Thiết kế tàu hút bùn - Chương 2

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế tàu hút bùn

CHƯƠNG 2:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỤM PHAY CẮT ĐẤT

2.1 SƠ ĐỒ CỤM PHAY:

Hình 2.1 – Sơ đồ cụm phay.

1 – Hộp giảm tốc; 2 – Khớp nối; 3 – Động cơ điện;

4 – Ổ đỡ trục; 5 – Trục; 6 – Hộp chịu lực; 7 – Dao phay.

2.2 CHỨC NĂNG CỤM PHAY:

- Cụm phay có chức năng cắt đất và khuấy trộn tạo thành hỗn hợp bùn đểbơm hút đổ lên bờ

- Đầu cụm phay có mang một dao phay có các lưỡi cắt để cắt đất Dao phaylà chi tiết quan trọng nhất của cụm phay, đóng vai trò quan trọng đối với năng suấtcủa tàu hút bùn Vì vậy, việc thiết kế chế tạo các biên dạng lưỡi phay, các góc độthích hợp, sự bố trí các lưỡi cắt… thích hợp với từng loại đất thi công là điều hết sứccần thiết

2.3 CHỌN LỰA DAO PHAY:

- Hiện nay, lý thuyết về dao phay còn đang là vấn đề nghiên cứu và tiếp tụchoàn thiện của các nhà khoa học trên thế giới Các công thức tính toán dao phaymỗi nơi, mỗi nước trên thế giới có những kinh nghiệm riêng của mình Những côngthức thực nghiệm gần đúng đó được thực tế sử dụng, kiểm tra và đánh giá

- Hiện nay, mặc dù có nhiều dạng lưỡi phay đang trang bị trên các tàu cuốcnước ngoài nhưng muốn nghiên cứu sử dụng các dạng lưỡi phay này, sử dụng cáccông thức của nước ngoài cho các lưỡi phay này chúng ta cần phải nghiên cứu, hiệuchỉnh các thông số cũng như kết cấu dao cho thích hợp với thực tế đất đai nơi ta thicông và nhất là trong điều kiện khả năng công nghệ ở nước ta cho phép.

- Mới đây, nhóm nghiên cứu tàu hút bùn của trường Đại học Bách KhoaThành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu chế tạo thành công loại dao phay sử dụngcho đất sét dính và cứng cho tàu hút bùn

- So với các loại dao phay của Pháp, Nga… dao mới có những ưu điểm nổibậc sau:

+ Có khả năng thi công đất sét dính, cứng dễ dàng và hiệu quả hơn (ít bịkết dính, bó lưỡi, tốc độ mòn ít hơn)

+ Nhờ có thêm các lưỡi cắt mặt đầu nên các phôi đất được tách ra khỏilớp đất dễ dàng hơn, ít tốn năng lượng hơn

+ Nhờ có thêm các lưỡi vòng nên phôi đất tạo ra được nhỏ và đều đặnhơn tạo điều kiện cho bơm hút dễ dàng, ngoài ra còn làm cho dao thêm cứng vững,có khả năng chặt được các cây nhỏ

+ Quy trình chế tạo đơn giản, vật liệu rẻ tiền sẵn có, gia công dễ dàng(gò, rèn, hàn…) phù hợp với điều kiện sản xuất nhỏ

+ Giá thành rẽ, tuổi thọ cao

- Trên cơ sở trên, ta chọn loại dao phay này cho thiết bị ta thiết kế với kíchthước phù hợp với năng suất tàu

2.4 LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ CỦA DAO:

2.4.1 Lưỡi cắt chính:

- Số lưỡi: 5

- Bề dày lưỡi: 6mm

- Góc cắt:   35 0

- Góc sắt của lưỡi:   25 0

- Góc nghiêng lưỡi so với trục quay:   20 0

- Số lưỡi: 5

- Bề dày lưỡi: 6mm

- Góc cắt:   35 0

- Góc sắt của lưỡi:   25 0

2.4.3 Lưỡi cắt vòng:

2.5 TÍNH BỀ DÀY PHOI ĐẤT CẮT:

Đốivới các loạithiết bị tàuhút lớn, người ta áp dụng phương án thi công: cho lưỡi phay ấn vào đất một lượng z,sau đó cho tàu rê ngang để lần lượt cắt hết lớp đất như hình vẽ:

Hình 2.3

Đối với phương án thi công này, để có thể rê ngang được dàn phay thì phảitác dụng vào lưỡi phay một lực ngang thắng được tổng các thành phần hình chiếucủa lực cản đào tiếp tuyến F1 và lực cản đào pháp tuyến F2 xuống phương ngang,thường tổng thành phần hình chiếu xuống phương ngang này khá lớn nên người tacho tàu rê quanh một cọc neo, dùng dây cáp để quay rê tàu quanh cọc đó tức làphải trang bị thêm động cơ, hộp giảm tốc và nhiều bộ phận khác cho cơ cấu rê tàu

Hình 2.4

Đối với thiết bị tàu hút bùn của ta thiết kế có năng suất nhỏ, yêu cầu gọnnhẹ và nhất là vốn đầu tư chế tạo thấp nên ta áp dụng phương án thi công bằng taytức là dùng tay tác dụng vào điểm A của dàn phay làm thay đổi vị trí dao phay nhưhình vẽ (hình 2.4)

Hình 2.5

Do tổng thành phần hình chiếu của lực F1 và F2 (chủ yếu là F2) xuốngphương ngang lớn, đồng thời tỉ lệ với cánh tay đòn OB OA lớn (gần 2,5 lần) nên bằngsức tay trực tiếp ta không thể đẩy dàn phay quay quanh được điểm O của trục chữ

T nhằm làm thay đổi vị trí dao phay trong mặt phẳng ngang

Do đó để giải quyết vấn đề này, ta đổi phương án thi công thay vì thay đổi vịtrí dao theo phương ngang ta thay đổi vị trí dao theo phương thẳng đứng như sau:cho dao phay dần dần ăn sâu vào đất theo phương đứng từ trên đi xuống, sau đónhất dao lên quay dao đi một góc quanh trục T theo phương ngang rồi tiếp tục chodao phay ấn sâu vào đất…

Phương án này có nhược điểm là thời gian chết (không làm việc) của daophay lớn (lúc nhấc dao phay từ dưới lên theo phương đứng) nên ảnh hưởng đếnnăng suất của tàu hút bùn Tuy nhiên, việc áp dụng phương án thi công này chophép chúng ta sử dụng sức người để thi công:

- Khi quay dàn phay theo trục T trong phương ngang do lúc này dao phaykhông cắt đất thì dùng sức người dể dàng

- Khi cho dao phay ăn sâu vào đất, để thắng được thành phần tổng hìnhchiếu của F1, F2 theo phương đứng ta sử dụng đối trọng di chuyển trên dàn phay:

+ Khi cho dao phay ăn sâu vào đất thì đưa đối trọng ra gần dao phayđể dùng trọng lượng đối trọng thắng thành phần tổng hình chiếu F1, F2 trênphương đứng

+ Khi cho dao phay nhấc lên thì đưa đối trọng chạy về phía trục T(phía tâm quay) để lúc này dùng sức người nhấc dàn phay và quay dàn phay đi mộtgóc trong phương ngang được nhẹ nhàng

Tính chiều dày phôi cắt lớn nhất, ta áp dụng công thức (8-28)[01]:

2 180 arccos

.

.

2





R

z R R

z: khoảng cách từ điểm A đến B (điểm mà cần tìm bề dày phoi đất cắt tại đó)(trong trường hợp thi công của ta chính là y)

đ

V : thể tích phoi đất cắt

 : bề dày phoi đất cắt

Nhìn vào công thức (2.2), ta nhận thấy bề dày phoi đất cắt lớn nhất tại vị trímà z  R (vị trí C), n  90 0

Do tính chất đất thi công là loại bùn nhão nên ta chọn độ dịch chuyển củadao theo phương ngang sau mỗi lần nhấc dao lên là: z  2R

Trong công thức (2.2), nếu ta cho z R 0 , 1625m thì V đ V2

Với V: là thể tích phoi đất do một lưỡi cắt tạo ra trong một vòng quay củadao nhằm đảm bảo năng suất của thiết bị, V được tính như sau:

m n

k q V

60

 : năng suất thiết bị

k: hệ số kể đến ảnh hưởng của thời gian không làm việc của dao (lúc nhấcdao lên), ta chọn k  1 , 5

5



m : số lưỡi dao

ph vg

n2 35 / : tốc độ quay của dao

Ta tính được:

3 00214 ,

V 

3

00107 , 0

1625 , 0 3 , 0

00107 , 0 2

2.6 TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN DAO PHAY:

Lực tác dụng lên dao phay gồm hai thành phần chính sau:

2.6.1 Thành phần lực cản đào theo phương tiếp tuyến F1:

1

F tính theo công thức (8.33)[01]:

2 3

2 1

2

1

.

