Tóm tắt Luận án Nghiên cứu cơ sở khoa học cho tính toán kết cấu thép cổng trục chuyên dùng do Việt Nam chế tạo phục vụ lao lắp dầm bê tông trên xà mũ cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÙI THANH DANH NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CHO TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP CỔNG TRỤC CHUYÊN DÙNG DO VIỆT NAM CHẾ TẠO PHỤC VỤ LAO LẮP DẦM BÊ TÔNG TRÊN XÀ MŨ CẦU Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị xây dựng, nâng chuyển Mã số: 62.52.01.16.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 Luận án hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: PGS-TS. Nguyễn Văn Vịnh Phản biện 1: GS.TSKH. Phạm Văn Lang Phản biện 2: GS.TS.Trần Văn Tuấn Phản biện 3: PGS.TS.Trần Quang Hùng Luận án đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường tại .. Trường Đại học Giao thông Vận tải (Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội) vào hồi giờ . ngày . tháng . năm .. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc Gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cổng trục phục vụ lao lắp dầm cầu là thiết bị không thể thiếu được khi thi công cầu. Hiện nay hầu hết các cổng trục phục vụ lao dầm cầu đều được chế tạo trong nước. Việc thiết kế chủ yếu là sao chép theo các mẫu máy có sẵn do Nga, Trung Quốc sản xuất mà chưa có các nghiên cứu chuyên sâu giúp cho quá trình tính toán, thiết kế và khai thác loại thiết bị này nhằm đạt được hiệu quả tốt. Do vậy, khi chúng ta chủ động nghiên cứu, tính toán, thiết kế được những cổng trục lao dầm có các chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật cao sẽ tiết kiệm được rất nhiều kinh phí cho việc đầu tư thiết bị, giảm được chi phí khi thi công do đó giảm được giá thành thi công cầu. Điều này sẽ tiết kiệm được rất nhiều kinh phí đầu tư của nhà nước và doanh nghiệp. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học cho tính toán kết cấu thép cổng trục chuyên dùng do Việt nam chế tạo phục vụ lao lắp dầm bê tông trên xà mũ cầu” được đặt ra là một yêu cầu cấp thiết. 2. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu xây dựng được cơ sở khoa học cho tính toán ứng suất động trong kết cấu thép cổng trục chuyên dùng do Việt nam chế tạo phục vụ lao lắp dầm bê tông trên xà mũ cầu. Các kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao chất lượng thiết kế, hạ giá thành sản phẩm, chủ động về thiết kế, chế tạo ở trong nước loại cổng trục chuyên dùng trên đạt các chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật cao. 3. Đối tượng à phạm i nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu - Cổng trục dạng dàn lắp đặt trên xà mũ trụ cầu do Việt nam chế tạo phục vụ lao lắp dầm Super-T trong công nghệ thi công cầu. b) Phạm vi nghiên cứu - Luận án chỉ tập trung nghiên cứu cổng trục dạng dàn lắp đặt trên xà mũ trụ cầu do Việt nam chế tạo phục vụ lao lắp dầm Super-T trong công nghệ thi công cầu có các thông số kỹ thuật thể hiện trong bảng 1.1. Các dầm cầu bêtông cốt thép được lắp đặt là loại dầm Super - T dài 38 mét. Xà mũ trụ cầu và dầm Super-T được coi là cứng tuyệt đối. Chỉ xem xét và giải quyết các bài toán về động lực học, ứng suất động trong mặt phẳng (không xét trong mô hình không gian). 2 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề liên quan đến luận án. - Nghiên cứu động lực học của cổng trục dạng dàn lắp đặt trên xà mũ trụ cầu phục vụ lao lắp dầm Super-T trong công nghệ thi công cầu ở Việt nam. - Nghiên cứu khảo sát các thông số động lực học của cổng trục dạng dàn lắp đặt trên xà mũ trụ cầu phục vụ lao lắp dầm Super-T trong công nghệ thi công cầu ở Việt nam. - Nghiên cứu phương pháp xác định ứng suất động trong các thanh của kết cấu dàn chính cổng trục dạng dàn lắp đặt trên xà mũ trụ cầu phục vụ lao lắp dầm Super-T trong công nghệ thi công cầu ở Việt nam. - Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số động lực học của cổng trục và ứng suất động xuất hiện trong các thanh của kết cấu dàn chính cổng trục. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a/ Ý nghĩa khoa học - Tác giả đã nghiên cứu xây dựng bài toán động lực học cho đối tượng nghiên cứu là cổng trục lao dầm dạng dàn đặt trên xà mũ trụ cầu trong công nghệ thi công cầu. Nghiên cứu này sẽ là cơ sở khoa học cho việc tiến hành xác định các thông số động lực học của mô hình (chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực căng cáp động) tương ứng với các trường hợp làm việc khác nhau của cổng trục. Từ đó, đã đưa ra các giá trị của hệ số động tương ứng với từng trường hợp của loại cổng trục này. Các giá trị hệ số động này sẽ là cơ sở cho các nhà khoa học, kỹ sư, người sử dụng tham khảo trong quá trình thiết kế, sử dụng thiết bị cổng trục lao dầm. - Từ các kết quả nghiên cứu bài toán động lực học của cổng trục lao dầm dạng dàn, tác giả đã tiến hành xây dựng bài toán xác định ứng suất động trong các thanh của kết cấu dàn chính cổng trục. Kết quả của bài toán sẽ tạo cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu, khảo sát qui luật thay đổi của ứng suất trong các thanh trong dàn chính, tạo tiền đề khoa học cho các nghiên cứu về độ bền mỏi của kết cấu dàn. - Tác giả đã xây dựng bài toán và tiến hành khảo sát một số thông số ảnh hưởng đến các đặc trưng động lực học của cổng trục. Kết quả nghiên cứu này sẽ là cơ sở khoa học giúp cho các nhà thiết kế, nhà quản lý khai thác sử dụng 3 thiết bị lựa chọn được các thông số kỹ thuật hợp lý nhằm khai thác có hiệu quả hơn thiết bị cổng trục lao dầm đặt trên xà mũ trụ cầu. - Quá trình thực nghiệm với các thiết bị đo hiện đại và qui trình thực nghiệm hợp lý là cơ sở để xây dựng phương pháp thực nghiệm trên các loại cổng trục dạng dàn. b/ Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu về động lực học của luận án sẽ là tài liệu tham khảo có ích cho Bộ LĐTBXH khi hiệu chỉnh bổ sung hệ số động theo