LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được
công bố trong bất cứ công trình nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận
án là hoàn toàn trung thực.

Tác giả luận án

Bùi Văn Hải

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc, Phòng sau đại học, khoa
Động lực, bộ môn xe máy Công Binh - Học viện KTQS đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tập thể hướng dẫn PGS - TS Trần Quang
Hùng, PGS - TS Lê Hồng Quân - Bộ môn xe máy Công binh - Học viện
KTQS đã tận tình hướng dẫn tôi về phương pháp và nội dung nghiên cứu, tạo
mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Công Ty Cảng Đình Vũ- Hải Phòng, Trung
Tâm Vũ Khí HVKTQS, Viện Cơ Giới, đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để
nghiên cứu sinh tiến hành làm thực nghiệm.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy thuộc bộ môn xe máy công
binh - Khoa động lực - Học viện KTQS và các chuyên gia trong lĩnh vực cơ
khí - Động lực trong và ngoài Học Viện đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu
cho việc thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Công
Nghiệp Hà Nội. Khoa công nghệ ôtô đã động viên, dành cho tôi những điều
kiện thuận lợi trong quá trình làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp, những người

thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực
hiện luận án.
Nghiên cứu sinh

Bùi Văn Hải

ii


MỤC LỤC
Lời cam đoan ..................................................................................................... ..i
Lời cảm ơn ......................................................................................................... .ii
Mục lục ............................................................................................................... iii
Danh mục chữ viết tắt....................................................................................... vi
Danh mục bảng biểu ......................................................................................... vii
Mở đầu.............................................................................................................. 1
Chương 1 .......................................................................................................... 4
TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ MÁY XÚC LỘI NƯỚC
VÀ MÔI TRƯỜNG TƯƠNG TÁC ............................................................... 4
1.1. Tổng quan về máy xúc lội nước ............................................................... 4
1.1.1. Đặc điểm làm việc của máy xúc lội nước ........................................... 4
1.1.2. Nhu cầu cơ giới hóa quá trình nạo vét các công trình ở vùng
hàng năm ngập nước ở nước ta .................................................................. 6
1.1.3. Đặc điểm một số loại máy xúc lội nước hiện nay trên thế giới .......... 7
1.2. Một số tính chất cơ lý của đất................................................................. 10
1.2.1. Tính biến dạng của đất...................................................................... 10
1.2.2. Cường độ chống cắt của đất ............................................................. 13
1.2.3. Lực dính kết của đất.......................................................................... 13
1.2.4. Độ chặt của đất ................................................................................. 16
1.2.5. Lực cản cắt của đất ........................................................................... 17

1.2.6. Một số kết quả nghiên cứu về đất ở ao hồ ........................................ 18
1.3. Các mô hình nghiên cứu về môi trường làm việc ................................. 22
1.3.1. Mô hình đàn hồi tuyến tính ............................................................... 23
1.3.2. Mô hình đàn hồi bất đẳng hướng...................................................... 24
1.3.3. Mô hình vật liệu đàn hồi phi tuyến ................................................... 25
1.3.4. Mô hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng .................................................... 27
1.3.5. Mô hình đàn nhớt ( mô hình Kelvin - Voight)................................... 28
1.4. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới máy xúc lội nước. 29
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..................................................... 29
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước...................................................... 35

iii


Kết luận chương 1 ......................................................................................... 38
Chương 2 ........................................................................................................ 40
MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY XÚC LỘI NƯỚC............................ 40
2.1. Giới thiệu ................................................................................................. 40
2.2. Các giả thiết............................................................................................. 40
2.3. Mô hình khảo sát động lực học trong mặt phẳng dọc .......................... 41
2.4. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ.................. 43
2.5. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động theo phương ngang . 54
2.5.1. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động ............................... 55
2.5.2. Tính toán các tham số động lực học của mô hình ............................ 57
2.6. Xác định các thông số đặc trưng của mô hình động lực học ............... 65
2.6.1. Mô hình 3D và các thông số động lực học của các khâu ................. 65
2.6.2. Xác định mô men dẫn động của các xy lanh thủy lực....................... 66
Chương 3 ........................................................................................................ 69
KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH CỦA MÁY XÚC LỘI NƯỚC............................. 69
LÀM VIỆC TRONG VÙNG NƯỚC CẠN ................................................. 69

3.1. Các vấn đề chung .................................................................................... 69
3.2. Khảo sát ổn định dọc cho cả hai trường hợp máy xúc lội nước
nghiêng dọc và nghiêng ngang ................................................................... 70
3.2.1. Thông số đầu vào .............................................................................. 70
3.2.2. Các đặc trưng chuyển động của khâu 1............................................ 70
3.2.3. Các đặc trưng chuyển động của khâu 2............................................ 75
3.2.4. Các đặc trưng chuyển động của khâu 3............................................ 76
3.2.5. Các đặc trưng chuyển động của khâu 4............................................ 78
3.3. Kết quả khảo sát ổn định theo phương ngang....................................... 80
3.3.1. Thông số đầu vào .............................................................................. 80
3.3.2. Kết quả khảo sát................................................................................ 80
3.3.3. Ảnh hưởng của hệ số nền và tốc độ làm việc.................................... 84
3.4. Khả năng ổn định của máy xúc lội nước............................................... 86
3.4.1. Xác định góc nghiêng giới hạn ......................................................... 86
iv


