Tài liệu Máy xây dựng

LỜI NÓI ĐẦU Máy xây dựng bao gồm tất cả các loại máy, thiết bị dùng để thực hiện các công việc xây dựng thay thế sức người. Trong xây dựng công trình nói chung và xây dựng thuỷ lợi, thuỷ điện nói riêng, quy mô và khối lượng công việc ngày càng lớn, lao động thủ công không đáp ứng được các yều cầu về tiến độ và kĩ thuật, chính vì vậy công tác cơ giới hoá xây dựng ngày càng trở nên quan trọng. Trong thời đại ngày nay, để hội nhập với nền kinh tế thế giới và khu vực, công nghiệp hoá, hiện đại hoá không những là một chủ trương lớn của đất nước ta mà còn là một xu hướng phát triển tất yếu. Hiện nay ở các nước phát triển, mức độ cơ giới hoá có thể đạt tới 90 ÷ 95% tổng khối lượng công việc xây dựng. Để đáp ứng nhu cầu này, các máy xây dựng ngày càng được cải tiến cho phù hợp với yêu cầu thực tế về quy mô, chất lượng và hiệu quả. Ở nước ta, cho đến nay, đa số các loại máy xây dựng đều được nhập khẩu từ nước ngoài. Trong những năm gần đây, rất nhiều loại máy xây dựng hiện đại được nhập vào nước ta để đáp ứng mọi yêu vầu về tiến độ và chất lượng kỹ thuật xây dựng. Máy xây dựng thường xuyên được cải tiến, hoàn thiện và đã đáp ứng mọi đòi hỏi khắt khe nhất về chất lượng kỹ thuật xây dựng mới. Do vậy các cán bộ kỹ thuật cần nghiên cứu tìm hiểu, nắm bắt sự thay đổi thường xuyên về máy xây dựng để khai thác có hiệu quả, đáp ứng các quy trình công nghệ xây dựng hiện đại, nâng cao chất lượng công trình, giảm giá thành xây lắp. Tài liệu này tập trung giới thiệu các loại máy xây dựng thông dụng và hiện đại nhất đang sử dụng ở Việt nam. Đây là tài liệu giảng dạy cho sinh viên các ngành công trình, thuỷ điện và kinh tế kỹ thuật không chuyên sâu về máy xây dựng. Nội dung chính của tài liệu là giới thiệu về cấu tạo, nguyên lí làm việc, công dụng và tính toán năng suất của các loại máy xây dựng giúp cho các kỹ sư công trình có những hiểu biết cơ bản về máy, phục vụ cho chuyên môn của mình. Tài liệu này cũng có thể dùng để tham khảo cho cán bộ kỹ thuật, cán bộ giảng dạy và sinh viên các ngành khác. Các tác giả chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp và các cán bộ giảng dạy thuộc Bộ môn Máy Xây Dựng - Trường Đại học Thuỷ Lợi, đặc biệt là Ths. Dương Văn Đức, TS. Bùi Quốc Tuấn đã đọc và góp ý kiến cho bản thảo trong quá trình biên soạn sách. Do trình độ hiểu biết còn có hạn, kinh nghiệm viết và trình bày giáo trình chưa nhiều nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi chân thành mong nhận được thêm những ý kiến đóng góp quí báu của bạn đọc để có thể bổ sung cho giáo trình Máy Xây Dựng này ngày càng hoàn thiện hơn. Nhóm tác giả MỞ ĐẦU LICH SỬ PHÁT TRIỂN MÁY XÂY DỰNG A. Tình hình phát triển máy xây dựng trên thế giới Máy xây dựng (MXD) ra đời muộn, tuy còn non trẻ nhưng do yêu cầu cấp bách của sản xuất trong các ngành xây dựng, thừa hưởng những tiến bộ về công nghệ chế tạo máy, điện và điện tử nên tốc độ phát triển của ngành chế tạo máy xây dựng đã tiến những bước rất dài, phong phú cả về chất lượng và chủng loại. Các nước hàng đầu trong lĩnh vực này phải kể đến Mỹ, Nhật Bản, Tây Đức, Thuỵ Điển, ... với tên tuổi của các hãng nổi tiếng như Caterpillar, John Deere, IngersollRand (Mỹ), Mitsubishi Heavy Inds, Komatsu, Kobelco, Hitachi, Sakai (Nhật Bản), Mannesmann, Bomag, Hamn, Libher (Đức), Volvo, Dynapac (Thuỵ Điển), Metso (Phần Lan)... Các nước xã Hội Chủ Nghĩa cũ, đứng đầu là Liên Xô, cũng có ngành sản xuất máy xây dựng rất sớm, sản xuất với khối lượng lớn, nhưng hiện tại máy móc của các nước này chủ yếu đáp ứng các nhu cầu trong nước hoặc các nước nghèo (do giá thành rẻ). Nước mới nổi lên trong lĩnh vực này phải kể đến Hàn Quốc với các hãng quen thuộc như Sam Sung, Daewoo, Huyndai, các hãng này thâm nhập thị trường bằng công nghệ trung bình và giá rẻ. Nhờ có cạnh tranh, các hãng đã không ngừng cải tiến các sản phẩm của mình về kiểu dáng công nghiệp, suất tiêu hao nhiên liệu, tiện nghi buồng lái, sự tiện lợi trong bảo dưỡng, sửa chữa, độ tin cậy, năng suất, chủng loại, bộ công tác...