Nghiên cứu quỹ đạo hạt vật liệu khi xả hỗn hợp cấp phối vμ các giải pháp chống phân hạt TS.. Nguyễn Thế long Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bμi báo trình bμy tóm tắt kết qu
Trang 1Nghiên cứu quỹ đạo hạt vật liệu khi xả hỗn hợp cấp phối vμ các giải pháp chống phân hạt
TS Nguyễn văn vịnh
Bộ môn Máy xây dựng Khoa Cơ khí - Trường Đại học GTVT
KS Nguyễn Thế long
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bμi báo trình bμy tóm tắt kết quả nghiên cứu bằng lý thuyết quỹ đạo của các hạt
vật liệu trong hỗn hợp cấp phối khi xả từ băng tải xuống ôtô sau khi đã trộn xong.Trên cơ sở so sánh kết quả lý thuyết với kết quả thực nghiệm, các tác giả đã đề xuất một số giải pháp chống phân hạt giúp các cơ sở chế tạo trạm trộn cấp phối trong nước có thể hoμn thiện các trạm của mình đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao cũng như nâng cao chất lượng hỗn hợp cấp phối sau khi trộn Công trình nμy lμ tμi liệu tham khảo có ích cho nghiên cứu khoa học, đμo tạo vμ phục
vụ trực tiếp sản xuất
Summary: The article briefs on a theoretical result on the orbit of material particles in
aggregate mixture when discharged on to trucks from conveyors After comparing the theoretical result with the practical outcome, the researchers propose some measures to defragmentation to help mixing – plant manufacturers throughout the country to achieve eco – technical efficiency and improve the quality of the mixed aggregates The study is also supposed to be the reference source for scientific research, training and direct application in production
.i đặt vấn đề
Hiện nay, trong quá trình cải tạo, nâng cấp xây dựng mới các tuyến đường bộ trong nước, việc xây dựng lớp móng đường (lớp BASE) có một vai trò vô cùng quan trọng, ảnh hưởng rất lớn
đến chất lượng của toàn bộ tuyến đường Trong quá trình thi công lớp móng nói trên, hỗn hợp cấp phối nếu được trộn ở các trạm trộn cấp phối sau công đoạn điều tiết, định lượng, trộn ở bộ máy trộn (hoặc không cần trộn ở bộ máy trộn - nếu điều tiết tốt) sẽ qua băng tải cao su đặt nghiêng để xả xuống ôtô rồi đưa đến công trường Trong quá trình xả hỗn hợp này thường xảy
ra hiện tượng phân ly của hạt trong đống vật liệu, tức là tỷ lệ thành phần hạt trong một đơn vị thể tích của đống vật liệu ở các vị trí khác nhau là khác nhau Điều này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cấp phối sau khi trộn và chất lượng lớp móng đường sau khi thi công xong Có nhiều yếu
tố ảnh hưởng đến sự phân hạt như chiều cao rơi của vật liệu, bề mặt rơi, gió thổi, độ ẩm của vật liệu Chính vì vậy, cần phải tiến hành nghiên cứu quỹ đạo của các hạt vật liệu khi xả và các yếu tố ảnh hưởng bằng cả lý thuyết và thực nghiệm Từ đó đề xuất các giải pháp chống phân hạt Đó chính là nội dung của công trình nghiên cứu mà chúng tôi sẽ trình bày chi tiết ở phần tiếp sau đây