TCVN 4244- 2005 cho thiết bị nâng là cổng trục lao dầm dạng dàn đặt trên xà mũ trụ cầu khi lao lắp dầm cầu Super-T. - Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là tài liệu tham khảo có ích cho các đơn vị thiết kế, chế tạo và khai thác sử dụng có hiệu quả thiết bị cổng trục lao dầm dạng dàn đặt trên xà mũ trụ cầu. - Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở tham khảo để bộ GTVT đề ra tiêu chuẩn ngành cho việc kiểm định, sử dụng các thiết bị cổng trục (thiết bị có yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn) phục vụ lao lắp dầm cầu bêtông theo qui định trong nghị định 44/2016/NĐ-CP ngày 15/05/2016 của Chính phủ Việt Nam. 6. Điểm mới của Luận án - Luận án đã xây dựng được mô hình động lực học cho loại cổng trục dạng dàn lắp đặt trên xà mũ trụ cầu phục vụ lao lắp dầm Super-T và đã ứng dụng thành công phần mềm Matlab- Simulink để giải các phương trình chuyển động phi tuyến nhiều bậc tự do. - Luận án đã xác định được các đặc trưng dao động, lực căng cáp động, hệ số động ứng với các trường hợp làm việc bất lợi của loại cổng trục nghiên cứu. - Trên cơ sở những kết quả thu được từ việc giải bài toán ĐLH, luận án đã xây dựng được phương pháp xác định ứng suất động ( Ứng suất biến thiên theo thời gian) trong các thanh của kết cấu dàn chính đối với loại cổng trục nghiên cứu. - Từ những kết quả thu được từ việc giải bài toán ĐLH, luận án đã tiến hành khảo sát các thông số động lực học của loại cổng trục nghiên cứu từ đó đã xác định được yếu tố gây bất lợi, đồng thời đã đưa ra được bộ dữ liệu các thông số có ảnh hưởng đến quá trình làm việc bất lợi của cổng trục. 4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Hiện nay, trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đã và đang sử dụng một số nhiều công nghệ thi công cầu khác nhau, các công nghệ này đã được giới thiệu trong các tài liệu của các tác giả [24],[27], [28], [29], ... (được trình bày trong phần thuyết minh của luận án). Một trong các thiết bị được sử dụng nhiều trong công nghệ thi công cầu được đề cập trong các tài liệu trên đó là thiết bị cổng trục (giá long môn). Qua sự phân tích, đánh giá kết quả nghiên cứu của các tác giả, NCS nhận thấy các cổng trục lao dầm bêtông cốt thép lắp đặt trên xà mũ trụ cầu sử dụng trong công nghệ thi công cầu vượt, cầu cạn được sử dụng rất rộng rãi do những ưu điểm vượt trội của nó và kết cấu thép của loại cổng trục này thường có dạng dàn. 1. 1. Giới thiệu cổng trục lao lắp dầm cầu bêtông thi công các cầu dẫn, cầu ượt ở Việt nam Trên cơ sở phân tích các yếu tố về mặt kỹ thuật, công nghệ và chi phí đầu tư thiết bị, giá thành sản phẩm tác giả nhận thấy, cổng trục lao dầm lắp trên xà mũ được khai thác sử dụng rất hiệu quả ở Việt nam và đây cũng là đối tượng nghiên cứu của tác giả. Cấu tạo của thiết bị được trình bày trên hình 1.7; hình 1,8 Hình 1. 7. Cấu tạo tổng thể cổng trục đặt trên xà mũ trụ cầu. 1. Dàn chính; 2. Cụm puly móc câu; 3. Cụm tời nâng-hạ hàng; 4.Dầm Super-T; 5. Lan Can; 6. Cụm chân; 7. Cụm di chuyển; 8.Dầm đỡ ray trên xà mũ; 9.Cầu thang; 10. Trụ cầu Nguyên lý làm việc: Cổng trục di chuyển ra ngoài công xon của dầm đỡ ray (08) lắp trên xà mũ trụ cầu sau đó hạ hai cụm móc câu của tời nâng hàng (03) 01 02 04 10 ( D1) ( D2) ( D3) ( D4) 03 06 08 9 07 05 5 để nâng phiến dầm cầu (04) từ xe ôtô chở dầm dưới mặt đất đưa lên cao sau đó di chuyển vào phía trong và lần lượt đặt các phiến dầm vào các vị trí gối cầu trên mỗi trụ cầu. Sau khi lao hết toàn bộ các phiến dầm của một nhịp, dùng cần cẩu để nhấc toàn bộ hệ cổng trục xuống dưới đất và sau đó di chuyển toàn bộ thiết bị sang một nhịp khác để tiếp tục lao lắp các phiến dầm của nhịp đó. Hình 1.8. Cổng trục đặt trên xà mũ trụ cầu. Những thông số chính của cổng trục lao dầm được thể hiện như sau: Khẩu độ Lk= 40( mét); Tải trọng nâng Q = 80 ( Tấn); Vận tốc nâng Vn= 1,08 (m/ph); Vận tốc di chuyển Vdc= 7,5 (m/ph); Chiều cao nâng H= 20 (mét), số nhánh cáp của một cụm tời i2= 12; Đường kính cáp dc= 20 (mm); Trọng lượng dàn chính G1= 2522420 (N); Tỷ số truyền hộp giảm tốc cơ cấu nâng igt= 48,57; Chiều dài dầm bêtông Ld= 38(mét). 1.2. Phân tích tình hình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cổng trục lao dầm bêtông lắp đặt trên xà mũ trụ cầu. 1.2.1.Tình hình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cổng trục trên thế giới Trên thế giới hiện nay đối với các nước phát triển có rất nhiều các công ty chuyên về chế tạo thiết bị nâng có thể kể đến một số hãng lớn như: ABUS (Đức); Stall (Đức), KONE (Đức), PODEM (Bungari); NIPPON (Nhật Bản); KAMIUCHI (Nhật Bản); Sungdo (Hàn Quốc), Huyndai (Hàn Quốc),...Tuy nhiên các thiết bị do các hãng này cung cấp, chế tạo thì mang tính chất phục vụ công dụng chung chứ chưa có các thiết bị nâng chuyên dùng phục vụ cho thi công cầu. Đặc biệt tác giả chưa thấy các hãng này công bố về các lý thuyết tính toán, bản vẽ thiết kế cũng như các mẫu sản phẩm là loại cổng trục lắp đặt trên xà mũ trụ cầu phục vụ lao lắp dầm Super-T. Thanh giằng đứng Thanh biên trên Thanh biên dưới Thanh giằng xiên Thanh giằng ngang Z X Y O 6 1.2.2. Tình hình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị cổng trục ở Việt Nam Hiện nay đã có một số đề tài của các tác giả [14], [23],.. nghiên cứu liên quan đến tính toán, thiết kế cổng trục được công bố. Tuy nhiên, các tính toán kết cấu của tác giả chủ yếu tính toán theo điều kiện bền tới hạn mà chưa đề cập đến vấn đề nghiên cứu các yếu tố động (dao động, lực động, ứng suất động,...) ảnh hưởng tới quá trình làm việc, cũng như độ bền của kết cấu. Ở Việt nam hiện nay có nhiều công ty chuyên chế tạo thiết bị nâng như: Xí nghiệp cơ khí Quang Trung; Công ty cổ phần cơ khí Hồng Nam; công ty AVC; Công ty VINALIFT; Công ty NMC; Công ty Thành Thái; Công ty CP SX- TM Đại Dương;... Tuy nhiên việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị cổng