đáp ứng mọi khía cạnh của nhu cầu sản xuất và đảm bảo hiệu quả kinh tế. Kích cỡ máy cũng được đa dạng hoá. Đặc biệt hiện nay ngày càng có nhiều công trình được xây dựng với qui mô lớn nên nhiều loại máy cỡ lớn cũng được sản xuất cho phù hợp với yêu cầu thực tế của công tác xây dựng. Nhờ sự phát triển công nghệ, mức độ hiện đại của các máy xây dựng ngày càng tăng. Các vật liệu mới có sức bền cao được sử dụng để nâng cao hệ số công suất trên trọng lượng máy. Mức độ cơ giới hoá trong xây dựng của thế giới đã đạt ở mức cao, ở các nước G7 đạt 95%, ở các nước khác cũng rất khác nhau, tuỳ thuộc điều kiện của từng nước, ví dụ: ở Ấn Độ là 70%. B. Tình hình phát triển MXD ở Việt Nam Vào những năm sáu mươi ở miền Bắc đã nhập các máy xây dựng để xây dựng các công trình thuỷ điện, làm đường, khai thác mỏ,... Trong giai đoạn này bắt đầu phát triển với khối lượng bốc xúc vận chuyển đáng kể và đòi hỏi phải được cơ giới hoá, sau đó là xây dựng giao thông phục vụ chiến đấu. Các máy móc trong thời kì này chủ yếu theo các chương trình viện trợ của Liên Xô cũ, Trung Quốc và một số nước xã hội chủ nghĩa khác. Ở Miền Nam, MXD chủ yếu do các hãng của Mỹ chế tạo, được đưa vào miền Nam để xây dựng các công trình quân sự, đường sá. Những thập kỉ tiếp theo, tình hình sử dụng MXD ở Việt Nam có thay đổi nhiều, số lượng và chủng loại tăng lên đáng kể để đáp ứng công việc bốc xúc xây dựng của những công trình có quy mô ngày càng lớn như Thuỷ Điện Sông Đà và các mỏ khai thác lộ thiên ở Quảng Ninh được xây dựng sau ngày thống nhất tổ quốc. MXD của các nước tư bản như Nhật Bản, ý, Thụy Điển, Pháp, bắt đầu có mặt ở nước ta. Ví dụ, các thiết bị do Volvo, Komatsu, Fiat, Kobelco, Hitachi, Hino, Dynapac... chế tạo được nhập vào để thực hiện các công trình như Xi Măng Hoàng Thạch, Thuỷ Lợi Dầu Tiếng, Thuỷ Điện Trị An, và các công việc bốc xúc trong khai thác mỏ lộ thiên, nhất là ở khu vực Quảng Ninh. Tuy máy móc do các nước tư bản chế tạo hoạt động có hiệu quả hơn nhưng do giá đầu tư ban đầu cao nên thời kì này, nhiều máy của các nước XHCN cũ vẫn được sử dụng rộng rãi. Điều kiện kinh tế, xã hội và cơ sở hạ tầng của nước ta trong giai đoạn này ảnh hưởng nhiều đến tình hình sử dụng máy xây dựng. Thông thường, do thiếu vốn nên các dự án do nước nào viện trợ thì thường là thiết bị của nước đó được cung cấp vào Việt Nam. Đến những năm đầu của thập kỉ chín mươi, cùng với công cuộc đổi mới của cả nước, tình hình sử dụng máy xây dựng ở Việt Nam cũng được cải thiện. Các dự án có quy mô lớn, thời gian xây dựng dài, đã mạnh dạn đầu tư các tổ máy đồng bộ, hiện đại. Trong khi đó, các dự án quy mô nhỏ, thời gian xây dựng ngắn chưa dám đầu tư nhiều mà vẫn dựa trên cơ sở máy móc hiện có và chỉ đầu tư thêm một số thiết bị lẻ để thi công. Trình độ nhận thức về máy xây dựng của cán bộ kĩ thuật, các nhà đầu tư ở các công ty cũng dần được nâng lên do chính sách mở cửa, sức ép của kinh tế thị trường, sức mạnh của các công ty chiếm ưu thế thiết bị xây dựng hiện đại mang lại. Người ta đã nghĩ tới hiệu quả thực tế cuối cùng của một thiết bị chứ không còn chỉ quan tâm tới giá đầu tư ban đầu. Thực tế giá đầu tư ban đầu theo kinh nghiệm chỉ chiếm khoảng 25% tổng chi phí của cả một đời máy (Caterpillar Annual Report-1999). Nhiều nhà đầu tư nhận ra rằng, hiệu quả của thiết bị phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, như chế độ hỗ trợ sản phẩm của nhà cung cấp thiết bị, năng suất, độ bền của máy móc, hiệu quả sử dụng nhiên liệu, trình độ sử dụng,... Về suất tiêu hao nhiên liệu. Trước đây người sử dụng thường chỉ chú ý đến suất tiêu hao nhiên liệu (g/mã lực.giờ), cách tính này không phản ánh được hiệu quả thực tế của máy. Ngày nay người ta đã dùng một chỉ tiêu so sánh có ý nghĩa thực tế hơn, đó là khối lượng công việc thực hiện được khi tiêu hao một đơn vị nhiên liệu (gọi là hiệu quả