Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm xác định được chiều dày đầm nén và thành phần hạt hợp lý của đất để đầm nén bằng đầm cóc đạt hiệu quả cao nhất. Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của luận văn này!
Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy đầm đất trên thế giới
Trong công tác làm đất, đầm nén đóng vai trò quyết định đến chất lượng công trình và là công đoạn cuối cùng trong quá trình xây dựng nền móng ở nhiều quốc gia Nhiều loại máy đầm khác nhau đã được nghiên cứu và chế tạo để phục vụ cho các công trình xây dựng, chẳng hạn như máy đầm bánh hơi PS150B, PS200B, PS300B của Caterpillar (Mỹ) với công suất từ 70 đến 105 HP, cùng với các máy đầm rung như CS323C và CS433E.
CS44…(hình 1.2) có công suất 70-153HP; Hãng Komatsu (Nhật) chế tạo các loại máy đầm rung mang nhãn hiệu JV06H, PV08H, JV16-1, JV25-3, JV32-
W,… các loại máy đầm rung này có công suất từ 5-14,5HP, lực rung lớn nhất từ 10-25kN;
Hình 1.1 Máy đầm bánh hơi PS300B
Hình 1.2 Máy đầm rung CS-433E
Hãng Nippon bomag (Nhật Bản) chế tạo các loại đầm rung nhƣ BW65H, BW75S, BW75S4-R, BW90T (hình 1.3) có lực rung lớn nhất từ 20- 63kN, công suất từ 5-69,4HP;
Hình 1.3 Máy đầm rung BW65S
Hãng SAKAI HEAVY IND chế tạo các loại máy đầm bánh thép VM7706, VM7708, SW800, SH1508,WN140, K7606, KD200, R2,…(hình
1.4) có áp lực từ 27-58kG/cm 2 , công suất động cơ từ 58-73HP Các loại máy đầm bánh hơi TS30, TS30H, TS360…, các loại máy đầm rung nhƣ SV6, SV
10, TV40, SV100… có công suất từ 50-103HP, lực rung lớn nhất 12-31KN…
Hình 1.4 Máy đầm bánh thép Sakai SW800
Hãng Ligong của Trung Quốc chuyên sản xuất các loại xe lu rung như CLG614, CLG616, CLG618, cùng với các mẫu xe lu bánh thép CLG621, CLG624, CLG611H và xe lu bánh lốp CLG626R Đặc biệt, xe lu chân cừu CLG614 có công suất từ 120-175HP và lực rung từ 135-360kN.
Việc chọn loại máy đầm phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại đất, tính chất cơ học của đất nền, điều kiện thi công và tính năng kỹ thuật của thiết bị Theo kinh nghiệm từ các nước công nghiệp tiên tiến, máy đầm tĩnh là lựa chọn phổ biến nhất nhờ cấu tạo đơn giản, năng suất cao và chi phí thấp hơn 80-85% so với các loại máy đầm khác Khoảng 80-85% khối lượng đầm lèn tại các công trình được thực hiện bằng máy đầm tĩnh, trong khi máy đầm rung và đầm lực động chỉ chiếm 20-25%.
Hình 1.5 Máy đầm chân cừu của hãng Liugong
Máy lu bánh thép là thiết bị phổ biến trong máy đầm tĩnh, thích hợp cho việc đầm lèn mặt đường đá dăm, đường bê tông nhựa, và cán mặt bằng cho các công trình xây dựng Nó cũng hiệu quả trong việc đầm các loại đất ít dính và đất lẫn đá nhỏ.
Máy lu trơn có nhược điểm khi đầm, khiến bánh phía trước bị chèn bờ lưỡng sóng, dẫn đến tiêu hao công suất cao Ứng suất tiếp xúc chỉ đạt 0,1-0,46MPa và giảm theo chiều sâu đầm, làm cho độ chặt của lớp đất phía dưới khó đạt yêu cầu.
Chiều sâu đầm của máy nhỏ không vượt quá 20cm cho các thiết bị có trọng lượng từ 3 đến 4 tấn Để nâng cao hiệu quả đầm lèn và khắc phục những hạn chế hiện có, người ta đã lắp thêm một bánh phụ rung động vào giữa máy, giúp tăng cường hiệu quả đầm nén đất.
Lu bánh hơi là thiết bị quan trọng trong việc đầm nén nhiều loại đất khác nhau, bao gồm đất khô cứng, đất ẩm, đất dính và đất đá dăm.
Lu bánh hơi làm việc hiệu quả khi chiều dài mặt bằng làm việc lớn hơn 100-150m
So với các loại máy đầm tĩnh khác, máy đầm bánh hơi có các ƣu điểm sau:
- Vận tốc làm việc lớn, năng suất cao;
Bánh lốp và bánh cứng phẳng có cùng đường kính và tải trọng tương đương, nhưng diện tích tiếp xúc của bánh lốp nhỏ hơn Điều này dẫn đến ứng suất phân bố đều hơn lên mặt đất, với ứng suất lớn nhất có thể đạt từ 0,197 đến 1,05 Mpa.