trục chuyên dùng phục vụ thi công cầu- đường lại ít được quan tâm, đặc biệt là loại cổng trục lắp đặt trên xà mũ phục vụ lao lắp dầm cầu thì ít thấy công bố. Qua những phân tích trên, tác giả nhận thấy ở Việt nam các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các cổng trục có công dụng chung mà chưa có nghiên cứu nào liên quan đến cổng trục dạng dàn lắp đặt trên xà mũ trụ cầu phụ vụ lao lắp dầm cầu Super-T. 1.2.3. Các nghiên cứu về động lực học, ứng suất động của cổng trục Có rất nhiều công trình của các nhà khoa học Nga, Hungari, Czech, Bungari,Trung Quốc, Việt nam và các nước khác nghiên cứu về động lực học và ứng suất động của cổng trục đã được trình bày trong các tài liệu [34], [50], [51], [52],[53],[58],[62],[63],[64]... Từ các công trình nghiên cứu này NCS đã nhận thấy: Hiện vẫn chưa thấy có công trình nào nghiên cứu về động lực học, cũng như mối liên hệ giữa tải trọng động tới việc xác định ứng suất động trong các thanh của kết cấu thép của loại cổng trục dạng dàn phục vụ cho lao lắp dầm cầu bêtông lắp đặt trên xà mũ trụ cầu được công bố. 1.2.4. Các nghiên cứu ề thực nghiệm liên quan đến động lực học à ứng suất động Đã có nhiều nhà khoa học của Nga, Hungari, Czech, Bungari,Trung Quốc, Việt nam và các nước khác nghiên cứu về thực nghiệm để xác định các thông số về động lực học cũng như ứng suất động đối các thiết bị nâng thể hiện trong các tài liệu [3],[16],[31],[32],[56],... Qua các nghiên cứu này, tác giả nhận thấy rằng việc đo đạc thực nghiệm trên các máy thực để xác định lực căng cáp động trong cáp nâng hàng, ứng suất động xuất hiện trong các thanh của kết cấu thép cổng trục dạng dàn vẫn chưa được đề cập nhiều. 7 KẾT LUẬN CHƯƠNG I VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU Qua phân tích tình hình nghiên cứu của các tác giả trong nước và trên thế giới về những vấn đề liên quan đến nội dung của đề tài đã được đề cập, tác giả nhận thấy còn một số điểm tồn tại mà đề tài cần quan tâm giải quyết như sau: 1. Có nhiều nghiên cứu về động lực học của thiết bị nâng (cầu trục, cần trục tháp, cần trục, cổng trục,...).Tuy nhiên, các nghiên cứu về động lực học và mối liên hệ giữa các thông số động lực học tới việc xác định tải trọng động, hệ số động lực và ứng suất động xuất hiện trong kết cấu thép của cổng trục chuyên dùng đặt trên xà mũ trụ cầu khi thi công các công trình ở Việt nam còn chưa được đề cập đến. Theo thông tin mà tác giả được biết thì đây là công trình lần đầu tiên được đặt ra để nghiên cứu. 2. Cổng trục chuyên dùng cho lao lắp dầm cầu bêtông đặt trên xà mũ trụ cầu do Việt Nam chế tạo là loại có khẩu độ lớn, dùng nâng dầm bêtông có trọng lượng lớn, được khai thác sử dụng trong những điều kiện mang tính đặc thù riêng (sử dụng cho quá trình lao lắp dầm Cầu bê tông ở Việt Nam). Hiện nay, vẫn chưa có tài liệu nào công bố các thông số kỹ thuật hợp lý nhằm khai thác hiệu quả và an toàn thiết bị cổng trục này. Do vậy, luận án đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu khảo sát một số các thông số động lực học ảnh hưởng tới quá trình làm việc của cổng trục, từ đó có thể đưa ra được bộ số liệu các thông số hợp lý cho quá trình khai thác, sử dụng của loại cổng trục nghiên cứu. CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CỔNG TRỤC DẠNG DÀN LẮP ĐẶT TRÊN XÀ MŨ TRỤ CẦU PHỤC VỤ LAO LẮP DẦM CẦU SUPER-T TRONG CÔNG NGHỆ THI CÔNG CẦU TẠI VIỆT NAM Tại mục 1.1của chương I, tác giả đã giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý làm việc của loại cổng trục chuyên dùng lao lắp dầm cầu Super-T trong công nghệ thi công Cầu. Các trường hợp làm việc điển hình của cổng trục là: Nâng, hạ hàng (Dầm cầu Super-T) và di chuyển cùng với hàng. Trong từng trường hợp, khi đóng mở các cơ cấu nâng, cơ cấu di chuyển hoặc kết hợp phanh hãm sẽ xuất hiện tải trọng động trong các cơ cấu, trong cáp hàng và kết cấu thép của cổng trục. Chính vì vậy, tác giả đã tiến hành nghiên cứu ĐLH cho các trường hợp sau đây: Khi nâng, hạ dầm; Nâng dầm từ vị trí cáp chùng; Nâng dầm từ vị trí cáp căng; Nâng, hạ dầm kết hợp phanh hãm; Di chuyển cùng với dầm. Sau khi 8 xây dựng mô hình ĐLH, thiết lập các phương trình chuyển động, sử dụng phần mềm Mathlap- Simulink tác giả đã xây dựng được chương trình mô phỏng để giải hệ các phương trình chuyển động dạng phi tuyến. Từ đó đã xác định được các giá trị và biểu đồ của các thông số động lực học cũng như lực căng cáp động ứng với 06 trường hợp làm việc điển hình trên. Sau đây tác giả xin trình bày tóm tắt, một số kết quả nghiên cứu ĐLH ứng với 02 trường hợp cụ thể: Hạ hàng kết hợp phanh hãm và Di chuyển mang hàng. 2. 1. Nghiên cứu động lực học cổng trục khi hạ hàng (Dầm Super-T)- kết hợp phanh hãm khi cáp căng (độ chùng cáp =0). Mô hình động lực học được thể hiện như hình 2.18 Hình 2. 18. Mô hình động lực học cổng trục lắp đặt trên xà mũ trụ cầu khi hạ dầm Trong đó: 1 4 - Mômen quán tính qui dẫn của rôto động cơ nâng và khớp nối, kg.m 2 ; q1, q4-chuyển vị góc của rôto động cơ nâng, rad; S1- Độ cứng qui dẫn của một nhánh cáp, N/m; S2- Độ cứng qui dẫn của hệ chân đỡ cổng trục, N/m; K1- Hệ số dập tắt dao động của cáp hàng của cụm tời nâng Ns/m; i2- Bội suất cáp của cụm tời nâng; R- Bán kính qui dẫn của cụm tời nâng, m; q2,q3- Chuyển vị thẳng của khối lượng m2 và m3, m; m2 - Khối lượng của hàng nâng (dầm BTCT) và cụm puluy móc câu, kg; m3- Khối lượng quy dẫn của kết cấu thép cổng trục và bộ máy nâng hạ hàng về điểm giữa của KCT tầng trên, kg; 1M(q ) , 4M(q ) - Đường đặc tính ngoài của các động cơ thuộc bộ máy nâng hạ hàng; qd - chuyển vị góc của tang cuốn cáp, rad. i s 2/2 q m2 s 1 A K1 i2 q1 qd M (q1) B 4 q4 qd M(q4) s 2/2 q 3  m3 i1 1   1 2 m3 s 1K1  i2 0 2 1 §-êng ®Æc tÝnh ngoµi cña ®éng c¬ n©ng q 1 M(q1) 9 Sau khi tác giả tiến hành viết công thức cho các hàm thế năng, động năng, hao tán và sử dụng phương trình Lagrăng II để viết hệ PTCĐ. Phương trình Lagrăng II có dạng: i 1 i i i d T T U ( ) Q (i 1 n) dt q q q q               Tiến hành các bước tính toán và biến đổi cần thiết chúng ta có được hệ phương trình chuyển động viết dưới dạng thu gọn như sau:           2 2 2 2 2 1 11 2 1 11 2 3 2 1 11 2 3 f 2 2 2 2 2 1 11 2 3 41 2 1 11 2 3 41 2 2 2 3 3 3 2 1 11 2 3 41 3 2 1 11 41 2 32 2 1 m gR q i K R q Rq Rq i S R q Rq Rq M 2 m q i K Rq 2q 2q Rq i S Rq 2q 2q Rq 0 S S m q i K Rq 2q 2q Rq m g i S Rq Rq 2q 2 q i S                                            2 2 2 2 24 41 2 1 41 2 3 2 1 41 2 3 f 0 m gR q i K R q Rq Rq i S R q Rq Rq M 2                             Một số đồ thị là kết quả của việc giải hệ phương trình (2.51) được thể hiện như sau: Hình 2.28. Gia tốc 3q Hình 2.29. Lực căng cáp Fc 2. 