Luận án: Nghiên cứu xác định thông số hợp lý cho máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam

Tính cấp thiết của đề tài Giao thông đường sắt là hệ thống hạ tầng giao thông quan trọng của mỗi Quốc gia. Để đáp ứng nhu cầu vận tải hàng hóa và hành khách trong quá trình phát triển kinh tế Việt Nam, từ năm 2009, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt và triển khai kế hoạch phát triển mạng lưới đường sắt đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 [46]. Theo kế hoạch này, sẽ cải tạo nâng cấp các tuyến đường hiện có, xây dựng mới một số tuyến với tổng chiều dài lên đến 2096 km kết nối giữa các thành phố lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Hải Phòng với các khu công nghiệp và các tỉnh lân cận.

Như vậy, khối lượng công tác lắp đặt đường sắt sẽ rất lớn, đòi hỏi phải có công nghệ thi công cùng với các thiết bị cơ giới phù hợp với điều kiện đầu tư và tổ chức thi công lắp đặt kết cấu tầng trên đường sắt Việt Nam, từ đó mới có thể hoàn thành kế hoạch phát triển hệ thống đường sắt đã đề ra. Trên thế giới, hiện có nhiều tập đoàn xây dựng đường sắt nổi tiếng với những thương hiệu như Robel, Plasser&Theurer, Shinkansen. Ở mỗi tập đoàn này, họ có những công nghệ xây dựng cùng với thiết bị và máy thi công đường sắt theo những cách riêng biệt. Ở Việt Nam trong những năm qua ngành đường sắt đã nhập một số thiết bị nâng giật chỉnh ray, chèn đá, thay tà vẹt của nước ngoài, nhưng qua sử dụng cho thấy những công nghệ đó vẫn chưa thể áp dụng đồng bộ cho xây dựng đường sắt ở Việt Nam.

Riêng các máy lắp đặt tà vẹt đường sắt dùng cho xây dựng mới hoặc đại tu đường sắt thì hầu như chưa nhập máy nào của nước ngoài, nhất là các máy hiện đại. Nguyên nhân chính là do điều kiện kinh tế Việt Nam còn nhiều hạn chế, vốn đầu tư cho xây dựng đường sắt còn ít và chủ yếu là vốn vay. Trong khi đó, vốn đầu tư các máy móc thiết bị của nước ngoài cũng rất lớn, chi phí vận hành và vật tư phụ tùng cho sửa chữa đắt tiền. Ngoài ra, việc đầu tư các máy thi công đường sắt còn phụ thuộc vào trình độ quản lý, trình độ tay nghề của người thợ Việt Nam và khối lượng thi công.

Đứng trước những yêu cầu cấp bách và khó khăn đó, Bộ giao thông vận tải đã tổ chức các buổi hội thảo với sự tham gia của nhiều chuyên gia trong ngành đường sắt để nghiên cứu tìm giải pháp cơ giới hóa thi công đường sắt sao cho phù hợp với đặc thù của Việt Nam. Nhìn chung, các chuyên gia và cơ quan quản lý đều thống nhất quan điểm cho rằng, cần phải lựa chọn được công nghệ thi công và chủng loại máy phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam, ưu tiên sử dụng các máy được thiết kế chế tạo trong nước như vậy mới bảo đảm tính ổn định và phát triển bền vững. Vấn đề là phải xác định được chủng loại và thông số hợp lý của máy đó để đảm bảo được tính hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật. Vì vậy việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu xác định các thông số hợp lý cho máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam” là cần thiết và có tính thực tiễn cao.

Mục đích của đề tài Nghiên cứu xây dựng được cơ sở khoa học cho việc xác định các thông số hợp lý của máy MĐR đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam, đây chính là thiết bị do Việt Nam chế tạo; Kết quả nghiên cứu của luận án nhằm góp phần nâng cao chất lượng thiết kế chế tạo máy lắp đặt tà vẹt trong nước phù hợp với điều kiện Việt Nam. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu: Máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam có mã hiệu MĐR do Việt Nam chế tạo.2 Phạm vi nghiên cứu: - Luận án tập trung nghiên cứu máy MĐR đặt cụm tà vẹt có các thông số kỹ thuật thể hiện ở Bảng 2-5; - Tà vẹt sử dụng cho khổ đường 1435mm trên tuyến thẳng của đường sắt Việt Nam là tà vẹt bê tông cốt thép dự ứng lực; - Nền đặt ray di chuyển của máy khi lắp tà vẹt có hai trường hợp là: nền đất đã đầm chặt hoặc nền đá ballast đầm sơ bộ. Phương pháp nghiên cứu - Áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích các điều kiện đặc thù thi công xây dựng đường sắt Việt Nam; - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết để xác định các thông số động lực học của máy và của hệ thống truyền động thủy lực mà trực tiếp là hệ số động lực.