Đầm bánh lốp có khả năng điều chỉnh ứng suất tiếp xúc tối đa bằng cách thay đổi tải trọng và áp suất không khí trong lốp, giúp phù hợp với nhiều loại đất khác nhau.
Chiều dày lớp đất đầm phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc; diện tích tiếp xúc lớn dẫn đến chiều sâu đầm nhỏ Do đó, chiều sâu đầm của lu bánh hơi thường lớn hơn nhiều so với lu bánh cứng, có thể đạt tới 35-45cm.
Lu chân cừu là loại lu cần có nguồn động lực để kéo, thường được sử dụng trong các công trình thi công có mặt bằng rộng, đặc biệt là trong lĩnh vực thủy lợi như đê, kè, và đập Loại lu này giúp đảm bảo độ chặt và độ ổn định cao cho nền đắp Những ưu điểm chính của lu chân cừu bao gồm khả năng làm việc hiệu quả trong các điều kiện thi công khác nhau.
- Chiều sâu ảnh hưởng đầm lớn do áp suất đầm trên các đầu chân cừu tương đối cao;
- Cấu tạo đơn giản, rẻ tiền và giá thành đầm nén nhỏ;
- Tạo đƣợc mối liên kết tốt giữa các lớp đất đầm
Bên cạnh đó, lu chân cừu còn bộc lộ một số nhƣợc là:
- Tính cơ động kém, vận chuyển gặp nhiều khó khăn;
- Khi đầm nén đất dính, dẻo phải đảm bảo độ ẩm qui định chặt chẽ;
Bề mặt đất đầm có độ chặt thấp do vấu chân cừu xới lên sau khi đầm Nhiều quốc gia hiện nay sử dụng máy đầm xung kích để gia tăng độ chặt nền công trình xây dựng Máy đầm xung kích hoạt động dựa trên tải trọng xung kích và có hai kiểu chính: máy đầm xung kích kiểu búa và máy đầm xung kích kiểu quả lăn.
Máy đầm rơi là thiết bị được sử dụng để đầm đất dính và không dính, có khả năng xử lý đất khô hoặc ướt theo từng lớp và độ sâu lên đến 1,3m Tuy nhiên, máy đầm này có nhược điểm là cấu tạo phức tạp và giá thành cao, gấp đôi so với máy đầm tĩnh cho 1m³ đất Chính vì vậy, nó thường được áp dụng trong các công trình có yêu cầu đặc biệt như nhà máy thủy điện, khu công nghiệp lớn hoặc các công trình quân sự.
Máy đầm rung là thiết bị chuyên dụng để đầm đất hạt rời với kích thước đa dạng, đặc biệt hiệu quả trong việc xử lý các loại đất có độ ẩm cao như đất cát, đá lẫn cát, sỏi và đá vụn.
Bộ phận công tác của máy đầm rung bao gồm nhiều kiểu như đầm bàn rung, lu rung và đầm cóc Đầm bàn rung là loại phổ biến nhất, chia thành hai kiểu: đầm bàn dùng tay kéo và đầm tự hành Đầm bàn dùng tay kéo có kích thước và khối lượng nhỏ, với diện tích tiếp xúc tối đa 0,5m² và độ sâu đầm đạt 20cm.
Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy đầm lèn ở trong nước
Hiện nay, Việt Nam có khoảng 150.000 nhà thầu xây dựng, trong đó có 2.000 nhà thầu lớn và vừa, tạo ra nhu cầu lớn về máy xây dựng Tuy nhiên, ngành cơ khí xây dựng chủ yếu phải nhập khẩu máy móc hạng nặng do chi phí sản xuất cao và thiếu sự quan tâm từ các bộ ngành Tại các thành phố công nghiệp như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đồng Nai và Bình Dương, nhiều bãi bán máy xây dựng hoạt động sôi nổi Đặc biệt, máy đầm nén đất được sử dụng phổ biến do đặc điểm tự nhiên và quy mô sản xuất khác nhau ở từng vùng, trong đó máy đầm rung nổi bật với hiệu quả vượt trội.
Một số loại đầm rung phổ biến được nhập khẩu từ Caterpillar và Komatsu (Nhật Bản) bao gồm các mác máy như CS-323C, CS431C, CS-433C, JV06H, JV08H, JV16-1, và JV25-3 Những loại máy này nổi bật với tính đa năng, có khả năng thực hiện cả công việc san lấp và đầm lèn Chúng có tốc độ hoạt động cao, được trang bị truyền động biến mô, tất cả các bánh đều chủ động, khung có khớp quay, và khoảng cách giữa tâm bánh trước và bánh sau lớn, mang lại sự ổn định khi vận hành.