2. Nghiên cứu động lực học cổng trục khi di chuyển mang hàng (Dầm bêtông Super-T) có kể đến độ cứng của cáp. Mô hình động lực học được thể hiện trên hình 2.30 Hình 2. 30. Mô hình ĐLH của cổng trục khi di chuyển có kể đến độ cứng của cáp hàng q 7 q 8 m 3 m 3 m 2 m 2 idc S555(q )5 M . (q )5 q5 5 S5 Y XW P g2 y3 P g1 yo = X2 O l Ddc X3 qM . Mf Ddc Ddc y2 q S 6 6 6 M . ( q ) 6 S 4 MfMf q 9 X 0 (2.51) 10 Trong đó:q7- Di chuyển của cổng trục theo phương ngang, m; q8- Góc lắc của hàng nâng xung quanh điểm treo hàng, rad; q9- Dịch chuyển của hàng theo phương của cáp treo, m; Pg1 , Pg2- Tải trọng gió tác dụng lên KCT và lên hàng , N; S5,S6- Độ cứng quy dẫn của các bộ máy di chuyển về trục động cơ Nm/rad; S4 - Độ cứng quy dẫn của các nhánh cáp, N/m; l - Chiều dài của cáp treo hàng, m; W - Lực cản di chuyển cổng trục, N; idc - Tỷ số truyền chung của cơ cấu di chuyển. Rdc- Bán kính qui dẫn của cơ cấu di chuyển. 5M(q ) , 6M(q ) - Đường đặc tính ngoài của các động cơ thuộc bộ máy di chuyển. Sau khi tác giả tiến hành viết công thức cho các hàm thế năng, động năng, hao tán và sử dụng phương trình Lagrăng II để viết hệ PTCĐ. Tiến hành tính toán và biến đổi các biểu thức chúng ta có được hệ phương trình chuyển động như sau:           5 5 5 5 5 7 5 dc 2 6 6 2 3 7 3 9 8 8 3 9 8 8 6 62 dc dc 5 5 5 7 7 g12 dc dc 3 9 8 7 3 9 8 3 8 7 9 3 8 9 3 8 9 g2 8 3 9 3 S q S q q M(q ) R S S m m q m f q cosq q m f q sin q q q q R R S S q q Wsign(q ) P R R m f q cosq q m f q q m cosq q q m q q m gsin q q P cosq f m q m cos                           28 7 8 3 9 8 4 9 3 8 6 6 6 6 6 7 6 dc q q q m f q q S q m g cosq 0 S q S q q M(q ) R                          Một số đồ thị là kết quả của việc giải hệ phương trình (2.69) được thể hiện như sau: -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0 5 10 15 20 25 C hu yể n vị q 8 (r ad ) Thời gian (s) 31000 33000 35000 37000 39000 41000 43000 45000 0 5 10 15 20 Lự c că ng c áp ( N ) Thời gian ( s) Hình 2. 34. Chuyển vị góc q8 Hình 2.37. Lực căng cáp Fc (2. 1) (2.69) 11 KẾT LUẬN CHƯƠNG II Sau khi giải thành công các phương trình chuyển động đã thu được các kết quả tính toán theo lý thuyết. Từ các kết quả nghiên cứu ở chương II, có thể rút ra một số kết luận sau: 1. Dạng của các đồ thị ứng với 6 trường hợp làm việc của cổng trục là hoàn toàn phù hợp với quá trình làm việc thực tế của cổng trục, các trị số thể hiện trên các đồ thị thu được sau khi tính toán bằng lý thuyết, cũng khẳng định được tính chính xác của các số liệu đầu vào. Điều này cũng đã khẳng định được tính đúng đắn của mô hình động lực học tác giả đã xây dựng. 2. Khi nghiên cứu và giải các bài toán ĐLH ứng với 6 trường hợp làm việc khác nhau của cổng trục, tác giả đã xác định được các hệ số động lực và biên độ dao động lớn nhất của gia tốc 3q (khối lượng KCT dàn chính) ứng với mỗi trường hợp, được thể hiện trong bảng 2.1 Bảng 2.2. Bảng hệ số động lực và biên độ dao động gia tốc 3q của khối lượng m3 TT Trường hợp làm việc Hệ số động lực kđ Biên độ dao động lớn nhất của 3q (m/s 2 ) 1 Nâng dầm có độ chùng cáp 1,14 5,7 2 Nâng dầm từ vị trí cáp căng 1,18 5,3 3 Nâng dầm kết hợp phanh hãm 1,67 6,49 4 Hạ dầm 1,22 5,29 5 Hạ dầm kết hợp phanh hãm 1,69 6,6 6 Di chuyển mang dầm 1,36 2,1 3. Tác giả đã thành công trong việc sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để giải các phương trình chuyển động của các mô hình ĐLH nghiên cứu, từ các kết quả thu được cho phép chúng ta có thể khảo sát được các thông số động lực học ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình làm việc của cổng trục, tạo cơ sở khoa học cho việc đề ra các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm ảnh hưởng của các yếu tố động gây bất lợi cho cổng trục trong quá trình làm việc. Nội dung này sẽ được tác giả trình bày trong chương III. 4. Việc xác định được lực căng cáp động trong cáp hàng tác dụng lên kết cấu thép cổng trục ứng với 6 trường hợp làm việc điển hình của cổng trục sẽ 12 tạo cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu, xác định ứng suất động trong các thanh của kết cấu dàn chính cổng trục mà tác giả sẽ trình bày trong chương IV. CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CỔNG TRỤC DẠNG DÀN LẮP TRÊN XÀ MŨ TRỤ CẦU 3. 1. Thông số cần khảo sát Từ các mô hình ĐLH và kết quả tính toán của các bài toán động lực học đã trình bày trong chương II chúng ta nhận thấy, có một số thông số ảnh hưởng nhiều đến quá trình làm việc của cổng trục như: Độ cứng của cáp nâng hàng; Độ cứng của kết cấu thép dàn chính; Vận tốc nâng; Vận tốc di chuyển; Tải trọng gió; Khối lượng của kết cấu dàn chính. Các giá trị này đã được tính toán ứng với nhiều giá trị khác nhau theo các điều kiện làm việc khác nhau, được tác giả trình bày chi tiết trong mục 2.1 của phần phụ lục II . Để xem xét ảnh hưởng của các giá trị này tới quá trình làm việc của cổng trục tác giả đã sử dụng phần mềm Mathlap- Simulink để xây dựng được chương trình mô phỏng khảo sát các thông số ảnh hưởng ứng với 02 trường hợp làm việc của cổng trục: Nâng dầm khia cáp căng và di chuyển khi mang dầm. 3. 