Kết quả thực nghiệm đo đạc các thông số động lực học và các thông số làm việc của máy là cơ sở để đánh giá tính đúng đắn của các mô hình đã thiết lập. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số động lực để xác định thông số hợp lý của máy đặt tà vẹt. Mục tiêu nghiên cứu - Chọn được dạng máy đặt cụm tà vẹt phù hợp với xây dựng đường sắt Việt Nam; - Xác định được các thông số hợp lý (thông số kết cấu và thông số làm việc) cho máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam theo quan điểm động lực học. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Kết quả nghiên cứu thu được của luận án là xác định được các thông số hợp lý cho máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam phù hợp với chiến lược phát triển mạng lưới đường sắt Việt Nam đến năm 2030; - Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu tham khảo có ích cho việc giải quyết các yêu cầu về tính hợp lý khi thiết kế chế tạo và khai thác hiệu quả máy MĐR trong điều kiện Việt Nam; 3 - Có thể tiếp tục phát triển kết quả nghiên cứu của luận án cho các loại máy và thiết bị đặt ray và cụm tà vẹt theo công nghệ đặt ray tương tự.

Điểm mới của luận án - Luận án đã tổng hợp, phân tích các công nghệ và máy lắp đặt tà vẹt đường sắt ở trong và ngoài nước đồng thời phân tích các đặc điểm kinh tế, địa hình tự nhiên ảnh hưởng đến việc lựa chọn máy đặt tà vẹt đường sắt Việt Nam. Từ việc áp dụng phương pháp phân tích thứ bậc AHP để đánh giá lựa chọn dạng máy đặt tà vẹt, luận án đã khẳng định máy MĐR do Việt Nam chế tạo là phù hợp với đường sắt Việt Nam; - Luận án nghiên cứu động lực học hệ thống thủy lực và động lực học máy MĐR khi đặt cụm tà vẹt, kết quả là xây dựng được mô hình động lực học hệ thống thủy lực cơ cấu nâng hạ và cơ cấu di chuyển của máy MĐR, đồng thời xây dựng mô hình động lực học máy MĐR trong các trường hợp làm việc điển hình. Tiến hành giải hệ phương trình chuyển động và xác định được các đặc trưng động lực học của hệ; - Tiến hành thực nghiệm máy MĐR làm việc theo các điều kiện thực tế thi công gồm có thay đổi nền, số lượng tà vẹt trong cụm, chế độ dừng hãm khi làm việc; - Luận án đã xây dựng qui trình các bước xác định thông số hợp lý của máy MĐR đặt cụm tà vẹt theo quan điểm động lực học đồng thời phù hợp với điều kiện đặc thù về địa hình, điều kiện thi công, kết cấu tầng trên đường sắt Việt Nam và xác định được bộ thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý của máy (Bảng 4-4). Bố cục của luận án Luận án được bố cục theo các nội dung sau: Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Nghiên cứu nhu cầu công tác cơ giới hóa xây dựng đường sắt, phân tích các công nghệ thi công của đường sắt trên thế giới và trong nước, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng công tác cơ giới hóa của ngành đường sắt trong nước hiện nay; Nghiên cứu tổng quan các công trình khoa học liên quan đến đề tài luận án đã được các tác giả trong và ngoài nước thực hiện, xem xét kế thừa và bổ sung những vấn đề chưa được nghiên cứu để giải quyết mục tiêu của luận án.

Chương 2: Nghiên cứu chọn dạng máy và nghiên cứu động lực học máy MĐR đặt cụm tà vẹt Luận án xây dựng hệ tiêu chí chọn dạng máy đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam. Phân tích các công nghệ điển hình và máy lắp đặt tà vẹt đường sắt theo hệ tiêu chí đánh giá. Nghiên cứu áp dụng phương pháp thứ bậc AHP chọn dạng máy đồng thời ứng dụng phần mềm Expert-Choice hỗ trợ tính toán xác định chỉ tiêu tổng hợp đánh giá phương án máy. Kết quả xác định được phương án máy MĐR có chỉ tiêu tổng hợp cao nhất được ưu tiên lựa chọn phục vụ lắp đặt tà vẹt đường sắt Việt Nam; 4 Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy MĐR đặt cụm tà vẹt, đánh giá các trường hợp làm việc điển hình; Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực cơ cấu nâng hạ hàng, hệ thống truyền động thủy lực mô tơ di chuyển máy.

Nghiên cứu động lực học máy MĐR trong các trường hợp làm việc điển hình. Sử dụng phương trình Lagrange loại 2 để lập hệ phương trình vi phân chuyển động của máy, ứng dụng phần mềm Matlab_Simulink để tính toán và mô phỏng giá trị các thông số động lực học bằng đồ thị. Chương 3: Thực nghiệm máy MĐR khi đặt cụm tà vẹt Trình bày phương án và kết quả việc triển khai thực nghiệm máy MĐR lắp đặt cụm tà vẹt. Các kết quả bằng số thu được từ thực nghiệm được sử dụng để so sánh với giá trị của thông số được tính toán từ lý thuyết, qua đó kiểm chứng độ tin cậy của mô hình động lực học máy, của thuật toán và công cụ phần mềm tính toán.

Chương 4: Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng động lực học và xác định các thông số hợp lý của máy MĐR. Nội dung chương này trình bày kết quả khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến thông số động lực học của mô hình. Từ các kết quả thu được, tác giả tiến hành phân tích đành giá miền giá trị của các thông số của máy theo quan điểm động lực học. Phân tích các điều kiện thi công thực tế trên tuyến đường sắt Việt Nam để lựa chọn các thông số hợp lý của máy MĐR đặt cụm tà vẹt đường sắt Việt Nam.

Kết luận và kiến nghị: Trình bày các kết luận chính của luận án, các đóng góp mới của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo.