(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu thiết kế máy búa rung lực ly tâm 50n tấn phục vụ thi công tác các công trình xây dựng và giao thông​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LƯƠNG VĂN ĐÀI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY BÚA RUNG
LỰC LY TÂM 50 TẤN PHỤC VỤ THI CÔNG
CÁC CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG VÀ GIAO THƠNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Hà Nội - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LƯƠNG VĂN ĐÀI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY BÚA RUNG
LỰC LY TÂM 50 TẤN PHỤC VỤ THI CÔNG
CÁC CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG VÀ GIAO THƠNG

CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ CƠ GIỚI HĨA
NƠNG - LÂM NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. PHẠM VĂN NGHỆ

Hà Nội - 2011


i

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được bản luận văn này, trong suốt thời gian qua tôi đã
nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân. Nhân dịp này
cho phép tơi được bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thày giáo
hướng dẫn khoa học PGS.TS. Phạm Văn Nghệ đã dành nhiều thời gian chỉ
bảo tận tình và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị cho tơi trong suốt thời gian
thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình.
Tơi xin trân trọng cảm ơn Quý thầy cô khoa Đào tạo sau đại học, khoa
Cơ điện và cơng trình, khoa Chế biến Trường Đại học Lâm nghiệp đã nhiệt
tình giúp đỡ tơi hồn thành luận văn đúng thời hạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Cơ điện
và Nông nghiệp Nam Bộ cùng các anh, chị đồng nghiệp nơi tôi đang công tác
đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình học tập và thực
hiện luận văn này.
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ
nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 9 tháng 9 năm 2011
Người thực hiện

Lương Văn Đài


ii

MỤC LỤC
- TRANG PHỤ BÌA
- LỜI CẢM ƠN ........................................................................................i
- MỤC LỤC ........................................................................................... ii
- DANH MỤC CÁC KÍ HỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................. iv
- DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................ vii
- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THị ........................................... viii
- MỞ ĐẦU ..............................................................................................1
Chương 1- TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu chung về cơng tác đóng, hạ cọc trong gia cố nền móng .3
1.2. Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy búa rung trên thế giới và ở trong
nước .................................................................................................................9
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi ..............................................9
1.2.2. Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy búa rung ở trong nước ........13
Chương 2- MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu của đề tài .........................................................................15
2.2. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................15
2.3. Phạm vi nghiên cứu........................................................................15
2.4. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................16
Chương 3-CƠ SỞ TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MÁY BÚA RUNG
3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy búa rung .........................18

3.4. Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy búa rung ...........................20
3.3. Mơ hình cơ học máy búa rung .......................................................24
3.4. Các phương pháp tính khả năng hạ cọc bằng búa rung .................29


iii

Chương 4- TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC MÁY BÚA RUNG LỰC LY
TÂM 50 TẤN
4.1. Xác định vận tốc góc, mơmen qn tính .......................................31
4.2. Tính tổng độ cứng lị xo .................................................................32
4.3. Tính dao động của hệ .....................................................................32
4.4. Tính cơng suất cần thiết của động cơ và chọn động cơ điện .........32
Chương 5- TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ KIỂM NGHIỆM BỀN CÁC
CHI TIẾT CHÍNH MÁY BÚA RUNG
5.1. Tính tốn các bộ truyền ..................................................................33
5.2. Chọn ổ bi ........................................................................................35
5.3. Xác định kích thước quả văng .......................................................35
5.4. Tính lị xo bộ gây rung ...................................................................37
5.5. Thiết kế hệ thống thanh treo dẫn hướng của lò xo ........................44
5.6. Tính chọn xy lanh kẹp cọc .............................................................44
5.6. Sơ đồ hệ thống thủy lực .................................................................45
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


iv

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu

Tên gọi

Đơn vị

Khối lượng quả văng

kg

r

Bán kính lệch tâm của quả văng

m



Tần số góc quả văng

s-1

0

Tần số dao động riêng của bộ gây rung

s-1

Fa

Lực ly tâm

N

Ftđ

Lực thẳng đứng

N



Tần số va đập

Hz

I

Tần số dao động của đầu búa

Hz

i

Tỉ lệ tần số



Tỉ lệ tần số riêng

m

Khối lượng phần rung

C

Tổng độ cứng lò xo

R’

Hệ số phục hồi vận tốc

v1

Vận tốc búa ngay trước va đập

m/s

v2

Vận tốc búa ngay sau va đập

m/s

M

Tổng khối lượng của cọc và khung

kg

y1’

Vận tốc không thứ nguyên của bộ gây rung

x1

Độ lún một lần va chạm

yn

Độ lún không thứ nguyên của cọc

xcọc

Độ lún của cọc

D1

Giá trị dịch chuyển tới hạn của Perkov-Shaevich

mm

s

Lực cản thân cọc trên một đơn vị diện tích

kPa

As

Diện tích mặt cắt thân cọc trong đất

m2

lc

Chiều dài cọc

m

M0

kg
N/m

m
m


v

dc

Chiều rộng của cọc ván

m

P

Lực lệch tâm

N

G

Trọng lượng các quả văng

N

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

Nct

Công suất cần thiết của động cơ

kW

Nđc

Công suất động cơ

kW

K

Mômen lệch tâm của các quả văng

Kg.m

bt

Chiều rộng lớp trung hòa đai thang

mm

hđ

Chiều cao đai

mm

y0

Chiều cao lớp trung hòa đai thang

mm

Ađ

Tiết diện đai

mm2

m1

Module bánh răng chủ động

m2

Module bánh răng bị động

d1

Đường kính vịng chia bánh răng chủ động

mm

d2

Đường kính vịng chia bánh răng bị động

mm

da

Đường kính đỉnh răng

mm

df

Đường kính chân răng

mm

Z1

Số răng bánh chủ động

Z2

Số răng bánh bị động

V

Thể tích quả văng

1

Khối lượng riêng của thép làm quả văng

kg/m3

Ctr

Độ cứng lị xo trên

N/m

Cd

Độ cứng lị xo dưới

N/m

dtr

Đường kính dây lị xo trên

mm

Dtr

Đường kính vịng lị xo trên

mm

dd

Đường kính dây lị xo dưới

mm

Dd

Đường kính vịng lị xo dưới

mm

trmax

Biến dạng lớn nhất lò xo trên

mm

m3


vi

dmax

Biến dạng lớn nhất lò xo dưới

Pd max

Lực lớn nhất tác dụng vào lò xo dưới

Pd min

Lực nhỏ nhất tác dụng vào lò xo dưới

N
N

Ptr max

Lực lớn nhất tác dụng vào lò xo trên

N

Ptrmin

Lực nhỏ nhất tác dụng vào lò xo trên

N

Ttr

Phản lực lò xo trên

N

Td

Phản lực lò xo dưới

N

dbl

Đường kính bulong treo

Tkc

Lực kẹp cọc

ptl

Áp suất thủy lực

kG/cm2

Rxl

Bán kính xy lanh

cm

mm

mm
N


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN

Tên hình

TT

Trang

1.1

Sơ đồ ngun lý máy búa rung

7

1.2

Máy búa rung làm việc tại công trường

7

1.3

Búa rung BT5 (Liên Xô)

9

1.4

Búa rung VM2-2500EH (Nhật Bản)

12

3.1

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy búa rung điện

18

3.2

Sơ đồ phân tích lực các quả văng

19

3.3

Mơ hình cơ học máy búa rung

24

5.1

Sơ đồ xác định kích thước quả văng

36

5.2

Sơ đồ hệ thống thủy lực

46

5.3

Bản vẽ chi tiết kẹp cọc

5.4

Bản vẽ chi tiết móc treo (hình chiếu đứng )

5.5

Bản vẽ chi tiết móc treo (hình chiếu cạnh và hình cắt đứng)

5.6

Bản vẽ chi tiết vỏ hộp rung

5.7

Bản vẽ chi tiết nắp hộp rung

5.8

Bản vẽ chi tiết đệm dẫn hướng

5.9

Bản vẽ chi tiết quả văng

5.10

Bản vẽ chi tiết trục quả văng

5.11

Bản vẽ chi tiết nắp vịng bi

5.12

Mơ hình tổng thể của búa rung

5.13

Mơ hình 3D cụm móc treo

5.14

Mơ hình 3D hộp rung


viii

Tên hình

TT
5.15

Đặt lực, điều kiện biên, chia lưới bộ phận rung

5.16

Đặt lực, điều kiện biên, chia lưới mỏ kẹp

5.17

Đặt lực, điều kiện biên, chia lưới móc treo

5.18

Điểm tập trung ứng suất bộ phận móc treo

5.19

Gán vật liệu cho hộp rung

5.20

Biến dạng móc treo khi mơ phỏng

5.21

Hướng di chuyển kim loại của móc treo khi biến dạng

Trang

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN

Tên bảng biểu

TT
3.1
3.2
5.1

Dịch chuyển tới hạn của Perkov-Shaevich
Giá trị s (Lực cản thân cọc trên một đơn vị diện tích) theo
phương pháp Turker
Hệ số điều chỉnh (dùng trong tính tốn lị xo)

Trang
23
30
40


1
MỞ ĐẦU

Nước ta hiện nay đang ở trong thời kỳ hội nhập và phát triển, việc thi
cơng các cơng trình xây dựng công nghiệp và giao thông như đường xá, cầu
cống, nhà máy, nhà ga, bến cảng… là rất lớn. Trong thi cơng các cơng trình
xây dựng và giao thơng, xử lý nền móng là một cơng đoạn quan trọng, nó
quyết định đến chất lượng cũng như tuổi thọ của cơng trình.
Nhu cầu về máy móc phục vụ thi cơng nền móng ở nước ta hiện nay rất
lớn. Hàng năm chúng ta phải tốn khá nhiều ngoại tệ để nhập khẩu máy móc
thiết bị dùng để thi cơng nền móng. Theo Hiệp hội Doanh nghiệp cơ khí Việt
Nam, với nhu cầu xây dựng lớn như hiện nay, mỗi năm nước ta phải bỏ ra từ
3 - 4 tỷ USD để nhập các loại máy xây dựng, trong đó tỷ lệ máy đóng cọc
nhập khẩu chiếm khoảng 35%.
Trong các thiết bị hạ chìm cọc vào lịng đất thì máy búa rung có nhiều
ưu điểm vượt trội so với các loại búa va đập khác như: Kết cấu đơn giản, kích
thước nhỏ gọn, tính cơ động và năng xuất cao, làm việc chắc chắn, cọc khơng
bị vỡ, giá thành đóng cọc rẻ hơn 2 đến 3 lần so với các loại búa khác, có thể
đóng cọc và nhổ cọc. Đặc biệt chúng làm việc rất hiệu quả trên nền đất cát tơi,
xốp, ở những địa hình chật hẹp, chen cấy, khu nơi dân cư…
Hiện nay, rất nhiều công ty xây dựng và thi cơng cầu có nhu cầu trang
bị các loại máy búa đóng cọc, và xu hướng là mua các loại máy búa rung do
những ưu điểm như đã nêu trên. Tuy nhiên, phần lớn loại thiết bị này được
nhập khẩu từ Trung Quốc, Nhật Bản, Nga, Mỹ… Chúng ta chủ yếu mới dừng
lại ở việc khai thác sử dụng, sửa chữa máy búa rung. Tuy phức tạp về thiết kế
nhưng máy búa rung khơng địi hỏi cơng nghệ chế tạo đặc biệt. Dựa trên các
chủng loại, mẫu mã sẵn có trong nước, có thể khẳng định rằng nước ta hồn


2
tồn có thể thiết kế, chế tạo được máy búa rung bằng công nghệ hiện nay của
Việt Nam.
Xuất phát từ thực tế đó, tơi thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế máy

búa rung lực ly tâm 50 tấn phục vụ thi cơng các cơng trình xây dựng và
giao thơng”.
Mặc dù việc sử dụng máy búa rung trong thi công nền móng các cơng
trình xây dựng và giao thơng được dùng khá rộng rãi trên thế giới và ngày
càng phổ biến ở nước ta, tuy nhiên những tài liệu về nghiên cứu, tính tốn,
thiết kế máy búa rung lại rất hạn chế, đặc biệt đây là lĩnh vực còn khá mới mẻ
ở nước ta hiện nay. Vì vậy, đề tài nhằm góp phần làm phong phú thêm tư liệu
về phương pháp nghiên cứu, tính tốn máy búa rung. Đồng thời từ các kết quả
nghiên cứu, tiến tới ta tự chế tạo trong nước, không phải nhập khẩu loại thiết bị
này mà trước nay Việt Nam vẫn phải nhập, góp phần cơ khí hóa và hiện đại
hóa trong ngành xây dựng, cải thiện và bảo vệ môi trường, thúc đẩy sự phát
triển cơng nghiệp bền vững, thực hiện chủ trương chính sách của Đảng, nhà
nước về cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa trong giai đoạn hiện nay.


3
Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu chung về cơng tác đóng, hạ cọc trong gia cố nền móng
Việc xử lý nền móng cho các cơng trình xây dựng và giao thơng đã có
từ rất lâu. Theo dịng phát triển của lịch sử, quy mơ các cơng trình và cơng
nghệ xử lý nền móng đã có những bước tiến dài. Hiện nay, trong gia cố nền
móng cho các cơng trình lớn, thời hạn phục vụ lâu dài người ta áp dụng các
loại móng cọc. Đây là loại móng đảm bảo khả năng xây dựng cơng trình trên
các nền đất yếu có sức chịu tải nhỏ. Những ưu điểm cơ bản của việc áp dụng
móng cọc là rút ngắn thời gian thi công, giảm bớt công tác nặng nhọc cho
công nhân, giảm bớt khối lượng thép, bê tông, giảm khối lượng công tác làm
đất và tăng chất lượng công trình….
Có rất nhiều phương pháp đóng, hạ cọc trong gia cố nền móng. Mỗi
phương pháp có tính ưu việt riêng và phù hợp với từng u cầu của mỗi cơng