2. Khảo sát các thông số ứng ới trường hợp nâng dầm cáp căng Có 4 trường hợp cần khảo sát: Thay đổi vận tốc nâng (thay đổi R); thay đổi độ cứng của KCT dàn chính (S3); Thay đổi độ cứng qui đổi của cáp nâng hàng (S1); Thay đổi khối lượng dao động của dàn chính (m3). Một số đồ thị khi tiến hành khảo sát thay đổi vận tốc nâng (thay đổi bán kính qui dẫn R) được thể hiện như sau: 25000 27000 29000 31000 33000 35000 37000 39000 41000 43000 45000 0 2 4 6 8 10 L ự c c ă n g c á p ( N ) Thời gian (s) R= 0,000183 (m) R= 0,000343(m) R= 0,000833 (m) -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 0 1 2 3 4 5 G ia t ố c ( m /s 2 ) Thời gian (s) R= 0,00018 (m) R= 0,000343 (m) R =0,000833 (m) Hình 3. 2 Lực căng cáp Fc Hình 3. 1. Gia tốc 3q 13 3. 3. Khảo sát các thông số khi di chuyển mang dầm Có 04 trường hợp cần khảo sát khi cổng trục di chuyển mang hàng: Khi tải trọng gió tác dụng lên hàng (Pg2) và tải trọng gió tác dụng lên kết cấu thép dàn chính (Pg1) thay đổi; Thay đổi độ cứng của cáp treo hàng (S1); Thay đổi vận tốc di chuyển cổng trục (thay đổi bán kính qui đổi Rdc); Thay đổi khối lượng m3 và vận tốc di chuyển. Một số đồ thị khi tiến hành khảo sát thay đổi vận tốc nâng (thay đổi bán kính qui dẫn Rdc) được thể hiện như sau: 28000 30000 32000 34000 36000 38000 40000 42000 44000 46000 48000 0 5 10 15 20 25 L ự c c ă n g c á p ( N ) Thời gian (s) R=0,000842 (m) R=0,000431 (m) R=0,0002115 (m) -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 G ia t ố c q 7 (m / s 2 ) Thời gian (s) Rdc=0,00083 (m) Rdc=0,000431 (m) Rdc=0,0002115 (m) Hình 3.28.Lực căng cáp Fc Hình 3.29. Gia tốc 7q -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 5 10 15 20 25 C h u y ể n v ị q 8 (r a d ) Thời gian (s) Rdc=0,000862 (m) Rdc=0,000431 (m) Rdc=0,0002115 (m) -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 5 10 15 20 25 C h u y ể n v ị q 9 ( m ) Thời gian(s) Rdc=0,000843 (m) Rdc=0,000431 (m) Rdc=0,0002115(m) Hình 3.30. Chuyển vị q8 Hình 3.31. Chuyển vị q9 KẾT LUẬN CHƯƠNG III Trên cơ sở nghiên cứu khảo sát các thông số ảnh hưởng tới quá trình làm việc của cổng trục ở chương III, tác giả đã rút ra những kết luận sau: 1. Đối ới trường hợp nâng hàng cáp căng: - Từ kết quả được thể hiện trong bảng 3.2 và 3.3 khi vận tốc nâng tăng thì giá trị của hệ số động lực cũng tăng (hệ số kđ = 1,18 khi vận tốc nâng Vn= 1,08 m/ph; hệ số kđ = 1,34 khi vận tốc nâng Vn= 5 m/ph). Theo TCVN- 4424-2005 thì hệ số động lực đối với cầu trục, cổng trục có thể lấy tới giá trị bằng kđ= 1,6. Do vậy, về nguyên tắc có thể tăng vận tốc nâng lên nhưng khi vận tốc nâng càng tăng thì biên độ dao động của gia tốc kết cấu thép càng lớn (biên độ đạt 7,5 m/s 2 khi vận tốc nâng Vn= 5 m/ph) điều này không phù hợp với công nghệ 14 lao lắp dầm cầu khi lao lắp dầm cầu Super - T. Do vậy, đối với cơ cấu nâng của loại cổng trục này nên sử dụng vận tốc nâng Vn  2 m/ph. - Trong các trường hợp đã khảo sát, chúng ta thấy có một số trường hợp hệ số động lực và biên độ dao động của gia tốc 3q đều đạt giá trị lớn. Vì vậy, khi thiết kế và sử dụng cổng trục trong quá trình nâng hàng cần lưu ý đối với các trường hợp làm việc này của cổng trục. Bảng 3.18. Giá trị hệ số động lực và biên độ dao động 3q trong trường hợp bất lợi Trường hợp Hệ số động lực kđ Biên độ dao động lớn nhất của 3q (m/s 2 ) - Độ cứng của kết cấu thép dàn chính S3= 210484000 (N/m) 1,33 6,18 - Vận tốc nâng Vn = 5 (m/ph), tương ứng với bán kính qui đổi Rn= 0,000833 (m) 1,34 7,54 - Khối lượng dao động của kết cấu thép dàn chính m3= 40000 (kg) 1,39 7,0 - Khi độ cứng của kết cấu thép dàn chính (S3) càng tăng thì lực căng cáp động càng giảm và thời gian dập tắt dao động càng nhanh, các giá trị được thể hiện trong bảng 3.4 do vậy khi thiết kế cần tăng độ cứng của của kết cấu dàn chính theo phương thẳng đứng để giảm tác dụng của lực căng cáp động lên kết cấu thép. - Từ các giá trị thể hiện trong bảng 3.6 chúng ta nhận thấy, nếu muốn tăng vận tốc nâng và giảm lực căng cáp động thì chúng ta có thể chọn giải pháp là giảm bội suất cáp trên cơ sở vẫn đảm bảo độ bền của cáp. Đối với cổng trục chuyên dùng mà luận án nghiên cứu thì vận tốc nâng có thể đạt được Vn = 2,16 m/ph (ứng với bội suất cáp i2 = 8). 2. Đối ới trường hợp di chuyển mang hàng khi cáp căng: - Qua các trường hợp khảo sát thì chúng ta nhận thấy khi chuyển vị q8 (góc lắc của hàng) càng lớn lực căng cáp càng lớn điều đó chứng tỏ khi cổng trục di chuyển góc lắc ảnh hưởng nhiều đến lực động tác dụng lên kết cấu thép . Do cổng trục làm việc ngoài trời và di chuyển trên xà mũ trụ cầu ở trên cao, hàng nâng là dầm cầu bêtông có kích thước, tải trọng lớn (dầm dài 38 mét, trọng lượng 80 Tấn) vì vậy góc lắc của hàng rất lớn q8 = (20 0  30 0 ). Trong tất cả 15 các trường hợp khảo sát thì hệ số lực động đều có giá trị kđ= (1,36  1,474). Khi tăng vận tốc di chuyển của cổng trục đến Vdc= 30 (m/ph) thì góc lắc của hàng (chuyển vị q8) và gia tốc 7q của khối lượng m3 (khối lượng qui dẫn của KCT dàn chính) tăng lên đạt giá trị lớn thể hiện ở bảng 3.16. Trong cả hai trường hợp: Cổng trục có khối lượng nhỏ nhưng di chuyển với vận tốc lớn và cổng trục có khối lượng lớn di chuyển với vận tốc lớn thì đều là những trường hợp bất lợi (hệ số lực động, góc lắc hàng, dao động của gia tốc đều lớn thể hiện tại bảng 3.16, bảng 3.17) khi cổng trục di chuyển mang hàng do vậy khi tính toán thiết kế cổng trục cần xác định vận tốc di chuyển của cổng trục cho phù hợp với khối lượng của cổng trục. Đối với cổng trục tác giả nghiên cứu thì khi khối lượng m3= 16000 (kg) và m3= 40000 (kg), cổng trục nên di chuyển với vận tốc Vdc  7,85 m/ph. CHƯƠNG IV NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT ĐỘNG CỦA CÁC THANH TRONG KẾT CẤU DÀN CHÍNH CỔNG TRỤC DẠNG DÀN LẮP ĐẶT TRÊN XÀ MŨ TRỤ CẦU Để xác định ứng suất động trong các thanh của kết cấu dàn chính chúng ta cần xác định được nội lực của