3.4.1.1. Xác định góc nghiêng theo điều kiện ổn định lật........................... 86
3.4.1.2. Xác định góc nghiêng theo điều kiện trượt .................................... 88
3.4.1.3. Khả năng nghiêng dọc của máy..................................................... 88
3.4.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc ổn định
của máy xúc lội nước .................................................................................. 91
3.4.2.1. Ảnh hưởng của các yếu tố hình học và kết cấu của phao xích ...... 91
3.5. Phương pháp xác định chế độ làm việc ổn định của máy xúc lội
nước ................................................................................................................ 95
3.5.1.Mô hình bài toán xác định chế độ ổn định làm việc của máy ........... 95
3.5.2. Kết quả tính toán đảm bảo điều kiện ổn định và điều kiện làm việc
của máy ở khu vực nước cạn....................................................................... 97
Kết luận chương 3 ......................................................................................... 99
Chương 4 ...................................................................................................... 100

THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH LẬT CỦA MÁY XÚC LỘI
NƯỚC LÀM VIỆC TRONG VÙNG NƯỚC CẠN .................................. 100
4.1. Mục đích nghiên cứu ............................................................................ 100
4.2. Đối tượng thực nghiệm......................................................................... 101
4.3. Các thông số đo thực nghiệm ............................................................... 102
4.4. Trang thiết bị thực nghiệm ................................................................... 102
4.4.1. Cảm biến đo dịch chuyển ................................................................ 102
4.4.2. Cảm biến đo gia tốc ........................................................................ 103
4.4.3. Cảm biến đo áp suất........................................................................ 105
4.4.4. Thiết bị khuếch đại tín hiệu............................................................. 106
4.4.5. Thiết bị ghi và xử lý tín hiệu ........................................................... 106
4.4.6. Phần mềm xử lý số liệu và máy tính................................................ 107
4.4.7. Thiết bị đo xác định vị trí của thân máy ......................................... 108
4.5. Các bước tổ chức thực nghiệm............................................................. 111
4.5.1. Vị trí, môi trường làm thực nghiệm ................................................ 111
4.5.2. Bố trí các đầu đo và thiết bị đo....................................................... 111
4.5.2.1. Lắp đặt đầu đo H7........................................................................ 112
4.5.2.2. Lắp đặt các đầu đo áp suất OCM-511......................................... 112
v


4.5.2.3. Lắp đặt đầu đo gia tốc ba trục..................................................... 113
4.5.2.4. Vị trí bố trí camera ghi hình tốc độ cao....................................... 114
4.5.3. Kết nối đầu đo với thiết bị ghi, xử lý tín hiệu và máy tính.............. 114
4.5.4. Thiết lập sơ đồ các kênh đo............................................................. 115
4.6. Tiến hành thực nghiệm......................................................................... 116
4.7. Phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm ............................................ 116
4.8. Phân tích kết quả thực nghiệm ............................................................ 117
4.8.1. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm theo đồ thị ........... 117
4.8.1.1. Dịch chuyển của phao xích .......................................................... 117

4.8.1.2. Góc quay cần máy, tay gầu, gầu.................................................. 118
4.8.1.3. Vận tốc dịch chuyển của phao xích.............................................. 120
4.8.1.4. Vận tốc dịch chuyển các khâu...................................................... 121
4.8.1.5. Gia tốc dịch chuyển phao xích..................................................... 122
4.8.1.6. Gia tốc dịch chuyển các khâu ...................................................... 123
4.8.1.7. Lực tác động của các xy lanh....................................................... 124
4.8.1.7. Gia tốc dịch chuyển máy cơ sở .................................................... 124
4.8.2. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm theo sai số ..... 125
Nhận xét..................................................................................................... 127
Kết luận chương 4 ....................................................................................... 128
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................. 130
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 132
PHỤ LỤC 1 .................................................................................................. 136
PHỤC LỤC 2 ............................................................................................... 142
CHƯƠNG TRÌNH KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH NGANG.............................. 142

vi


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký

Diễn giải

Đơn vị đo

Hiệu
Kg/cm2

a


Hệ số tính chất cơ lý của đất

b1

Kích thước kết cấu dọc của phao xích

m

b2

Kích thước kết cấu dọc của phao xích

m

bn

Kích thước két cấu ngang của phao xích

m

C0

Hệ số bám dính của đất

E

Mô đun biến dạng đàn hồi

N/cm2


E0

Mô đun đàn hồi của đất

Kg/cm2

F

Diện tích tiếp xúc giữa đầu đo tiếp xúc với đất

h

Kích thước kết cấu phao xích

m

lab

Khoảng cách A và B

m

lah

Khoảng cách A và H

m

lci


Khoảng cách C và I

m

ljl

Khoảng cách J và L

m

lkl

Khoảng cách K và L

m

lkm

Khoảng cách K và M

m

lhe

Khoảng cách H và E

m

lgl


Khoảng cách G và L

m

lgm

Khoảng cách G và M

m

lkm

Khoảng cách K và M

m

M2

Mô men dẫn động cần máy xúc

Nm

M3

Mô men dẫn động tay gầu

Nm

M4


Mô men dẫn động gầu xúc

Nm

q1

Góc lắc phần phao xích khâu 1

rad

q2

Góc lắc phần phao xích khâu 2

rad

daN/cm2

vii

Cm2


q3

Góc lắc phần phao xích khâu 3

q4


Góc lắc phần phao xích khâu 4
Góc kết cấu khâu 1
Góc kết cấu khâu 2
Góc kết cấu khâu 3
Góc kết cấu khâu 4
Hệ số giảm chấn theo OX của nền đất
Hệ số giảm chấn theo OY của nền đất
Độ cứng ngang theo OX của nền đất
Độ cứng ngang theo OY của nền đất
Lực đẩy của nước tác dụng lên phao xích
Lực đẩy nổi của nước tác dụng lên gầu xúc
Hệ số nền đất

1
2
3
4

Cx1
Cy1
Kx1
Ky1
P1
P4
Kb

viii

rad
rad

Độ
Độ
Độ
Độ
Ns/m
Ns/m
N/m
N/m
N/m
N/m
Ns/m


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các kích thước kết cấu của máy xúc. ................................................. 55
Bảng 2.2. Bảng các thông số đầu vào . ............................................................... 56
Bảng 2.3. Các thông số cơ bản của các khâu mô hình 3D ................................. 67
Bảng 3.1. Kết quả chế độ làm việc của máy khi nước ngập ¼ phao xích. ......... 99
Bảng 3.2. Kết quả chế độ làm việc của máy khi nước ngập ½ phao xích. ........ 100
Bảng 3.3. Kết quả chế độ làm việc của máy khi nước ngập ¾ phao xích. ........ 100
Bảng 4.1. Các thông số kỹ thuật của đầu đo dịch chuyển ................................. 106
Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật cảm biến gia tốc ................................................... 107
Bảng 4.3. Các thông số kỹ thuật cảm biến OCM-511 ........................................ 108
Bảng 4.4. Các thông số kỹ thuật của thiết bị ghi NI6210 ................................... 110
Bảng 4.5. Thông số kỹ thuật camera ghi hình tốc độ cao................................... 112
Bảng 4.6. So sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm....................... 127

ix



DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu tạo chung máy xúc lội nước.

4

Hình 1.2. Các trạng thái làm việc của máy xúc lội nước.

5

Hình 1.3. Máy xúc lội nước BIGFLOAT Hyundai Robex R210LC-7.

7

Hình 1.4. Máy xúc lội nước của hãng CAT 320D.

8

Hình 1.5. Máy xúc lội nước Hitachi AE200.

8

Hình 1.6. Máy xúc lội nước Sinoway SWEA220.

9

Hình 1.7. MXLN PC200 tác nghiệp tại cảng Đình Vũ - Hải Phòng.

9

Hình 1.8. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tương đối của nền.


11

Hình 1.9. Sơ đồ nén lún của đất.

11

Hình 1.10. Đường nén lún của mẫu đất nguyên dạng.

12

Hình 1.11. Điều kiện cân bằng giới hạn.

13

Hình 1.12. Sự phụ thuộc ứng suất tiếp tuyến k vào biến dạng của đất h.

14

Hình 1.13. Ứng suất dính phụ thuộc độ sâu các lớp đất.

15

Hình 1.14. Lực dính bám phụ thuộc vào độ ẩm của đất  7  .

15

Hình 1.15. Sự phụ thuộc lực cản cắt vào độ ẩm  7  .

18


Hình 1.16. Sự phụ thuộc lực cản cắt vào độ ẩm của đất  20 .

18

Hình 1.17. Độ cứng đất phụ thuộc độ sâu ở Hồ Kiến An - Hải Phòng[20]. 19
Hình 1.18. Độ cứng của đất phụ thuộc độ sâu (kênh mương nội thành)[20].

19

Hình 1.19. Độ cứng của đất phụ thuộc độ sâu (kênh mương thủy lợi)[20].

20

Hình 1.20. Sơ đồ biểu diễn sự phân bố các lớp bùn đất[20].

20

Hình 1.21. Kết quả do cắt lớp địa điền xác định trầm tích đáy hồ[20].

21

Hình 1.22. Biều đồ mật độ trầm tích đáy hồ điều hòa[20].

21

Hình 1.23. Sơ đồ mặt cắt địa chất ở các vùng đất yếu thuộc đồng bằng Bắc bộ.

22


Hình 1.24. Sơ đồ mặt cắt địa chất ở các vùng đất yếu ở đồng bằng Bắc bộ.

22

Hình 1.25. Trạng thái ứng suất của phân tố trong bài toán không gian (a)

23

và bài toán phẳng (b).
x


Hình 1. 26. Tính chất của vật liệu bất đẳng hướng.

25

Hình 1.27. Quan hệ ứng suất - biến dạng của mô hình đàn hồi phi tuyến.

26

Hình 1. 28. Quan hệ ứng suất - biến dạng của mô hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng. 27
Hình 1.29. Hàm của ứng suất đất khi chịu các lực tác dụng.

29

Hình 1.30. Mô hình tính toán động học.

31

Hình 1.31. Mô hình tay máy xúc.


32

Hình 1.32. Sơ đồ tính toán máy xúc nạo vét.

33

Hình 1.33. Mô hình tay máy.

34

Hình 1.34. Mô hình động học quá trình đào đất của máy xúc.

35

Hình 1.35. Máy xúc thủy lực một gầu đang nạo vét sông nhuệ - Hà Nội.

37

Hình 1.36. Thiết bị nạo véi gầu ngoạm do Công ty 276 chế tạo.

37

Hình 1.37. Mô hình LHM nạo vét kênh mương kiểu một gầu nghịch  20 .

37

Hình 2.1. Mô hình động lực học của máy xúc lội nước theo chiều dọc.

42


Hình 2.2. Sơ đồ xác định biến dạng của các lò xo nền đất.

47

Hình 2.3. Mô hình động lực học máy xúc lội nước theo phương ngang.

58

Hình 2.4. Sơ đồ hệ lực tác dụng khi máy xúc xả đất.

61

Hình 2.5. Sơ đồ hình dạng mặt cắt dọc đi qua trọng tâm phao xích.

64

Hình 2.6. Sơ đồ mặt cắt ngang đi qua trọng tâm các phao xích.

64

Hình 2.7. Mô hình 3D máy xúc lội nước PC200-8 thiết kế trên Inventor.

67

Hình 2.8. Sơ đồ các kích thước kết cấu của máy xúc lội nước.

68

Hình 3.1. Kết quả góc quay φ1 của thần phao xích.


73

Hình 3.2. Kết quả dịch chuyển x1 theo phương ngang của phao xích.

73

Hình 3.3. Kết quả dịch chuyển theo phương đứng y1 của phao xích.

74

Hình 3.4. Kết quả vận tốc góc quay  1 phao xích.

74

Hình 3.5. Kết quả vận tốc dịch chuyển ngang x 1 của phao xích.

75

Hình 3.6. Kết quả vận tốc dịch chuyển đứng y 1 của phao xích.

75

xi


1 của phao xích.
Hình 3.7. Kết quả gia tốc góc quay 

76


Hình 3.8. Kết quả gia tốc dịch chuyển ngang x1 của phaoxích.

76

Hình 3.9. Kết quả gia tốc dịch chuyển đứng y1 của phao xích.

77

Hình 3.10. Kết quả góc quay φ2 của thần phao xích.

77

Hình 3.11. Kết quả vận tốc góc quay  2 phao xích.

78

 2 phao xích.
Hình 3.12. Kết quả gia tốc góc quay 

78

Hình 3.13. Kết quả góc quay φ3 của thần phao xích.

79

Hình 3.14. Kết quả vận tốc góc quay  3 của phao xích.

79


 3 của phao xích.
Hình 3.15. Kết quả gia tốc góc quay 

80

Hình 3.16. Các kết quả góc quay φ4 của thần phao xích.

80

Hình 3.17. Các kết quả vận tốc góc quay  4 phao xích.

81

 4 phao xích.
Hình 3.18. Các kết quả gia tốc góc quay 

81

Hình 3.19. Quỹ đạo chuyển động của trọng tâm gầu xúc.

83

Hình 3.20. Đồ thị góc quay  của phao xích theo thời gian.

83

Hình 3.21. Đồ thị chuyển vị thẳng đứng h1 phao xích theo thời gian.

84


Hình 3.22. Đồ thị vận tốc góc  1 phao xích theo thời gian.

84

Hình 3.23. Đồ thị vận tốc chuyển vị thẳng đứng h 1 phao xích theo thời gian.

85

 theo thời gian.
Hình 3.24. Đồ thị gia tốc góc nghiêng phao xích 

85

Hình 3.25. Đồ thị gia tốc chuyển vị thẳng đứng phao xích 
h1 theo thời gian.

86

Hình 3.26. Đồ thị phản lực nền Pb tác dụng lên phao xích theo thời gian.

86

Hình 3.27. So sánh tương quan giữa hệ số nền và góc nghiêng phao xích.

87

Hình 3.28. So sánh tương quan giữa vận tốc nâng cần và góc nghiêng phao xích.

87


Hình 3.29. Sơ đồ xác định góc nghiêng dọc cho phép.

88

Hình 3.30. Sơ đồ xác định góc nghiêng ngang cho phép.

89

Hình 3.31. Sơ đồ xác định khả năng nghiêng dọc cho phép của máy.

90

xii


Hình 3.32. Sơ đồ xác định các cao độ của các điểm chuẩn Ocb và Odc.

91

Hình 3.33. Sơ đồ xác định khả năng nghiêng ngang cho phép của máy.

92

Hình 3.34. Kích thước kết cấu của phao xích.

93

Hình 3.35. Phân chia vùng làm việc của máy xúc lội nước.

95


Hình 3.36. Sơ đồ thuật toán xác định chế độ làm việc ổn định của máy xúc.

97

Hình 4.1. NCS cùng nhóm chuyên gia tại vị trí làm thực nghiệm.

104

Hình 4.2. Máy xúc lội nước KOMAT’SU PC200-8.

104

Hình 4.3. Đầu đo dịch chuyển H7.

105

Hình 4.4. Cảm biến gia tốc ba trục PCB 356B08.

106

Hình 4.5. Cảm biến áp suất OCM-511.

108

Hình 4.6. Thiết bị khuếch đại tín hiệu PCB 482A20.

109

Hình 4.7. Thiết bị ghi NI6210.


109

Hình 4.8. Các khối mô đun của phần mềm DasyLab 10.

111

Hình 4.9. Camera ghi hình tốc độ cao khi triển khai tác nghiệp.

112

Hình 4.10. Môi trường vùng sình lầy Đình Vũ - Hải Phòng.