Trang 2ii nội dung
2.1 Nghiên cứu lý thuyết về quỹ đạo hạt vật liệu trong hỗn hợp cấp phối khi xả tự do
từ băng tải đến ô tô
Hình 1 thể hiện quá trình công nghệ tạo thành hỗn hợp cấp phối
Phễu cấp liệu
Băng gom
Băng dâng
Bộ máy trộn
Phễu tích xả
Hình 1 Sơ đồ công nghệ tạo hỗn hợp cấp phối
Quá trình công nghệ như sau: Vật liệu được điều tiết tốt từ các phễu cấp liệu xả xuống băng gom Từ băng gom, vật liệu đưa qua băng dâng (nghiêng) sau đó xả xuống xe ôtô vận chuyển hoặc có thể trước đó được trộn trong bộ máy trộn, xả xuống phễu tích xả rồi mới xả xuống xe ôtô
Xét trường hợp khi công đoạn điều tiết tốt, không cần bộ máy trộn hỗn hợp vật liệu được xả
tự do từ băng tải nghiêng xuống ôtô, mô hình bài toán như sau:
Vật liệu trên băng
Băng tải
Đống vật liệu
Hình 2 Mô hình chung
- Khi nghiên cứu, chúng ta sử dụng các giả thiết sau:
+ Coi các hạt vật liệu có dạng hình cầu
+ Băng tải chuyển động với vận tốc V0 = const
+ Góc chân nón của đống vật liệu bằng ϕ
+ Trên đống vật liệu, các hạt vật liệu lăn và trượt với cùng hệ số ma sát lăn K và ma sát trượt f
Trang 32.2 Mô hình chuyển động đơn giản của một hạt vật liệu
a.Trạng thái 1 (khi chưa hình thμnh đống)
- Trong thời gian đầu, đống vật liệu chưa được hình thành mặt khác bề mặt rơi bằng tôn có thể coi va chạm giữa hạt vật liệu và bề mặt rơi là va chạm đàn hồi Nếu bỏ qua sức cản không khí thì ta mô hình hoá quá trình rơi như ình 3 dưới đây
- Xét mô hình chỉ có một hạt vật liệu Do hạt vật liệu có kích thước nên trong mô hình này ta phải coi nó là một vật chứ không phải là chất điểm Khi đã coi như một vật lúc đó chuyển động rơi của hạt trong không gian sẽ là chuyển động song phẳng Ta có mô hình tính toán như sau:
ξ
η
U
S1VC
O1
VC(h)
S0
ω0
P
V0
S0VC R
O
X
Y
Hình 3 Quỹ đạo chuyển động của hạt vật liệu
trong hình 3:
+ R - Bán kính hạt vật liệu, h - Chiều cao rơi tính từ tâm đến bề mặt rơi (h thay đổi từ
hmax - h min), V0 - Vận tốc ban đầu của vật bằng vận tốc băng tải, P - Trọng lượng hạt vật liệu,
M - Khối lượng hạt vật liệu, ω0 - Vận tốc góc ban đầu của hạt vật liệu
R
V0
ω
+ J - Mô men quán tính hạt vật liệu, J = 0.4xMxR2, S0VC- Véc xung lượng ban đầu của hạt vật liệu tại O, S0VC =M.V0; S1VC- Véc tơ xung lượng của hạt vật liệu tại O1
- Chọn hệ trục toạ độ OXY như hình vẽ Phương trình vi phân chuyển động như sau:
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
= ϕ
=
=
0 J
P y g P
0 x g P
C C
&&
&&
&&
Tích phân hai vế ta được:
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
ω
= ϕ
=
=
0 C
0 C
t y g 1
V x
&
&
&
=>
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
ω
= ϕ
=
=
t 2
gt y
t V x
0
2 C
0 C
(1)
Trang 4- Qua phương trình chuyển động (1) ta thấy, quỹ đạo của hạt vật liệu không phụ thuộc vào khối lượng hạt mà chỉ phụ thuộc kích thước hạt
- Khi chuyển động đến bề mặt rơi => yc = h Do đó
g
h t h 2
gt2 = => = (2)
Thay t từ (2) vào (1) suy ra:
g
h V
xC(h) = 0 (3)
+ Tốc độ tại điểm rơi: 2gh
g
h g gt
y&C = = = ; x&C =V0 =>Vc(h) = x&2C+y&2C = V02+2gh (4) + Vận tốc góc tại điểm rơi: ωC(h) =ϕ& =ω0 Vậy khi rơi một đoạn h vật đạt vận tốc thẳng VC(h) và vận tốc góc ωC(h)
Mặt khác ta có: m.Uưm.VC(h) =S1VC (5)
- Chiếu phương trình (5) xuống các trục O1η và O1ξ của hệ trục toạ độ O1ξ η ta được:
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
= +
=
ư
ξ ξ
η η
VC 1 ) h ( C
) h ( C
S V
M U M
0 V
M U M
(6)
Theo công thức (3) và (4):
0 ) h (
V η = và VC(h)ξ = 2gh thay vào (6) =>U =η V0 (7) Sau khi hạt va chạm xuống mặt phẳng rơi, ta có thể coi va chạm đàn hồi (do bề mặt rơi bằng thép) với hệ số phục hồi va chạm k khi đó:
ξ
ξ
=
) h ( C
V
U
k ;Uξ =k.VC(h)ξ =k 2gh (8)
Tại O1,vật có tốc độ ban đầu theo các phương như sau: U =η V0; U =ξ k 2gh
Phương trình vi phân chuyển động của vật trên hệ trục O1ηξ như sau:
⎩
⎨
⎧
ư
= ξ
= η mg
M
0 M
&&
&&
Điều kiện đầu: t = 0, ξ0 = 0, η0 = 0, ξ& =k 2gh , η& =V0
- Tích phân hai vế phương trình (9) ta được:
⎪
⎪
⎨
⎧
+
ư
= ξ
= η
t gh 2 k 2 gt
t V
2
0
Vật chạm đất khi ξ=0 thay vào (10) suy ra:
g
h k
ts =
Trang 5- Khoảng cách giữa hai điểm rơi của vật: S0 = V0.ts =
g
h k 4
b.Trạng thái 2 (chuyển động của hạt sau khi đã hình thμnh đống vật liệu)
- Để đơn giản, ta coi đống như một mặt nghiêng với góc nghiêng bằng góc chân nón Bề mặt có hệ số ma sát trượt f và ma sát lăn k Chuyển động của vật là chuyển động song phẳng với vận tốc tịnh tiến ban đầu V
ϕ
0(n) và vận tốc góc ban đầu ω0(n) =ωC(h)
- Mô hình tính toán:
S
X
Y
N
Mqt ε
V0(n)
P
VC(h)
Fms)
Rqt 1
α
ω
Hình 4 Chuyển động của hạt vật liệu trên đống
- Trong mô hình trên:
+ VrC(h)
: Véc tơ vận tốc của hạt vật liệu rơi được đoạn bằng độ cao h, có phương trùng với phương tiếp tuyến của quỹ đạo hạt tại điểm tiếp xúc của hạt với bề mặt nghiêng của đống;
V0(n): Vận tốc ban đầu của vật có phương trùng với phương mặt phẳng nghiêng; : Vận tốc góc ban đầu của vật; ω: Vận tốc góc của vật;
) n ( 0
ω
ε: Gia tốc góc của vật; wC: Gia tốc tịnh tiến của vật; VC: Vận tốc tịnh tiến của vật; Fms: Lực ma sát trượt; Fms= N.f (12) N: áp lực của vật xuống mặt phẳng nghiêng; f: Hệ số ma sát trượt; JC: Mô men quán tính của vật: C M.R2
5 2
Trang 6R - bán kính hạt vật liệu; P: Trọng lượng hạt vật liệu; Rqt: Lực quán tính (thêm vào theo nguyên lý Dalambe); Mqt: Mô men quán tính (thêm vào theo nguyên lý Dalambert); K: Hệ số
ma sát lăn; Mlc: Mô men cản lăn: Mcl =k.N (14)
- Xác định vận tốc ban đầu V0(n)
Theo hình vẽ:
) 180 ( Sin
V Sin
V0(n) C(h)
ϕ
ư
=
α => Sin( )
) ( Sin V
V0(n) C(h)
ϕ
α
= với
gh 2
V
tgα= 0
Vậy:
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
ω
= ω
ϕ
α
=
0 ) n ( 0
) h ( C ) n ( 0
Sin
Sin V V
Phương trình chuyển động của vật trên mặt phẳng nghiêng
R
w R
VC C
