Loại nền đất tại các khu vực này
thường là đất san nền, tương đương với nền đất á sét trung bình, á
cát, đất cát…có độ cứng cấp III. Khối lượng công tác đất này rất lớn
tại các đô thị như TP Hà Nội và TP HCM. Kích thước rãnh thường
có chiều rộng 0,2-0,4 m; chiều sâu 0,6-1,0 m [3], [9], [23], [24], [25].
- Địa bàn nông thôn: đào rãnh cấp thoát nước, đặt đường ống nước
tưới tiêu trong nông nghiệp công nghệ cao, đánh luống,… với khối
lượng thi công nhỏ lẻ, nằm rải rác, hạ tầng giao thông nông thôn còn
kém. Nền đất là đất vườn, đất ruộng có độ cứng đến cấp III.
Qua phân tích tình hình cơ giới hoá thi công công tác đất trong
điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công
nhỏ lẻ ở Việt Nam, có thể rút ra một số nhận xét sau:
- Việc nghiên cứu thiết lập một loại máy đào cỡ siêu nhỏ mới ở Việt
Nam, đáp ứng được nhu cầu thực tế, thay thế sức lao động thủ công
nặng nhọc, tăng năng suất lao động là rất cấp thiết.

- Nền đất mà máy phải thi công thường là đất san nền, đất vườn
tương đương với nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát có độ cứng
đến cấp III, có thể lẫn gạch đá nhỏ. Kích thước rãnh yêu cầu có chiều
rộng đến 0,4 m, chiều sâu đến 1,0 m.
- Cần tiến hành các nghiên cứu tổng quan để định hướng cho việc
nghiên cứu thiết lập loại máy đào cỡ siêu nhỏ mới đáp ứng được nhu
cầu nêu trên.
1.2. Tổng quan về máy đào cỡ siêu nhỏ
1.2.1. Máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ
Máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ là loại máy làm việc theo chu kỳ có
đặc điểm: trọng lượng dưới 1 tấn; chiều rộng máy không quá 1m;
dung tích gầu (10÷30) lít; chiều rộng gầu (0,2÷0,45) m; chiều sâu


5
đào tới 2 m, năng suất máy (2,5÷6) m3/h, dễ lắp đặt vận chuyển,
chuyên dùng để thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp. Đây là
loại máy có tính vạn năng cao, chiều sâu đào lớn, làm việc tin cậy;
tuy nhiên chưa thật gọn nhẹ, năng suất chưa cao, giá thành đắt, yêu
cầu cao về công nghệ chế tạo, đầu tư lớn.
1.2.2. Máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục
Từ giữa thập kỷ 80 của thế kỷ XX, trên thị trường châu Âu xuất
hiện loại máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục, kích thước
rất nhỏ gọn và cho năng suất cao, chủ yếu dùng để đào hào, rãnh hẹp
[32], [59], [61]. Bộ phận công tác (BPCT) của máy liên tục được cải
tiến thông qua các sáng chế và giải pháp hữu ích (GPHI). Chức năng
đào đất được thực hiện bởi các lưỡi cắt, răng cắt hình nêm, lưỡi phay
cắt đất hoặc vít xoắn, còn chức năng vận chuyển đất được thực hiện
bởi rô to với các cánh vận chuyển đất theo nguyên lý văng ly tâm.
Chúng được tổ hợp trong một BPCT và được dẫn động từ một nguồn

thông qua bộ truyền hoặc từ hai nguồn dẫn động riêng [33], [37],
[40], [51].
- Sáng chế số 459563 của CHLB Nga [57]: BPCT cắt đất bằng
vít xoắn. Đất được cắt và chuyển lên rô to bằng các cánh vít sau đó
đất được vận chuyển ra ngoài bằng văng ly tâm.
- Sáng chế số 308158[56]: BPCT đào đất bằng cụm các lưỡi phay
cắt đất, đất tách ra từ nền được vận chuyển lên bằng rô to và máng
dẫn hướng theo nguyên lý văng ly tâm. Chuyển động quay truyền từ
rô to đến cụm lưỡi phay cắt đất bằng bộ truyền trục vít - bánh vít.
- Sáng chế số 291006 [55]: Cắt đất bằng tang có gắn các răng cắt
hình nêm; vận chuyển đất bằng rô to văng ly tâm; sử dụng phương án
dẫn động riêng cho bộ phận cắt đất và vận chuyển đất.
- Sáng chế số 2798314 của Mỹ [48]: Sử dụng các lưỡi phay cắt
đất để tách đất từ nền thành phoi; đất được vận chuyển ra khỏi rãnh
đào bằng rô to văng ly tâm; chuyển động quay được truyền từ rô to
đến cụm lưỡi phay cắt đất bằng bộ truyền trục vít – bánh vít.
- Máy đào đất cỡ siêu nhỏ của Trường Đại học Xây dựng Kiev
(KISI) – ZMTI: Đây là loại máy đào rất nhỏ gọn, cho năng suất cao,
có ưu thế thi công trong địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ [83], [87].
BPCT của máy ZMTI-1 và ZMTI-2e gồm cụm lưỡi phay cắt đất 1 và
rô to văng ly tâm 2. Chuyển động của lưỡi phay 1 truyền từ rô to 2
thông qua bộ truyền Trục vít - Bánh vít. Máy sử dụng phương án dẫn


6
động chung từ động cơ 3 đến BPCT 1, 2 và bánh xe di chuyển 4
thông qua bộ truyền xích 6 và bộ truyền trục - vít bánh vít 9 (Hình
1.7b)

a)

b)