114

Hình 4.11. Lắp các đầu đo H7 trên máy xúc.

115

Hình 4.12. Vị trí lắp đặt các đầu đo OCM-511.

115

Hình 4.13. Vị trí lắp đặt cảm biến gia tốc ba trục.

116

Hình 4.14. Vị trí đặt camera ghi hình tốc độ cao.

117


Hình 4.15. Sơ đồ kết nối các cảm biến gắn trên máy xúc lội nước với.

117

thiết bị ghi, xử lý tín hiệu và máy tính.
Hình 4.16. Sơ đồ bố trí camera ghi hình tốc độ cao và vị trí đánh dấu trên 118
phao xích của máy xúc lội nước.
Hình 4.17. Sơ đồ khối xử lý số liệu thực nghiệm.

118

Hình 4.18. Góc quay thân phao; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

120

Hình 4.19. Dịch chuyển theo phương x; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

120

Hình 4.20. Dịch chuyển theo phương y; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

120

xiii


Hình 4.21. Góc quay cần máy φ2; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

121


Hình 4.22. Góc quay tay gầu φ3; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

121

Hình 4.23. Góc quay gầu φ4; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

121

Hình 4.24. Vận tốc góc quay phao xích; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

122

Hình 4.25. Vận tốc dịch chuyển theo phương x; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

122

Hình 4.26. Vận tốc dịch chuyển theo phương y; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

122

Hình 4.27. Vận tốc góc quay cần φ2; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

123

Hình 4.28. Vận tốc góc quay tay gầu φ3; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

123

Hình 4.29. Vận tốc góc quay gầu φ4; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.


123

Hình 4.30. Gia tốc góc quay thân phao; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

124

Hình 4.3. Gia tốc dịch chuyển phương x; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

124

Hình 4.32. Gia tốc dịch chuyển phương y; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

124

Hình 4.33. Gia tốc góc cần φ2; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

125

Hình 4.34. Gia tốc góc tay gầu φ3; a)- lý thuyết; b) - thực nghiệm.

125

Hình 4.35. Gia tốc góc gầu xúc φ4; a) - lý thuyết; b) - thực nghiệm.

125

Hình 4.36. Lực tác động của các xy lanh.

126


Hình 4.37. Gia tốc dịch chuyển khi đào dọc.

126

Hình 4.38. Gia tốc dịch chuyển khi đào ngang.

127

xiv


MỞ ĐẦU
Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, hằng năm đón nhận lượng
mưa rất lớn kéo theo sự cuốn trôi đất cát, các chất thải…xuống các hệ thống
kênh, sông, ao hồ, rồi đổ ra cửa sông, cửa biển làm cho hệ thống thoát nước
không thể đáp ứng được yêu cầu, gây tắc nghẽn, ngập úng về mùa mưa mà
thiếu nước, khô hạn về mùa khô, làm giảm khả năng lưu thông luồng lạch để
đưa các loại tàu cỡ lớn vào sâu trong đất liền... Đặc biệt, vấn đề tắc nghẽn hệ
thống thoát nước ở các thành phố lớn, khu đông dân cư sẽ để lại hậu quả hết
sức nghiêm trọng cả về kinh tế, giao thông cũng như sức khỏe và môi trường.
Để khắc phục giải quyết được vấn đề trên, một mặt phải đầu tư xây
dựng hệ thống thoát nước tốt, đồng thời phải thường xuyên tu bổ, bảo dưỡng
các hệ thống đang sử dụng, trong đó công việc nạo vét, khơi thông luồng lạch
là khó khăn và tốn kém. Hiện nay, việc cơ giới hóa công tác nạo vét cũng như
thi công ở khu vực ngập nước còn rất nhiều hạn chế, chủ yếu sử dụng các loại
máy thi công trên cạn nên chưa đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật như mong
muốn. Vì vậy, sử dụng máy xúc lội nước (MXLN) là một giải pháp kỹ thuật
vô cùng hiệu quả để khắc phục hạn chế của các máy thi công thông thường
nhờ có kết cấu đặc biệt ở phần di chuyển dạng phao xích. Tuy nhiên, do phải

làm việc trong vùng đất yếu, đất ngập nước nên việc đảm bảo ổn định cho
máy trong quá trình đào đất, nâng chuyển và đổ đất vào thiết bị vận chuyển
gặp rất nhiều khó khăn, dễ xảy ra hiện tượng mất an toàn cho máy và người
điều khiển.
Do vậy, nghiên cứu và lựa chọn các thông số làm việc cho MXLN để
nâng cao hiệu quả sử dụng máy và đảm bảo an toàn cho cả người và máy móc
khi làm việc trong vùng sình lầy và vùng nước cạn (vùng ven sông, ven biển,
vùng hồ nước, ao, ruộng nước đồng bằng) là một vấn đề mang tính cấp thiết,
đồng thời mang cả ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Xuất phát từ lý do trên,

