nghiên cứu xác định các đặc trng dao động của máy sng rung có hớng v xây dựng chơng trình mô phỏng hoạt động trên máy tính điện tử TS. Nguyễn văn vịnh Bộ môn Máy xây dựng Khoa Cơ khí - Trờng ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo trình by tóm tắt nội dung v kết quả nghiên cứu xác định các đặc trng dao động của máy sng rung có hớng v mô phỏng hoạt động của nó trên máy tính điện tử (MTĐT). Kết quả của công trình ny không chỉ giúp các cán bộ kỹ thuật xác định đợc các thông số đặc trng cho dao động của máy sng m còn có đợc 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 sng Công trình ny cũng rất hữu ích cho việc NCKH, phục vụ đo tạo v ứng dụng vo thực tế sản xuất cho ngnh chế tạo máy v 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 hớng đợc 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 nớc, thay thế trạm trộn nhập ngoại, việc tính toán thiết kế và lựa chọn hợp lý các thông số của sàng rung vô hớng, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao đang là một vấn đề thời sự, một khó khăn đáng kể đối với ngời thiết kế. Nội dung tiếp theo mà chúng tôi sẽ trình bày là một trong những bớc 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 hớng phức tạp hơn so với các loại máy sàng rung khác (do cấu tạo của bộ phận gây rung có hớng). Mặt sàng của máy sàng có thể đặt nằm ngang nên giảm đợc chiều cao đặt máy, thờng đợc dùng trong trạm nghiền sàng di động hoặc tại các nơi công trình có chiều cao bị giới hạn. Cấu tạo của máy đợc mô tả trên hình 1. Hình 1. Máy sng rung có hớng Hộp sàng (2) với các lới sàng (6) đợc liên kết với khung cố định nằm ngang (5) qua các tay đòn (3) và lò xo giảm chấn (4). Bộ gây rung có hớng (1) gắn vào hai thành bên của hộp sàng (2) sao cho đờng tác dụng của nó tạo với mặt sàng một góc 35 0 . Cấu tạo của bộ gây rung có hớng 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 ngợc chiều, dao động có hớng đợc tạo thành. Hớng dao động là hớng vuông góc với đờng nối tâm của hai trục lệch tâm. Hình 2. Bộ gây rung có hớng 2.2. Xác định các đặc trng dao động của máy sàng rung có hớng Sàng rung có hớng là sàng thực hiện dao động điều hoà (theo hớng ) trong mặt phẳng tơng ứng với đờng 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 phơng X và phơng Y. Các đại lợng đặc trng cho dao động của sàng với giả thiết dao động điều hoà có thể viết nh sau: == == == == = = ;tsinsinAYa ;tsincosAXa ;tcossinAYV ;tcoscosAXV ;tsinsinAY ;tsincosAX 2 rry 2 rrx rrY rrX r r (1) Độ dịch chuyển: Vận tốc: Gia tốc: trong đó: A- biên độ dao dộng của sàng theo phơng của lực kích động (trong những phần tiếp theo đợc gọi tắt là biên độ dao động); - vận tốc góc của dao động; - góc định hớng. Hạt vật liệu tách khỏi mặt sàng ở thời điểm t 0 của chu kỳ dao động khi hợp lực của các lực tác dụng theo phơng 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 còn có lực quán tính thay đổi theo qui luật điều hoà sinh ra do gia tốc của sàng tác dụng vào hạt: F t = m.a(t) = m A 2 sint; (2) Từ phơng trình cân bằng các lực tác dụng lên hạt vật liệu theo vuông góc với mặt sàng: m.g cos - F t sin( + ) = 0; (3) Sau đó thay F t và sắp xếp lại, ta có: sint 0 = gcos A 2 sin( + ) ; (4) Với việc đa vào khái niệm hệ số ném lên mà chúng ta hiểu là thơng số giữa các thành phần theo phơng vuông góc với mặt sàng của gia tốc sàng và gia tốc trọng trờng thì thời điểm hạt vật liệu tách khỏi mặt sàng t 0 có thể tính toán theo biểu thức sau: t 0 = 1 arcsin 1 (5) trong đó: - Hệ số ném lên; = A 2 sin(+) gcos (6) Hình 3. Chuyển dịch của sng rung có hớng trong hệ toạ dộ X-Y Hình 4. Trờng hợp mặt sng đặt nghiêng một góc 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 trng chuyển động của hạt vật liệu có thể viết nh sau: = = = = += += ;ga ;0a );tt(gVV ;VV ;)tt( 2 g )tt(VYY );tt(VXX YSZ XSZ 00YYSZ 0xXSZ 2 000Y0SZ 00X0SZ (7) Độ dịch chuyển: Vận tốc: Gia tốc: Các trị số X 0 , R 0 , V X0 , V YO 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 = t 0 , ta có: X 0 = Acossin(t 0 ); Y 0 = Asinsin(t 0 ); V X0 = Acoscos(t 0 ); (8) v Y0 = Asincos(t 0 ); Tại thời điểm t khi mà sàng và hạt vật liệu tiếp xúc nhau thì quan hệ giữa chuyển động của sàng Y r và X r với chuyển động của hạt vật liệu nh sau: Y S2 = Y r + tg(X SZ + X r ); (9) Trong phơng trình trên sau khi thay thế các biểu thức (2) và (7) vào thì chỉ còn một ẩn cha biết là t' nhng lời giải của nó không thể tìm đợc ngay bằng phơng pháp giải tích, vì vậy điểm tiếp xúc giữa hạt vật liệu và sàng chỉ có thể xác định đợc bằng phơng pháp gần đúng (giải trên máy tính) hoặc bằng phơng pháp đồ thị. Bản chất của cả hai phơng pháp này là chúng ta xem vị trí tơng đối so với nhau của sàng và hạt vốn là hàm của thời gian cho đến khi nào khoảng cách giữa chúng Y 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 đợc từ chuyển dịch theo hớng sàng trong 1 chu kỳ dao động; V SZ = X SZ T.cos (10) Hay V SZ = X SZ (t') + Acossin[(T - t')] Tcos ; (11) trong đó: T- chu kỳ dao động; T = 2 X SZ (t)- chuyển dịch theo phơng ngang tại thời điểm t của vật liệu. Có thể giải đợc bằng giải tích trong trờng 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. Ngời ta gọi đó là vị trí cộng hởng tĩnh" bởi vì trong trờng hợp này khoảng thời gian bị ném xiên lên bằng với thời gian của chu kỳ chuyển động, nghĩa là: t - t o = T. Trên hình 5 mô tả chuyển dịch của mặt sàng đặt nằm ngang có góc nghiêng = 0 0 (đờng nét đứt) và chuyển dịch theo phơng thẳng đứng của hạt vật liệu (đờng liền nét) biểu diễn theo thời gian. Do quỹ đạo của hạt là đờng parabol đối xứng nên độ nảy lên đạt cực đại (y max ) sẽ nằm ở giữa khoảng thời gian nảy lên của vật liệu, nghĩa là độ nảy của hạt vật liệu đạt tới hạn khi: t m - t 0 = T 2 = ; (12) Đối với trờng hợp ném xiên, nếu hạt vật liệu ở điểm đỉnh của quỹ đạo (t = t m ), thành phần thẳng đứng của vận tốc của vật liệu bằng không (V YSZ = 0). Hình 5. Sơ đồ giải thích hệ số ném lên tới hạn Từ biểu thức (7), có thể tính đợc t m : t m = V Y0 g + t 0 ; (13) Thay vào biểu thức (12) và trị số V Y0 vào công thức (13) ta có: = A 2 sincost 0 g ; (14) Với việc sử dụng các công thức (5) và (6) ta có thể viết lại công thức trên nh sau: = Kr 2 Kr 1 1 ; Từ đó, trị số của hệ số ném lên tới hạn là: Kr = 1 2 + = 3,3 (15) Từ kết quả nhận đợc ta thấy rằng, trị số của hệ số ném lên giới hạn độc lập với các đặc trng dao động (điều này cũng đúng với cả sàng nghiêng và dao động tròn nhng việc chứng minh phức tạp hơn). Trong trờng hợp hệ số ném lên đạt trị số giới hạn ( Kr ) thì vận tốc di chuyển giới hạn của các hạt có thể xác định từ thành phần nằm ngang của vận tốc ném lên: V Kr = V X0 cos ; (16) Đối với máy sàng, các đại lợng đặc trng 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 nhng 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 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 sng rung có hớng khi < 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 trng dao động của máy sàng đã nêu trên (mục 2.2), chúng tôi đã dùng ngôn ngữ Turbo Pascal 7.0 để xây dựng chơng 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 , góc định hớng . Các thông số đầu ra và đồ thị nhận đợc là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa vận tốc và hệ số ném lên , 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 đợc 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 đợc 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 đợc các thông số kết cấu và thông số làm việc hợp lý cho máy sàng rung có hớng. Bớc 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 hớng 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 cỡng bức kiểu hành tinh trên MTĐT. Tạp chí khoa học Giao thông Vận tải, số 1, tháng 11/2002. [3]. Nguyễn Văn Vịnh v 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 . nghiên cứu xác định các đặc trng dao động của máy sng rung có hớng v xây dựng chơng trình mô phỏng hoạt động trên máy tính điện tử TS. Nguyễn văn vịnh Bộ môn Máy xây dựng Khoa Cơ. động của hạt vật liệu trên sng rung có hớng khi < 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 trng dao động của máy sàng đã. Bi báo trình by tóm tắt nội dung v kết quả nghiên cứu xác định các đặc trng dao động của máy sng rung có hớng v mô phỏng hoạt động của nó trên máy tính điện tử (MTĐT). Kết quả của công trình