trình. Các phương pháp thường sử dụng hiện nay là: khoan cọc nhồi, ép cọc
tĩnh, dùng lực va đập, dùng thiết bị rung động.
1.1.1. Phương pháp khoan cọc nhồi.
Cọc nhồi được chế tạo bằng cách rót trực tiếp vậy liệu (bê tông, bê tông
cốt thép, cát) vào những lỗ cọc làm sẵn trong lịng đất ngay tại mặt bằng thi
cơng cơng trình.
Theo phương pháp tạo lỗ cọc khoan nhồi, thi cơng cọc nhồi được chia
thành hai loại cơ bản sau:
+ Tạo lỗ cọc bằng cách đóng ống kim loại, đầu dưới bịt đế cọc vào lịng
đất, sau đó rót vật liệu tạo cọc vào lịng ống. ống kim loại có thể để nguyên
với vai trò là thành ống hoặc rút khỏi lịng đất trong q trình rót vật liệu bằng
thiết bị chuyên dùng, còn đế cọc nằm lại trong lòng đất.


4
+ Tạo lỗ cọc bằng phương pháp khoan chuyên dùng. Các thiết bị khoan
rất đa dạng, như tạo lỗ bằng phương pháp cơ học, phương pháp vật lý, hay là
theo cách đưa đất từ lỗ khoan lên theo dạng liên tục hay chu kỳ,…
Phương pháp khoan cọc nhồi có đặc điểm sau:
- Ưu điểm:
+ Cọc được chế tạo tại chỗ, có kích thước và chiều dài tuỳ ý, khơng
mất cơng vận chuyển hay phải làm các công tác phụ khác như cưa, cắt, nối
cọc… sau khi đóng cọc.
+ Thi cơng cọc nhồi trên các máy khoan tạo lỗ tránh được các lực xung
kích gây ảnh hưởng xấu đến các cơng trình xung quanh, khơng gây tiếng ồn
lớn. Vì vậy trong những năm gần đây thi công cọc nhồi đã nhanh chóng xâm
nhập vào các cơng trình trong thành phố.
+ Có thể thi cơng trên các cơng trường có điều kiện mà khơng thể thi
cơng bằng phương pháp đóng cọc khác.
- Nhược điểm:

+ Chi phí đầu tư máy móc thiết bị ban đầu lớn nên giá thành của nó
cũng khá cao.
+ Khó kiểm tra chính xác chất lượng cọc sau khi thi cơng.
+ Gây ơ nhiễm mơi trường do có chất thải là dung dịch bentonít.
+ Phải xây dựng trạm trộn bê tông tại công trường hoặc phụ thuộc địa
điểm của trạm trộn bê tông khác và công suất của trạm đó (do phụ thuộc thời
gian bê tơng đơng cứng từ lúc trộn bê tông đến lúc đổ xong cọc),…
1.1.2. Phương pháp ép cọc tĩnh:
Đây là phương pháp cơ học dùng lực ép cọc xuống lịng đất, phương
pháp này chỉ đóng được các loại cọc có chiều dài ngắn hoặc đối với cọc dài,
lớn thì phải dùng máy có cơng suất lớn.
Ép cọc tĩnh có các đặc điểm sau:


5
- Ưu điểm:
+ Không gây chấn động đến các công trình xung quanh, khơng tạo ra
tiếng ồn;
+ Giá thành rẻ.
- Nhược điểm: Chỉ đóng được các loại cọc nhỏ có khẩu độ khơng dài
lắm, hoặc nếu ép cọc lớn thì chi phí mua máy ban đầu rất lớn mà khối lượng
thi cơng ít do ở nước ta chưa có nhiều cơng trình lớn, nên hiệu quả kinh tế khi
sử dụng loại máy này thấp...
1.1.3. Phương pháp dùng lực va đập
1.1.3.1. Búa Hơi
Búa hơi được chia làm hai loại: Loại quả búa tác động đơn và loại quả
búa tác động kép.
- Búa hơi tác động đơn: áp suất của hơi nước hoặc khơng khí nén chỉ
dùng để nâng đầu quả búa lên cao, cọc được đóng vào nền do năng lượng rơi
tự do của đầu búa tác dụng trực tiếp lên cọc.