Hình 1.7. Máy đào cỡ siêu nhỏ ZMTI
a) Máy ZMTI-1 dẫn động bằng động cơ đốt trong;
b) Máy ZMTI-2e dẫn động bằng động cơ điện.
Bảng 1.2. Đặc tính kỹ thuật của máy đào ZMTI-1 và ZMTI-2e
Thông số
ZMTI-1
ZMTI-2e
Trọng lượng máy, N
1000
1300
Kích thước máy (rộng x cao x dài), m 0,4 x 1,1 x 1,3 0,4 x 1,0 x 1,4
0,25 ÷ 0,3
0,25 ÷ 0,3
Kích thước rãnh sau Sâu
một lần đào, m
Rộng
0,4
0,4
Độ sâu đào tối đa, m
0,8 ÷ 1,0
0,8 ÷ 1,0
Loại động cơ
Đốt trong
Điện
Động cơ
Công suất, kW
3,2

4
Đất cấp I
9,5 ÷ 11
11 ÷ 12
Năng suất máy,
Đất cấp II
7,5 ÷ 8,5
9 ÷ 10
3
m /h
Đất cấp III
6,5 ÷ 7,5
8÷9
Độ xa vận chuyển đất, m
3÷4
3÷4
- GPHI số 4364476 của CHLB Nga [85], [89]: Theo GPHI này
(Hình 1.8), quan điểm chi phí năng lượng riêng nhỏ, cấu tạo đơn giản
và nhỏ gọn là BPCT có chức năng đào và vận chuyển đất được kết
hợp trong cùng một cụm chi tiết 3 và 4; không cắt đất trên toàn bộ
tiết diện rãnh đào (chỉ cắt đất theo chu vi rô to, tạo thành lõi đất ở
giữa và nó tự sập xuống). Đây là BPCT có nhiều ưu điểm vượt trội
(các BPCT đã nêu thường cắt đất và vận chuyển đất bằng 2 cụm chi
tiết riêng biệt, giữa chúng là 1 bộ truyền, cắt đất trên toàn bộ tiết diện
rãnh đào).


7
Hình 1.8. BPCT máy đào
cỡ siêu nhỏ theo GPHI số

4364476
1. Đĩa quay; 2. Trục dẫn
động; 3. Cánh chuyển
đất; 4. Đĩa cắt đất hình
sao (có thể tự quay quanh
trục của nó nhờ ổ bi); 5.
Máng dẫn hướng.
Như vậy, qua phân tích tổng quan về các loại máy đào cỡ siêu
nhỏ, có thể rút ra một số nhận xét sau:
- Về phương án tổng thể thì mẫu máy ZMTI là mẫu máy khá phù
hợp với các yêu cầu về địa hình thi công chật hẹp, về nền đất thi
công cũng như kích thước rãnh đào đối với máy đào cỡ siêu nhỏ cần
thiết lập.
- BPCT theo GPHI số 4364476 có cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, dễ
chế tạo và tiết kiệm năng lượng, là phương án được chọn làm cơ sở
cho việc đề xuất mới BPCT máy đào cỡ siêu nhỏ cần thiết lập.
1.3. Tổng quan các công trình nghiên cứu về quá trình làm việc
của BPCT máy đào đất
Quá trình làm việc của BPCT máy đào đất bao gồm các công
đoạn cắt, đào đất và vận chuyển đất được nhiều nhà khoa học nghiên
cứu và công bố khá đầy đủ [10], [38], [44], [45], [53], [62], [63],
[64], [65], [66], [67], [68], [76].
Dùng lưỡi cắt hoặc răng cắt hình nêm tách đất từ nền thành phoi
là phương pháp cắt đất hiệu quả và tốn ít năng lượng nhất, được sử
dụng trong hầu hết các BPCT của máy đào đất, trong đó phổ biến và
được sử dụng rỗng rãi nhất là lý thuyết cắt đất của Đômbrôvski,
Zelenhin và Vétrôv.
- Phương pháp Đômbrôvski [63] xác định lực cản tiếp tuyến và
pháp tuyến theo công thức (1.1) và (1.2).
Phương pháp này đơn giản, dễ áp dụng nhưng có độ chính xác

không cao.
- Phương pháp Zelenhin [10], [62] xác định lực cản tiếp tuyến
theo công thức (1.3).
Phương pháp Zelenhin cho độ chính xác cao hơn phương pháp
Đômbrôvski, song công thức này khó áp dụng trong thực tế.


8
- Phương pháp Vétrôv xác định lực cản cắt đất dựa trên cơ sở
nghiên cứu, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cắt đất
như: tính không gian của vệt cắt; vị trí tương đối của lưỡi cắt so với
nền đất; tương quan chiều dày h so với chiều rộng b của phoi đất;
ảnh hưởng của góc cắt δ,… [63], [64].
Lực cản tiếp tuyến: P = φ.mMbh + 2mch2 + 2mcch, N
(1.6)
Trong đó các hệ số φ, mM, mc hay pc, mcc hay pcc là thành phần đặc
trưng cho nền đất đã được xác định khá đầy đủ bằng thực nghiệm
cho các loại nền đất khác nhau [19], [21], [26], [27].
Lực cản cắt pháp tuyến N được xác định phụ thuộc vào lực cản
cắt tiếp tuyến P, góc cắt δ và góc ma sát giữa nền đất và bề mặt lưỡi
cắt μ:
N = P.cotg(δ+μ), N
(1.8)
Như vậy, phương pháp Vétrôv phù hợp dùng để phân tích xác
định các thông số kết cấu hợp lý cho BPCT mới.
- Rô to văng ly tâm đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và
công bố khá đầy đủ. Đánh giá chung về rô to văng ly tâm:
+ Có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ, cho năng suất cao, dễ tổ hợp với
cụm cắt đất để tạo thành BPCT máy đào đất, rất phù hợp với máy
đào cỡ siêu nhỏ.

+ Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế rô to văng ly tâm đã được
nghiên cứu khá hoàn thiện khi đất được cấp đều vào rô to.
+ Đối với BPCT theo GPHI số 4364476 thì đất cấp vào rô to theo
chu kỳ, tải tăng đột ngột khi lõi đất bị sập, chưa được nghiên cứu và
công bố đẩy đủ, cần phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác
định các thành phần lực cản công tác cũng như các thông số hợp lý
của nó [1], [2], [11], [13], [19], [26], [27], [49], [50], [51]. [70], [72].
1.4. Công dụng và các yêu cầu đối với máy đào cỡ siêu nhỏ cần
thiết lập
- Công dụng: Máy đào cỡ siêu nhỏ dùng để đào rãnh đặt đường
ống cấp thoát nước; hạ ngầm cáp điện lực, viễn thông; đào các hố
móng nhỏ xây nhà hoặc xây tường bao… trong điều kiện địa hình
chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ ở Việt Nam.
- Các yêu cầu đối với máy đào cỡ siêu nhỏ cần thiết lập:
+ Nền đất thi công là nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát có độ
cứng tối đa đến cấp III và rãnh đào có kích thước chiều rộng 0,4 m;
chiều sâu 0,6 ÷ 1 m;
+ Máy đào cỡ siêu nhỏ cần thiết lập có trọng lượng, kích thước và
các chỉ tiêu về tính năng kỹ thuật cơ bản phải đạt hoặc vượt so với


9
mẫu máy ZMTI do trường ĐHXD Kiev chế tạo (Bảng 1.2);
+ Đảm bảo tính khả thi cao khi chế tạo máy trong điều kiện Việt
Nam, tận dụng tối đa các cụm chi tiết và bộ phận máy tiêu chuẩn có
sẵn trên thị trường.
Từ kết quả phân tích tổng quan ở Chương 1, có thể rút ra các
kết luận để định hướng cho quá trình nghiên cứu, như sau:
- Về phương án tổng thế, máy đào cỡ siêu nhỏ cần thiết lập phải
là loại máy có chế độ làm việc liên tục, trong đó mẫu máy ZMTI là

mẫu máy cần hướng tới song phương án dẫn - truyền động cần phải
cải tiến theo hướng có thể kết hợp linh hoạt các chuyển động của
máy để tạo ra các chế độ làm việc hợp lý đối với từng loại đất;
- Việc sử dụng lưỡi cắt hoặc răng cắt hình nêm tách đất từ nền
thành phoi là phương pháp cắt đất có hiệu quả cao, tốn ít năng lượng,
dễ thực hiện và dễ tạo nên hình dạng bề mặt nền đất theo yêu cầu;
- Rô to văng ly tâm là thiết bị vận chuyển vật liệu rời có cấu tạo
đơn giản, nhỏ gọn, cho năng suất cao và dễ tổ hợp với các BPCT cắt
đất khác nhau để tạo thành BPCT của máy đào đất;
- BPCT theo GPHI số 4364476 của CHLB Nga có cấu tạo đơn
giản, nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng do kết hợp được việc thực
hiện công đoạn cắt đất và vận chuyển đất trên cùng một cụm chi tiết
và không cắt đất trên toàn bộ tiết diện rãnh đào;
- Lý thuyết cắt đất bằng lưỡi cắt hình nêm cắt đất từ nền thành
phoi của Viện sỹ Vétrôv là cơ sở khoa học để xây dựng mô hình toán
học cho công đoạn cắt đất của BPCT và xác định các thông số kết
cấu hợp lý liên quan đến công đoạn cắt đất;
- Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế rô to văng ly tâm đã được các
nhà khoa học nghiên cứu xây dựng và phát triển khá hoàn thiện với
trường hợp đất được cấp đều vào rô to. Trong trường hợp chỉ cắt đất
theo chu vi của rô to tạo thành lõi đất ở giữa và nó tự sập xuống để
được vận chuyển lên bằng rô to văng ly tâm thì chưa được nghiên
cứu và công bố đầy đủ, cần phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm
để xác định các thông số và chế độ làm việc hợp lý của BPCT.
Các kết luận nêu trên là cơ sở để đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu
của luận án, bao gồm:
- Trên cơ sở kết quả nghiên cứu tổng quan, xây dựng các nguyên
tắc thiết lập máy và đề xuất mới phương án cấu tạo, nguyên lý làm
việc của BPCT đối với máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong

10
điều kiện địa hình chật hẹp ở Việt Nam, đáp ứng các yêu cầu đặt ra
đối với máy;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình làm việc của BPCT đã đề
xuất và xây dựng mô hình toán học cho công đoạn cắt đất để xác
định các thông số kết cấu hợp lý liên quan đến công đoạn cắt đất;
- Nghiên cứu thực nghiệm quá trình làm việc của BPCT để xác
định các thông số và chế độ làm việc hợp lý, làm cơ sở cho việc thiết
kế chế tạo máy;
- Xây dựng phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ
siêu nhỏ, dùng cho kỹ sư ngành Máy xây dựng để có thể áp dụng kết
quả nghiên cứu vào thực tế;
- Thiết kế, chế tạo thử nghiệm mẫu máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế
thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối
lượng thi công nhỏ lẻ ở Việt Nam.
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH
LÀM VIỆC CỦA BỘ PHẬN CÔNG TÁC MÁY ĐÀO CỠ SIÊU
NHỎ
2.1. Nguyên tắc thiết lập máy đào cỡ siêu nhỏ và đề xuất phương
án đối với bộ phận công tác của máy
Để có thể tạo ra được một loại máy đào cỡ siêu nhỏ mới, cần
phải dựa trên các nguyên tắc thiết lập máy được xây dựng trên cơ sở
kết quả phân tích tổng quan ở Chương 1, bao gồm: máy phải có chế
độ làm việc liên tục với phương án dẫn động cho phép kết hợp linh
hoạt các chuyển động của máy; công đoạn cắt đất của bộ phận công
tác được thực hiện bởi các lưỡi cắt hình nêm tách đất từ nền thành
phoi và chỉ cắt đất theo chu vi của tiết diện rãnh đào; vận chuyển đất
từ rãnh đào lên theo nguyên lý văng ly tâm; kết hợp việc thực hiện
cắt đất và vận chuyển đất bởi một cụm chi tiết. Các tiêu chí cần

hướng đến trong quá trình nghiên cứu đối với bộ phận công tác nói
riêng và máy nói chung là chi phí năng lượng riêng, lực cản công tác
theo phương di chuyển và lực giữ trên tay lái của người điều khiển
nhỏ.
Trên cơ sở các nguyên tắc thiết lập máy đào cỡ siêu nhỏ nêu
trên, phương án cấu tạo, nguyên lý làm việc BPCT của máy được cải
tiến từ BPCT theo GPHI số 4364476 của CHLB Nga như sau (Hình
2.1):