=
= ω
=
ε & & (16)
C C
g
P w M
C C
2 C
g
R P 5
2 R
w R M 5
2 J
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
= ε
+ Xét cân bằng của vật sau khi đã đã thêm Rqt và Mqt
∑ = ϕư ư qt = ϕư ư C
w g
P N Sin P R N Sin P
ϕ
=
⇒
= ϕ
ư
=
∑Y N P.Cos 0 N P.Cos (20)
0 N k w g
R P 5
2 R N 0 M M R F
mC= ms ư qtư lc = ⇔ ư Cư =
Sau khi giải hệ ta được vận tốc tại vị trí 2 như sau:
) n ( 0 2 )
2 (
R 2
Cos g
V = ϕ ư + (22)
trong đó t2 =
) Cos Sin (
g
V02(n)
ϕ
ư ϕ
Δ +
ư
Khi đó vận tốc góc của vật:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
=
=
R 2
Cos g 5 R V
- Xét chuyển động của vật từ vị trí 2 đến vị trí 3 có độ dài S (3 - vị trí vật sẽ dừng lại )
S
3
2 N
ωC(2)
M
VC(2)
Fms P
Hình 5 Chuyển động của hạt vật liệu trên bề mặt phẳng
Tại vị trí 2 vật có vận tốc tịnh tiến VC(2) (Tính theo công thức 22) và vận tốc góc ωC(2)tính
Trang 7theo công thức (23) áp dụng định luật bảo toàn năng lượng
+ Tổng động năng của vật tại vị trí 2
2
2 ) 2 ( C 2 2
) 2 ( C 2
) 2 ( C C 2
) 2 ( C d
R
V R M 5
2 2
1 V M 2
1 ) (
J 2
1 V M 2
1
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ +
= ω +
=
2 ) 2 ( C 2
) 2 ( C 2
) 2 ( C
10
7 V
M 5
1 V M 2
1
+ Tổng công của lực ma sát: Ams =Fms.S+Mlc.ϕ
trong đó ϕ là góc quay được của hạt vật liệu khi đi được quãng đường S;
R
S
= ϕ
) R
k f ( S g M R
S g M k S g M
Ams = + = + (25)
Từ (24) và (26) ta có phương trình:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ +
=
⇒
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ +
R
k f g
V 7 S V
M 10
7 R
k f S g M
2 ) 2 ( C 2
) 2 (
C (26)
2.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân hạt
Để nghiên cứu xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân hạt của vật liệu như chiều cao rơi h, hình dạng bề mặt rơi (bề mặt của sàn ôtô hứng vật liệu), tốc độ của băng dâng và ảnh hưởng của gió cũng như kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết ở trên, chúng tôi đã tiến hành làm thực nghiệm từ ngày 5 ữ 15/4/2004 tại Công ty ôtô 1 - 5 - Tổng công ty cơ khí GTVT tại
Đông Anh - Hà nội (chi tiết quá trình thực nghiệm xin xem [1])
Sơ đồ khảo sát thực nghiệm như hình 1 Hình ảnh về trạm trộn dùng làm thực nghiệm thể hiện trên hình 6
Hình 6 Tổng thể trạm dùng lμm thực nghiệm
Chúng tôi đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng bằng cách lần lượt thay đổi một yếu tố trong khi cố định các yếu tố khác Ví dụ thay đổi chiều cao h, sau đó thay đổi vận tốc băng tải rồi lấy mẫu thí nghiệm tại các vị trí khác nhau trên đống vật liệu (hình 7)
Tiến hành sàng vật liệu bằng sàng chuẩn của Mỹ, cân đong và ghi số liệu.Sau khi xử lý số liệu, chúng tôi vẽ đường cong phân bố hạt xem có nằm trong biểu đồ thành phần hạt chuẩn theo TCVN hay không? Và xem xét các yếu tố ảnh hưởng như thế nào đến sự phân bố hạt Để
Trang 8minh họa cho kết quả thực nghiệm chúng tôi xin giới thiệu một số biểu đồ sau:
