Khảo sát dao động của máng rung v nghiên cứu một số yếu tố ảnh hởng đến năng suất v sai số của hệ thống định lợng trong trạm trộn cấp phối TS. Nguyễn văn vịnh Bộ môn Máy xây dựng Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT KS. Nguyễn hữu lộc Công ty ô tô 1 - 5 Tóm tắt: Bi báo trình by tóm tắt kết quả khảo sát dao động của máng rung trong hệ thống định lợng vật liệu của trạm trộn cấp phối dùng điều tiết tự chảy bằng máng rung - cửa sập. Ngoi ra, các tác giả còn giới thiệu kết quả nghiên cứu một số yếu tố ảnh hởng đến năng suất v sai số của hệ thống điều tiết ny bằng thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu nhận đợc có thể sử dụng trực tiếp phục vụ cho việc chế tạo các trạm trộn trong nớc cũng nh phục vụ công tác đo tạo, nghiên cứu khoa học. Summary: The article presents briefly the result of a study on calibrating system using vibrating conveyors and slamming doors to be utilized at aggregate mixing plants. The result can be made usable for training work, scientific research and direct application in production. i. đặt vấn đề Quá trình chế tạo hỗn hợp cấp phối phục vụ xây dựng lớp móng đờng (lớp BASE) theo quy trình AASHTO khi dùng các trạm trộn thờng bao gồm ba công đoạn chính. Đó là công đoạn điều tiết (định lợng); công đoạn trộn và công đoạn tích xả hỗn hợp xuống ô tô vận chuyển. Trong ba công đoạn nói trên, công đoạn điều tiết đóng một vai trò hết sức quan trọng, quyết định đến tỷ phối của hỗn hợp cấp phối và chất lợng của hỗn hợp sau khi trộn. Trong một số trờng hợp, ví dụ nh khi sản xuất hỗn hợp cấp phối đá thuần (không có chất kết dính) nếu điều tiết tốt chúng ta thậm chí có thể bỏ đi cả bộ máy trộn (vì hỗn hợp đã hoà lẫn nhau trên băng gom và trên băng dâng) - thực nghiệm của chúng tôi đã chứng tỏ kết luận này. Chính vì vậy cần phải quan tâm nghiên cứu, xây dựng cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế hệ thống định lợng vật liệu ở đầu vào của trạm trộn cấp phối để đảm bảo chất lợng của sản phẩm. Công trình nghiên cứu giới thiệu sau đây của chúng tôi sẽ đề cập đến vấn đề đã nêu ở trên. ii. nội dung 2.1. Hệ thống định lợng bằng máng rung cửa sập Hiện nay có nhiều phơng pháp điều tiết liên tục vật liệu đầu vào của trạm trộn cấp phối nh điều tiết bằng máng rung - cửa sập, điều tiết bằng băng gạt - cửa sập đồng tốc, điều tiết bằng băng gạt - cửa sập sai tốc, điều tiết bằng băng cân- cửa sập Trong phạm vi bài báo này, bớc đầu chúng tôi lựa chọn hệ thống định lợng dùng máng rung - cửa sập là kiểu định lợng phổ biến nhất hiện nay dùng cho cả trạm trộn bê tông nhựa nóng lẫn trạm trộn cấp phối làm đối tợng nghiên cứu. 1 2 10 11 12 9 8 7 6 5 3 13 14 15 Hình 1. Tổng thể trạm trộn cấp phối 1. Phễu cấp liệu; 2. Băng tải gom; 3. Ca bin điều khiển; 4. Tháp trộn; 5. Móng thép; 6. Chân tháp trộn; 7. Phễu tích xả; 8. Máy trộn; 9. Băng tải dâng; 10. Máng rung - cửa sập; 11. Động cơ rung sờn phễu; 12. Dây cáp treo máng rung; 13. ống phun nớc; 14. Hộp giảm tốc; 15. Động cơ máy trộn Sơ đồ nguyên lý của hệ thống định lợng bằng máng rung - cửa sập thể hiện trên hình 2. 