Báo cáo khoa học: "nghiên cứu xác định các đặc trưng dao động của máy sàng rung có h-ớng và xây dựng chương trình mô phỏng hoạt động trên máy tính điện tử" pot

Kết quả của công trình nμy không chỉ giúp các cán bộ kỹ thuật xác định được các thông số đặc trưng cho dao động của máy sμng mμ còn có được cái nhìn trực quan sinh động về quỹ đạo chuyể

nghiên cứu xác định các đặc trưng dao động của máy sμng rung có hướng

vμ xây dựng chương trình mô phỏng hoạt động

trên máy tính điện tử

TS Nguyễn văn vịnh

Bộ môn Máy xây dựng Khoa Cơ khí - Trường ĐH GTVT

Tóm tắt: Bμi báo trình bμy tóm tắt nội dung vμ kết quả nghiên cứu xác định các đặc trưng

dao động của máy sμng rung có hướng vμ mô phỏng hoạt động của nó trên máy tính điện tử (MTĐT) Kết quả của công trình nμy không chỉ giúp các cán bộ kỹ thuật xác định được các thông số đặc trưng cho dao động của máy sμng mμ còn có được cái nhìn trực quan sinh động

về quỹ đạo chuyển động của hạt vật liệu, các pha chuyển động của nó, thời điểm vật liệu tách khỏi mặt sμng Công trình nμy cũng rất hữu ích cho việc NCKH, phục vụ đμo tạo vμ ứng dụng vμo thực tế sản xuất cho ngμnh chế tạo máy vμ thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng ở Việt Nam

Summary: The article presents summarizes the content and results of the research on

vibration characteristics of directed vibrating classfiers and computer - based simulation of their operation The study enables technicians to determine typical ratio of the machines and also provides lively vision on moving orbit of aggregates, their movement phases, the time when aggregates get away from the device's surface The study also proves useful in research work, education and actual production in Vietnam

i đặt vấn đề

Trong những năm đổi mới vừa qua, cùng với việc mở rộng nâng cấp và xây dựng mới các công trình GTVT, Thuỷ lợi, xây dựng dân dụng là nhu cầu ngày càng tăng về các máy và thiết

bị sản xuất vật liệu xây dựng Máy sàng rung có hướng được sử dụng rộng rãi trong các trạm nghiền sàng di động, trạm trộn bê tông at - phan và chiếm một tỷ lệ đáng kể trong tổng giá thành của các trạm

Hiện nay, trong quá trình chế tạo các trạm nghiền sàng hoặc trộn trong nước, thay thế trạm trộn nhập ngoại, việc tính toán thiết kế và lựa chọn hợp lý các thông số của sàng rung vô hướng,

đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao đang là một vấn đề thời sự, một khó khăn đáng kể

đối với người thiết kế Nội dung tiếp theo mà chúng tôi sẽ trình bày là một trong những bước đi ban đầu nhằm xây dựng cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế loại sàng này, đáp ứng yêu cầu của thực tiễn

ii nội dung

2.1 Khái niệm chung về máy sàng rung quán tính

- Cấu tạo của máy sàng rung có hướng phức tạp hơn so với các loại máy sàng rung khác

(do cấu tạo của bộ phận gây rung có hướng) Mặt sàng của máy sàng có thể đặt nằm ngang nên giảm được chiều cao đặt máy, thường được dùng trong trạm nghiền sàng di động hoặc tại

các nơi công trình có chiều cao bị giới hạn Cấu tạo của máy được mô tả trên hình 1

Hình 1 Máy sμng rung có hướng

Hộp sàng (2) với các lưới sàng (6) được liên kết với khung cố định nằm ngang (5) qua các tay đòn (3) và lò xo giảm chấn (4) Bộ gây rung có hướng (1) gắn vào hai thành bên của hộp sàng (2) sao cho đường tác dụng của nó tạo với mặt sàng một góc 350

Cấu tạo của bộ gây rung có hướng thể hiện trên hình 2

Nó gồm hai trục lệch tâm giống nhau (2), các trục này đều đặt trên các ổ bi Một trong hai trục trên nhận chuyển động quay của động cơ qua puli (3) và truyền chuyển động cho trục thứ hai qua cặp bánh răng (4) Khi hai trục quay đồng tốc và ngược chiều, dao động có hướng được tạo thành Hướng dao động là hướng vuông góc với đường nốitâm của hai trục lệch tâm

Hình 2 Bộ gây rung có hướng

2.2 Xác định các đặc trưng dao động của máy sàng rung có hướng

Sàng rung có hướng là sàng thực hiện dao động điều hoà (theo hướng α) trong mặt phẳng tương ứng với đường tác dụng của lực kích động Trên hình 3 thể hiện chuyển dịch của sàng Có thể phân tích thành 2 chuyển dịch thành phần theo phương X và phương Y Các đại lượng đặc trưng cho dao động của sàng với giả thiết dao động điều hoà có thể viết như sau:

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎭

⎪⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎬

⎫

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

ω α ω

ư

=

=

ω α ω

ư

=

=

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

ω α ω

=

=

ω α ω

=

=

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

ω α

=

ω α

=

; sin sin A Y a

; sin cos A X a

; cos sin A Y V

; cos cos A X V

; sin sin A Y

; sin cos A X

2 r

ry

2 r

rx

r rY

r rX r r

(1)

Độ dịch chuyển:

Vận tốc:

Gia tốc:

trong đó:

A- biên độ dao dộng của sàng theo phương của lực kích động (trong những phần tiếp theo được gọi tắt là biên độ dao động);

ω- vận tốc góc của dao động;

α- góc định hướng

Hạt vật liệu tách khỏi mặt sàng ở thời điểm t0 của chu kỳ dao động khi hợp lực của các lực tác dụng theo phương vuông góc với mặt sàng bằng không Theo các ký hiệu trên hình 4, ngoài trọng lực tác dụng lên hạt vật liệu nằm trên mặt sàng đặt nghiêng góc β còn có lực quán tính thay đổi theo qui luật điều hoà sinh ra do gia tốc của sàng tác dụng vào hạt:

Từ phương trình cân bằng các lực tác dụng lên hạt vật liệu theo vuông góc với mặt sàng:

Sau đó thay Ft và sắp xếp lại, ta có:

sinωt0 = gcosβ

Với việc đưa vào khái niệm “hệ số ném lên” mà chúng ta hiểu là thương số giữa các thành phần theo phương vuông góc với mặt sàng của gia tốc sàng và gia tốc trọng trường thì thời điểm hạt vật liệu tách khỏi mặt sàng t0 có thể tính toán theo biểu thức sau:

trong đó:

Γ - Hệ số ném lên; Γ = Aω2sin(α+β)

Hình 3 Chuyển dịch của sμng rung có hướng trong hệ toạ dộ X-Y

Hình 4 Trường hợp mặt sμng đặt nghiêng một góc β

Trong giai đoạn ném lên (nảy lên) khỏi mặt sàng, hạt vật liệu chuyển động theo quy luật của một vật thể bị ném xiên, các đặc trưng chuyển động của hạt vật liệu có thể viết như sau:

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎭

⎪⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎬

⎫

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

ư

=

=

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

ư

ư

=

=

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

ư

ư

ư +

=

ư +

=

; g a

; 0 a

);

t t ( g V V

; V V

; ) t t ( 2

g ) t t ( V Y Y

);

t t ( V X X

YSZ XSZ

0 0

Y YSZ

0 x XSZ

2 0 0

0 Y 0 SZ

0 0 X 0 SZ

Độ dịch chuyển:

Vận tốc:

Gia tốc:

Các trị số X0, R0, VX0, VYO có mặt trong biểu thức (7) có thể tính toán từ các giả thiết ban

đầu của chuyển động Tại thời điểm ban đầu khi nảy xiên lên t = t0, ta có:

X0= Acosαsin(ωt0);

Y0 = Asinαsin(ωt0);

vY0 = Aωsinαcos(ωt0);

Tại thời điểm t’ khi mà sàng và hạt vật liệu tiếp xúc nhau thì quan hệ giữa chuyển động của sàng Yr và Xr với chuyển động của hạt vật liệu như sau:

Trong phương trình trên sau khi thay thế các biểu thức (2) và (7) vào thì chỉ còn một ẩn chưa biết là t' nhưng lời giải của nó không thể tìm được ngay bằng phương pháp giải tích, vì vậy

điểm tiếp xúc giữa hạt vật liệu và sàng chỉ có thể xác định được bằng phương pháp gần đúng (giải trên máy tính) hoặc bằng phương pháp đồ thị Bản chất của cả hai phương pháp này là chúng ta xem vị trí tương đối so với nhau của sàng và hạt vốn là hàm của thời gian cho đến khi nào khoảng cách giữa chúng ΔY ≈ 0 Đây chính là thời điểm tiếp xúc hay là thời điểm t' cần tìm Vận tốc dịch chuyển trung bình của hạt vật liệu có thể tính được từ chuyển dịch theo hướng sàng trong 1 chu kỳ dao động;

VSZ = ΣXSZ

Hay

VSZ = XSZ(t') + Acosαsin[ϖ(T - t')]

trong đó:

T- chu kỳ dao động; T = 2πω

XSZ(t’)- chuyển dịch theo phương ngang tại thời điểm t’ của vật liệu

Có thể giải được bằng giải tích trong trường hợp nếu sàng làm việc với hệ số ném lên tới hạn Lúc này tốc độ vận chuyển của các hạt đạt cực đại vì trong các chu kỳ chuyển động chỉ ở vào thời điểm va chạm các hạt hạt liệu mới tiếp xúc với mặt sàng Người ta gọi đó là vị trí “cộng hưởng tĩnh" bởi vì trong trường hợp này khoảng thời gian bị ném xiên lên bằng với thời gian của chu kỳ chuyển động, nghĩa là: t’ - to = T