Đầm rung trống đơn, với các mã hiệu như CS-323C, CS-431C, CS-433C, và CS-573D, nổi bật với van phân chia lưu lượng và hệ thống bơm kép, giúp tạo lực kéo chủ động cho cả trống trước và bánh sau Thiết bị này có khả năng hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện đất nền khác nhau nhờ cơ cấu hành tinh, giúp biến đổi lực kéo bám và hạn chế trượt của bánh sau Ngoài ra, đầm còn được trang bị thanh làm sạch kiểu hàm có thể điều chỉnh, cho phép làm sạch vấu đầm cả khi tiến và lùi.
Đầm rung 2 trống với các mã hiệu như JV06H, JV08H, JV16-1, JV25-3 sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật Chúng tự động ngừng rung trước khi dừng máy, giúp tạo ra mặt đầm phẳng Đặc biệt, độ hở bên nhỏ cho phép máy hoạt động gần lề đường, tường đứng và các chướng ngại vật khác Hơn nữa, thiết kế của chúng còn có kết cấu bảo vệ khi bị lật, đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.
Các bánh xe được thiết kế để dao động, giúp phân bổ tải trọng đồng đều giữa bánh trước và bánh sau, bất kể độ phẳng của mặt đất.
- Mô tơ dẫn động và phanh đặt trên khung chính cách xa bùn đất;
- Khoang tải trọng thuận tiện cho việc chất tải và đƣợc bố trí đảm bảo tỉ lệ bánh hơi/trọng lƣợng cân bằng
- Các thiết bị tuỳ chọn vừa di chuyển vừa bơm;
Hình 1.6 Máy đầm LG160 của hãng Dynapac
Trong các công trình xây dựng nhỏ như nhà công nghiệp và nhà dân dụng, việc sử dụng đầm rung mini như LG160, LG300 của hãng Dynapac là phổ biến Những máy đầm bàn này có kích thước nhỏ gọn, phát thải khí và tiếng ồn thấp, đồng thời độ rung ở tay cầm cũng rất nhỏ, mang lại sự thoải mái cho người điều khiển Chúng hoạt động hiệu quả ở những khu vực mặt bằng chật hẹp và trên nhiều loại đất nền khác nhau.
Máy đầm cóc và đầm rung từ các hãng như Sakai, Tacom được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp Chúng nổi bật với thiết kế đơn giản, dễ sử dụng, khả năng đầm nén hiệu quả nhiều loại đất khác nhau và tính cơ động cao.
Hình 1.7 Máy đầm của hãng Sakai
Hình 1.8 Máy đầm hãng Tacom
Hiện nay, nghiên cứu về máy xây dựng và máy đầm nén đất tại Việt Nam còn hạn chế và thiếu hệ thống Một số công trình nghiên cứu đã được công bố liên quan đến lĩnh vực rung động và nguyên lý làm việc của các thiết bị đầm rung.
Nguyễn Trọng Luân: nghiên cứu ứng dụng rung động để làm chặt đất nền đường năm 1995
Trần Văn Tuấn: khảo sát động lực học máy đầm xung kích tự di chuyển năm 2002
Trong tài liệu về lý thuyết kỹ thuật rung trong xây dựng, các tác giả Nguyễn Đình Chiểu, Nguyễn Trọng và Nguyễn Anh Tuấn đã trình bày những vấn đề cơ bản của lý thuyết dao động cơ học Họ nhấn mạnh mối liên hệ giữa lý thuyết này và ứng dụng kỹ thuật rung, đồng thời giới thiệu một số bài toán cơ bản và kết quả nghiên cứu từ cả trong và ngoài nước trong những năm gần đây Đặc biệt, tài liệu tập trung vào các mô hình bài toán ứng dụng kỹ thuật rung trong lĩnh vực xây dựng.
Kết luận, máy xây dựng, đặc biệt là máy đầm nén đất, đã trở thành công cụ thiết yếu trong ngành xây dựng tại nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam Việc lựa chọn máy móc phù hợp phụ thuộc vào điều kiện địa chất và quy mô công trình Ở các nước phát triển, máy công suất lớn được ưa chuộng, trong khi tại Việt Nam, máy đầm rung và các loại máy mini thường được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng nhu cầu cụ thể của các dự án xây dựng.
Nghiên cứu công nghệ đầm nén và máy đầm đã được thực hiện bài bản ở các nước công nghiệp phát triển, tập trung vào việc hoàn thiện kỹ thuật và thông số máy nhằm nâng cao năng suất và chất lượng đầm nén Tuy nhiên, tại Việt Nam, nghiên cứu về công nghệ và máy đầm nén đất vẫn còn hạn chế Do đó, việc nghiên cứu đề tài “Ảnh hưởng của chiều dày đầm nén và thành phần hạt đất đến năng suất và chi phí năng lượng riêng khi sử dụng máy đầm rung” là cần thiết, nhằm tối ưu hóa việc lựa chọn và sử dụng máy đầm trong xây dựng.
Mục tiêu nghiên cứu
Xác định đƣợc chiều dày đầm nén và thành phần hạt hợp lý của đất để đầm nén bằng đầm cóc đạt hiệu quả cao nhất.
Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu tập trung vào máy đầm TV60N của hãng Tacom (Nhật Bản), có trọng lượng 69kg, chiều cao nhảy từ 40-60 mm, tần số rung 550-575 vòng/phút và công suất động cơ tối đa 3HP Máy đầm này được nhập về trường Cao đẳng Cơ điện xây dựng Tam Điệp, Ninh Bình, nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu.
- Đề tài sử dụng loại đất dùng để đắp nền đường tại khu vực Lương Sơn – Hoà Bình
Do hạn chế về quy mô đề tài và thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp, nghiên cứu này chỉ tập trung vào việc phân tích thành phần hạt và chiều dày lớp đất đầm Bài viết cũng sẽ làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố này đến chi phí năng lượng riêng và năng suất của máy đầm trong quá trình đầm nén đất nền đường.
Phương pháp nghiên cứu
- Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, đề tài đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu nhƣ sau:
Phương pháp thực nghiệm khoa học được áp dụng trong việc phân tích mẫu đất thí nghiệm nhằm xác định các tính chất cơ bản của đất, bao gồm độ ẩm và thành phần hạt.
Phương pháp kế thừa tư liệu là việc áp dụng các kết quả nghiên cứu từ cả trong nước và quốc tế để có cái nhìn tổng quan về vấn đề nghiên cứu Điều này giúp định hướng cho các vấn đề nghiên cứu trong phần cơ sở lý luận của đề tài.
Phương pháp quy hoạch thực nghiệm là một phương pháp nghiên cứu mới, trong đó toán học đóng vai trò quan trọng Cơ sở của phương pháp này dựa trên toán học thống kê, với hai lĩnh vực chính là phân tích phương sai và phân tích hồi quy.
Quy hoạch thực nghiệm là một quá trình tổng hợp các tác động nhằm phát triển chiến thuật thực nghiệm từ giai đoạn khởi đầu đến giai đoạn kết thúc của nghiên cứu đối tượng, bao gồm việc thu thập thông tin mô phỏng, xây dựng mô hình toán học và xác định các điều kiện tối ưu Quy hoạch thực nghiệm có thể được áp dụng trong điều kiện chưa hoặc đã hiểu biết đầy đủ về cơ chế của đối tượng nghiên cứu, mang lại nhiều lợi ích trong việc tối ưu hóa quy trình và kết quả nghiên cứu.
- Giảm đáng kể số lƣợng thí nghiệm cần thiết
- Giảm thời gian tiến hành thí nghiệm và chi phí phương tiện, vật chất
Hàm lượng thông tin được nâng cao và rõ ràng hơn nhờ vào việc đánh giá vai trò của sự tương tác giữa các yếu tố và tác động của chúng đến hàm mục tiêu.
Nhận diện mô hình toán học thực nghiệm và đánh giá sai số thí nghiệm cho phép là rất quan trọng, giúp xác định ảnh hưởng của các thông số thí nghiệm với mức độ tin cậy cao.
Xác định điều kiện tối ưu đa yếu tố trong nghiên cứu có thể thực hiện một cách chính xác thông qua các hàm toán học, hoặc áp dụng phương pháp giải gần đúng để tìm kiếm tối ưu cục bộ trong các thí nghiệm thụ động.
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp các tài liệu và công trình nghiên cứu liên quan, nhằm xây dựng phần tổng quan cho đề tài Qua đó, hệ thống công thức tính năng suất và chi phí năng lượng khi sử dụng đầm để làm chặt nền công trình được hình thành, làm cơ sở lý luận cho đề tài Đồng thời, nghiên cứu cũng giúp xác định các nhân tố ảnh hưởng đến hai chỉ tiêu này.
Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện dựa trên các nhân tố ảnh hưởng đã được xác định trong phần nghiên cứu lý thuyết, với các bước công việc cụ thể nhằm kiểm tra và xác minh tính chính xác của những yếu tố này.
Tiến hành thí nghiệm thăm dò là cần thiết để xác định qui luật phân bố của đại lượng nghiên cứu, từ đó khái quát hóa thành phân bố lý thuyết được gọi là phân bố thực nghiệm Việc xây dựng các phân bố thực nghiệm nhằm phát hiện qui luật phân bố khách quan trong tổng thể là một nhiệm vụ quan trọng Để thực hiện điều này, cần sắp xếp các trị số quan sát được theo một trật tự nhất định và thống kê các phần tử trong những khoảng xác định Để lập được phân bố thực nghiệm, cần chia tổ và ghép nhóm các trị số thu thập theo công thức kinh nghiệm của Brooks và Carruther: a=5.lgn và k= (m x max) - min.