1


NCS lựa chọn đề tài “Nghiên cứu động lực học máy xúc lội nước để khảo sát
ổn định lật khi làm việc” làm đề tài cho luận văn tiến sĩ của mình.
Đối tượng nghiên cứu. Là máy xúc thủy lực một gầu lội nước dung
tích gầu 0,5 m3, công suất động cơ 114kW, trọng lượng 15 - 26t, dự trữ nổi
của phao xích, cụ thể là máy xúc PC200-8 do hãng Komatsu chế tạo đang thi
công tại khu công nghiệp Cảng Đình Vũ - Hải Phòng.
Mục đính nghiên cứu của luận án. Nghiên cứu động lực học máy xúc
lội nước và đề xuất chế độ làm việc hợp lý của máy khi làm việc trong môi
trường đất yếu, đất ngập nước.
Phạm vi nghiên cứu. Là MXLN thủy lực PC 200 - 8 làm việc trong
môi trường nền đất yếu ở Việt Nam.
Nội dung nghiên cứu của luận án. Để đạt được mục tiêu nghiên cứu
trên, luận án tiến hành giải quyết các nội dung nghiên cứu sau đây:
- Khảo sát đặc điểm, tính chất cơ lý môi trường làm việc (đất yếu, đất
ngập nước) của MXLN;
- Xây dựng mô hình khảo sát động lực học, xây dựng hệ phương trình
vi phân trong quá trình làm việc của MXLN trên nền đất yếu;

- Tính toán động lực học MXLN trong quá trình, nâng - chuyển và xả
đất;
- Tính toán, khảo sát ảnh hưởng thông số kết cấu của máy, tính chất cơ
lý môi trường làm việc đến sự ổn định của MXLN;
- Xác định các thông số, chế độ làm việc hợp lý cho MXLN làm việc
trong vùng đất yếu, đất ngập nước;
- Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, thu nhận và xử lí số liệu, đồng
thời đánh giá, so sánh với kết quả tính toán lý thuyết.
Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng để thực hiện nội
dung nghiên cứu của luận án

2


- Trên cơ sở lý thuyết cơ học hệ nhiều vật, lý thuyết bơi, xây dựng mô
hình động lực học máy xúc lội nước làm việc trong vùng nước cạn;
- Sử dụng các phầm mềm Inventor-Solidworks để xây dựng mô hình
3D, mô phỏng quá trình làm việc của MXLN;
- Khảo sát động lực học quá trình làm việc của MXLN trên cơ sở sử
dụng các phần mềm Matlab-Simulink, Matlab-Simhydraulic;
- Thực nghiệm xác định thông số đầu vào, thông số động lực học của
máy xúc làm việc trong vùng nước cạn.
- Thiết bị thí nghiệm đo các thông số động lực học máy của phòng thí
nghiệm bộ môn Xe máy Công binh, bộ môn Ô tô, bộ môn Tăng thiết giáp
HVKTQS. Phòng thí nghiệm thủy lực của trường ĐHBK Hà Nội, phòng thí
nghiệm thủy lực Viện Khoa học Công nghệ giao thông vận tải.
Cấu trúc của luận án:
Cấu trúc của luận án gồm: phần mở đầu, 4 chương nội dung và phần
kết luận chung
Chương 1.Tổng quan những nghiên cứu về máy xúc lội nước và môi

trường tương tác.
Chương 2. Nghiên cứu Động lực học máy xúc lội nước làm việc trong
vùng nước cạn.
Chương 3. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến ổn định của máy
xúc lội nước làm việc trong vùng nước cạn.
Chương 4. Thực nghiệm khảo sát ổn định lật của máy xúc lội nước làm
việc trong vùng nước cạn.

3


Chương 1
TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ MÁY XÚC LỘI NƯỚC
VÀ MÔI TRƯỜNG TƯƠNG TÁC
1.1. Tổng quan về máy xúc lội nước
1.1.1. Đặc điểm làm việc của máy xúc lội nước
Máy xúc lội nước (MXLN) là thiết bị thi công hiệu quả trong khu vực đất
yếu, đất ngập nước. Máy xúc lội nước có kết cấu khá đặc biệt và khác với
máy xúc bình thường ở hệ di chuyển của máy. Các hệ di chuyển xích bình
thường sử dụng hệ thống bánh tì, bánh đỡ còn đối với MXLN, hệ di chuyển
của máy có kết cấu dạng phao – xích, bao gồm các dải xích chạy xung quanh
tiết diện của phao nổi giúp máy có thể di chuyển và nổi ở khu vực đất yếu, đất
ngập nước.

Hình 1.1. Cấu tạo chung máy xúc lội nước.
1- Phao - xích; 2 - Máy cơ sở; 3 - Cần; 4 - tay gầu; 5 - Gầu.
Các MXLN có nhiều chủng loại với hình dạng và kích thước phao xích
khác nhau để phù hợp với các điều kiện làm việc và đặc điểm môi trường làm
việc. Kết cấu của phao xích thường có dạng hình hộp chữ nhật, có thể thay đổi
được khoảng cách giữa hai phao để tăng khả năng ổn định của máy khi làm

4


việc. Ngoài ra, khi máy làm việc trong môi trường nước sâu, thường gắn thêm
phao phụ để tăng khả năng nổi, sử dụng các cọc định vị để tăng tính ổn định
khi đào đất.
MXLN chủ yếu được sử dụng để làm việc ở môi trường có nền đất yếu,
nền đất biến dạng hoặc đất ngập nước. Để đảm bảo khả năng làm việc của
máy trong khu vực đất ngập nước có độ sâu dưới 1,5m, phao-xích của máy
thường được thiết kế có độ mớn nước đến 1,3m, khi làm việc thì hai dải phaoxích của máy vẫn phải chạm đất. Đối với vùng có độ sâu trên 1,5m (và dưới
4m), để đảm bảo khả năng làm việc của máy, người ta phải sử dụng thêm
phao phụ để tăng khả năng nổi. Bên cạnh đó phải sử dụng thêm các cọc phụ
để cố định vị trí của máy khi tác nghiệp (hình 1. 2).

Hình1.2. Các trạng thái làm việc của máy xúc lội nước.
a,b - Vùng nước sâu dưới 1,5m; c - Vùng nước sâu trên 1,5m và dưới 4m.
Môi trường làm việc của MXLN rất đa dạng, nhưng ở Việt Nam hiện nay,
các MXLN chủ yếu làm việc trong vùng nước cạn và vùng sình lầy. Với ưu
điểm là có thể làm việc trong môi trường đất yếu, đất ngập nước nên máy xúc
lội nước thường được sử dụng vào những công việc cụ thể như sau:
+ Dọn sạch đất vùng mỏ, vùng trồng trọt và đất rừng,
+ Nạo vét kênh, sông và cửa biển,
+ Đắp đập, đê phòng lũ và cải tạo đất,
+ Đào ao tôm, ao cá và ao làm muối,
+ Cải tạo, làm sạch ao và hồ nước,
+ Đào hào đặt ống dẫn dầu và khí đốt,
5


+ Dọn đất làm đường bộ và xây dựng đường sắt,

+ Di chuyển và dọn sạch vật cản do sụt lở đất và lũ,
+ Đào kênh dẫn nước tưới ruộng lúa và cây trồng,
+ Tăng thêm chiều sâu của đường thuỷ và vùng đồng bằng sông Hồng,
+ Bảo trì và làm sạch cửa sông, hồ, bờ biển. ...
1.1.2. Nhu cầu cơ giới hóa quá trình nạo vét các công trình ở vùng
hàng năm ngập nước ở nước ta
Nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, lượng mưa rất lớn hàng
năm dẫn đến sự cuốn trôi đất cát, cỏ rác, các chất thải khu dân cư ... xuống hệ
thống thoát nước (sông, suối, ao hồ…) làm cho hệ thống cấp thoát nước vốn
còn nhiều hạn chế nay càng nhanh bị tắc nghẽn, gây úng ngập trong mùa
mưa. Sự tắc nghẽn hệ thống thoát nước ở khu dân cư, đặc biệt là ở các thành
phố lớn cũng thường xuyên xảy ra, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng lớn
đến giao thông đô thị, thậm chí còn gây tổn thất lớn về người và của. Các cầu
cảng, cửa sông, cửa biển ở nước ta hàng năm bị bồi lắng do lượng phù sa của
các con sông đổ về gây ảnh hưởng lớn đến sự ra vào của các loại tàu thuyền.
Cùng với đó, nhu cầu xây dựng các công trình vùng ngập nước ở vùng ven
biển, đặc biệt là khu vực đồng bằng sông Cửu long, là rất lớn, chủ yếu là xây
dựng hệ thống đầm nuôi tôm, cá, hệ thống kênh mương, bờ đê ngăn ngừa xâm
nhập mặn, ...
Theo thống kê, hàng năm cả nước ta có từ 12 đến 15 trong tổng số 36
tuyến luồng hàng hải được nạo vét duy tu, có tuyến luồng phải nạo vét duy tu
nhiều lần như luồng tàu vào cảng Hải Phòng 3 lần/năm, luồng tàu Định An 2
lần/năm ... Công việc nạo vét các luồng tàu, sông ngòi kênh rạch đã tiêu tốn
hàng trăm tỉ đồng ngân sách nhà nước. Cho đến nay, vấn đề cơ giới hóa công
tác nạo vét vẫn còn nhiều hạn chế, một số nơi vẫn phải thực hiện thủ công cho
năng suất thấp và tiêu tốn sức lao động của công nhân. Nguyên nhân chính là
6


do thiếu thiết bị và vốn đầu tư. Chính vì thế, công tác cơ giới hóa quá trình

nạo vét được đặt ra là vấn đề cấp thiết.
1.1.3. Đặc điểm một số loại máy xúc lội nước hiện nay trên thế giới
Hiện nay, trên thế giới có nhiều hãng đã chế tạo thành công máy xúc lội
nước, điển hình như EIK Engineering, ST-Tekniikka, CAT, HITACHI,
KOMATSU, SUMITOMO, ... Máy xúc lội nước của các hãng này có dung tích
gầu xúc từ 0,2 đến 0,8m3. Dưới đây là một số máy xúc lội nước điển hình.

Hình 1.3. Máy xúc lội nước BIGFLOAT Hyundai Robex R210LC-7.
Hãng Huyndai cho ra đời máy xúc lội nước đầu tiên có tên là Big Float
(hình 1.3). Máy xúc này được chế tạo dựa trên máy xúc cơ sở Hyundai Robex
R210LC-7 có trọng lượng 21 tấn, dung tích gầu 0,5m3. Hệ di chuyển của máy
được thay thế bằng hệ di chuyển sử dụng hai phao xích dài 10m, rộng 3,5m,
cao 1,5m, có thể làm việc ở khu vực có độ sâu nước đến 2m. Máy di chuyển
trong môi trường nước nhờ hoạt động của cần, tay và gầu. Để di chuyển trên
cạn, máy sử dụng xích được bố trí trên phao và được dẫn động bằng thủy lực,

7


hai phao xích này có thể giúp máy di chuyển được ở những khu vực đất ngập
nước. Các mô tơ di chuyển có công suất đủ lớn để máy có thể vượt dốc cao.
Tay cần của máy dài 16m cho phép máy đào sâu đến 6m.