11
Hình 2.1. BPCT
máy đào cỡ siêu
nhỏ có chế độ
r
làm việc liên tục
v
a) Hình chung
BPCT; b) BPCT
trong trạng thái
làm việc
a)
b)
1. Đĩa quay; 2. Cánh chuyển đất; 3. Máng dẫn hướng; 4. Lưỡi cắt;
5. Trục dẫn động.
Đặc điểm làm việc của BPCT:
- BPCT vừa quay vừa chuyển động tịnh tiến dọc theo rãnh đào;
- Cắt đất từ nền tách thành phoi bằng các lưỡi cắt 4, chỉ cắt theo
chu vi rô to, tạo thành lõi đất ở giữa;
- Vận chuyển đất bằng các cánh chuyển đất 2 và máng dẫn hướng 3

khi lõi đất sập;
- Kết hợp cắt và vận chuyển đất trong cùng một cụm chi tiết 2 và 4;
- Không cắt đất trên toàn bộ diện tích tiết diện rãnh đào.
2.2. Phân tích cấu trúc quá trình làm việc của bộ phận công tác
BPCT có quá trình làm việc liên tục, gồm 2 công đoạn: công
đoạn cắt đất (tạo lõi đất ở giữa) và công đoạn vận chuyển đất đồng
thời với cắt đất (khi lõi đất sập), lặp đi lặp lại theo chu kỳ. Quá trình
làm việc của BPCT được mô hình hóa bằng mô hình toán học tổng
quát sau:
ĐR = f(ĐV, KCcđ, KCvc, ĐH),
(2.1)
trong đó:
ĐR - Các thông số đầu ra (lực cản theo phương di chuyển Pdc;
mô men cản quay rô to Mq; công suất tiêu hao do chuyển động quay
và tịnh tiến Nq và Ndc; chi phí năng lượng riêng E, …);
ĐV - Các thông số đầu vào (nền đất; các tính năng kỹ thuật yêu
cầu: kích thước rãnh B và H, năng suất Q, trọng lượng máy Gm, …);
KCcđ - Các thông số kết cấu liên quan đến cắt đất (chiều rộng
lưỡi cắt bc, góc cắt , góc nhọn đỉnh lưỡi cắt , …);
KCvc - Các thông số kết cấu liên quan đến vận chuyển đất (bán
kính rô to R, số lượng cánh chuyển đất n0, chiều rộng và chiều dài
cánh chuyển đất c và l,…);


12
ĐH - Các thông số động học đặc trưng cho chế độ làm việc của
BPCT (tốc độ di chuyển v, tốc độ quay n).
Mô hình tổng quát (2.1) là một hệ phương trình rất phức tạp với
nhiều biến số, các biến số lại có mối liên hệ với nhau theo quy luật
phi tuyến, không thể xây dựng mô hình tổng quát bằng giải tích

được. Vì vậy, tác giả đã phân tích cấu trúc quá trình làm việc của
BPCT để đề xuất phương pháp và trình tự giải quyết bài toán xác
định các thông số và chế độ làm việc hợp lý của BPCT (Hình 2.2).
Quá trình làm việc của BPCT
Công đoạn cắt đất
ĐRcđ=F(ĐV, KCcđ, ĐH)

Công đoạn v/c đất đồng thời với cắt đất
ĐR=F(ĐV, KCcđ, KCvc, ĐH)

Mô hình toán học công đoạn
cắt đất
 Pdccđ = F ( ĐV , KCcđ , ĐH )
 Pdccđ = f ( ,  )

Nghiên cứu thực nghiệm quá trình làm
việc của BPCT bằng Quy hoạch thực
nghiệm cực trị đa yếu tố

 cđ
 cđ
 M dc = F ( ĐV , KCcđ , ĐH )   M dc = f ( ,  )
 E = F ( ĐV , KC , ĐH )
 E = f ( ,  )
cđ
 cđ
 cđ

Giá trị hợp lý của , 

Pdc = f (c, v, n); M dc = f (c, v, n);
E = f (c, v, n);
-

Q = f ( v, R , H )

Miền giá trị hợp lý của c, v, n
Giá trị Pdc, Mq, Emin tương ứng

Hình 2.2. Cấu trúc quá trình làm việc của BPCT
2.3. Xây dựng mô hình toán học cho công đoạn cắt đất
2.3.1. Nghiên cứu động học
Mục đích của việc nghiên cứu động học là xác định quỹ đạo
chuyển động của lưỡi cắt, từ đó tìm ra phương, chiều, điểm đặt của
lực cản công tác tác dụng lên BPCT (Hình 2.3).
Đặc điểm động học thứ nhất: Mỗi điểm trên lưỡi cắt có quỹ đạo
chuyển động là đường xoắn ốc trong không gian dọc theo rãnh đào.
Đặc điểm động học thứ hai: Phoi đất có chiều dày hc và chiều
rộng bc không đổi, góc cắt  và góc sau  không đổi làm cho lực cản
công tác ổn định.
Xác định hc và bc bằng công thức (2.3) và (2.4):

6000v
sin  , cm
nno
c
, cm
bc =
sin 
hc =

(2.3)
(2.4)


13
h-íng c¾t

A-A
vc



h
v






Ni

C

v

hc

O

vc h
c

vr

R-c

R

A

r

Pi

c

H


C-C

C

bc

Pi.sin

h



c

hc

A

Ni

Hình 2.3. Sơ đồ tác động tương hỗ giữa lưỡi cắt và nền đất
2.3.2. Xác định lực cản cắt pháp tuyến Pi và tiếp tuyến Ni trên mỗi
lưỡi cắt
Pi và Ni được xác định theo lý thuyết cắt đất của Viện sỹ Vétrôv:
P .sin
P .sin
6000v
N .sin
Pi =  mM c.
N .sin
N
N
nno
(2.7)
6000v