tiêu hao nhiên liệu). Qua phân tích tình hình sử dụng máy xây dựng ở Việt Nam, có thể thấy bức tranh tổng thể của hoạt động này, xu hướng phát triển và nhu cầu máy xây dựng ở nước ta ngày càng tăng. Trong những năm gần đây, do sự đòi hỏi của sản xuất, số lượng máy xây dựng được chế tạo với công nghệ hiện đại được nhập vào nước ta ngày càng nhiều với đủ chủng loại, kích cỡ. Ngành công nghiệp chế tạo máy Việt Nam cũng phải phấn đấu để có thương hiệu máy xây dựng riêng của mình. C. Nội dung và yêu cầu môn học: Môn học máy xây dựng sẽ tập trung nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, chức năng và ưu nhược điểm sử dụng của các loại máy xây dựng thông dụng điển hình và các máy xây dựng hiện đại đang được sử dụng trong thực tế hiện nay ở nước ta. Phần đầu tài liệu này sẽ giới thiệu các khái niệm cơ bản nhất về máy, chi tiết máy, các bộ phận cơ bản cấu thành các máy xây dựng để các bạn đọc có được những khái niệm ban đầu về nguyên tắc, nguyên lý cơ bản tạo thành máy xây dựng. Phần tiếp theo sẽ nghiên cứu từng chủng loại máy xây dựng mà cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó thực hiện từng chức năng công việc cụ thể trong công tác xây dựng công trình: công tác làm đất, vận chuyển, sản xuất vật liệu xây dựng. Từ những kiến thức cơ bản về máy và chi tiết máy, người học cần nắm chắc các nội dung chủ yếu đối với mỗi loại máy xây dựng: công dụng, cấu tạo, nguyên lí làm việc, tính toán năng suất và các biện pháp nâng cao năng suất. Trên cơ sở đó có thể vận dụng, lựa chọn được những loại thiết bị phù hợp với yêu cầu công việc trong những điều kiện cụ thể thiết kế, thi công các công trình thuỷ lợi cũng như công trình dân dụng, công nghiệp khác, nhằm nâng cao năng suất, hiệu quả kinh tế và chất lượng công trình. D. Phân loại máy xây dựng: Căn cứ vào mục đích sử dụng máy phục vụ cho công tác xây dựng: đào vận chuyển đất, sản xuất vật liệu xây dựng, nâng vận chuyển vật liệu và thiết bị, thiết bị phụ trợ hoàn thiện mà máy xây dựng có thể phân loại theo sơ đồ sau: C¸c m¸y phô trî kh¸c M¸y s¶n xuÊt vËt liÖu XD M¸y gia cè nÒn mãng M¸y lµm ®Êt M¸y n©ng - vËn chuyÓn ¤ t« - m¸y kÐo M¸y x©y dùng Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY XÂY DỰNG 1.1. MÁY, CƠ CẤU, CHI TIẾT MÁY, KHÂU VÀ KHỚP 1.1.1. Máy Máy do nhiều chi tiết máy hợp thành và hoạt động theo một quy luật nhất định nhằm thực hiện chức năng biến đổi năng lượng, hay chuyển động hoặc thực hiện một chức năng đã được định trước. Theo chức năng làm việc, máy có 2 loại: máy biến đổi năng lượng, máy công tác. Máy biến đổi năng lượng là máy dùng để biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Máy biến đổi điện năng, hoá năng (xăng, dầu ma dút), cơ năng thành cơ năng khác như động cơ điện, động cơ xăng hoặc điêzen, tua-bin thuỷ lực. Biến đổi cơ năng thành các năng lượng khác như máy nén khí, máy phát điện. Máy công tác là các máy nhận năng lượng và truyền đến bộ công tác (sinh công) làm thay đổi hình dáng, kích thước, tính chất, trạng thái, vị trí của đối tượng thi công hoặc vật được gia công (máy xúc, máy ủi, máy đóng cọc, máy nghiền đá,...) nhằm làm giảm nhẹ hoặc thay thế sức lao động của con người (máy nâng vận chuyển). Theo phương pháp điều khiển, máy có ba loại: điều khiển bằng tay, điều khiển tự động và điều khiển bán tự động. Máy điều khiển bằng tay: Khi sử dụng máy điều khiển bằng tay, người điều khiển có thể điều khiển toàn bộ máy, nhờ thao tác bằng lực cơ bắp của mình. Máy điều khiển bán tự động: Khi sử dụng máy điều khiển bán tự động, một số công đoạn do con người thực hiện, các công đoạn khác do máy tự động làm việc. Máy điều khiển tự động: Tất cả các nguyên công sản xuất hoặc lắp ráp máy đều được thực hiện theo chương trình định sẵn, nhờ sử dụng các thiết bị điện tử đặc biệt (máy gia công kim loại kỹ thuật số CNC, dây chuyền sản xuất ô tô do rôbốt thực hiện). Như vậy bất cứ một máy nào cũng được cấu tạo từ bốn bộ phận chính: Bộ phận động lực (các loại động cơ hoặc lực cơ bắp), bộ phận truyền động (nhằm truyền chuyển động và công suất từ động cơ đến bộ công tác), bộ công tác (là bộ phận thực hiện chức năng chính của máy) và hệ thống điều khiển (điều hành toàn bộ hoạt động của máy). 