Trong đó: a- Số tổ đƣợc chia; k- Cự ly tổ; x max , x min - trị số thu thập lớn nhất, bé nhất của đại lƣợng nghiên cứu
Xác định các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm:
Sai số trung bình mẫu:
Sai tiêu chuẩn: trường hợp mẫu lớn (n>30):
Phương sai mẫu là bình phương sai tiêu chuẩn: S 2
Phạm vi biến động: R= xmax-xmin (2.7) Độ lệch: Sk= 3 n
Nếu Sk=0, thì phân bố là đối xứng;
S k >0 thì đỉnh đường cong lệch trái so với số trung bình;
Sk0 thì đỉnh đường cong nhọn so với phân bố chuẩn
Ex F b, các thông số đầu vào sẽ có ảnh hưởng đáng kể Do đó, cần xác định mô hình thực nghiệm đơn yếu tố để thực hiện các phân tích và dự báo cần thiết.
Bằng cách sử dụng máy tính để phân tích số liệu thu thập, chúng ta có thể xây dựng phương trình tương quan giữa hai chỉ tiêu đầu ra và các yếu tố ảnh hưởng đầu vào thông qua mô hình hồi quy Tiếp theo, cần kiểm tra tính tương thích của mô hình hồi quy để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của nó.
Phép kiểm tra này thực chất so sánh phương sai S² của giá trị hàm theo mô hình với phương sai Sₑ² do nhiễu gây ra, dựa trên tiêu chuẩn Fisher.
Tỷ số giữa hai phương sai S²/S²e càng nhỏ thì mô hình có tính thích ứng càng mạnh, trong khi tỷ số lớn hơn cho thấy tính thích ứng yếu Khi giá trị thống kê F vượt qua ngưỡng b, mô hình sẽ được coi là không tương thích.
Phương sai do nhiễu tạo nên S 2 e là giá trị trung bình của các bình phương độ lệch nhiễu của các điểm thí nghiệm S 2 u
Phương sai tuyển chọn S 2 được tính theo công thức:
K * - Hệ số hồi quy có nghĩa
Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy đầm rung
Máy đầm cóc có nhiều loại khác nhau nhƣng chúng đều có cấu tạo chung (hình 3.1) gồm các bộ phận chính:
Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo của máy đầm cóc
2 Cơ cấu khởi động và quạt làm mát động cơ;
7 Hệ thống truyền động đai
+ Bộ phận động lực: Trong các máy đầm rung thường trang bị động cơ xăng 4 kỳ công suất 2-3,5HP có số vòng quay trục khuỷu 3000-5000 (vòng/phút)
+ Bộ phận truyền động gồm một bộ puli, dây đai hình thang có tỷ số truyền i=1-6 để số vòng quay tại trục cam 400-750 (vòng/phút)
Bộ phận công tác của máy đầm bao gồm đĩa cam, thanh truyền, lò xo và bàn đầm Để đảm bảo máy không bị đổ khi đứng yên, cột đứng nghiêng một góc α so với trục thẳng đứng, giúp trọng tâm rơi vào chân đế Sau khi kiểm tra và chuẩn bị, công nhân vận hành máy sử dụng dây giật để khởi động động cơ Khi động cơ hoạt động, chuyển động được truyền từ động cơ qua puli chủ động, dây đai và puli bị động gắn trên trục đĩa cam Cam quay làm cho thanh truyền chuyển động, biến chuyển động quay thành chuyển động khứ hồi nhờ lò xo, tạo ra sự rung cho bàn đầm.
Dưới tác động của lực rung động, các hạt khoáng và đất nền bị dao động, dẫn đến giảm lực ma sát và lực dính kết giữa chúng Nhờ lực kích rung và trọng lượng bản thân, các hạt di chuyển xuống vị trí ổn định, sắp xếp lại để lấp đầy các lỗ rỗng Các hạt khoáng nhỏ hơn sẽ chèn vào các khe rỗng giữa các hạt lớn hơn, từ đó làm giảm độ rỗng của đất, tăng độ chặt, giảm độ thấm nước và cải thiện khả năng chống biến dạng của nền đất dưới công trình.
Năng suất của máy đầm rung khi làm việc
Năng suất của đầm rung đƣợc xác định theo công thức sau [1]:
L- Chiều rộng bàn đầm (m); b- Khoảng trùng lặp giữa các vệt đầm, (m); v- Tốc độ di chuyển của bàn đầm, (m/s); n- Số lần đầm qua lại một nơi; φ- Hệ số sử dụng thời gian; h- Chiều sâu tác dụng của máy đầm, (m)
Từ công thức xác định năng suất cho ta thấy những yếu tố ảnh hưởng đến năng suất:
+ Nhóm yếu tố thuộc máy:
- Tốc độ di chuyển của máy;
- Chiều sâu tác động của máy đầm;
- Tốc độ di chuyển của máy phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ + Nhóm yếu tố thuộc về đất:
Độ ẩm của đất ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất cây trồng; nếu độ ẩm không đạt mức tối ưu, số lần đầm nén cần thiết sẽ tăng lên, dẫn đến giảm năng suất.
Các thành phần hạt khác nhau tạo ra các loại đất khác nhau, mỗi loại đất có độ ẩm tối ưu riêng Điều này dẫn đến việc để đạt được độ chặt yêu cầu, số lượt đầm cần thiết cũng sẽ khác nhau, từ đó ảnh hưởng đến năng suất cây trồng.