+ 2mcc .
, N
nno

v
6000v
R-c
Ni =
.( mM c + 2mcc ).
0
R-c/2
nn0
(2.8)
R
i

i

i

theo các công thức (2.10) ÷ (2.15)

P.cos
i

Pi.cos





0

0

0
r
P.cos
i

H

.cotg( +  ), N
2.3.3. Xác định các thông số đầu
ra cho công đoạn cắt đất
Đặt lực cản công tác Pi, Ni lên
các lưỡi cắt tham gia vào quá trình
cắt đất (Hình 2.4).
Theo sơ đồ đặt lực, xác
cđ
định: Pdccđ , M qcđ , Nccđ , N qcđ , N dc
, Ecđ

i

i

i

P.cos
i
P.cos
i

Hình 2.4. Sơ đồ đặt lực cản cắt
đất lên bộ phận công tác


14
Mô hình toán học tổng quát cho công đoạn cắt đất:
6000.v
12000.v

 Pi =  .mM .c. n.n + mcc . n.n
o
o

 N i = Pi  cotg ( +  )

c 

 cđ
 M q = Pi .cos .  R − 200  .nc



 Pdccđ = ( Pi .sin + N i .sin  ) .nc


M cđ .n
(2.17)
 N qcđ = q

9550


cđ
 N cđ = Pdc .v
 dc 1000

cđ
cđ
 N cđ = M q .n + Pdc .v
 c
9550 1000

cđ
 E = Nc
cđ

3,6.v.S h

2.4. Xác định các thông số kết cấu hợp lý của lưỡi cắt
- Trên cơ sở các yêu cầu đối với máy đào cỡ siêu nhỏ cần thiết
lập, xác định các thông số đầu vào ĐV, bao gồm: nền đất thi công
(lực cản cắt riêng mM, mcc; hệ số ma sát đất - thép ); kích thước yêu
cầu đối với rãnh đào (chiều rộng B; chiều sâu một lần đào H); năng
suất yêu cầu Q; Bảng hệ số  phụ thuộc vào góc cắt .
- Thay các thông số đầu vào ĐV vào mô hình toán học tổng quát
(2.17), ta nhận được mô hình cụ thể ĐRcđ = f(, , c, v, n).
- Tìm miền xác định của các biến số: v = 1,2 ÷ 2,0 m/ph; n = 400
÷ 700 v/ph; c = 4 ÷ 10 cm; δ = 30o ÷ 60o; α = 30o ÷ 60o.
- Các thông số liên quan đến cả cắt và vận chuyển đất: lấy giá trị
trung bình: v = 1,6 m/ph; n = 550 v/ph; c = 7 cm.
- Khảo sát Ecđ , Pdcđc , M qcđ theo ,  trong miền xác định của chúng,

tìm giá trị hợp lý của ,  cho Ecđ min và Pdccđ , M qcđ tương ứng.


15
Kết quả khảo sát:
+ Sử dụng Chương
trình Matlab-Tinhalpha-delta.m (Phụ lục
3), ta tìm được (đồ thị
Hình 2.5 và Bảng 2.2
- Phụ lục 1):
Ecđmin= 290,25Wh/m3;
Pdccđ=62,41 N;
Mqcđ =44,64 Nm ở
δ = 37,5o và α = 30o
+ Lựa chọn δ = 37,5o
và α = 45o, khi đó
Ecđ=294,56 Wh/m3
δ (độ)
(tăng 1,5% so với
cđ
Hình 2.5. Đồ thị hàm Ecđ = f(, )
Ecđmin), Pdc =88,26 N
cđ
và Mq =46,64 Nm.
Kết quả Chương 2 đạt được:
Đã xây dựng được các nguyên tắc thiết lập máy và đề xuất mới
cấu tạo, nguyên lý làm việc của BPCT; Đã xây dựng được cơ sở lý
thuyết quá trình làm việc của BPCT để đề ra phương pháp và trình tự
các bước xác định các thông số hợp lý của BPCT.
Đã xây dựng được mô hình toán học cho công đoạn cắt đất của

BPCT; Đã xác định được các thông số kết cấu hợp lý của lưỡi cắt δ =
37,5o; α = 45o để có thể tiến hành bước nghiên cứu thực nghiệm tiếp
theo.
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH
CÁC THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA BỘ PHẬN CÔNG TÁC
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm là xác định giá trị hợp lý
của các thông số kết cấu và động học c, v, n của BPCT sao cho chi
phí năng lượng riêng E nhỏ nhất với Pdc, Mq, và Q thỏa mãn các điều
kiện ràng buộc về năng suất yêu cầu, điều kiện bám và điều kiện ổn
định.
3.1. Chương trình và phương pháp tiến hành nghiên cứu thực
nghiệm
3.1.1. Chương trình nghiên cứu thực nghiệm


16
Chương trình nghiên cứu thực nghiệm gồm các bước sau:
- Xây dựng phương pháp tiến hành nghiên cứu thực nghiệm;
- Chuẩn bị cơ sở vật chất cho nghiên cứu thực nghiệm;
- Kiểm chứng bằng thực nghiệm mô hình toán học đã xây dựng;
- Thực hiện các thí nghiệm theo bảng kế hoạch thực nghiệm;
- Xử lý kết quả thí nghiệm, lập các phương trình hồi quy;
- Xác định miền giá trị hợp lý các thông số c, v, n của BPCT.
3.1.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên cơ sở lý thuyết
quy hoạch thực nghiệm
- Các thông số điều khiển (thông số đầu vào), bao gồm:
+ X1 - Chiều rộng cánh chuyển đất c, cm;
+ X2 - Tốc độ di chuyển máy v, m/ph;
+ X3 - Tốc độ quay rô to n, v/ph.
Giá trị thực, giá trị mã hóa và khoảng biến thiên của các thông số