1.1.2. Cơ cấu Cơ cấu máy cũng do nhiều chi tiết máy hợp thành, nhưng khác với máy, cơ cấu chỉ dùng để thực hiện một công việc nhất định (nhận chuyển động đưa vào cơ cấu) thành chuyển động xác định và có ích đối với quy trình công nghệ của các khâu còn lại (khâu đưa chuyển động ra khỏi cơ cấu). 1.1.3. Chi tiết máy Chi tiết máy là một đơn vị hợp thành của máy (hoặc cơ cấu máy), mỗi chi tiết máy là một đơn vị liền khối hoàn chỉnh và không thể tháo ra thành những đơn vị đơn giản hơn bằng các dụng cụ tháo lắp thông dụng (bánh răng, trục khuỷu, bulông, đai ốc, then, bệ máy,...). Như vậy chi tiết máy là đơn vị chế tạo. Chi tiết máy có hai loại: chi tiết máy có công dụng chung, là loại chi tiết mà đa số các máy đều có như các loại bulông, đai ốc, bánh răng, khớp nối,... Chi tiết máy có công dụng riêng là loại chỉ có những máy chuyên dùng mới có: trục khuỷu trong động cơ đốt trong, lưỡi ben trong máy ủi, gầu đào trong máy đào,...Các chi tiết có công dụng chung được nghiên cứu chung trong môn học chi tiết máy, các chi tiết có công dụng riêng được nghiên cứu trong các máy chuyên dùng, nó phải phù hợp với đối tượng mà mục đích làm việc của máy đó. Để thuận tiện cho người sử dụng, các bộ phận máy có công dụng chung người ta chế tạo và lắp sẵn thành từng cụm máy có chức năng khác nhau như hộp giảm tốc (truyền động), động cơ điện, máy nổ (động lực), các vòng bi, khớp nối,...theo tiêu chuẩn nhất định, người dùng chỉ cần lựa chọn phù hợp với mục đích của mình. 1.1.4. Khâu Trong máy hoặc cơ cấu máy, có hai loại khâu là khâu động và khâu cố định: • Khâu động: những bộ phận chuyển động tương đối với nhau gọi là khâu động. Mỗi khâu động có một chuyển động riêng biệt và có thể là một chi tiết máy (trục khuỷu, pít-tông) hay một tập hợp nhiều chi tiết máy gắn cứng hoặc cố định với nhau (thanh truyền ở động cơ đốt trong). Vậy, khâu là đơn vị vận động. • Khâu cố định: các chi tiết máy cố định hợp thành một hệ thống cứng và cố định gọi là khâu cố định hoặc giá hay bệ máy, làm điểm tựa để các khâu động có thể chuyển động được. 1.1.5. Khớp Khớp là chỗ liên kết giữa hai khâu với nhau làm hai khâu có thể chuyển động tương đối với nhau gọi là khớp động. Như vậy, máy hoặc cơ cấu máy được tạo thành bởi một khâu cố định và một hoặc nhiều khâu động được nối với nhau bằng khớp động và nhờ những khớp động này mà các khâu bị ràng buộc với nhau và chuyển động theo một quy luật xác định tuỳ theo chức năng của máy hoặc cơ cấu. Bảng 1-1. Phân loại khớp động TT Mô hình khớp động Z 1 Y Ký hiệu Số bậc tự do khớp động bị hạn chế Khớp loại 1 1 2 2 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 O X Z 2 Y O X Z 3 Y O X 4 Z 5 Y O X 6 V 7 Z Y O X 8 V Theo cách tiếp xúc giữa các khâu, có các loại: Khớp loại thấp: là loại hai phần khớp tiếp xúc với nhau theo mặt, như các khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp cầu, khớp vít (bảng 1-1) và có ưu điểm là khả năng truyền tải lớn, lâu mòn. Khớp loai cao: là loại hai phần khớp tiếp xúc theo đường hoặc điểm, như khớp động loại quả cầu hoặc hình trụ đặt trên mặt phẳng (bảng 1-1) và có ưu điểm là thực hiện được những chuyển động phức tạp hơn so với khớp loại thấp, nhưng chóng mòn, áp suất tập trong lớn. Theo số bậc tự do bị hạn chế trong chuyển động tương đối giữa hai khâu: chuyển động tự do của một khâu trong không gian bao gồm sáu chuyển động độc lập: ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động quay quanh ba trục toạ độ oxyz. Khi một khâu được liên kết hay nối động với một khâu khác, thì số chuyển động độc lập hay số bậc tự do của khâu sẽ giảm đi do có sự ràng buộc lẫn nhau. Tuỳ theo cách liên kết giữa hai khâu, hình dáng hình học của thành phần khớp động, mỗi khâu có thể mất đi hoặc bị hạn chế từ một đến năm chuyển động độc lập hay bậc tự do, do đó có năm loại khớp động (bảng 1-1). 