Chi phí năng lƣợng của máy đầm rung khi làm việc
Chi phí năng lượng riêng là một chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng để đánh giá chất lượng của máy móc, thiết bị hoặc quá trình công nghệ Đây là năng lượng cần thiết để sản xuất một khối lượng sản phẩm nhất định trong một khoảng thời gian cụ thể Công thức tính chi phí năng lượng riêng giúp xác định hiệu quả sử dụng năng lượng trong sản xuất.
W- Năng lƣợng mà máy tiêu thụ trong thời gian t;
M- Khối lƣợng sản phẩm mà máy làm đƣợc trong thời gian t Quan sát máy đầm làm việc thì chi phí năng lƣợng riêng cần thiết của máy đầm W có thể xác định bằng công thức:
Ndc- Công suất cần thiết của động cơ cần thiết cho máy đầm hoạt động; t- Thời gian máy đầm nén đƣợc khối lƣợng đất M
Theo [4] công suất cần thiết của động cơ của máy đầm đƣợc xác định bằng công thức:
Ndc=(Nd+Nr+Nm)/ηtr (3.4) Trong đó:
N d - Công suất cần thiết để đầm di chuyển;
Nr- Công suất cần thiết duy trì sự rung động của đầm;
Nm- Công suất tổn hao do ma sát ở trong các ổ trục của bộ phận công tác
Công suất N d đƣợc tính bằng công thức
∑F- Tổng lực cản di chuyển của máy:
F1- Lực cản di chuyển thuần tuý theo mặt phẳng ngang
Trong đó: μ 1 - Hệ số ma sát giữa đất và bàn đầm;
Q- Trọng lƣợng của đầm; α- Góc nghiêng của cột đứng; β- Góc nghiêng của mặt nền
F2- Lực cản dốc do độ nghiêng của nền gây ra
F3- Lực cản phụ do khối đất tích tụ trước mũi đầm
F3=μ 2 μ 3 Q1 (3.9) μ 2 - Hệ số ma sát trong của đất; μ3- Hệ số cản chuyển động giữa khối đất tích tụ trước mũi đầm và nền đất đƣợc đầm;
Q 1 - Trọng lƣợng khối đất tích tụ của đầm khi khởi hành
F4- Lực cản quán tính của đầm khi khởi hành
Q.v (3.10) t- Thời gian khởi hành (s); v- Vận tốc di chuyển của đầm
Công suất cần thiết để duy trì sự rung động của đầm Nr phụ thuộc vào cấu trúc của máy, trong đó toàn bộ trọng lượng của động cơ và cơ cấu đĩa cam sẽ tác động lên bàn đầm qua thanh dẫn, piston và lò xo, tạo ra lực nén tĩnh Khi máy đầm hoạt động, trọng lượng này cùng với trọng lượng của bàn đầm tạo thành trọng lượng máy Q, tham gia vào quá trình rung (dao động) với biên độ A (cm) theo phương thẳng đứng so với mặt đất.
Trong đó: v r - Tốc độ chuyển động của piston và cũng là tốc độ chuyển động tịnh tiến khứ hồi của máy v r =v 0 (sinθ- l rsin2θ) (3.12)
Bán kính quay của ngõng giữ thanh dẫn được ký hiệu là r, trong khi chiều dài của thanh dẫn được ký hiệu là l Góc quay của bán kính ngõng giữ thanh dẫn là θ, và tốc độ quay của ngõng này (chuôi piston) được ký hiệu là v0, được tính theo công thức v0 = 30.i π.r.n.
Trong đó: nc- Số vòng quay của đĩa cam ndc- Số vòng quay của động cơ; i- Tỷ số truyền của bộ truyền đai
Công suất tổn hao do ma sát trong ổ trục của máy đầm:
Tổng lực ma sát trong các bộ phận của máy đầm
Pm=Po+Pr+Pd+Pps (3.15)
Po- Lực ma sát trong ổ trục của đĩa cam:
Trong đó: μ4- Hệ số ma sát trong ổ trục giữa trục của đĩa cam, μ 4 ≈0,02-0,03 trường hợp dùng ổ bi
Pn- Lực ma sát trong ổ trục của ngõng giữ thanh dẫn
Pd- Lực ma sát trong ổ trục của ổ trục giữa thanh truyền trên piston
P ps - Lực ma sát giữa pit tông xi lanh
Trong đó: β- Góc quay của thanh truyền; μ4’- Hệ số ma sát trƣợt giữa piston và xilanh
M- Khối lƣợng đất đầm nén đƣợc trong thời gian t
Mặt khác ta có năng suất thuần tuý khi đầm khối lƣợng đất đầm đƣợc trong 1 giờ
Vậy công thức tính Nr có thể viết dưới dạng:
Ngoài ra năng suất thuần tuý quan hệ với năng suất giờ nhƣ sau:
Thay vào công thức (3.1) ta đƣợc:
Những yếu tố ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng:
Dựa vào những công thức (3.2-3.25) đã nêu trên ta có: Những yếu tố ảnh hưởng đến năng suất cũng ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng:
+ Nhóm nhân tố thuộc về máy:
- Tốc độ quay động cơ;
- Chiều sâu tác động của đầm;
+ Nhóm yếu tố thuộc về đất:
Độ ẩm đất ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số ma sát, từ đó làm thay đổi lực cản và chi phí năng lượng trong quá trình đầm nén Khi độ ẩm thay đổi, các yếu tố này cũng sẽ biến động theo, ảnh hưởng đến hiệu quả công việc.