Trên hình 5 mô tả chuyển dịch của mặt sàng đặt nằm ngang có góc nghiêng β = 00(đường nét đứt) và chuyển dịch theo phương thẳng đứng của hạt vật liệu (đường liền nét) biểu diễn theo thời gian Do quỹ đạo của hạt là đường parabol đối xứng nên độ nảy lên đạt cực đại (ymax) sẽ nằm ở giữa khoảng thời gian nảy lên của vật liệu, nghĩa là độ nảy của hạt vật liệu đạt tới hạn khi:

tm - t0 = T2 = π

Đối với trường hợp ném xiên, nếu hạt vật liệu ở điểm đỉnh của quỹ đạo (t = tm), thành phần

thẳng đứng của vận tốc của vật liệu bằng không (VYSZ = 0)

Hình 5 Sơ đồ giải thích hệ số ném lên tới hạn

Từ biểu thức (7), có thể tính được tm:

Thay vào biểu thức (12) và trị số VY0 vào công thức (13) ta có:

π = Aω2sinαcosωt0

Với việc sử dụng các công thức (5) và (6’) ta có thể viết lại công thức trên như sau:

π = ΓKr

2 Kr

1 1 Γ

Từ đó, trị số của hệ số ném lên tới hạn là: ΓKr = π2 +1= 3,3 (15)

Từ kết quả nhận được ta thấy rằng, trị số của hệ số ném lên giới hạn độc lập với các đặc trưng dao động (điều này cũng đúng với cả sàng nghiêng và dao động tròn nhưng việc chứng minh phức tạp hơn)

Trong trường hợp hệ số ném lên đạt trị số giới hạn (ΓKr) thì vận tốc di chuyển giới hạn của các hạt có thể xác định từ thành phần nằm ngang của vận tốc ném lên:

VKr = VX0

Đối với máy sàng, các đại lượng đặc trưng cho dao động cần phải lựa chọn sao cho hệ số ném lên có trị số nhỏ hơn trị số giới hạn Nghĩa là cho dù vận tốc di chuyển lớn nhất của hạt lớn hơn 3,3 nhưng vì vật liệu chỉ tiếp xúc với mặt sàng ở thời điểm va chạm nên khả năng lọt qua sàng sẽ giảm xuống Điều này làm mất đi một cách đáng kể tính chất sàng vật liệu của sàng Trị

số của tốc độ vận chuyển cũng giảm đi đáng kể khi hệ số Γ nhỏ Trong thực tế các hệ số ném lên áp dụng cho các loại sàng nằm trong khoảng 2,5 ữ 3

Hình 6 Quỹ đạo chuyển động của hạt vật liệu trên sμng rung có hướng khi Γ < 3,3

2.3 Mô phỏng hoạt động của máy sàng trên máy tính điện tử

Trên cơ sở các công thức xác định các đặc trưng dao động của máy sàng đã nêu trên (mục 2.2), chúng tôi đã dùng ngôn ngữ Turbo Pascal 7.0 để xây dựng chương trình mô phỏng hoạt

động của nó Các thông số cần nhập vào là: Hệ số ném lên, vận tốc góc, góc nghiêng của mặt sàng β, góc định hướng α

Các thông số đầu ra và đồ thị nhận được là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa vận tốc và hệ số ném lên Γ, quỹ đạo chuyển động của hạt vật liệu, mô phỏng chuyển động của hạt vật liệu trên mặt sàng Các đồ thị và hình ảnh chuyển động có thể quan sát trên màn hình máy tính hoặc có thể truy xuất ra máy in Do khuôn khổ có hạn của bài báo xin được giới thiệu tóm tắt một vài giao diện và một số kết quả chủ yếu

Các giao diện

iii kết luận

Kết quả nghiên cứu trên đây đã giúp chúng ta có thể thấy được một cách trực quan sinh

động "ứng xử" của các hạt vật liệu khi di chuyển trên mặt sàng Bằng cách thay đổi các thông

số làm việc của máy sàng một cách dễ dàng, nhanh chóng nhờ việc thay đổi các thông số đầu vào trên giao diện với máy tính Sau quá trình mô phỏng, chúng ta có thể lựa chọn được các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý cho máy sàng rung có hướng Bước đầu xây dựng cơ sở khoa học cho việc tự động hoá tính toán, thiết kế máy và thiết bị sản xuất vật liệu nói chung, máy sàng rung có hướng nói riêng Kết quả công trình có thể ứng dụng trực tiếp vào sản xuất

Tài liệu tham khảo

[1] Trần Quang Quý, Nguyễn Văn Vịnh, Nguyễn Bính Giáo trình: "Máy và thiết bị sản xuất vật liệu xây

dựng" Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, năm 2001.

[2] Nguyễn Văn Vịnh Nghiên cứu mô phỏng hoạt động của máy trộn BTXM trộn cưỡng bức kiểu hành tinh

trên MTĐT Tạp chí khoa học Giao thông Vận tải, số 1, tháng 11/2002.

[3] Nguyễn Văn Vịnh vμ các cộng sự Nghiên cứu động lực học bộ máy trộn và dao động của Tháp trộn

trong trạm trộn cấp phối Tạp chí Khoa học GTVT số 5 tập II tháng 11/2003♦