Hình 1.4. Máy xúc lội nước của hãng CAT 320D.
Máy xúc lội nước của hãng CAT (hình 1.4) được chế tạo trên cơ sở máy
xúc thủy lực bánh xích mã hiệu 320D có dung tích gầu 0,8m3 trọng lượng 35
tấn. Hệ di chuyển của máy là hai phao xích có kích thước 9,14mx1,5mx1,5m,
chiều rộng cơ sở 5,5m. Máy có khả năng đào chiều sâu 6,9m, tầm với 9,8m.

Hình 1.5. Máy xúc lội nước Hitachi AE200.

8


Hãng HITACHI cũng đưa ra sản phẩm máy xúc lội nước dựa trên máy
xúc cơ sở AE200, dung tích gầu 0,9 m3, trọng lượng 27 tấn. Hai phao xích có
kích thước 8mx1,6mx1,7m, chiều rộng cơ sở 5m. Máy có thể đào đến độ sâu
5,7m, tầm với 9,9m. Máy được trang bị hai phao nổi dài 8m, cao1,7m.
Máy xúc lội nước Sinoway SWEA220 do Trung Quốc chế tạo có dung
tích gầu 0,5m3 đến 1,1m3, máy có thể đào sâu 7,4m, tầm với 15,3m. Máy
được trang bị hai phao kích thước 10,2 x1,76 x,1,7m.

Hình 1.6. Máy xúc lội nước Sinoway SWEA220.
Hiện nay, ở Việt Nam các loại máy xúc lội nước đã được nhập về phục vụ
cho quá trình nạo vét, khơi thông luồng lạch của kênh, mương, sông hồ. Máy
xúc lội nước đã giúp cơ giới hóa quá trình thi công các công trình ở khu vực
ven biển, giảm sức lao động và giảm chi phí thi công.

Hình 1.7. MXLN PC200 tác nghiệp tại cảng Đình Vũ - Hải Phòng.

9


Hình 1.7 là máy xúc lội nước của hãng KOMATSU, dung tích gầu
0,5m3 đang tác nghiệp ở khu công nghiệp Đình Vũ - Hải Phòng.
1.2. Một số tính chất cơ lý của đất
Môi trường làm việc của máy xúc lội nước là môi trường đất bùn lầy,
ngập nước, phân bố chủ yếu ở khu vực ven biển, sông, hồ, kênh mương. Để
nghiên cứu ổn định của máy xúc lội nước trong quá trình làm việc, cần nghiên
cứu các tính chất cơ lý của môi trường mà máy làm việc. Đối tượng tương tác
với máy trong quá trình làm việc là nước và đất ở đáy sông hồ, kênh mương,

đầm lầy có một số tính chất đặc trưng như sau: Khả năng chịu tải kém (0,5 –
1kG/cm2); hệ số độ nén lún lớn (a > 0,1 cm2/kG); có hệ số độ rỗng lớn (e >
1,0); và mô đun biến dạng bé (E< 50kG/cm2). Ngoài ra còn một số tính chất
khác như khả năng chống cắt nhỏ, hàm lượng nước trong đất cao, có độ bão
hòa lớn…Dưới đây là một số tính chất cơ lý ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình
làm việc của máy:
1.2.1. Tính biến dạng của đất
Tính chất thay đổi hình thức cấu tạo và thể tích của dất dưới tác dụng
của tải trọng được gọi là tính biến dạng. Do khác nhau về đặc điểm kết cấu và
liên kết nên tính biến dạng của đất và đất dính có những đặc điểm không
giống nhau. Trong đất, cùng với biến dạng đàn hồi còn có biến dạng dư không
phục hồi khi dỡ tải. Biến dạng dư này thường lớn hơn biến dạng đàn hồi trong
đất, cũng không đạt trị số lớn nhất ngay khi chất tải mà phát triển theo thời
gian. Đối với đất, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng không phải là tuyến tính
(hình 1.8). Tuy nhiên, trong thực tế, để sử dụng các kết quả của lý thuyết đàn
hồi, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất được xem là tuyến tính. Quy
luật biến dạng tuyến tính này chỉ được thừa nhận trong khoảng áp lực giới
hạn.

10


Hình 1.8. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tương đối của nền  7  .
Quan hệ giữa các thành phần biến dạng tương đối  x ,  y ,  z và các thành
phần ứng suất  x ,  y ,  z có dạng:

trong đó:

x 


1
 x  v  y   z  

E0 

y 

1
 y  v  x   z  
E0 

z 

1
 z  v  x   y  

E0 

(1. 1)

E0 - mô đun đàn hồi của đất,
v- hệ số Poisson.

Khi nén đất bằng tải trọng phân bố đều trên một diện tích đủ lớn (hình
1.9), đất nền không có khả năng biến dạng ngang, mà chỉ biến dạng theo
phương thẳng đứng, gọi là lún. Trường hợp nén đất này gọi là nén lún hoặc
nén ép. Trong nén lún, biến dạng xảy ra do sự giảm thể tích lỗ rỗng của đất
(nén chặt).

11