- Búa hơi tác động kép: áp suất của hơi nước hoặc khơng khí nén vừa
dùng để nâng đầu quả búa lên cao, vừa dùng để đẩy đầu quả búa rơi nhanh
xuống đầu cọc.
Cả hai loại búa hơi nói trên đều tốn nhiều năng lượng và địi hỏi phải
có trang thiết bị đi kèm như nồi hơi hoặc máy nén khí, ống dẫn hơi ép…
1.1.3.2. Búa Diezel
Búa Diezel làm việc theo nguyên lý động cơ đốt trong hai kỳ: Lúc đầu
bộ phận xung kích được kéo lên bằng tời, nhiên liệu được phun vào buồng
nén ngay khi bộ phận xung kích được thả rơi, khơng khí và nhiên liệu bị nén
và nóng lên biến thành một hỗn hợp ở trạng thái sương mù. Khi đủ nhiệt độ,
“bụi hơi’’ nhiên liệu bị bốc cháy cùng với khơng khí nén sẽ gây nổ. Áp suất


6
khí cháy tác động đóng cọc xuống và phần xung kích bị nẩy lên tiếp tục một
chu kỳ khác.
- Ưu điểm:
+ Rất cơ động, dễ thi cơng và có thể làm việc ở những điều kiện khắc
nghiệt như: ở trên sông, ở đầm lầy, ở các vùng cao mà các phương pháp khác
không làm được;
+ Không cần trang bị các trạm cung cấp năng lượng (nồi hơi, máy ép
khí, ống dẫn);
+ Búa dễ thao tác, cho năng suất cao;
+ Hệ số hiệu dụng tốt hơn búa hơi, năng lượng nổ truyền trực tiếp vào
phần xung động của búa.
- Nhược điểm:
+ Chỉ hạn chế đóng những cọc thẳng hoặc có độ xiên tối đa 3:1 đến 4:1.
+ Không hiệu quả khi đóng cọc trong đất yếu: Khi nổ, cọc lún xuống
nhiều, thủ búa không đủ năng lượng bật lên cao, do đó buồng nén khơng đủ
áp lực và nhiệt độ đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu cho chu kỳ sau. Do đó phải

thao tác lại từ đầu, năng xuất giảm.
+ Khi đóng cọc gây ra lực chấn động làm ảnh hưởng tới các cơng trình
xung quanh, đồng thời nó cịn tạo ra tiếng ồn. Do nhược điểm này mà phương
pháp chỉ được áp dụng với các cơng trình xa khu dân cư.
1.1.4. Phương pháp dùng lực rung động - Búa rung
Nguyên tắc làm việc của búa rung là dùng năng lượng do rung động gây
ra kết hợp với lực va đập của búa. Trong q trình đóng cọc, cọc lún do rung
động với một tần suất nào đó, vì thế mà giảm được ma sát sinh ra giữa cọc và
đất. Mặt khác trọng lượng bản thân giữa cọc và búa làm cọc lún sâu vào nền
đất. Để truyền dao động từ quả búa xuống cọc, mũ cọc cần được liên kết với


7
cọc và quả búa vì vậy cịn gọi là kẹp cọc. Để thực hiện chức năng kẹp cọc, mũ
cọc thường được sử dụng hai loại truyền động cơ bản là cơ khí và thuỷ lực.
Có 2 loại búa rung: loại dùng điện (thi công với xe cẩu) và loại thuỷ lực
gắn trên máy đào (excavator). Tần số rung thường trong khoảng từ 20 đến 40
Hz. Lực ly tâm do búa tạo ra có thể lên đến 4000 kN (tương đương 400 tấn).

Hình 1.1

Hình 1.2

Sơ đồ nguyên lý máy búa rung

Búa rung làm việc tại cơng trường

Đóng cọc bằng rung động thuần t thì ít hiệu quả khi trở lực tại mũi
cọc lớn. Các búa va – rung thì hiệu quả hơn trong những tình huống này bởi
vì chúng sinh ra xung lực lớn cũng như tạo ra biên độ cao và tốc độ lớn để cọc

thắng được trở lực lớn tại mũi cọc. Khi không được cung cấp năng lượng, bộ
gây rung của búa sẽ ở một vị trí trung gian.
Khe hở tác động của búa là khoảng cách giữa điểm đập của bộ gây
rung và cái đe khi bộ gây rung ở vị trí trung gian, hay lúc khơng làm việc.
Có ba lựa chọn cho khe hở này:


8
- Khe hở âm: Khơng có khe hở khi ở vị trí trung gian, một lực được đặt
trên bộ gây rung khi máy không hoạt động. Trong trường hợp này chế độ làm
việc của búa rung phụ thuộc đáng kể vào việc kiểm soát hệ số tốc độ phục hồi
R’. Do đó, khi độ sâu cọc, đặc điểm đất hoặc thay đổi trọng lượng cọc, các
điều chỉnh hệ thống sẽ xấu đi và máy sẽ không hoạt động đúng.
- Khe hở dương: Một khe hở dương là có một khoảng cách giữa điểm
đập và cái đe khi ở vị trí trung gian. Nếu khoảng cách vượt quá biên độ dao
động của hệ thống mà khơng có giới hạn một, có thể rung động khơng có tác
động, và vì lý do này khe hở phải được giới hạn.
- Khe hở bằng 0: Với khe hở bằng 0, bộ gây rung dừng ở vị trí lại trên
đầu cái đe này. Tại khe hở này, thay đổi các điều kiện của hệ thống điều khiển
sẽ ít ảnh hưởng đến búa nhất. Ngồi ra, tốc lực tối đa được tạo ra bởi quả
văng của bộ gây rung là lúc khe hở bằng 0.
Vì sự lựa chọn lị xo cho búa rung có khe và khơng có khe hở là khác
nhau, các phương thức cho búa rung với khe hở dương hoặc âm bị bỏ qua cho
ngắn gọn.
Búa va - rung được sử dụng phổ biến để đóng loại cọc bê tơng. Chúng
có khả năng tạo ra các lực đóng cần thiết để khắc phục trở kháng cao. Khi búa
làm việc, cọc tiếp nhận lực rung cùng với lực va đập do vậy cọc thường hạ
xuống nhanh hơn. Nhờ có lực va đập nên khối lượng búa có thể giảm đi. Búa
va - rung làm việc rất tốt trên nền đất pha sét. Số lần va đập từ 400 đến 500
nhát/phút.

Do hiệu quả cao, mang lại lợi ích kinh tế lớn nên ngày nay máy búa
rung được sử dụng rộng rãi ở nước ta và trên thế giới. Nhược điểm của máy
búa rung là lực gây rung có thể làm ảnh hưởng lớn đến các cơng trình ở bên
cạnh trong q trình làm việc.


9
1.2. Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy búa rung trên thế giới và ở trong nước
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Sự phát triển thiết bị rung - tác động để đóng các đối tượng khác nhau
vào trong đất bắt đầu tại Liên Xô năm 1940.
Năm 1949 những máy búa rung đầu tiên
đã được chế tạo và sử dụng tại nước
Nga theo nguyên tắc của tiến sĩ Barcan,
đó là những máy búa rung loại BT5 sử
dụng khối lệch tâm. Loại búa này có lực
kích là 214kN và tần số dao động
41,67Hz, máy được trang bị một mô tơ
điện 28kw. Những máy búa đầu tiên đã
được sử dụng để xây dựng cơng trình
thuỷ điện Gorki, búa đã được dùng đóng
Hình 1.3
Búa rung BT5 do Liên Xơ sản xuất

3700 cọc dài từ 9 đến 12 mét với thời
gian đóng là 2-3 phút cho một cọc.

Từ đó nước Nga đã tiếp tục phát triển một số lượng lớn các máy đóng
cọc hoạt động bằng rung và cả những máy khoan đất. Vào năm 1950, lần đầu
tiên nước Nga cũng cấp giấy phép của họ cho người Nhật, trong một khoảng

thời gian dài người Nhật đã có một vài cơng ty phát triển các loại búa rung.
Từ đó đến nay loại kỹ thuật này đã phát triển khắp nơi trên thế giới, với các
công ty như PTC ở Pháp; Mueller, Tunkersvaf MGF ở Đức; Tomen ở Nhật và
ICE Europe ở Thụy Sỹ.
Người Mỹ đã chế tạo máy rung dùng thuỷ lực MKT V-10 đầu tiên vào
năm 1969, mặc dù cả hai hãng Vulcan và Foster đều đã giới thiệu loại máy
đóng cọc bằng rung động của Nhật và Pháp vào đầu thập niên 1960. Loại máy
này có một đặc điểm khác với các máy búa rung hiện tại. Điểm đầu tiên đó là


10
hệ thống treo, thơng thường V-10 sử dụng lị xo thép để giảm độ rung cho cần
cẩu và móc. Hiện giờ hầu hết các loại máy đều sử dụng lò xo cao su. Điểm
thứ hai liên quan tới bánh lệch tâm. Bánh lệch tâm của V-10 thường kéo dài
suốt trên trục. Một động cơ được nối với một trong những bánh lệch tâm, các
cặp bánh răng truyền lực làm quay những bánh lệch tâm còn lại của máy. Hầu
hết các máy ngày hôm nay đều gắn các cặp bánh lệch tâm từ trước ra sau trên
một trục cho phép điều chỉnh mômen tĩnh, và chúng gắn trực tiếp với động cơ
hoặc thông qua bộ bánh răng thay đổi tốc độ.
Ngày nay máy búa rung đã phát triển rất đa dạng về chủng loại, nó thích
hợp cho nhiều điều kiện thi công khác nhau. Từ những máy sinh lực ly tâm
dưới 50 tấn (khơng có dải điều chỉnh lực) đến những loại sinh lực lớn hơn 50
tấn (có dải điều chỉnh lực). Cụ thể thì hầu hết các hãng chế tạo máy búa rung
hiện nay đều phát triển sản phẩm của mình theo 3 dạng sau:
- Máy có tần số thấp : Là những loại máy đóng cọc bằng rung động có
tần số từ 5 đến 10 Hz, dùng để đóng những loại cọc nặng, lực cản mũi cọc
lớn, như các cọc ống thép dài lớn và các cọc bê tông. Các loại máy này có
khuynh hướng sử dụng momen tĩnh bánh lệch tâm lớn. Một ví dụ về loại máy
này là lại VPM -170 của Nga do Bộ giao thông vận tải của Nga chế tạo rộng
rãi nhất trên đất nước. Loại máy này tạo được động lực lớn nhất là 1700kN

