Xác định góc nâng giới hạn của cam trụ trên máy đóng bầu mía giống

The slide frame of hose supplying component in soil potting machine for sugarcane propagation with up and down movement is driven from the main shaft by cylindrical cam structure. Determining maximum pressure angle or limit lift angle of the cam is the focus of synthetic problem for cam structures. There is no general formula to solve this type of problem for every general cam, but must solve directly and individually for each concrete structure. This article shows investigating results and limit lift angle selection of cylindrical cam used in hose supplying component of soil potting machine for sugarcane propagation as the base for synthesizing mentioned cam structures

Xác định góc nâng giới hạn của cam trụ trên máy đóng bầu mía giống Determining limit lift angle of CYLINDRICAL CAM

in soil potting machine for sugarcane propagation

Đỗ Hữu Quyết 1

Summary The slide frame of hose supplying component in soil potting machine for sugarcane propagation with up and down movement is driven from the main shaft by cylindrical cam structure Determining maximum pressure angle or limit lift angle of the cam is the focus of synthetic problem for cam structures There is no general formula to solve this type of problem for every general cam, but must solve directly and individually for each concrete structure

This article shows investigating results and limit lift angle selection of cylindrical cam used in hose supplying component of soil potting machine for sugarcane propagation as the base for synthesizing mentioned cam structures

Keywords: cylindrical cam, limit lift angle

1 Đặt vấn đề

Trong máy đóng bầu mía giống truyền động cơ khí, bộ phận cung cấp ống có nhiệm vụ

mở miệng ống, nâng miệng ống lên giao cho cơ cấu kẹp giữ tạo điều kiện thuận lợi cho bộ phận tạo vỏ bầu làm việc tốt (Đỗ Hữu Quyết, 2006) Khung trượt là chi tiết quan trọng nhất của bộ phận cung cấp ống, trên đó lắp cơ cấu mở miệng ống và thanh điều khiển cơ cấu kẹp túi bầu Khung trượt có chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng, được truyền động từ trục chính nhờ cơ cấu cam trụ cần đẩy con lăn Sơ đồ nguyên lý làm việc và cấu tạo của bộ phận cung cấp ống được thể hiện trên hình 1 và hình 2

8

4

3

2

1

9

10

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ phận

cung cấp ống: 1- Cam trụ; 2- Trục chính;

3-Khung trượt; 4- Cụm nâng ống; 5- Mặt bàn thao

tác; 6- Họng nạp liệu; 7- Lẫy điều khiển cơ cấu

kẹp giữ miệng ống; 8- Thanh điều khiển cơ cấu

kẹp túi bầu; 9- Lõi chèn; 10- ống nilông

Hình 2 Cấu tạo của bộ phận cung cấp

ống: 1- Khung máy, 2- Cam trụ, 3- Thanh

dẫn hướng, 4- Bạc trượt, 5- Con lăn, 6-Khung trượt, 7- Thanh điều khiển cơ cấu kẹp túi bầu, 8- Lõi chèn, 9- Dàn dỡ cụm nâng ống

Kích thước của cơ cấu cam trụ có ảnh hưởng lớn đến việc bố trí các bộ phận làm việc khác của máy và cần phải nhỏ gọn nhất có thể trong khi phải đảm bảo cho khung trượt chuyển động dễ dàng với quy luật chuyển động cần thiết Để giải quyết tốt mâu thuẫn này trong quá trình tổng hợp cơ cấu cam, vấn đề quan trọng nhất là xác định được góc nâng giới hạn của cam trụ

2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Để thuận tiện trong việc bố trí hệ thống truyền động chung cho toàn máy, chọn cơ cấu cam trụ cần đẩy con lăn Để tránh hiện tượng tháo khớp, sử dụng cam rãnh

Khâu bị dẫn của cơ cấu cam trụ (hình 2) là khung trượt 6; trượt dọc theo hai thanh dẫn hướng 3 trên các bạc trượt 4

Kết cấu của khung trượt được xác định theo yêu cầu đặt ra đối với bộ phận nâng hạ miệng ống Quy luật chuyển động của khung trượt được xác định theo yêu cầu thực hiện thao tác cung cấp ống trong quan hệ chung với các bộ phận làm việc khác của máy

Về mặt lý thuyết, góc nâng giới hạn của cam trụ được xác định theo điều kiện tự hãm của khung trượt và phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có hình dạng và trạng thái rãnh trượt, kích thước khung trượt, các yếu tố của lực chủ động và lực cản đặt lên khung trượt, v.v (Юдин В А., Петрокас Л В.,1967; Кожевников С Н и др.,1976; Đặng Thế Huy, Nguyễn Khắc Thường, 1982) Cơ cấu cam trụ đang xét là cơ cấu cam không gian phức tạp, không có công thức chung

để tìm góc nâng giới hạn của cam mà việc xác định góc nâng giới hạn phải gắn chặt với kết cấu, kích thước cụ thể của cơ cấu

Để xác định góc nâng giới hạn của cam trụ trong cơ cấu đã nêu, cần viết được phương trình cân bằng các lực đặt lên khung ở trạng thái làm việc khó khăn nhất, khảo sát quy luật thay đổi góc nâng giới hạn của cam trụ theo các kích thước của khung trượt Từ đó có cơ sở lựa chọn kích thước của khung trượt và cam trụ sao cho phù hợp với kết cấu chung của toàn máy

Để giải quyết bài toán, đã sử dụng phương pháp chung của cơ học và các phần mềm trợ giúp (Excel, Inventor)

3 Kết quả nghiên cứu

3.1 Góc nâng giới hạn của khung trượt

Từ kết cấu của bộ phận tạo vỏ bầu và bố cục chung của toàn máy, sơ bộ xác định các kích thước cần thiết của khung trượt, các lực tác dụng lên khung và xây dựng sơ đồ tính toán khung trượt, làm cơ sở cho việc xác

định góc nâng giới hạn của cam trụ (hình 3)

Khung trượt có chuyển động lên xuống theo chu kỳ Trong chu kỳ chuyển động của khung trượt,

vị trí bất lợi nhất xét về điều kiện tự hãm của khung

là khi khung đi lên đến gần điểm chết trên Khi này lực tác dụng lên khung (bỏ qua các lực quán tính) bao gồm:

Ptp- lực toàn phần do mặt cam tác dụng lên trục con lăn

Pk- Trọng lượng của khung; đặt tại trọng tâm khung, nằm trong mặt phẳng của khung, hướng xuống dưới

Pn- Tổng lực cản khi nâng miệng ống; đặt tại tâm bộ phận cung cấp ống, cách mặt phẳng khung a

b

λ

Png

Pđ

Pk

Ptp

Pđk

O

c

e

Pn

x

y

z

d

Hình 3 Sơ đồ lực tác dụng

lên khung trượt

một khoảng bằng b, ngược chiều chuyển động của khung

Pđk- Lực sinh ra khi điều khiển cơ cấu kẹp miệng ống; đặt cách mặt phẳng khung một khoảng bằng b, ngược chiều chuyển động của khung

Do có ma sát giữa con lăn và trục con lăn, lực toàn phần do mặt cam tác dụng lên chốt con lăn thông qua con lăn không trùng với phương pháp tuyến của bề mặt cam tại điểm tiếp xúc

mà nghiêng đi một góc bằng góc ma sát (Юдин В А., Петрокас Л В., 1967) Tuy nhiên trong cơ cấu đang xét, ma sát giữa con lăn và chốt con lăn là rất nhỏ nên có thể bỏ qua Khi này, lực tác dụng lên chốt con lăn sẽ đi qua tâm chốt và vuông góc với bề mặt của cam trụ tại điểm tiếp xúc Phân tích lực này thành hai thành phần theo phương trượt và vuông góc với phương trượt, ta

được lực Pđ và lực Png Giữa chúng có quan hệ:

Pđ = Ptp cosλ;

Png = Ptp.sinλ = Pđ tgλ (3.1)

ở đây, λ là góc nâng của mặt cam trụ

Chọn hệ trục toạ độ Oxy có vị trí như hình vẽ, gốc toạ độ O nằm tại trọng tâm khung trượt Xét các lực nằm theo phương trục Ox (hình 4):

Theo phương này chỉ có lực Png Dời Png về gốc toạ độ, ta được 3 thành phần:

Lực Png đặt tại điểm O, ép khung vào giá đỡ theo phương Ox

Mô men MzPng = Png.a, có xu hướng làm khung quay quanh trục Oz

Mô men MyPng = Png.e, có xu hướng làm khung quanh quanh trục Oy

Lập các phương trình cân bằng tĩnh học, gọi XAPng, XBPng, XCPng, XDPng là các phản lực tại các gối đỡ A, B, C, D do thành phần lực Png gây ra, ta có:

XAPng+XBPng+XCPng+XDPng=Png; (3.2) Gọi YAMz , YBMz , YCMz , YDMz là các phản lực tại các gối đỡ do mô men Mz gây ra, ta có:

YAMz+YBMz+YCMz+YDMz=2Mz/c; (3.3) Gọi XA My, XBMy , XCMy , XDMy là các phản lực tại các gối đỡ A, B, C, D do mô men My gây

ra, ta có:

XAMy+XBMy+XCMy+XDMy=2My/d; (3.4)

YDMx

λ

Pk

y

x

Pn

O

Pđ

R

Mx

D

C

B

A

YCMx

z

Pđk

YBMx

YAMx

Hình 4 Sơ đồ xác định phản lực

ổ trục do lực P gây ra

a

λ d

z

y

x

a c

e

O

Pn Mz

My

XBPng

A

B

C

D

XDPng

XCPng

XAPng

YCMz

YAM

XBMy

YBMz

XAMy

XCM

XDMy

Hình 5 Sơ đồ xác định phản lực ổ trục do

các lực P , P , P gây ra

Tại vị trí đang xét, các phản lực trên có phương chiều như trên hình 4

Trong mặt phẳng yOz (hình 5): Các lực và lực cản làm việc nằm trong mặt phẳng yOz gồm có Pđ, Pk, Pđk , Pn Dời tất cả về trọng tâm O của khung và hợp lại, ta được một lực R và một mô men Mx xác định theo biểu thức:

R = Pđ - Pđk - Pn - Pk ;

Mx = Pđ.a + (Pđk+ Pn).b ; (3.5) Lực R có xu hướng làm cho khung chuyển động Mô men Mx làm cho khung bị quay đi quanh trục Ox

Thành lập phương trình cân bằng tĩnh học cho khung, gọi YAMx, YBMx, YCMx, YDMx là các phản lực ổ trục do riêng Mx gây ra, ta có:

YAMx+ YBMx+ YCMx+ YDMx = 2Mx / d; (3.6) Khi khung chuyển động, tại các ổ trục sẽ xuất hiện các lực ma sát Lực ma sát tổng cộng

do các phản lực YAMx, YBMx, YCMx, YDMx , nghĩa là lực ma sát tại các ổ trục do riêng mô men Mx gây ra, sẽ được tính theo công thức:

FmsMx = (YAMx+ YBMx+ YCMx+ YDMx).f = (2Mx / d).f; (3.7) Lập phương trình cân bằng hình chiếu của tất cả các lực tác dụng lên khung theo phương trục Oz, giả thiết rằng tất cả các phản lực tại các gối đỡ do các lực thành phần gây ra không triệt tiêu lẫn nhau và bỏ qua các lực quán tính của khung khi chuyển động, ta được:

Pđ - Pđk- Pn - Pk - Png.f – (2Mz/c).f – (2My/ d).f – (2Mx/ d) f = 0; (3.8)

Thay các trị số của Png, Mz, My theo Pđ vào và biến đổi, ta có:

Pđ - Pđ tgλ.f (1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d) = Pk+ (Pđk+Pn).(1+2.b.f/d);

Pđ .[1 – f(1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d)tgλ] = Pk+ (Pđk+Pn).(1+2.b.f/d); (3.9)

Đặt A = f(1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d)

Pk+ (Pđk+Pn).(1+2.b.f/d)

Từ (3.9), chú ý giá trị của A, ta có Pđ = - ; (3.10)

1 – A tg λ Biểu thức (3.10) chính là phương trình cân bằng, cũng có thể xem là phương trình chuyển

động, của khung Khi lực Pđ lớn hơn giá trị của biểu thức bên vế phải, khung sẽ chuyển động theo chiều lực Pđ Với một kết cấu xác định, giá trị của vế phải trong biểu thức (3.10) có một giá trị xác

định Khi λ càng nhỏ, lực cần thiết để khung chuyển động sẽ càng nhỏ và ngược lại, khi λ càng lớn thì lực cần thiết để làm cho khung chuyển động sẽ càng lớn

Khi thành phần (1- A.tgλ) → 0 thì vế phải của biểu thức (3.10) →∞, nghĩa là lực cần thiết để khung chuyển động được là vô cùng lớn Nói cách khác, khi (1- A.tgλ) = 0 thì khung bị

tự hãm: Lực Pđ dù có lớn đến đâu cũng không làm cho khung chuyển động được Góc nâng giới hạn được xác định theo điều kiện:

1 – A tg λgh = 0; (3.11)

Từ đó ta có: λgh= Arctg(1/A), với A= f(1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d) (3.12)

a Khảo sát sự thay đổi của góc nâng giới hạn theo sự thay đổi của các kích thước của khung trượt

Góc nâng giới hạn của cam trụ phụ thuộc theo các kích thước của khung trượt (công thức 3.12) có thể được thể hiện qua đồ thị (hình 6)

Qua các đồ thị trên hình 6, có thể thấy khi tăng kích thước giữa các ổ trục của khung trượt (tăng các kích thước c, d) hoặc khi đặt con lăn càng gần trọng tâm của khung (giảm các kích thước a, e) thì góc nâng giới hạn tăng lên Các đồ thị cũng cho thấy ảnh hưởng của khoảng cách a và e đến góc nâng giới hạn mạnh hơn ảnh hưởng của các kích thước c, d; nghĩa là để tăng góc nâng giới hạn của cam trụ thì việc giảm các kích thước a, e có hiệu quả hơn là tăng các kích thước c, d Căn cứ theo định hướng trên, chú ý đến kết cấu của các bộ phận khác của máy và kết

cấu chung của toàn máy, ta chọn: = 75 mm, c= 350 mm, d= 300 mm, e= 50 mm, Khi này, góc nâng giới hạn của cam trụ sẽ là: 65030’

51

52

53

54

55

56

57

58

59

54.5 55 55.5 56

a) b)

56.5

57

57.5

58

58.5

58 60 62 64 66 68 70

c) d)

Hình 6 Sự thay đổi góc nâng giới hạn theo các kích thước khung trượt:

a) Hàm λgh = f(a), khi b= 75mm, c= 350 mm, d= 2e= 200mm, f=0,25

b) Hàm λgh = f(c), khi a= 40 mm, b= 75mm, d= 2e= 200mm, f=0,25

c) Hàm λgh = f(d,e), khi a= 40 mm, b= 75mm, c= 350 mm, d= 2e, f=0,25

d) Hàm λgh = f(e), khi a= 40 mm, b= 75mm, c= 350 mm, d= 300mm, f=0,25

4 Kết luận

Trên cơ sở kết cấu của khung trượt và điều kiện làm việc của bộ phận cung cấp ống, đã viết được phương trình cân bằng gần đúng của khung trượt, cho phép phân tích ảnh hưởng của các kích thước của khung trượt đến góc nâng giới hạn của cam trụ, định hướng cho việc chọn các kích thước chính của khung trượt và cam trụ

Đã xác định các kích thước chính của khung và góc nâng giới hạn của cam trụ Những kết quả thu được đã được sử dụng để thiết kế, chế tạo bộ phận cung cấp ống và cơ cấu truyền

động cho nó trên máy đóng bầu mía giống

Tài liệu tham khảo

Đặng Thế Huy, Nguyễn Khắc Thường (1982), Nguyên lý máy, NXB Nông nghiệp, trang

152-158

Đỗ Hữu Quyết (2006), “Lựa chọn nguyên tắc làm việc của máy đóng bầu mía giống”, Tạp chí Nông nghiệp và phát triển nông thôn, số 11/2006, trang 35-38

Кожевников С Н и др., Механизмы, Изд.“Машиностроение”, М 1976., Ctp 42-45

Юдин В А., Петрокас Л В (1967), Теория механизмов и машин, Изд “Высшая школа”,

Москва Ctp 396-401

Машнев М М., Красковский Е Я., Лебедев П А., Теория механизмов и машин и детали машин, Изд “Машиностроение”, Ленинградское Отделение, 1980, Ctp 162-167