các thanh trong mặt phẳng thẳng đứng và trong mặt phẳng nằm ngang ứng với quá trình làm việc khi nâng - hạ dầm và di chuyển mang dầm của cổng trục. Với các kết quả nghiên cứu đạt được ở chương II và chương III, chúng ta đã xác định được các giá trị lực căng cáp động (Fc) tác dụng lên kết cấu dàn chính và gia tốc  a của khối lượng KCT dàn chính (m3) ứng với các trường hợp làm việc khác nhau của cổng trục. Từ các giá trị này giá trị này, chúng ta sẽ xác định được giá trị ngoại lực (Lực căng cáp động Fc và lực quán tính trong mặt phẳng ngang   qtF m a ) tác dụng lên KCT dàn chính. Để tính nội lực và ứng suất động chúng ta xét trong hai mặt phẳng: Mặt phẳng thẳng đứng ZOX và mặt phẳng nằm ngang YOX. Tương ứng với hai mặt phẳng này, với kết quả nghiên cứu tại chương II và chương III chúng ta đã xác định được 2 trường hợp làm việc bất lợi: Hạ dầm kết hợp phanh hãm và Di chuyển mang dầm. Việc xác định nội lực và ứng suất động trong các thanh của hai mặt phẳng này sẽ đã được tác giả trình bày chi tiết trong phần thuyết minh của luận án. Sau đây tác giả chỉ xin được trình bày tóm tắt một số kết quả nghiên cứu như sau: 16 4.1. Nghiên cứu xác định ứng suất các thanh của dàn chính trong mặt phẳng thẳng đứng (ZOX) khi hạ dầm cáp căng kết hợp phanh hãm Hình 4.1. Sơ đồ tính dàn trong 1/2 mặt phẳng ZOX - Vận dụng lý thuyết về phương pháp mặt cắt, tách nút trong tài liệu về cơ học kết cấu [26] tác giả đã xác định được công thức tính giá trị nội lực trong mỗi thanh của dàn chính được thể hiên trong bảng 4.1. Sau khi thay thế giá trị của lực căng cáp động Fc (t) được xác định thông qua bài toán về động lực học ứng với trường hợp làm việc: Hạ dầm kết hợp phanh hãm của loại cổng trục đặt trên xà mũ trục cầu. Tiến hành lập trình trên phần mềm Matlab- Similink để tính toán, tác giả đã xác định được các giá trị ứng suất thay đổi theo thời gian, các giá trị ứng suất lớn nhất của các thanh thể hiện tại bảng PL3.10 trong phần phụ lục và biểu đồ ứng suất của tất cả các thanh trong dàn. Biểu đồ ứng suất một số thanh có giá trị lớn được thể hiện như sau: + Thanh biên dưới: 12 14 16 18 20 0 3 6 9 12 15 Ứ n g s u ấ t th a n h N 3 -4 ( N /m m ^ 2 ) Thời gian (s) USmax N3-4= 17,3 (N/mm^2) 55 57 59 61 63 65 0 3 6 9 12 15 Ứ n g s u ấ t th a n h N 1 4 -1 5 (N /m m ^ 2 ) Thời gian (s) USmax N14-15= 61,8 (N/mm^2) Hình 4.3. Ứng suất thanh N3-4 Hình 4.4. Ứng suất thanh N14-15 + Thanh biên trên: XO Z Hạ dầm Phanh hãm 17 -90 -88 -86 -84 -82 -80 -78 -76 0 3 6 9 12 15 Ứ ng su ất th an h N 55 -5 4 (N /m m ^2 ) Thời gian (s) USmax N55-54= -83,57 (N/mm^2) -50 -48 -46 -44 -42 -40 0 3 6 9 12 15 Ứ ng s uấ t th an h N 56 -5 5 (N /m m ^2 ) Thời gian (s) USmax N56-55= -47,97 (N/mm^2) Hình 4.5. Ứng suất thanh N55-54 Hình 4.6. Ứng suất thanh N56-55 4. 2. Nghiên cứu xác định ứng suất các thanh của dàn chính trong mặt phẳng ngang (YOX) dưới tác dụng của lực quán tính do trọng lượng của bản thân dàn chính và của dầm khi cổng trục di chuyển Hình 4.14. Sơ đồ tính dàn trong 1/2 mặt phẳng YOX Vận dụng lý thuyết về phương pháp mặt cắt, tách nút trong tài liệu về cơ học kết cấu [26] tác giả đã xác định được giá trị nội lực trong mỗi thanh của dàn chính. Nội dung tính toán được trình bày trong mục 3.2.2 của phần phụ lục III. Sau khi thay thế giá trị của gia tốc a(t) được xác định thông qua bài toán về động lực học ứng với trường hợp làm việc: Di chuyển mang hàng của loại cổng trục đặt trên xà mũ trục cầu. Tiến hành lập trình trên phần mềm Matlab- Similink để tính toán, tác giả đã xác định được các giá trị nội lực và ứng suất thay đổi theo thời gian của tất cả các thanh trong dàn ứng với 1/2 dàn chính của mặt phẳng YOX. Các giá trị nội lực, ứng suất lớn nhất của các thanh thể hiện tại bảng PL3.18; bảng PL 3.19 và biểu đồ ứng suất của tất cả các thanh trong dàn. Biểu đồ ứng suất một số thanh có giá trị lớn được thể hiện như sau: + Thanh biên trái: XO Y qqqqqqq q q q q q q q 18 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 0 3 6 9 12 15 Ứ ng s uấ t N 10 -1 1 (N /m m ^2 ) Thời gian (s) US max= 75,09 (N/mm^2) -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 0 3 6 9 12 15 Ứ ng s uấ t N 13 -1 4 (N /m m ^2 ) Thời gian (s) US max= 49,87 (N/mm^2) Hình 4.15. Ứng suất trong thanh N10-11 Hình 4.16. Ứng suất trong thanh N13-14 + Thanh biên phải: -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 0 3 6 9 12 15 Ứ n g s u ấ t N 1 0 '- 1 1 ' ( N /m m ^ 2 ) Thời gian (s) US max= -71,97 (N/mm^2) -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 0 3 6 9 12 15 Ứ n g s u ấ t N 1 3 '- 1 4 ' ( N /m m ^ 2 ) Thời gian (s) US max= -50,58 (N/mm^2) Hình 4.19. Ứng suất trong thanh N10’- 11’ Hình 4.20. Ứng suất trong thanh N13’- 14’ 4.3. Nghiên cứu xác định ứng suất các thanh của dàn chính trong mặt phẳng thẳng đứng (ZOX) dưới tác dụng của lực căng cáp khi cổng trục di chuyển cùng với hàng. - Xác định nội lực và ứng suất của các thanh trong dàn do lực căng cáp (Fc) khi cổng trục di chuyển cùng với hàng được tiến hành tương tự như mục 4.1 (Hạ hàng kết hợp phanh hãm). Giá trị nội lực và ứng suất lớn nhất trong các thanh mặt phẳng ZOX trong trường hợp cổng trục di chuyển mang hàng được thể hiện trong bảng PL3.20, bảng PL3.21. Biểu đồ ứng suất một số thanh có giá trị lớn được thể hiện như sau: - Thanh biên trên: 19 -83 -82.5 -82 -81.5 -81 -80.5 -80 0 5 10 15 20 Ứ n g s u ấ t th a n h N 5 5 -5 4 ( N /m m ^ 2 ) Thời gian (s) USmax = -82,2(N/mm^2) -48.5 -48.3 -48.1 -47.9 -47.7 -47.5 -47.3 -47.1 -46.9 -46.7 -46.5 0 5 10 15 20 25 Ứ n g s u ấ t N 5 6 -5 5 ( N /m m ^ 2 ) Thời gian (s) USmax= -48,01 (N/mm^2) Hình 4.31. Ứng suất trong thanh N55- 54 Hình 4.32. Ứng suất trong thanh N56- 55 KẾT LUẬN CHƯƠNG IV - Đã xây dựng được phương pháp xác định ứng suất động trong các thanh của dàn chính cổng trục ứng với các 2 trường hợp bất lợi: Hạ dầm kết hợp với phanh hãm; Di chuyển mang