1 A 2 O 3 B 4 D Hình 1-1. Cơ cấu tay quay- con trượt 1,2,3 - Các khâu động; 4 - Khâu cố định Cơ cấu tay quay - con trượt (Hình1-1), tương tự cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền ở động cơ đốt trong, gồm có: bốn khâu và bốn khớp. Trong bốn khâu, có ba khâu động (1, 2, 3) và một khâu cố định (4). Trong đó bốn khớp, có ba khớp quay (O, A, B) và một khớp tịnh tiến loại 4 (D) nhưng do có sự liên kết với khâu 2 nên khâu 3 không thể quay và chỉ còn tịnh tiến. Hình 1-2 là phần bộ công tác trong máy ủi. Để máy ủi có thể làm việc được thì bộ phận này có cấu tạo từ 4 khâu 6 khớp. Hình 1-2. Bộ công tác máy ủi 1- Lưỡi ủi, 2- Càng đẩy, 3- Xi lanh, 4- Xi lanh+pít tông, 5, 6, 8- Khớp loại năm, 7- Khớp trượt; 9 - Khớp loại 4. 1.2. LỰC TRONG CƠ CẤU Để máy thực hiện một công việc nào đó phải xác định được công suất của máy. Công suất gồm hai thành phần: lực tác dụng vào bộ công tác và vận tốc chuyển động của nó. Mặt khác các bộ phận máy phải đủ bền để chống loại các ngoại lực, trong đó lực cản của bộ phận công là chủ yếu. Vậy muốn có một máy thực hiện một công việc cụ thể phải tính toán xác định được các lực tác dụng lên nó mà ta gọi là các lực tác dụng lên cơ cấu máy. Lực tác dụng lên cơ cấu máy gồm: ngoại lực và nội lực. 1.2.1. Ngoại lực Bao gồm lực cản kỹ thuật, trọng lượng các khâu trong máy, lực phát động của động cơ. Lực cản kỹ thuật là lực cản tác dụng lên bộ công tác khi thực hiện công việc. Đây là lực cản có ích. Ví dụ: lực tác dụng lên lưỡi ủi khi ủi đất, trọng lượng hàng chuyên chở trên xe ô tô,…Để xác định được lực cản kỹ thuât cần phải có kiến thức chuyên môn sâu về lĩnh vực đó. Các khâu tạo thành máy là một cơ hệ chuyển động. Trong quá trình hoạt động, vận tốc các khâu thay đổi. Như vậy các khâu đều có xuất hiện gia tốc hay luôn xuất hiện lực quán tính khi vận tốc thay đổi. Lực quán tính của khâu chuyển động có gia tốc là: P qt = ma; trong đó : m - khối lượng của khâu chuyển động, kg; a - gia tốc của khâu chuyển động, m/s2. Như vậy ngoại lực tác dụng lên cơ cấu không cân bằng. Do đó không thể sử dụng phương trình tĩnh học thông thường để tìm trị số của chúng. Vì vậy muốn xác định phải đưa vào cơ hệ cả lực quán tính theo nguyên lý Đa lam be: Nếu ngoài các lực tác động lên cơ cấu ta đưa vào đó những lực quán tính và coi chúng như những ngoại lực thì cơ hệ được coi là cân bằng và khi đó có thể dùng bài toán tĩnh học để giải cơ cấu này. 1.2.2. Nội lực Nội lực là các lực tác dụng lẫn nhau giữa các khâu trong cơ cấu. Như thế nội lực là những phản lực trong các khớp động, ở vị trí tiếp xúc của hai thành phần tạo thành khớp động xuất hiện hai thành phần lực: vuông góc với phương chuyển động của bề mặt tiếp xúc gọi là thành phần áp lực, thành phần này gây ra áp suất nén của bề mặt khớp. Thành phần thứ hai có phương song song với phương vận tốc và ngược chiều gọi là lực ma sát. Thành phần này luôn chống lại chuyển động của cơ cấu và được xét trong phần tiếp theo. 1.3. MA SÁT VÀ HIỆU SUẤT 1.3.1. Ma sát Ma sát là hiện tượng rất phổ biến trong tự nhiên và trong kỹ thuật. Ma sát xuất hiện như lực cản chống lại chuyển động tương đối giữa hai bề mặt tiếp xúc với nhau theo phương tiếp tuyến có kèm theo toả nhiệt. Lực chống lại sự dịch chuyển tương đối giữa hai bề mặt ma sát được goi là lực ma sát. Độ lớn của lực ma sát phụ thuộc vào kết cấu, vật liệu và trạng thái tiếp xúc giữa hai bề mặt ma sát của các chi tiết máy. Theo tính chất tiếp xúc, ma sát có thể chia ra bốn loại: Ma sát khô: ma sát khô chỉ có thể xảy ra trên bề mặt hoàn toàn sạch và khô (một cách lý tưởng, chỉ có ở trong phòng thí nghiệm), phụ thuộc vào lực liên kết phân tử và sự ăn khớp của những chỗ nhấp nhô hay lồi lõm trên bề mặt làm việc. Hệ số ma sát khô f = 0,4 ÷ 1,0. Ma sát nửa khô: ma sát nửa khô là ma sát giữa các bề mặt làm việc hay tiếp xúc có màng hấp thụ, có thể là một lớp khí hay hơi ẩm hoặc dầu mỡ xâm nhập từ môi trường xung quanh vào, bề dầy rất bé, khoảng vài ăngstơrom (1A0 = 10-8 cm). Hệ số ma sát nửa khô f = 0,2 ÷ 0,6. Ma sát nửa ướt: ma sát nửa ướt là ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc có một lớp dầu hoặc mỡ bôi trơn, có độ dầy rất nhỏ, khoảng 0,10,5µ. Trong ma sát nửa ướt, những chỗ có dầu bôi trơn tạo ra ma sát ướt, còn ở những đỉnh nhấp nhô không có dầu, sẽ tạo ra ma sát khô. Khi hai bề mặt làm việc trượt lên nhau, thì màng dầu bôi trơn bám trên bề mặt tiếp xúc gọi là màng dầu hạn chế. Màng dầu hạn chế càng dày, thì hệ số ma sát càng nhỏ và nó phụ thuộc vào độ nhớt của dầu. Ma sát ướt: ma sát ướt là ma sát có chiều dày của lớp màng dầu bôi trơn lớn hơn 0,5µ.. Trong ma sát ướt, ngoài màng dầu hạn chế như ma sát nửa ướt, còn có một lớp dầu không bị bề mặt tiếp xúc hút hay hấp thụ và làm việc theo quy luật thuỷ động lực học (hay nêm dầu). Theo tính chất chuyển động, có hai loại ma sát: Ma sát trượt: ma sát trượt xuất hiện khi hai bề mặt trượt lên nhau. Lực ma sát ngăn cản chi tiết máy hay vật dịch chuyển, ví dụ: ma sát giữa pít-tông và xi-lanh, giữa trục khuỷu và bạc lót hay ổ đỡ. Ma sát lăn: ma sát lăn xuất hiện khi một vật có mặt cong lăn không trượt trên một mặt khác. Ví dụ: bánh xe lăn trên đường, các hòn bi lăn trên vành bi trong ổ bi, ma sát giữa bánh đè xích và xích trong máy xây dựng. Ma sát lăn có thứ nguyên mm. Trong kỹ thuật, ma sát vừa có lợi và vừa có hại. Khi dùng dây cô roa truyền chuyển động giữa các trục xa nhau thì cần có hệ số ma sát lớn, lúc đó ma sát có lợi. Đối với các truyền động khác như bánh răng, các ổ trục quay, thì ma sát làm tiêu hao công suất, gây nhiệt làm giảm tuổi thọ và mòn các bộ phận máy nên ma sát trở nên có hại. Trong trường hợp này người ta phải tìm cách khắc phục như dùng dầu mỡ bôi trơn, dùng vật liệu có hệ số ma sát thấp,... 1.3.2. Hiệu suất truyền của cơ cấu và máy Trong cơ cấu hoặc máy, với mỗi chu kỳ chuyển động hay làm việc ổn định, công của lực phát động do động cơ truyền đến (A t ) bằng công cản (A c ), nghĩa là: At = Ac (1-1) Công cản A c gồm có hai phần: công cản có ích (A ci ) là công của các lực cản kỹ thuật để hoàn thành công việc theo yêu cầu (như xúc đất, san nền,...) và công cản có hại là công dùng để thắng các lực có hại (như lực cản ma sát trong các khớp động, lực cản của môi trường xung quanh), chủ yếu là công dùng để thắng lực cản của ma sát (A ms ). Do đó, ta có : A t = A ci + A ms (1-2) Như vậy, trong toàn bộ công cung cấp cho cơ cấu hoặc máy, thì một phần được sử dụng để khắc phục lực cản kỹ thuật. Để đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng vào một việc có ích, người ta dùng chỉ tiêu gọi là hiệu suất. Hiệu suất của cơ cấu hoặc máy là tỷ số giữa công có ích và tổng công mà cơ cấu hoặc máy tiêu thụ: η= A ci A t − A ms A = = 1 − ms At At At (1-3) trong đó: η - hiệu suất của cơ cấu hoặc máy; A c i - công có ích để khắc phục các lực cản kỹ thuật; A t - tổng công của cơ cấu hoặc máy tiêu thụ hay cần thiết để khắc phục các lực cản kỹ thuật và lực cản ma sát. Do lực ma sát luôn luôn tồn tại và để cho cơ cấu hay máy làm việc được, thì tổng công tiêu thụ A t phải lớn hơn công do tổn thất ma sát A ms . Như vậy, cơ cấu hoặc máy, trong thực tế sử dụng, có thể ở ba trạng thái khác nhau: Trạng thái làm việc (0< η < 1), Trạng thái chạy không tải (η = 0, hay A t = A ms ), và Trạng thái nghỉ hay không làm việc được (η < 0 hay A t < A ms ). Xác định hiệu suất: Hiệu suất của khớp động, cơ cấu hoặc máy có thể xác định bằng tính toán hoặc thực nghiệm. Trong các sổ tay kỹ thuật thường cho những giá trị hiệu suất của các khớp động, cơ cấu hoặc máy thường dùng (ví dụ: hiệu suất của bộ truyền đai là η = 0,70 ÷ 0,95, hiệu suất của bộ truyền bánh răng là η = 0,97 ÷ 0,98.). Hiệu suất của một hệ thống các khớp động, cơ cấu hoặc máy