L

L: chiều dài dao phay, L 30cm

m: số dao phay, m 5

k2: sức cản nén của đất tính trên 1cm2, tra bảng (8-1)[01] ta có

2

2 0 , 5daN/cm

k 

t: chiều dày mép cắt của lưỡi phay, chọn t  0 , 3cm

k3: hệ số cản của bề dày lưỡi phay, tra bảng (8-2)[01] ta chọn k3  0 , 3

h

 : trọng lượng riêng hỗn hợp bùn, h  1225daN/m3

S: diện tích bề mặt các lưỡi phay, ta tính gần đúng như sau:

Với:

m: số lưỡi dao, m 5

L: chiều dài dao, L 0 , 3m

B: bề rộng lưỡi, B  0 , 04m

2 06 , 0 04 , 0

n2  35 /

s m

60

35 325 , 0 14 , 3

N daN

2

1 3 , 0 75 5 , 0 2 , 1 4 75 2 ,

2.6.2 Thành phần lực cản đào pháp tuyến:

Theo kinh nghiệm:

F2  0 , 4 1  0 , 4 872 , 2  348 , 88

Ngoài ra, do dao phay còn có các lưỡi cắt mặt đầu nên sẽ tạo ra một thànhphần lực dọc trục (do thành phần lực pháp tuyến của lưỡi cắt cong mặt đầu tạonên); thành phần lực cản đào tiếp tuyến của lưỡi dao cong mặt đầu và của lưỡi daovòng sẽ làm cho thành phần lực cản đào tiếp tuyến của dao phay tăng lên một hệsố k, ta chọn: k  1 , 4

Do đó, giá trị của thành phần lực cản đào tiếp tuyến là:

N

F1  1 , 4 872 , 2  1221 , 08

2.7 TÍNH CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CỤM PHAY:

Công suất động cơ cụm phay tính theo công thức:





1000 60

.



ph vg

n2  35 /

: hiệu suất bộ truyền, chọn   0 , 8

Thế vào công thức (2.9) ta tính được:

kW

8 , 0 1000 60

35 1625 , 0 08 , 1221 2 , 1 14 , 3 2





2.8 CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỘP GIẢM TỐC CHO CỤM PHAY:

Tra bảng 2p [03] ta chọn loại động cơ không đồng bộ ba pha roto đoản mạchđiện áp 220/380V có ký hiệu: A02-22-4 có các thông số kỹ thuật như sau:

- Tỉ số giữa momen cực tiểu và momen định mức: min 1 , 2



đm

M M

- Khối lượng động cơ: G 23kg

Tra bảng Atlat Máy Xây Dựng, ta chọn hộp giảm tốc PM250 có các thông sốkỹ thuật:

- Tỉ số truyền: i  40 , 17

- Tốc độ trục vào: n 1500vg/ ph

- Công suất định mức: N  2 , 5kW (chế độ 25%)

- Momen xoắn giới hạn trên trục quay chậm: 330kgm

- Khối lượng: 102kg

2.9 TÍNH TOÁN TRỤC DAO PHAY, HỘP CHỊU LỰC:

Kết cấu trục:

a Chọn kết cấu trục như sau:

Hình 2.7

b Sơ đồ tính toán trục:

c Biểu đồ nội lực:

- Momen uốn M u:

Nm l

Lực tác dụng lên các trục gồm:

- Thành phần lực cản đào tiếp tuyến của dao gây nên momen xoắn:

2

.

1 tb x

1 F F

Ngoài ra còn có lực dọc trụcF d do các thành phần lực cản đào pháp tuyếncủa các lưỡi mặt đầu gây nên Tuy nhiên, so với F1, F2 lực này không lớn nên khitính toán ta bỏ qua lực này

Xác định các phản lực tại các khớp A, B:

0 

td B

  : ứng suất cho phép,    50N/mm2 (thép 35)

Thế vào (2.11) ta tính được:

mm

d B  39 , 3

2.10 TÍNH CHỌN Ổ LĂN:

Ta chọn loại ổ bi đỡ, ổ được chọn để tính là ổ tại B có phản lực lớn nhất.Hệ số khả năng làm việc của ổ tính như sau:

.n h Q

Trong đó:

n: số vòng quay ổ bi, nn2  35vg/ph

h: số giờ làm việc của ổ bi, h  10000giờ

Q: tải trọng tương đương tính theo công thức sau:

k v R m Ak n k t

R: tải trọng hướng tâm, RN B  2600 N 260daN

A: tải trọng dọc trục, ta xem gần đúng A 0

m: hệ số chuyển tải trọng dọc trục về tải trọng hướng tâm, theo bảng (8-2)[03] chọn m = 1,5

t

k : hệ số tải trọng động, theo bảng (8-3)[03] chọn k t  1 , 2

n

k : hệ số nhiệt độ, theo bảng (8-4)[03] chọn k n  1 , 05

k: hệ số xét đến vòng nào quay theo bảng (8-5)[03] chọn k v  1

Thế các số liệu vào (2.14) tính được:

Q 327 , 6

Thế vào (2.13) tính được:

6 , 15085



C

Tra bảng 14p [03] ta chọn loại ổ bi đỡ cỡ nhẹ có số hiệu 209 với các thông sốkỹ thuật sau:

- Đường kính vòng trong: d  45mm

- Đường kính vòng ngoài: D 85mm

- Bề rộng ổ: B 23mm

- Hệ số khả năng làm việc: Cbảng  39000 C  15085 , 6

2.11 LỰA CHỌN THEN VÀ KIỂM TRA THEN:

Với đường kính nơi lắp then là  40, tra bảng (7-23)[03] ta chọn then bằngvới kích thước như sau:

M x

d

.

2



Với:

mm Nm

M x  269  269000

mm

l  50

mm

k  4 , 4 : chiều sâu rãnh then

Thế các số liệu vào tính được:

2 100 / /

269000

.

2

mm N l

b d

2.12 DÀN PHAY:

2.12.1 Nhiệm vụ:

Dàn phay là một kết cấu dàn gồm các thanh thép định hình [ và L hàn lại vớinhau, nó dùng để đỡ toàn bộ cụm phay gồm: động cơ, hộp giảm tốc, trục, ổ đỡ, lưỡiphay, ống hút… ngoài ra nó còn dùng để thay đổi vị trí lưỡi phay theo phương đứngvà ngang trong quá trình làm việc

2.12.2 Định các kích thước của dàn phay:

a Chiều dài dàn phay L:

Do mỗi lần thi công ta hạ lưỡi phay xuống theo phương đứng một đoạnkhoảng 1m, với góc nghiêng lớn nhất so với phương ngang là 0

5 , 0

0

Vậy chiều dài dàn phay từ trục T đến dao phay:

m L

với mức nước cao nhất là khoảng 0,8m, nghĩa là chiều sâu nạo vét của thiết bị phảiđạt đến 1  , 8 2m

Vậy ta nên thiết kế dàn phay có chiều dài đạt được chiều sâu nạo vét 2m.Nếu ta thiết kế dàn phay có chiều dài nạo vét được 2m thì chiều dài dànphay từ trục T đến dao phay L’ dài:

Hình 2.9

m

45 cos

5 , 0

Với chiều dài dàn phay L' 3 , 6m

 lớn như vậy sẽ dẫn đến bất lợi:

- Thiết bị trở nên cồng kềnh hơn

- Giá thành thiết bị tăng lên

1 – Phao; 2 – Dàn phay; 3 – Tời di chuyển đối trọng; 4 – Cáp;

5 – Đối trọng; 6 – Puly đầu dàn phay; 7 – Lưỡi phay.

Hình 2.10

1 – Phao; 2 – Tang nâng hạ dàn phay; 3 – Giá;

4 – Puly; 5 – Cáp; 6 – Dàn phay; 7 – Lưỡi phay.

Hình 2.12

- Do chiều sau đào lớn (2m) nên khi lưỡi phay đi đến độ sâu cần đào thìlúc này đối trọng sẽ nằm trong bùn làm cho việc di chuyển đối trọng đi về phíakhớp quay trở nên khó khăn, mất nhiều thời gian, giảm năng suất máy.

- Khi dao phay cắt đất bùn nhão, dao phay càng ăn sâu vào đất thì xuấthiện một “lực hút” (hay lực do đất bùn từ phía chưa thi công đổ đè lên lưỡi phay)hút dàn phay ăn sâu vào đất càng lớn, lúc này đối trọng trở nên cùng tác dụng vớilực hút nghĩa là đối trọng mất đi vai trò của nó, lúc này muốn nâng dàn phay lênphải tác dụng vào điểm A của dàn phay một lực rất lớn quá khả năng với lực ngườicông nhân điều khiển dàn phay