điều khiển theo bảng 3.1 – Phụ lục 2.
- Hàm mục tiêu là các thông số đầu ra, gồm hàm mục tiêu tối ưu YE
- Chi phí năng lượng riêng E; các hàm mục tiêu điều kiện: YQ - năng
suất máy Q; YP - Lực cản công tác theo phương di chuyển Pdc và
YM - Mô men cản quay rô to Mq. Do hàm YQ đồng biến với X2 nên
điều kiện ràng buộc về năng suất cũng chính là điều kiện ràng buộc
của X2. Vì vậy, chỉ làm thí nghiệm để tìm phương trình hồi quy cho
các hàm mục tiêu YE, YP, YM.
- Chọn kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố bậc 2 Box – Behnken (Bảng
3.2 – Phụ lục 2) và thực hiện các thí nghiệm theo bảng kế hoạch thực
nghiệm đã chọn.
- Xử lý các kết quả thí nghiệm theo chương trình máy tính QHTN
của Viện Cơ điện Nông nghiệp và CN sau thu hoạch [20] ta nhận
được các phương trình hồi quy bậc 2: YE (Xi), YM (Xi), YP (Xi); các
phương sai; các hệ số theo chuẩn Student (T), Fisher (F), Kohren
(G):
+ Kiểm tra tính đồng nhất phương của sai theo chuẩn Kohren G;
+ Kiểm tra tính tương thích của mô hình toán theo chuẩn Fisher F;
+ Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy theo chuẩn Student.
- Giải bài toán thương lượng tìm cực trị có điều kiện:
+ Tìm miền giá trị hợp lý của các thông số đầu vào c, v, n sao cho
hàm mục tiêu E đạt giá trị nhỏ nhất, thỏa mãn các điều kiện X2≥[X2],
YP≤[P], YM≤[M]. Giá trị [X2], [P], [M] được xác định từ yêu cầu về
năng suất tối thiểu, điều kiện bám và điều kiện ổn định của máy.


17
+ Bài toán thương lượng tìm cực trị có điều kiện được chạy trên
phần mềm Matlab. Kết quả là miền giá trị hợp lý của c, v, n và các
giá trị Emin, Pdc, Mq tương ứng trong file dữ liệu OPT.xls.

3.2. Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm
3.2.1. Mô hình nghiên cứu thực nghiệm

B

A

Hình 3.1. Sơ đồ cấu tạo mô hình nghiên cứu thực nghiệm
1. Bộ phận công tác; 2. Giá treo; 3. Xe con; 4. Mô tơ thủy lực;
5. Gối trung gian; 6. Xi lanh thủy lực; 7. Bộ nguồn thủy lực;
8. Kênh đất; 9. Khung đỡ; 10. Máng dẫn hướng đất (cố định).
- Mô hình được thiết kế, chế tạo theo kết quả đề tài cấp trường trọng
điểm Trường Đại học Xây dựng [7] ; [8].
- Mô hình có hai chuyển động là chuyển động tịnh tiến BPCT nhờ
XL 6 và chuyển động quay BPCT nhờ mô tơ thủy lực 4 được dẫn
động độc lập không phụ thuộc vào nhau, có thể điều chỉnh vô cấp
tốc độ và đảm bảo tốc độ ổn định không phụ thuộc vào tải trọng.
- Hình chung mô hình nghiên cứu thực nghiệm ở trạng thái làm việc
và không làm việc cho ở Hình 3.4 và 3.6 - Phụ lục 2.
3.2.2. Thiết bị đo
- Đồng hồ đo áp suất dầu của mô tơ thủy lực và xy lanh thủy lực;
- Cảm biến áp suất đo quá trình biến thiên áp suất dầu (kết nối với
máy tính bằng bộ vi xử lý PLC);
- Thước kẹp, máy bắn tốc độ cầm tay đo tốc độ quay rô to, đồng hồ
bấm giây đo thời gian di chuyển BPCT;
- Trên cơ sở kết quả đo được (áp suất pdc, pq và tốc độ v, n), xác định
được các thông số đầu ra Pdc, Mq, Ndc, Nq, E theo các công thức
(3.22) ÷ (3.25).
3.2.3. Thiết lập mô hình đất và mô hình bộ phận công tác

18
Mô hình đất được thiết lập theo phương pháp của giáo sư
V.I.Balôvnhep [69], [76]: Trộn đều bột đất sét tự nhiên nghiền nhỏ
(25%) với cát (48%) và nước (27%). Hỗn hợp tạo được là mô hình
đất có tính chất cơ lý tương đương với loại đất á sét trung bình có độ
cứng cấp III. Đầm đất đến độ chặt cần thiết và kiểm tra độ chặt trước
mỗi lần thí nghiệm bằng búa xác định cấp đất (Hình 3.4 và Bảng
3.1).
Mô hình BPCT có tỷ lệ đồng dạng 1:1 so với BPCT thực của
máy, đảm bảo độ chính xác cho các kết quả thí nghiệm.
3.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
3.3.1. Kiểm chứng bằng thực nghiệm mô hình toán học cho công
đoạn cắt đất
- Giá trị thực nghiệm: các thí nghiệm với giá trị các thông số đầu vào
là X1 = -1 (c = 4 cm) ứng với X2 và X3 lấy ở các mức [-1], [0], [1].
- Giá trị lý thuyết: theo mô hình toán học đã xây dựng, xác định các
giá trị Pdccđ, Mqcđ, Ecđ theo (n= 400÷700 v/ph, v= 1,6 m/ph, c= 4 cm);
(v= 1,2÷2 m/ph, n = 550 v/ph, c = 4 cm). Đồ thị để đánh giá trực
quan cho ở Hình 3.2 và Hình 3.3 – Phụ lục 2.
Bảng 3.2. So sánh các giá trị đầu ra giữa lý thuyết và thực nghiệm
Lực cản di
chuyển

Mô men cản quay
rô to

Chi phí năng lượng
riêng

X1 X2 X3
Sai
(mã) (mã) (mã) P cđ P cđtn số M cđ M cđtn Sai số
E cđ
Ecđ tn
dc
q
q
dc
 ssM
(Wh/m3) (Wh/m3)
(N) (N)  ssP (Nm) (Nm)
(%)
(%)
5.5
237.7
214
1 -1
0
-1 75.5 69.5 8 54.4 51.4

TT

Sai
số

 ssE

(%)
10

2

-1

0

0

54.9 51.4

6.5

39.6

37.4

5.5

237.7

206.8

13

3

-1

0

1

43.2 39.3

9

31.1

26.4

15

237.6

224.6

5.5

4

-1

-1

0

41.2

15

29.7

27.3

8

237.6

219.8

7.5

5

-1

0

0

54.9 51.4

6.5

39.6

37.4

5.5

237.7

206.8

13

6

-1

1

0

68.7 61.5 10.5 49.5

46

7

237.7

216.3

9

35

- Kết quả kiểm chứng (Bảng 3.2):

+ Sai số của thực nghiệm với lý thuyết xác định được dao động từ
5,5÷15%.
+ Sai số thực tế khoảng 10÷25%, nguyên nhân là do giá trị thực
nghiệm đo được bao gồm cắt đất thuần túy và vận chuyển phần đất
đã cắt ra (tối thiểu cho phép).


19
3.3.2 Nghiên cứu tối ưu các thông số kỹ thuật của bộ phận công
tác bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố
a) Phương trình hồi quy dạng mã của các hàm mục tiêu
- Thực hiện các thí nghiệm theo Bảng kế hoạch Box – Behnken. Kết
quả thí nghiệm cho ở Bảng 3.6a, 3.6b, 3.6c – Phụ lục 2.
- Xác định các hệ số hồi quy, đánh giá đồng nhất phương sai, … Kết
quả xử lý số liệu cho ở Bảng 3.7a, 3.7b, 3.7c – Phụ lục 2.
Nhận được các phương trình hồi quy dạng mã :
YE = 394.114-36.171X1 + 67.678X12 -4.187X 2 + 40.830X2 X1 +

+59.007X 22 -48.058X3 -39.558X3X1 -81.637X3X2 + 123.644X32
YP = 102.608 + 23.533X1 -2.936X12 + 21.425X2 + 4.623X2 X1 +
+3.333X 22 -30.110X3 -6.875X3X1 -5.967X3X2 + 8.130X32
YM = 65.690 -4.443X1 + 11.574X12 + 25.298X 2 + 5.262X 2X1 +
+9.957X 22 -38.917X 3 -5.389X 3X1 -22.938X 3X 2 + 30.633X 32
b) Phương trình hồi quy dạng thực của hàm mục tiêu tối ưu YE
E=a00+a11.c2+a22.v2+a33.n2+a21.c.v+a31.n.c+a32.n.v+a10.c+a20.v+a30.n
Giá trị các hệ số dạng thực hàm E được xác định theo Bảng 3.3.
c) Phương trình hồi quy dạng chính tắc của hàm mục tiêu tối ưu
YE
- Dạng chính tắc của mô hình toán hàm mục tiêu tối ưu YE
YE = 381,328 + 151,933 X E21 + 62,867 X E2 2 + 35,529 X E2 3

- Hàm YE có giá trị cực tiểu YEmin = 381.328 Wh/m3 tại tâm của mặt
quy hoạch (các đạo hàm riêng bằng không):
XE0 = (0.313 ; 0.125 ; 0.286)
Đồ thị biểu diễn hàm YE theo các cặp yếu tố đầu vào (X1, X2);
(X1, X3); (X2, X3) cho ở Hình 3.7 ÷ 3.12 – Phụ lục 2.
d) Bài toán thương lượng tìm giá trị tối ưu có điều kiện
• Đặt bài toán: Tìm giá trị của các thông số đầu vào X1, X2, X3 của
mô hình YE(Xi) để YE=>Min sao cho X2X2đk, YPPđk và YMMđk.
Đây là dạng bài toán tìm cực trị có điều kiện với ràng buộc bậc 2
trong Matlab ứng dụng, được giải bằng chương trình thuật toán
OPT.m lập trình bằng phần mềm Matlab.
Bước 1: Xác định miền các giá trị điều kiện X2đk, Pđk, Mđk trong miền
nghiên cứu Xi  [-1, 1].


20
Miền số liệu khảo sát: X2đk[-1:1], Pđk[50:200] và Mđk[47,5:230].
Bước 2: Giải bài toán tìm cực trị có điều kiện
Chia X2đk thành 21 giá trị cách nhau 0,1; Pđk (N) thành 31 giá trị
cách nhau 5 N; Mđk (Nm) thành 74 giá trị cách nhau 2,5 Nm. Ta
được 21 x 31 x 74 = 48174 bộ giá trị. Bằng chương trình thuật toán
OPT.m chạy trên phần mềm Matlab ta thu được nguồn dữ liệu tối ưu
trên file OPT.xls dưới dạng file excel.
Ví dụ : Với các điều kiện Mđk=85 Nm, Pđk= 100 N, X2đk= -0,1 ta
được kết quả trên file dữ liệu OPT.xls như sau:

Giá trị các thông số hợp lý (bộ giá trị số 11876): X1=0,2475;
X2=0,0577; X3=0,324 tương ứng c=7,75 cm; v=1,62 m/ph;
n=598 v/ph; E=382 Wh/m3; Mq=57 Nm; Pdc=100 N.
Kết quả Chương 3:

- Đã xây dựng được chương trình, phương pháp tiến hành NCTN
và chuẩn bị trang thiết bị phục vụ NCTN.
- Sử dụng mô hình NCTN để kiểm chứng tính đúng đắn của mô
hình toán học công đoạn cắt đất đã xây dựng được
- Đã sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm cực trị đa yếu
tố để xác định các phương trình hồi quy, kết hợp với các chương
trình tính toán tối ưu có điều kiện chạy trên phần mềm Matlab để tạo
ra nguồn dữ liệu xác định giá trị hợp lý của các thông số BPCT.
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA
LUẬN ÁN
4.1. Phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ
Theo kết quả nghiên cứu ở Chương 2 và Chương 3, Luận án đã
xác định được cấu tạo, nguyên lý làm việc của bộ phận công tác máy


21
đào cỡ siêu nhỏ; xác định được miền giá trị hợp lý của các thông số
kết cấu và động học của bộ phận công tác.
Kết quả nghiên cứu nêu trên sẽ là các thông số đầu vào để xây
dựng phương pháp tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ siêu nhỏ và
được thực hiện theo trình tự các bước cho ở Hình 4.1.
- Kết quả xác định miền giá trị hợp lý của các thông số
c, v, n, Pdc, Mq, E: cơ sở dữ liệu file OPT.xls
- Yêu cầu về năng suất kỹ thuật của máy [Q]
- Các yêu cầu về tính khả thi trong điều kiện Việt Nam

Lựa chọn phương án dẫn - truyền động của máy

- Xác định sơ bộ kích thước [b x h x l] và trọng lượng [Gmin], [Gmax] của máy
- Lực giữ tối đa của người điều khiển trên tay lái Pgmax khi bộ phận công tác gặp

vật cản

Xác định giá trị giới hạn của các thông số [X2]đk, [Pdc]đk, [Mq]đk theo các điều kiện
ràng buộc của máy với các thông số đầu vào là [Q], [Gmin]

- Nhập các giá trị giới hạn [X2]đk, [Pdc]đk, [Mq]đk vào cơ sở dữ liệu file OPT.xls
- Xác định giá trị hợp lý của các thông số c, v, n, Pdc, Mq, E

- Lựa chọn động cơ, hộp giảm tốc, các cụm chi tiết tiêu chuẩn (khớp nối, ổ đỡ ...)
cho các cơ cấu quay rô to và di chuyển
- Tính toán thiết kế chi tiết, cụm chi tiết (trục, đĩa xích, khung bệ máy, …)

- Xác định chính xác kích thước (b x h x l) và trọng lượng của máy Gm
- Kiểm tra lại điều kiện bám khi di chuyển không tải, leo dốc max

Không đạt

[Gmin ]  Gm  [Gmax ]

Đạt

- Đặc tính kỹ thuật của máy
- Bản vẽ thiết kế

Hình 4.1. Trình tự các bước tính toán thiết kế hợp lý máy đào cỡ
siêu nhỏ


22
1

2

M1

3
4

5

b)
11
10

9

7

8

c)
a)
Hình 4.2. Phương án truyền - dẫn động của máy đào cỡ siêu nhỏ
a) Phương án bố trí; b) Sơ đồ dẫn động cơ cấu quay rô to;
c) Sơ đồ dẫn động cơ cấu di chuyển
4.2. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm máy đào cỡ siêu nhỏ MDM1E dẫn động bằng động cơ điện
Theo kết quả nghiên cứu của luận án, tác giả cùng nhóm thực
hiện đề tài NCKH cấp thành phố Hà Nội, mã số 01c-01/06-2013-2 đã
thiết kế và chế tạo thành công máy đào cỡ siêu nhỏ MDM-1E.

Hình 4.5. Thử nghiệm có tải đối với máy đào MDM-1E

23
Trên cơ sở kết quả đo đạc khảo nghiệm khi thử nghiệm máy, máy
đào cỡ siêu nhỏ MDM-1E có tính năng kỹ thuật cơ bản sau:
- Trọng lượng máy, N
: 1160
- Kích thước bao (rộng x cao x dài), m
: 0,4x1,0x1,3
- Kích thước rãnh sau một lần đào, m:
+ Kích thước sâu sau một lần đào, m
: 0,25-0,3
+ Kích thước rộng sau một lần đào, m
: 0,4
- Độ sâu đào tối đa, m:
: 0,8-1,0
- Công suất động cơ điện, kW:
+ Cơ cấu quay rô to:
: 4,0
+ Cơ cấu di chuyển:
: 0,09
- Năng suất kỹ thuật của máy ở nền đất cấp III, m3/h : 8,8
- Độ xa vận chuyển, m
:3÷4
KẾT LUẬN
Kết luận
Luận án đã giải quyết được cơ bản mục tiêu và các nhiệm vụ
nghiên cứu đề ra. Các kết quả cụ thể bao gồm:
1. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu tổng quan, đã xây dựng được
các nguyên tắc thiết lập loại máy đào cỡ siêu nhỏ chuyên dùng để thi

công trong điều kiện địa hình chật hẹp và đề xuất được bộ phận công
tác đào đất mới, đáp ứng được các yêu cầu thi công về nền đất và
điều kiện địa hình chật hẹp ở Việt Nam.
2. Đã xây dựng được cơ sở lý thuyết quá trình làm việc của bộ
phận công tác mới, theo đó đã đề xuất trình tự các bước giải quyết
bài toán xác định các thông số và chế độ làm việc hợp lý của bộ phận
công tác bằng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
3. Bằng nghiên cứu lý thuyết, đã xây dựng được mô hình toán học
cho công đoạn cắt đất của bộ phận công tác và xác định được các
thông số kết cấu hợp lý của lưỡi cắt đất cho các yêu cầu cụ thể đối
với máy đào cỡ siêu nhỏ cần thiết lập (góc cắt δ = 37,5o và góc nhọn
đỉnh lưỡi cắt α = 45o).
4. Đã tiến hành các thí nghiệm trên mô hình nghiên cứu thực
nghiệm để kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình toán học đã xây
dựng cho công đoạn cắt đất của bộ phận công tác.
5. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm cực trị đa yếu tố và
chương trình tính toán tối ưu có điều kiện chạy trên nền Matlab, đã
xây dựng được các phương trình hồi quy của các hàm mục tiêu và