dầm. - Đã xác định được qui luật thay đổi theo thời gian của nội lực và ứng suất trong tất cả các thanh của dàn chính, đã xác định được các giá trị ứng ứng suất lớn nhất trong các thanh của dàn chính (trong cả 2 mặt phẳng ZOX và YOX) ứng với hai trường hợp làm việc điển hình của cổng trục đã xét ở trên. Dựa trên các biểu đồ nội lực, ứng suất của tất cả các thanh, tác giả đã xác định được vị trí bất lợi trên kết cấu của dàn chính đó là các vị trí đặt cụm puly của hệ tời nâng trên kết cấu dàn chính. - Dựa trên các giá trị ứng suất lớn nhất trong các thanh, chuyển vị tại điểm chính giữa của dàn đều nhỏ hơn giá trị cho phép rất nhiều vì vậy kết cấu cổng trục do Việt nam chế tạo theo mẫu thiết kế của Nga hiện nay đang sử dụng là thừa bền, kết hợp với kết quả nghiên cứu khảo sát trong chương III chúng ta có thể đề xuất giảm nhẹ khối lượng của kết cấu dàn chính xuống còn Gd= 16000 (kg). Kết quả nghiên cứu thu được có thể sử dụng làm cơ sở cho tính toán mỏi, tính toán tuổi thọ của kết cấu thép dàn chính cũng như các cụm chi tiết khác của cổng trục. 20 CHƯƠNG V NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CỔNG TRỤC VÀ ỨNG SUẤT ĐỘNG XUẤT HIỆN TRONG CÁC THANH CỦA KẾT CẤU DÀN CHÍNH 5. 1. Mục tiêu thực nghiệm - Đo đạc xác định lực căng cáp động, dao động, chuyển vị của kết cấu dàn chính và ứng suất động trong các thanh của kết cấu dàn chính làm cơ sở để so sánh với các kết quả tính toán theo lý thuyết ở chương II và chương IV. - Khẳng định độ tin cậy và tính đúng đắn của kết quả nghiên cứu lý thuyết. 5. 2. Đối tượng nghiên cứu. - Toàn bộ cổng trục và trọng tâm là kết cấu thép dàn chính của cổng trục đặt trên xà mũ trụ cầu phục vụ lao lắp dầm cầu Super-T. Các thông số kỹ thuật của cổng trục được thể hiện trong bảng PL1.1. 5. 3. Thiết bị phục ụ đo đạc thực nghiệm. Hình 5.1. Đầu đo lực BONGSHIN và bộ xử lý số liệu SDA-810C Hình 5.2. Tensor biến dạng dùng để đo ứng suất 21 5. 4. Các trường hợp đo Quá trình đo đạc, thực nghiệm được tiến hành theo sơ đồ khối sau: Hình 5.10. Sơ đồ thể hiện các trường hợp đã tiến hành thực nghiệm 5. 5. Phân tích à so sánh các kết quả lý thuyết ới thực nghiệm Sau khi đo đạc và xử lý số liệu đo, tác giả đã nhận được các kết quả đo về biểu đồ biên thiên và giá trị của lực căng cáp động, gia tốc, ứng suất. Các giá trị này đã được thể hiện trong mục 5.7 phần thuyết minh của luận án. Sau đây tác giả chỉ xin trình bày một số kết quả đo đạc như sau: Bảng 5.1. So sánh hệ số động lực và biên độ dao động của gia tốc 3q giữa lý thuyết và thực nghiệm. TT Trường hợp làm việc Hệ số động lực kđ Biên độ dao động gia tốc 3q (m/s 2 ) Lý thuyết Thực nghiệm Lý thuyết Thực nghiệm 1 Nâng dầm có độ chùng cáp 1,14 1,02 5,7 3,67 2 Nâng dầm từ vị trí cáp căng 1,18 1,023 5,3 4,2 3 Nâng dầm kết hợp phanh hãm 1,67 1,021 6,49 4,47 4 Hạ dầm 1,22 1,02 5,29 3,34 5 Hạ dầm kết hợp phanh hãm 1,69 1,039 6,6 4,57 6 Di chuyển mang dầm 1,36 1,07 2,1 1,6 - Sai số ứng suất động lớn nhất của một số thanh giữa lý thuyết và thực nghiệm ứng với trường hợp (Hạ dầm kết hợp phanh hãm) được thể hiện trong bảng 5.2. Đo đạc thực nghiệm xác định lực căng trong một nhánh cáp hàng ở hai cụm tời nâng và gia tốc, chuyển vị, ứng suất động tại một số vị trí trên kết cấu thép dàn chính của cổng trục. Khi cổng trục mang tải Q= 80 Tấn Di chuyển cổng trục cùng hàng Nâng hàng có độ chùng cáp Nâng hàng không có độ chùng cáp Nâng hàng kết hợp phanh Hạ hàng Hạ hàng kết hợp phanh 22 Bảng 5. 2. So sánh giá trị ứng suất giữa lý thuyết và thực nghiệm khi hạ dầm kết hợp phanh hãm. TT Kí hiệu thanh Ứng suất lớn nhất theo lý thuyết (N/mm 2 ) Ứng suất lớn nhất theo thực nghiệm (N/mm 2 ) Sai số (%) 1 N3-4 17,3 15,04 13,06 2 N56-55 -47,97 -46,36 3,35 3 N4-5 30 27,7 7,67 4 N55-3 -59,36 -51,48 13,27 5 N44-43 -59,66 -57,36 3,86 6 N57-2 -49,8 -42,93 13,79 7 N14-15 61,08 59,56 2,48 8 N57-3 -79,6 -69,57 12,6 + Sai số ứng suất động lớn nhất của một số thanh giữa lý thuyết và thực nghiệm ứng với trường hợp (Di chuyển mang dầm) được thể hiện trong bảng 5.3. Bảng 5.3. So sánh giá trị ứng suất giữa lý thuyết và thực nghiệm khi di chuyển mang dầm. TT Kí hiệu thanh Ứng suất lớn nhất theo lý thuyết (N/mm 2 ) Ứng suất lớn nhất theo thực nghiệm (N/mm 2 ) Sai số (%) 1 N56-55 -48,01 -47, 4 1,27 2 N3-4 17,4 16,28 6,43 3 N55-3 -62 -58,53 5,59 4 N57-2 -50,646 -47,8 5,61 5 N44-43 -59,7 -58,74 1,6 6 N14-15 60,73 59,79 1,55 7 N4-4’ -34,75 -27,7 20,28 8 N14-14’ -3,48 -2,77 20,4 KẾT LUẬN CHƯƠNG V - Từ các kết quả tính toán bằng lý thuyết và đo đạc bằng thực nghiệm đã cho thấy sự biến thiên của gia tốc, lực căng trong một nhánh cáp theo tính toán lý thuyết lớn hơn so với kết quả đo đạc được bằng thực nghiệm. - Biên độ dao động và giá trị ứng suất trong các thanh của kết cấu dàn chính khi đo đạc bằng thực nghiệm thường nhỏ hơn so với tính toán lý thuyết. - So sánh ứng suất tại các điểm đo theo tính toán lý thuyết và thực nghiệm cho thấy, qui luật biến thiên của ứng suất động trong các thanh của kết cấu thép dàn chính cổng trục là tương đối giống nhau. Sai lệch tương đối trung bình đại số giữa kết quả tính toán theo lý thuyết và thực nghiệm từ 3,35% đến 20,4 %. 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I. KẾT LUẬN Luận án đã giải quyết được cơ bản các nhiệm vụ nghiên cứu đề ra. Các kết quả đạt được của luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn với các đóng góp mới và đề xuất cụ thể như sau: 1. Luận án đã nghiên cứu đặc điểm làm việc và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khai thác sử dụng của loại cổng trục chuyên dùng dạng dàn lắp đặt trên xà mũ trụ cầu để xây dựng được mô hình động lực học của loại cổng trục này. Tác giả đã thiết lập được các phương trình chuyển động ứng với 6 trường hợp làm việc điển hình của cổng trục (Nâng dầm có độ chùng cáp; Nâng dầm không có độ chùng cáp; Hạ dầm; Nâng dầm kết hợp phanh hãm; Hạ dầm kết hợp phanh hãm và di chuyển mang dầm). 2. Tác giả đã ứng dựng phần mềm Matlab - Simulink để mô phỏng và giải hệ các phương trình chuyển động dạng phi tuyến nhiều bậc tự do của mô hình động lực học ứng với 6 trường hợp làm việc điển hình nêu trên. Đã xác định được lực căng cáp động trong một nhánh cáp của cụm tời nâng, từ đó tính toán được trị số các hệ số động ứng với 6 trường hợp làm việc của cổng trục (các giá trị được thể hiện trong bảng 2.2). Đã xác định được 2 trường hợp làm việc bất lợi cho cổng trục là hạ dầm kết hợp phanh hãm và di chuyển mang dầm. Hệ số động lực ứng với 02 trường hợp này lần lượt là kđ = 1,69 và kđ= 1,67. 3. Tác giả đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến các đặc trưng ĐLH của cổng trục. Từ đó, đề xuất được các thông số kỹ thuật hợp lý cho cổng trục chuyên dùng loại này là vận tốc nâng Vn= 2 m/ph; Vận tốc di chuyển Vn= 15,7 m/ph; khối lượng dàn chính m3 = 16000 (kg), đồng thời đề xuất được một số giải pháp làm giảm tải trọng động phát sinh trong kết cấu như: Lắp thêm cơ cấu giảm chấn vào kết cấu chân cổng trục, cơ cấu giảm chấn vào vị trí neo của cáp vào kết cấu thép dàn chính (tăng hệ số K1), Dùng biến tần điều khiển (thay đổi đường đặc tính cơ của đông cơ nâng). 4. Luận án đã sử dụng kết quả xác định trị số lực căng cáp động (Fc) , gia tốc (a) chuyển động của khối lượng qui dẫn m3 (Khối lượng KCT dàn chính) ứng với trường hợp di chuyển theo phương ngang trong quá trình giải bài toán động lực học để xây dựng phương pháp xác định ứng suất động trong các thanh của kết cấu thép dàn chính ứng với 2 trường hợp làm việc bất lợi nhất của cổng trục (Hạ dầm kết hợp phanh hãm và di chuyển mang dầm). Đã xác định được dạng đồ thị và giá trị ứng suất động của tất cả các thanh trong kết cấu thép dàn chính. 24 5. Luận án đã xây dựng được qui trình thực nghiệm và đã tiến hành đo đạc thực nghiệm trên cổng trục cùng loại do Việt Nam chế tạo đang thi công thực tế tại công trường Cầu Thanh Hà trên quốc lộ 5 mới, với các thiết bị đo hiện đại, đội ngũ chuyên gia nhiều kinh nghiệm. Các kết quả thu được tương đối chính xác (các giá trị này được thể hiện trong bảng 5.1; bảng 5.2; bảng 5.3): Qui luật thay đổi của các đại lượng khảo sát tương đối sát so với tính toán lý thuyết; Sai số ứng suất lớn nhất giữa lý thuyết với thực nghiệm từ 3,35% đến 20,4%. II. KIẾN NGHỊ 1. Cổng trục lắp đặt trên xà mũ trụ cầu phục vụ lao lắp dầm cầu bêtông Super - T là loại cổng trục chuyên dùng trong xây dựng các công trình cầu của ngành giao thông vận tải. Do cổng trục loại này có nhiều đặc điểm riêng nên cần tham khảo đề xuất về quan điểm tính toán cũng như một số kết quả nghiên cứu trong luận án để bổ sung thêm tiêu chuẩn tính toán riêng cho loại cổng trục này nhằm phù hợp với qui định trong tiêu chuẩn TCVN 4244-2005. 2. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của luận án có thể kiến nghị với Bộ giao thông ban hành qui định về qui trình thiết kế, chế tạo, sử dụng loại cổng trục nói trên nhằm đáp ứng yêu cầu về an toàn, hiệu quả khai thác của thiết bị này trong ngành giao thông vận tải. 3. Kết cấu của cổng trục lắp đặt trên xà mũ trụ cầu phục vụ lao lắp dầm cầu bêtông Super - T hiện nay do các đơn vị Việt nam chế tạo theo mẫu thiết kết công hòa liên bang Nga còn rất cồng kềnh, vận tốc nâng, vận tốc di chuyển còn chậm. Theo kết quả nghiên cứu của luận án thì có thể giảm bớt khối lượng của kết cấu xuống còn m3= 16000 (kg) giá trị giảm tương đương 36,6 % so với giá trị ban đầu ; vận tốc nâng tăng lên đạt Vn= 2 (m/ph); Vận tốc di chuyển Vdc= 15,7 (m/ph) để tăng năng suất mà vẫn đáp ứng được yêu cầu khai thác sử dụng hiệu quả của thiết bị này. III. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 1. Nghiên cứu mô hình động lực học của cổng trục chuyên dùng theo mô hình không gian. 2. Nghiên cứu phương pháp xác định ứng suất động trong các thanh của kết cấu thép dàn chính của cổng trục chuyên dùng theo mô hình không gian. 3. Ngoài việc tính toán kết cấu thép theo trạng thái bền còn có thể đề xuất các nghiên cứu tiếp theo liên quan đến độ bền mỏi của kết cấu thép. 4. Đề xuất bài toán tối ưu hóa kết cấu thép của cổng trục chuyên dùng dạng dàn trên cơ sở hàm tối ưu là hàm đa mục tiêu (tối ưu về hình dạng kết cấu, chủng loại vật liệu, trọng lượng,). DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH Đà CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN [1]. Nguyễn Văn Vịnh, Bùi Thanh Danh (2014), ‟Nghiên cứu thực nghiệm xác định lực căng cáp động trong cáp hàng của cổng trục phục vụ lao lắp dầm cầu Super- T ”, Tạp chí GTVT, số tháng 5. [2]. Nguyễn Văn Vịnh, Bùi Thanh Danh, Nguyễn Thùy Chi (2015), ‟Nghiên cứu động lực học cổng trục phục vụ lao lắp dầm cầu Super- T lắp đặt trên xà mũ trụ cầu trong trường hợp nâng hàng không có độ chùng cáp”, Tạp chí Cơ khí Việt nam, số tháng 3. [3]. Nguyễn Văn Vịnh, Bùi Thanh Danh, Nguyễn Thùy Chi (2015), ‟Nghiên cứu động lực học cổng trục phục vụ lao lắp dầm cầu Super- T lắp đặt trên xà mũ trụ cầu trong trường hợp mang hàng di chuyển”, Tạp chí Cơ khí Việt nam, số tháng 4. [4]. Nguyễn Văn Vịnh, Bùi Thanh Danh, Nguyễn Thùy Chi (2015), ‟Nghiên cứu dao động và tải trọng động phát sinh trong cổng trục phục vụ lao lắp dầm cầu Super - T khi mang hàng di chuyển có kể đến độ cứng của cáp nâng hàng.”, tạp chí KH GTVT, số tháng 11. [5]. Bùi Thanh Danh, Nguyễn Văn Vịnh, Ngô Ngọc Quý (2015), ‟Nghiên cứu động lực học cổng trục chuyên dùng đặt trên xà mũ phục vụ lao lắp dầm cầu Super - T trong công nghệ xây dựng cầu ở Việt Nam”, Đề tài NCKH cấp Trường T2015-CK-38, Trường Đại học giao thông vận tải. [6]. Bùi Thanh Danh, Nguyễn Văn Vịnh, Nguyễn Anh Ngọc (2016), ‟Nghiên cứu ứng dụng hàm Solver giải bài toán tối ưu trọng lượng kết cấu thép dàn chính của cổng trục lắp đặt trên xà mũ trụ cầu phục vụ lao lắp dầm cầu Super - T ”, Tạp chí Cơ khí Việt nam, số tháng 5.