Vì thế với trường hợp dàn phay dài để thi công đạt độ sâu 2m; việc dùng cơcấu di chuyển đối trọng động để nâng hạ dàn phay gặp nhiều khuyết điểm, hạnchế, có khi không thực hiện được Lúc này ta có thể thay cơ cấu nâng hạ dàn phaybằng cơ cấu tời quay như hình vẽ (2.13) Nhưng nếu ta trang bị cơ cấu nâng hạ dànphay như hình vẽ (2.13) thì lúc thi công cắt đất ta phải rê tàu quanh cọc chứ khôngthể thực hiện được chuyển đổi quay dàn phay trong mặt phẳng ngang (thực hiệnchuyển động tương đối với tàu) để thay đổi vị trí cắt đất; như vậy ta phải trang bịthêm cơ cấu rê tàu, từ đó sẽ làm cho thiết bị phức tạp và nhất là giá thành thiết bịsẽ tăng

Trong khi đó nếu ta thiết kế dàn phay có L 2 , 2m, thực hiện chiều sâu đàolớn nhất là 1m, chiều sâu dao phay ngập vào đất mỗi lần ăn dao khoảng 0,5m (vừangập trọn vẹn dao phay vào lớp đất) ta sẽ khắc phục được những nhược điểm trên:

- Do dao phay mỗi lần ăn dao chỉ vừa ngập dao nên nếu có bị tắt máy tacũng dễ dàng nâng dàn phay lên được Việc khống chế dao phay chỉ ăn sâu vào đấtkhoảng 0,5m được thực hiện nhờ mắc vào điểm A của dàn phay với thân phaochính qua một sợi dây cáp (hình 2.13)

- Không thể chỉ một lần nạo vét đạt được yêu cầu 2m mà phải thi côngnhiều lần

Do đó, ta chọn phương án dàn phay ngắn

b Chiều cao dàn phay:

Ta chọn H  400mm

c Bề rộng dàn phay:

Ta chọn b  400mm

d Kết cấu dàn phay:

Ta định sơ bộ kết cấu dàn phay như sau:

(Đây là sơ đồ tính toán gần đúng còn sơ đồ thực tế dàn phay xem bản vẽ dàn phay)

Hình 2.14

e Xác định các lực tác dụng lên dàn phay:

Khi làm việc, dàn phay chịu tác dụng của nhiều lực:

- Lực cản đào pháp tuyến và tiếp tuyến tác dụng lên lưỡi cắt

- Lực đẩy Acsimet tác dụng lên dàn phay

- Lực quán tính

- Trọng lượng dàn phay, cụm phay

- Trọng lượng đối trọng…

Khi tính toán ta bỏ qua lực quán tính (vì dàn phay quay rất chậm) và lực đẩyAcsimet vì hai thành phần lực này tương đối nhỏ so với các thành phần lực khác

Sơ bộ ta chọn:

- Khối lượng dàn phay G p  200kg phân bố thành các thành phần

5 4 3

2

1p,G p,G p,G p,G p

- Khối lượng trục, khớp nối, ổ đỡ, puly là 50kg phân bố thành các thànhphần G t1 ,G t2 ,G t3 ,G t4 ,G t5

- Khối lượng lưỡi phay và mặt bích là 30kg phân bố thành G ph

- Khối lượng ống hút và nước trong ống hút là 40kg phân bố thành cácthành phần G1n,G n2 ,G n3 ,G n4 ,G n5

- Khối lượng động cơ và hộp giảm tốc 125kg phân bố thành Gđc1 ,Gđc2

- Lực cản đào pháp tuyến tác dụng lên lưỡi phay: F2  47 , 2kg

- Khối lượng đối trọng di chuyển: Gđtđ  50kg

Sơ đồ lực để tính tải trọng tĩnh như hình 2.16, ở đây lực G E thay bằng '

93 , 0 73

, 0 93 , 0 93 , 0 73

, 0 93 , 0 93 , 0

tt

G G

G G

G  4 1đtt  4 35 , 8  143 , 2

Chọn G 145kg (sở dĩ ta nhân với 4 chứ không phải 2 vì sơ đồ trên tính cho1/2 dàn)

Mục đích dùng tải trọng:

- Khi cắt đất, lực cản cắt pháp tuyến tác dụng lên lưỡi phay là F2  47 , 2kg

, như vậy muốn cho dàn phay có thể đi sâu xuống mặt nước để cắt sâu thêm vàođất thì bản thân toàn bộ trọng lượng dàn phay và các bộ phận đặt trên dàn phayphải tạo được một momen đối với điểm B (quanh trục T) ít nhất bằng momen củalực F2 đối với điểm B (trục T) Như vậy lúc nâng dàn phay lên, nếu ta dùng dâycáp bắt vào dàn phay tại điểm F như hình 2.18