- Thành phần hạt thay đổi, các hệ số μ1,μ 2 ,μ 3 thay đổi làm cho lực cản thay đổi dẫn đến chi phí năng lƣợng thay đổi
Tóm lại, các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí năng lượng và năng suất của máy đầm cố định bao gồm nhiều yếu tố đồng thời.
+ Nhóm nhân tố thuộc về máy:
- Tốc độ quay động cơ;
- Chiều sâu tác động của đầm;
+ Nhóm các yếu tố về đất:
- Thành phần hạt của đất.
Mục tiêu thực nghiệm và lựa chọn tham số điều khiển
Đề tài lựa chọn hai chỉ tiêu làm việc quan trọng của máy đầm là năng suất và chi phí năng lƣợng riêng:
Chi phí năng lượng riêng là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng và hiệu suất làm việc của máy móc, vì nó phản ánh mức năng lượng cần thiết để sản xuất một đơn vị sản phẩm.
Năng suất làm việc là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá hiệu quả hoạt động của máy móc Việc xác định năng suất giúp chúng ta lựa chọn chế độ làm việc phù hợp, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm chi phí.
Với mục tiêu đề ra, tôi lựa chọn hai tham số điều khiển là chiều dày lớp đất đầm và thành phần hạt của đất
- Chiều dày lớp đất đầm: với 5 mức thay đổi: 10, 15, 20, 25 và 30 (cm);
- Thành phần hạt của đất (% cát): với 5 mức thay đổi 55%, 60%, 65%, 70%, 75%.
Tiến hành thí nghiệm
4.2.1 Xác định thành phần hạt của đất làm thí nghiệm
Mục đích của việc xác định thành phần hạt là xác định loại đất làm đối tƣợng nghiên cứu
Phân tích thành phần hạt của đất là quá trình phân chia đất thành các nhóm hạt có kích thước tương tự và xác định tỷ lệ phần trăm của chúng Có nhiều phương pháp để thực hiện phân tích này, bao gồm sàng đất bằng bộ sàng tiêu chuẩn, phương pháp lắng - nở hạt theo tiêu chuẩn 22TCN66-84, và phương pháp tỷ trọng kế Phương pháp sàng tiêu chuẩn có ưu điểm là đơn giản, nhanh chóng và chính xác cho đất hạt lớn như cát Trong khi đó, phương pháp tỷ trọng kế cho kết quả chính xác cao nhưng yêu cầu thời gian thí nghiệm lâu và thiết bị phức tạp, phù hợp hơn với đất sét Phương pháp lắng nở hạt theo tiêu chuẩn GTVT 22TCN66-84 là lựa chọn nhanh chóng và đơn giản để xác định thành phần hạt của các loại đất như cát, cát pha, sét pha và sét mà không cần dụng cụ thí nghiệm đắt tiền.
Do hạn chế về thời gian và trang thiết bị, tôi đã áp dụng phương pháp phân tích thành phần hạt đất theo tiêu chuẩn ngành.
GTVT 22TCN 66-84 Để tiến hành xác định thành phần hạt theo tiêu chuẩn này, phải chia thành 3 nhóm hạt ở trong đất nhƣ:
Nhóm hạt cát (hạt có kích thước từ 5 đến 0,05mm);
Nhóm hạt bụi (có kích thước 0,05-0,005mm)
Nhóm hạt sét (có kích thước nhỏ hơn 0,005mm)
Các nhóm hạt đất có những đặc điểm riêng biệt: hạt cát với khối lượng và kích thước lớn nhanh chóng chìm xuống nước, trong khi hạt bụi và sét vẫn lơ lửng Đặc biệt, hạt sét khi tiếp xúc với nước sẽ trương nở, làm tăng thể tích Dựa vào những đặc điểm này, chúng ta có thể nhanh chóng xác định hàm lượng của các nhóm hạt đất.
- Đo mức độ trương nở thể tích của đất khi no nước, từ đó xác định đƣợc hàm lƣợng hạt sét chứa trong đất
- Xác định vận tốc lắng đọng của các hạt đất ở trong nước từ đó tính đƣợc hàm lƣợng nhóm hạt cát
- Biết đƣợc hàm lƣợng nhóm hạt cát và sét từ đó dễ dàng xác định đƣợc hàm lƣợng bụi
Kết quả thí nghiệm đƣợc thể hiện ở bảng 4.1
Bảng 4.1 Thành phần hạt của đất làm thí nghiệm
Loại hạt (%) Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Trung bình
Kết quả nghiên cứu cho thấy đất thí nghiệm là loại sét pha với thành phần sét từ 12-25%, phù hợp cho xây dựng Để điều chỉnh thành phần hạt, chúng tôi đã thay đổi tỷ lệ cát và sét trong đất Tổng cộng, đất được chia thành 5 lô thí nghiệm với các hàm lượng cát lần lượt là 55%, 60%, 65%, 70% và 75%.
Thành phần hạt trong từng lô đất đƣợc xác định lại thể hiện ở biểu sau:
Bảng 4.2 Thành phần hạt của đất tại 5 lô thí nghiệm
4.2.2 Xác định độ ẩm của đất sử dụng làm thí nghiệm
Mục đích của nghiên cứu này là xác định độ ẩm tối ưu cho từng lô đất thí nghiệm, với độ ẩm được hiểu là hàm lượng nước có trong đất Độ ẩm được tính bằng phần trăm tỷ lệ giữa khối lượng nước và khối lượng đất khô tuyệt đối Phương pháp được áp dụng để xác định độ ẩm của đất trong nghiên cứu này là cân và sấy.
Dụng cụ xác định độ ẩm bao gồm hộp nhôm đựng đất, tủ sấy và cân điện tử Để xác định độ ẩm ban đầu của đất, cần chuẩn bị một lượng đất nhỏ và cho vào hộp nhôm với khối lượng mh Sau đó, cân hộp nhôm chứa đất để có khối lượng m1 Tiến hành sấy ở nhiệt độ 100-105°C trong khoảng 5-10 giờ, sau đó cân lần đầu để có khối lượng m2 Tiếp tục sấy cho đến khi khối lượng của hộp đất không thay đổi (m0), với thời gian giữa các lần cân khoảng 1-2 giờ Kết quả sẽ được ghi lại và độ ẩm sẽ được xác định theo công thức.
Trong đó: m1- Khối lƣợng của đất ƣớt và hộp nhôm (g); mh- Khối lƣợng của hộp nhôm (g); m0- Khối lƣợng của đất đƣợc sấy khô đến không đổi và hộp nhôm (g)
Ta tiến hành làm đồng thời các mẫu và lấy giá trị độ ẩm trung bình Kết quả thí nghiệm đƣợc trình bày ở phần phụ biểu
4.2.3 Xác định độ chặt của đất
Mục đích của thí nghiệm là xác định đƣợc độ chặt lớn nhất cho từng loại đất
- Khối lƣợng thể tích khô của các mẫu đất ( k ) đƣợc xác định theo công thức:
Trong đó: W : Khối lƣợng thể tích của mẫu đất ẩm sau khi đầm (g/cm 3 )
Trong đó: mw- Khối lƣợng của mẫu đất sau khi đầm (g)
Vc- thể tích của cối đầm,
Khối lượng của cả cối và mẫu đất sau khi đầm (mT) và khối lượng của cối đầm (mc) được sử dụng để tính toán độ ẩm của mẫu đất sau khi đầm (W) theo tỷ lệ phần trăm Đối với mỗi lô thí nghiệm, độ chặt tiêu chuẩn và độ ẩm tối ưu được thể hiện rõ ràng trong bảng 4.3.
Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm xác định độ chặt tiêu chuẩn của đất
Chuẩn bị các thiết bị đo:
+ Động cơ điện lắp trên máy đầm có công suất 3kW, số vòng quay 1500(v/phút);
+ Đo công suất tiêu thụ dòng điện bằng máy đó Fluke 41B;
+ Máy biến tần Toshiba VF-S9 (400V-1,5kW) để điều chỉnh tần số đập của đầm;
Hình 4.1 Máy đo công suất Fluke 41B và biến tần VF-S9
- Tiến hành thí nghiệm: Các bước thực hiện theo phương pháp qui hoạch thực nghiệm đã nêu ở chương 2.
Kết quả thí nghiệm thăm dò
Đề tài tiến hành 50 thí nghiệm thăm dò để xác định qui luật phân bố của các hàm năng suất và chi phí năng lƣợng riêng
Từ những số liệu thăm dò (phụ lục) thu thập đƣợc ta có:
Số lƣợng nhóm các giá trị thu thập: c=5.lgn=5.lg50=8 nhóm
- Xét hàm chi phí năng lƣợng riêng:
Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm STT N r N rtb f i N rtb
Xác định các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm: (bảng 4.5)
Bảng 4.5 Các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm
Số trung bình toàn phương z 0.21
Phạm vi biến động R 0.17 Độ lệch S k -2.94 Độ nhọn phân bố E x 821.90
Tra bảng phụ lục 5[6] ta đƣợc: χ 2 0,5;kg,5
Trong đó bậc tự do k=n-1I
Nhƣ vậy χ 2 tt