ứng với tần số lớn nhất là 9,17 Hz và moment tĩnh bánh lệch tâm là 510 kg.m.
Loại máy này được thiết kế chủ yếu để đóng các ống có đường kính đến 2m.
Tổ chức Tomen ở Nhật cũng đã sản xuất nhiều máy loại này.
- Máy có tần số trung bình : Là những máy có tần số rung từ 10 đến 30
Hz được sử dụng cho các loại cọc ván, cọc ống nhỏ. Đó là loại búa B-402
được dùng để đóng cọc ván Larssen cho cơng trình xây dựng đường hầm ở St.
peterburg. Loại máy này có lực động tối đa là 270 kN ứng với tần số dao
động là 23,8 Hz và moment tĩnh bánh lệch tâm cực đại của nó là 12kg.m .


11
- Máy có tần số cao: Là những máy có tần số kích lớn hơn 30Hz, gồm
có hai loại:
+ Thứ nhất là những loại có tần số trong khoảng 30-40Hz chúng được
thiết kế với mục đích ít gây ảnh hưởng dao động tới cơng trình. Những loại
này được đồng thời phát triển ở cả châu Âu (hãng ICE, Tun kers, PTC) và ở
Mỹ (Vulcan). Ưu điểm của những loại này lực kích truyền trong đất tới các
cơng trình lân cận thấp. Nhưng tần số của máy này không đủ cao để cải thiện
việc đóng và trong một số trường hợp những máy này có vấn đề về việc thắng
lực cản tại mũi cọc.
+ Thứ hai là những loại máy làm việc ở chế độ cộng hưởng, một trong
những loại phổ biến của nhóm máy này là máy cộng hưởng Bodinee Guild,
những máy đầu tiên được giới thiệu vào đầu những năm 1960. Nguyên lý
chính của loại máy cộng hưởng này là đưa cọc vào làm việc ở chế độ cộng
hưởng vì vậy làm cho cọc đóng và nhổ dễ dàng. Những máy cộng hưởng làm
việc ở trong dãy tần số từ 90-120 HZ, trong phần lớn các trường hợp tần số
làm việc của các máy bằng hai lần tần số truyền sóng của cọc. Khả năng đáp
ứng này phụ thuộc vào hệ búa và hệ cọc. Đối với những cọc có chiều dài quá
lớn việc liên kết cọc búa thực sự khó khăn. Mặc dù về nguyên tắc những loại
búa này có một tiềm năng lớn lao, nhưng sự phức tạp về cơ khí đã hạn chế

việc sử dụng rộng rãi.
Hiện nay có một số nước chế tạo máy búa rung với số lượng lớn là: Nhật
Bản, Nga, Mỹ, Hàn Quốc… các sản phẩm do các nước trên sản xuất khơng chỉ
phục vụ có hiệu quả nhu cầu sử dụng ở trong nước mà một lượng lớn máy sản
xuất ra được xuất khẩu sang các nước khác trong đó có Việt Nam.
Nói chung, máy búa rung của các nước cơng nghệ tiên tiến đều có
những đặc điểm cấu tạo sau:
- Khung máy được hàn từ thép tấm 10-15 mm.


12
- Bộ quả văng (dùng để điều chỉnh lực ly tâm) được cố định với trục
quay bởi các then và chốt có độ bền cao.
- Máy được dẫn động bởi một động cơ điện có khả năng làm việc trong
những môi trường khắc nghiệt (chịu cháy, nổ) thông qua bộ truyền đai và bộ
truyền bánh răng.
- Các ổ đỡ trục của máy, do chịu va đập mạnh trong quá trình làm việc
nên cần có cấu tạo đặc biệt, cần được thường xuyên bôi trơn.
- Các mỏ cặp (tĩnh và động) được chế tạo bằng thép có độ bền cao, chịu
mài mòn và va đập.
- Nguồn điện áp làm việc của máy 380/220 V, phù hợp với các mạng
điện hạ thế sẵn có. Các động cơ điện và động cơ của bơm dầu được bảo vệ
bằng rơle nhiệt để đề phòng bị cháy khi làm việc quá tải.