Hướng vật liệu đến từ băng tải Đống vật liệu
Mẫu
1
Mẫu
2
Mẫu
3
Mẫu
4
Hình 7 Vị trí lấy mẫu
0
20
40
60
80
100
120
2 4.75 12.5 25 37.5 50
Cận dưới Cận trên h=1 m h=1.2m h=1.4 m
Cận trên
Cận dưới
h =1.4 m
h = 1.2 m
h=1 m
0 20 40 60 80 100 120
2 4.75 12.5 25 37.5 50 Cận dưới Cận trên M1A1 M2A1 M3A1 M4A1 M1A2 M2A2 M3A2 M4A2
Cận trên
M1A2
M4A2 M3A1
M1A1
M3A2
M4A1
Cận dưới
M2A1 M2A2
Hình 8 Khi h thay đổi Hình 9 Khi ϕ thay đổi
0 20 40 60 80 100 120
2 4.75 12.5 25 37.5 50 Cận dưới Cận trên M1C M2C M3C M4C M1P M2P M3P M4P
Cận dưới
M1C
M4C
M4P
M2P M2C M1P
Cận trên M3C
M3P
Hình 10 Khi bề mặt rơi thay đổi
iii Kết luận
So sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm như đã trình bày ở trên, chúng ta có thể rút ra một số kết luận sau đây:
Trang 9- Sự phân hạt phụ thuộc vào quá trình tạo đống, nếu chiều cao của đống càng lớn, mức độ phân hạt xảy ra càng mạnh
- Theo công thức (22) và (23), nếu bán kính hạt vật liệu (R) quá nhỏ có thể dẫn đến VC(2) và
ωC(2) < 0 tức là hạt không lăn được xuống vị trí 2, có nghĩa hạt sẽ không chuyển động được trên
bề mặt nghiêng của đống Điều này giải thích tại sao tỷ lệ hạt nhỏ ở chân đống vật liệu (vị trí lấy mẫu 1 và 2) ít (xem hình 7)
- Từ công thức (26) cho thấy, hạt to (R lớn) khả năng lăn xa càng lớn, điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm khi hạt to tập trung tại vị trí lấy mẫu 1 và mẫu 2 (tại chân đống vật liệu) Đặc biệt tại vị trí mẫu 2
- Thực nghiệm đã cho thấy, tỷ lệ hạt nhỏ ở vị trí lấy mẫu 4 ít hơn so với tỷ lệ hạt nhỏ ở vị trí lấy mẫu 3
- Từ những điều đã trình bày ở trên, chúng tôi thấy, để giảm bớt hiện tượng phân hạt cần áp dụng một số giải pháp kỹ thuật cụ thể như sau:
1 Không nên để xả tự do vật liệu từ băng tải vào ôtô luôn mà nên dùng thêm một phễu tích xả trung gian (V = 0,5 ữ 1m3) tích luỹ dòng cấp phối liên tục rồi xả xuống xe vận chuyển chu kỳ
2 Dùng ống xuắn cứng có đầu quay (lắp dưới phễu tích xả) quay bằng tay để xả liên tục hỗn hợp vào nhiều điểm nhận
3 Dùng ống thẳng mềm dịch chuyển bằng tay xả liên tục hỗn hợp vào nhiều điểm nhận
4 Lắp đặt bộ chống phân hạt
Nội dung công trình nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, có thể sử dụng trực tiếp phục vụ cho việc chế tạo trạm trộn cấp phối trong nước, phục vụ cho công tác giảng dạy, nghiên cứu khoa học trong nhà trường
Tài liệu tham khảo
[1].KS Nguyễn Thế Long Luận văn thạc sỹ KHKT Nghiên cứu quỹ đạo hạt của các hình thức xả cấp phối
và xây dựng cơ sở khoa học chống phân hạt của trạm trộn năng suất 80 - 100T/h Hướng dẫn khoa học:
TS Nguyễn Văn Vịnh, TS Trương Tất Đích
[2] TS Nguyễn Văn Vịnh vμ cộng sự Nghiên cứu động lực học bộ máy trộn và dao động của tháp trộn
trong trạm trộn cấp phối Tạp chí KHGTVT số 5 tháng 11/2003
[3] Tuyển tập tiêu chuẩn thí nghiệm công trình giao thông Bộ GTVT - 4/1999♦