được lắp ghép với nhau, có thể xác định như sau: • Hiệu suất của hệ thống khớp động, cơ cấu hoặc máy lắp nối tiếp: An At 1 5 2 At η1 η2 η3 An η5 η4 4 3 b) a) Hình 1-3. Hệ mắc nối tiếp: 1, 3, 5- Ổ đỡ; 2, 4- Hai bánh răng ăn khớp Giả thiết, ta có một hệ thống bao gồm n khớp động, cơ cấu hoặc máy, được lắp nối tiếp (Hình 1-3), thì hiệu suất hệ thống được xác định như sau: Năng lượng đưa vào hệ thống hay hệ cơ cấu là A t , và sau ra khỏi hệ thống, để khắc phục lực có ích, năng lượng còn lại là A ci . Hiệu suất của khớp động hoặc cơ cấu 1 là: η1 = A1 At Hiệu suất của khớp động hoặc cơ cấu 2 là: η2 = A2 A1 Tương tự, hiệu suất của cơ cấu thứ n là: ηn = An A n −1 Từ đó ta có: η1η 2 ...η n = Trong đó: A A1 A2 An −1 An = n ... At A1 An − 2 An −1 At A n là năng lượng sau khi ra khỏi hệ thống. Vì vậy, A n = A ci hay hiệu suất của hệ thống bằng: η= A ci = η1η2 ...ηn At 3 (1-4) Như vậy, hiệu suất của hệ thống khớp động, cơ cấu hoặc 2 T1 b1 b2 1 T2 4 §C T3 5 máy lắp nối tiếp bằng tích hiệu suất của các khớp động, cơ cấu thành phần. Ví dụ: tính hiệu suất của hệ thống các khớp động và cơ cấu dẫn động băng tải (Hình 1-4). Trong cơ cấu này, năng lượng từ động cơ 1 truyền đến băng tải 5 theo một hệ thống nối tiếp. Nếu gọi hiệu suất của truyền động đai là η đai , hiệu suất của các ổ trục T 1 , T 2 , T 3 , lần lượt là Hình 1-4. Hệ băng tải η o1 , η 02 , η o3 và hiệu suất của 1- Động cơ, 2- Dây đai, 3- Hộp số, 4- Khớp, 5- Băng tải hai cặp bánh răng là η b1 , η b2 , ta có hiệu suất của cơ cấu dẫn động băng tải như sau: η= A ci = η01η02η03ηb1ηb 2 At Như vậy hiệu suất của hệ thống khớp động, cơ cấu hoặc máy lắp nối tiếp bằng tích hiệu suất của các khớp động, cơ cấu thành phần. Nếu: η o1 =η 02 =η o3 và η b1 =η b2 , hiệu suất của cơ cấu dẫn động băng tải sẽ là: A ci 2 2 = ηdai η01 ηb1 At η= Hiệu suất của hệ thống khớp động, cơ cấu hoặc máy lắp song song: 1 2 3 4 5 §C §C A t a) A t1 η1 A t2 η2 A t3 η3 A t4 η4 A t5 η5 A1 A2 A3 A4 A5 b) Hình 1-5. a) Cơ cấu truyền động đai: 1 - động cơ; 2, 3, 4, 5- các bộ truyền đai. b) Sơ đồ song song. Cơ cấu truyền động đai (Hình 1-5a) là một hệ cơ cấu lắp song song (Hình 15b), trong đó năng lượng từ động cơ được phân phối đều cho các bộ truyền đai. Nếu có n cơ cấu lắp song song thì năng lượng từ động cơ được phân phối hay chia thành A d1 , A d2 ,…, A dn để cung cấp hay truyền cho các cơ cấu 1, 2, ….n, với điều kiện là A d = A d1 + A d2 + …+ A dn. . Mặt khác, theo (1-3), ta có: A t1 = A ci1 A A , A t 2 = ci 2 , …, A tn = cin η1 ηn η2 Suy ra hiệu suất của hệ thống cơ cấu lắp song song bằng: n A η = ci = At ∑A j =1 n ∑ j =1 cij (1-5) A cij ηj Từ (1- 5) ta thấy hiệu suất của hệ thống cơ cấu lắp song song không những phụ thuộc vào hiệu suất của mỗi cơ cấu hay khớp động, mà còn phụ thuộc vào năng lượng sử dụng có ích A cij . Trong trường hợp đặc biệt, nếu hiệu suất của các cơ cấu đều bằng nhau, nghĩa là: η1 = η2 = …= ηn = ηc , thì hiệu suất của hệ thống cơ cấu lắp song song sẽ bằng hiệu suất của mỗi cơ cấu: η= ∑A A ∑η ci = ci c ∑A 1 ∑A η = ηc ci (1-6) ci c Hiệu suất của hệ thống khớp động, cơ cấu hoặc máy lắp hỗn hợp: Thông thường trong các máy cũng như tổ hợp máy dùng các hệ thống khớp động hoặc cơ cấu vừa lắp nối tiếp vừa lắp song song, không thể tìm được công thức duy nhất để xác định hiệu suất của nó. Vì vậy, cần phải phân tích chúng thành những hệ thống cơ cấu lắp nồi tiếp và lắp song song riêng, rồi dùng các công thức (1-4) và (1-5) để tính hiệu suất của hệ thống khớp động, cơ cấu hoặc máy. Trong hệ cơ cấu lắp hỗn hợp (hình 1-6), năng lượng từ động cơ (ĐC) A t được truyền đến bộ công tác A ci , A ci , A ci , 1 2 3 theo ba chuỗi (hay đường) lắp nối tiếp, hiệu suất của mỗi chuỗi có thể tính theo công thức (1- 4), đồng thời ba chuỗi này lại được lắp song song với nhau và hiệu suất của toàn hệ thống được xác định theo công thức (15), với η i là hiệu suất của mỗi chuỗi nối tiếp. hỗn hợp §C At η1 A t1 η'2 η'3 A t2 η''2 η''3 η'2'' η''3' A t3 Hình 1-6. Hệ cơ cấu lắp 1.4. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY XÂY DỰNG A1 A2 A3 1.4.1. Công dụng và phân loại Máy xây dựng là các máy và thiết bị phục vụ cho công tác xây dựng các công trình dân dụng, công nghiệp, quốc phòng, thuỷ lợi và giao thông vận tải,… Máy xây dựng có rất nhiều chủng loại và đa dạng, có thể phân loại theo những cơ sở khác nhau như: theo công dụng, theo nguồn động lực, theo hệ thống điều khiển,…. Trong phần này ta chỉ xem xét cách phân loại theo công dụng: 1. Máy nâng - vận chuyển Máy vận chuyển ngang: có hướng vận chuyển luôn luôn song song với mặt đất, di chuyển trên đường bộ (ô tô, máy kéo), trên đường sắt (xe goòng, xe lửa), trên mặt nước (xà lan, tầu thuỷ) và trên đường không (máy bay vận tải, trực thăng),… Máy vận chuyển đứng (máy nâng): kích, tời, palăng, vận thăng, thang máy, các loại máy trục. Máy vận chuyển liên tục: có hướng vận chuyển, có thể là ngang, nghiêng hay thẳng đứng (băng tải, gầu tải, vít tải,…) dùng để vận chuyển vật liệu rời, vụn. 2. Máy làm đất: là các máy chuẩn bị mặt bằng xây dựng, đào vận chuyển đất: Máy đào và xúc đất (máy xúc một hoặc nhiều gầu); Máy đào và vận chuyển đất (máy ủi, máy cạp và máy san); Máy đầm đất (máy đầm lăn ép, máy đầm xung kích và máy đầm chấn động). 3. Máy gia cố nền móng: máy đóng cọc, máy ép cọc, máy khoan cọc nhồi, … 4. Máy sản xuất vật liệu: máy nghiền, sàng và rửa đá, máy trộn, máy đầm và vận chuyển bê tông. 1.4.2. Cấu tạo chung Máy xây dựng có nhiều chủng loại khác nhau, nhưng nhìn chung đều có một số bộ phận chính như: - động cơ hay thiết bị động lực, - hệ thống truyền động, cơ cấu di chuyển, cơ cấu quay, - cơ cấu công tác nâng hạ, băng vận chuyển, gầu xúc… - hệ thống điều khiển, khung dàn, bệ máy ( phần kết cấu thép), - và các thiết bị phụ. 1.4.3. Chế độ làm việc và các chỉ tiêu 1. Chế độ làm việc Mỗi quá trình làm việc của máy được đặc trưng bằng các chỉ tiêu khác nhau: lực, tốc độ, sự thay đổi phương chiều và giá trị của chúng, thời gian mang tải của các nguyên công. Các chỉ tiêu này phụ thuộc vào đối tượng thi công, tính chất cơ lý của chúng, điều kiện làm việc, kết cấu máy. Trong trường hợp tổng quát, ta xác định tải trọng tác dụng lên cơ cấu làm việc, kết cấu máy hay động cơ và thời gian làm việc. Tải trọng và thời gian làm việc được đặc trưng bằng chế độ làm việc của máy. Có thể chia chế độ làm việc của máy làm sáu loại, tuỳ thuộc từng loại máy và từng loại công việc: - rất nhẹ, - nhẹ, - trung bình, nặng vừa, - nặng - và rất nặng. Mỗi loại máy lại có đặc tính cấu tạo và đặc điểm hoạt động riêng, vì vậy việc xác định chế độ làm việc phải căn cứ vào mỗi loại máy cụ thể, đặc điểm hoạt động và tính chất công việc của chúng. 2. Các chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật Các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của máy xây dựng, không kể công dụng và đặc điểm của cơ cấu công tác là: khối lượng, kích thước, độ phức tạp, tính thích ứng sửa chữa, tuổi thọ, công suất riêng và năng suất của máy. a) Khối lượng máy: Có hai loại, khối lượng làm việc và khối lượng kết cấu. Khối lượng làm việc có dự trữ đầy đủ nhiên liệu hay vật liệu sử dụng. Khối lượng kết cấu hay khối lượng khô: không có nhiên liệu hay vật liệu sử dụng. Khối lượng hay trọng lượng của máy, nói chung càng giảm càng tốt, có liên quan đến công suất và khả năng di chuyển của máy (trừ một số máy cần tăng trọng lượng như máy đầm, máy đào, …). b) Kích thước máy được phân làm hai loại: Kích thước bản thân máy (chiều cao, chiều rộng và chiều dài), không thay đổi. Kích thước làm việc của máy, có liên quan đến kích thước bộ công tác và vị trí tương ứng của nó khi làm việc. c) Công suất riêng của máy: Công suất riêng của máy là công suất được tính trên một đơn vị khối lượng hay kích thước hoặc dung tích của bộ công tác. Công suất riêng của máy lớn thì máy chịu tải tốt nhưng khối lượng hay kích thước lại nhỏ, gọn.