Hình 1.4: Búa rung MODEL VM2-2500EH
công xuất 150 kW do Nhật Bản sản xuất


13
Tuy có cấu tạo đơn giản nhưng máy phải có độ bền cao, làm việc tin cậy nhờ

hệ thống điều khiển. Trong các trường hợp có sự cố như tụt áp suất làm việc
của xilanh thuỷ lực mỏ kẹp, quá tải động cơ, .v.v... thì hệ thống điều khiển sẽ
tự động dừng máy.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy búa rung ở trong nước
Trước đây, việc thi công nền móng các cơng trình xây dựng và giao
thơng ở nước ta thường dùng các loại búa va đập cồng kềnh, tính năng cơ
động kém, gây nhiều tiếng ồn, dễ làm hư hỏng đầu cọc. Hiện nay, việc thi
cơng các tịa nhà cao tầng trong thành phố rất cần các máy thi cơng nền móng
gọn nhẹ, hiệu quả, khơng gây ồn, khơng làm ảnh hưởng tới các cơng trình
xung quanh. Các cơng trình thi cơng trên nền đất dính, đất cát (trụ cầu bắc qua
sông) cần những cọc khoan nhồi cỡ lớn (đường kính tới 3m, sâu 40 m hoặc
hơn) cũng có nhu cầu sử dụng những máy búa rung cỡ lớn. Điều đó thể hiện
rằng máy búa rung là thiết bị có vai trị rất quan trọng đối với mọi cơng ty xây
dựng có qui mơ từ nhỏ đến lớn. Tuy vậy, hầu hết các loại búa rung dùng trong
thi cơng nền móng hiện nay ở nước ta đều được nhập từ các nước như: Nhật
Bản, Nga, Mỹ, Hàn Quốc… Chúng ta chủ yếu mới chỉ dừng lại ở việc khai
thác sử dụng, sửa chữa máy búa rung. Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu
chính thức và khơng chính thức về máy búa rung. Một số trường đại học đã
có những nghiên cứu về loại máy này như: Đại học Khoa học tự nhiên thuộc
ĐHQG Hà Nội, Đại học Thái Nguyên, Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh,
Đại học Bách khoa Hà Nội, trong đó trường Đại học Bách khoa Hà nội đã
nghiên cứu chế tạo một số máy búa rung, tuy đã được đưa vào sử dụng song
vẫn cịn nhiều bất cập. Cơng ty TNHH B&T đã nghiên cứu và chế tạo máy
búa rung công suất 120 kW nhằm đáp ứng nhu cầu đóng cọc cỡ lớn. Hiện
chưa thấy tài liệu nào nói về loại máy búa này.


14
Tóm lại:
Trong việc thi cơng nền móng các cơng trình xây dựng và giao thông,

với những ưu điểm vượt trội, máy búa rung ngày nay được ưa chuộng và sử
dụng rộng rãi ở trong và ngoài nước. Nhu cầu sử dụng máy búa rung ở nước
ta hiện nay rất lớn, tuy nhiên hầu hết đều phải nhập khẩu từ các nước tiên tiến.
Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ở trong nước, không phải nhập khẩu các
loại máy này là hết sức cần thiết đối với nước ta hiện nay.


15
Chương 2
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI
VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là tính tốn xác định được các thơng số động lực
học của máy búa rung có lực ly tâm 50 tấn phù hợp với điều kiện thi công ở
nước ta. Tính tốn, thiết kế được các chi tiết của máy búa rung đảm bảo làm
việc ổn định theo công suất thiết kế.
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy búa rung dùng trong thi công
nền móng các cơng trình xây dựng và giao thơng, có lực ly tâm 50 tấn, đây là
loại máy phù hợp với khả năng của các nhà thầu thi công các cơng trình trung
bình.
2.3. Phạm vi nghiên cứu
Do thời gian có hạn, nên đề tài chỉ tập trung vào các nội dung sau:
1. Thu thập các số liệu cần thiết cho thiết kế. Nghiên cứu, phân tích tính
năng làm việc của các chủng loại máy tương đương của nước ngoài. Lựa chọn
máy thiết kế với các thông số kỹ thuật xác định. Nghiên cứu động lực học kết
cấu, dao động của hệ nhiều vật để tìm ra các thơng số, kích thước cho thiết kế
sơ bộ.
2. Nghiên cứu, tính tốn và thiết kế các chi tiết chính của máy như: quả
văng, lị xo, bulơng dẫn hướng lị xo, bánh răng, hộp rung…

3. Ứng dụng khai thác phần mềm chuyên dụng để kiểm nghiệm bền các
kết cấu theo mơ hình thiết kế sơ bộ. Tìm phương án tối ưu và lựa chọn mơ
hình thiết kế phù hợp nhất: đơn giản về kết cấu.