1 2 3 4 5 6 Hình 2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống định lợng bằng máng rung - cửa sập 1. Phễu cấp liệu; 2. Vật liệu; 3. Lò xo treo máng rung; 4. Móng treo máng; 5. Động cơ rung; 6. Cửa định lợng (cửa sập) Nguyên lý làm việc: Vật liệu đợc tập kết vào phễu 1 bằng máy xúc lật hoặc các máy khác. Khi hệ thống làm việc, đầm rung 5 hoạt động, do máng rung 4 đợc lắp đặt nghiêng 1 góc so với mặt phẳng nằm ngang nên vật liệu đợc chảy ra ngoài qua cửa điều tiết 6. Muốn điều chỉnh lợng vật liệu cấp ra ta điều chỉnh độ cao của cửa điều tiết 6. 2.2. Tính dao động của máng rung Từ mô hình thực của máng rung nh trên, với các giả thiết: coi máng rung nh một thanh chịu lực kích động đặt lệch tâm, thực hiện dao động theo phơng thẳng đứng và chuyển dịch góc (chuyển động lắc) quay quanh trọng tâm của hệ, chúng ta có mô hình tính toán nh sau: l 2 C C e S m y y 1 y 2 cy 1 cy 2 y o x l 1 && S Hình 3. Mô hình động lực học của máng rung Các thông số trong hình 3: C - Độ cứng quy kết của lò xo m - Khối lợng quy kết của hệ s - Mô men quán tính quy kết e - Độ lệch tâm F - Lực kích động (lực gây rung) - Tần số góc của lực gây rung l 1 ,l 2 - Khoảng cách tơng ứng từ trọng tâm đến các lò xo y - Chuyển vị theo phơng thẳng đứng - Chuyển vị góc (lắc) xung quanh trục qua trọng tâm. Phơng trình chuyển động của máng rung nh sau: tsineFlcylcy tsinFcycyym 02211s 021 =+ =++ && && (1) Từ quan hệ hình học nh trên hình, chúng ta có : ym && F=F 0 sin t S m 11 lyy = và 22 lyy + = (2) Thay các biểu thức (2) vào hệ phơng trình chuyển động (1), ta có: tsineF)ly(cl)ly(cl tsinF)ly(c)ly(cym 02211s 021 =++ =+++ && && (3) Rút gọn chúng ta có: tsineF)ll(cy).ll(c tsinF)ll(ccy2ym 0 2 2 2 112s 012 =+++ =++ && && (4) Giải phơng trình chuyển động (4) trên với các giá trị cụ thể của hệ thống máng rung trong trạm trộn cấp phối năng suất Q = 80 - 100T/h bao gồm: m = 120kg; F 0 = 4200N; ; e = 0,319; l s/rad69,303= 1 = 0,421m; l 2 = 0,445m; c = 49050 N/m; bằng phần mềm MATLAB (Simulink) với thuật toán Runge - Kutta bậc 4. Chúng ta có kết quả nh sau: 2 s kgm758,5= Hình 4. Chuyển vị thẳng đứng của máng rung Hình 5a. Chuyển vị góc (lắc) trong mặt phẳng thẳng đứng Biên độ dao động theo phơng thẳng đứng của máng rung A 3mm, góc lắc = 2,5.10 -3 rad. Hình 5b. Lực động trong các lò xo Từ kết quả tính dao động đã thu đợc nh trên, với sự trợ giúp của máy tính, chúng ta dễ dàng tính toán lựa chọn đợc các thông số hợp lý nh độ cứng của lò xo, lực gây rung, tần số rung sao cho việc định lợng của hệ thống điều khiển kiểu này có chất lợng tốt nhất 2.3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng đến năng suất và sai số của hệ thống định lợng kiểu máng rung - cửa sập bằng thực nghiệm Để đánh giá ảnh hởng của các yếu tố nh: chiều cao cửa sập H, góc nghiêng máng rung , tần số rung của động cơ gây rung f, độ cứng của lò xo treo máng rung C, dung tích phễu cấp liệu V, ảnh hởng của độ ẩm vật liệu W đến năng suất và sai số của hệ thống định lợng kiểu máng rung - cửa sập, chúng tôi đã tiến hành làm thực nghiệm trên trạm trộn cấp phối năng suất Q = 80 - 100T/h tại Công Ty Ô tô 1- 5 - Tổng Công Ty Cơ Khí GTVT ở Đông Anh - Hà Nội trong khoảng thời gian 11 ngày (từ 5 - 15/4/2004). Nguyên tắc chung để nghiên cứu các ảnh hởng bằng thực nghiệm mà chúng tôi đã tiến hành là: thay đổi yếu tố cần nghiên cứu trong khi giữ nguyên các yếu tố còn lại. Tiến hành chạy máy, lấy mẫu, sàng phân loại, cân đong, ghi số liệu, xử lý số liệu, vẽ các đồ thị để xem xét, đánh giá. (Chi tiết xin xem [1]). Hình 6. Thực nghiệm với hệ thống định lợng bằng hệ thống máng rung - cửa sập Kết quả cụ thể đợc biểu diễn ở các đồ thị sau: Q(T/h) Q(T/h) 0 0 5 10 15 20 25 30 5 7 9 Đ á 1 Đ á 2 Đ á 3 Đá 4 Đ á 1 Đ á 4 Đ á 3 Đ á 2 0 5 10 15 20 25 30 35 6.79 10.21 1 11.94 4 Đ á 1 Đ á 2 Đ á 3 Đ á 4 Đ á 1 Đ á 4 Đ á 3 Đ á 2 a) H(m) b) (độ) Q(T/h) Q(T/h) c) f(Hz) d) c(N/m) Q(T/h) Q(T/h) e) V(m 3 ) f) W(%) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 30 40 50 Đ á 1 Đ á 2 Đ á 3 0 5 1 1 2 2 35.200 49.050 6200 Đ á 4 Đ á 4 Đ á 4 Đ á 3 Đ á 1 Đ á 1 Đ á 2 Đ á 2 Đ á 3 Đ á 1 Đ á 2 Đ á 3 Đ á 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1.5 2.5 3.0 Đá 1 Đá 2 Đá 3 Đá 4 Đ á 1 Đ á 2 Đ á 3 Đ á 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 4 7 10 Đá 1 Đá 2 Đá 3 Đá 4 Đá 4 Đ á 3 Đ á 2 Đ á 1 Hình 6. Các đồ thị thể hiện các yếu tố ảnh hởng đến năng suất của hệ thống định lợng Nhận xét: - Năng suất của máng rung tăng tỷ lệ thuận với chiều cao H của cửa mở và sai số của tất cả các máng rung điều tiết với các loại đá cỡ 1, 2, 3, 4 đều dới 2% - nằm trong phạm vi cho phép (hình 6a). - Khi góc nghiêng của máng rung tăng thì năng suất tăng theo và diễn biến tăng khá đều trong khoảng = 6,79 0 - 10,2 0 . Khi tính toán, thiết kế nên chọn = 8 - 10 0 (hình 6b). - Khi tần số rung f tăng thì năng suất Q tăng mạnh, đặc biệt trong phạm vi f = 40 - 50Hz. Đặc biệt với các loại đá lớn (đá cỡ 2, đá cỡ 3 và đá cỡ 4) - là những đá có độ rỗng cao, khả năng xoay (cựa) của viên đá nhiều hơn nên chúng rất dễ chảy ra ngoài. Còn đá cỡ 1 có kích thớc nhỏ, do ảnh hởng của nội ma sát nên sự tăng không đột biến. Với trạm trộn cấp phối nên chọn tần số f = 50Hz thì hệ thống làm việc ổn định (hình 6c). - Khi độ cứng của lò xo C tăng thì năng suất giảm vì khi C tăng sẽ làm giảm tần số dao động của của máng rung, dẫn đến năng suất giảm. Với trạm trộn cấp phối, độ cứng của lò xo treo máng rung nên lấy trong phạm vi C = 36000 - 55000 N/m là hợp lý (hình 6d). - Dung tích phễu ít ảnh hởng đến năng suất của hệ thống định lợng với các loại đá lớn hơn 12,5 mm. Riêng với các loại đá cỡ nhỏ, cần lu ý đến hiện tợng tạo vòm và cần có biện pháp phòng chống. (Ví dụ trang bị đầm rung sờn phễu, gõ chọc thủ công ) (hình 6e). - Với các loại vật liệu kích thớc nhỏ độ ẩm có ảnh hởng mạnh đến năng suất và sai số của hệ thống. Độ ẩm thích hợp W = 4 - 5 % (hình 6f). iii. Kết luận Với việc khảo sát dao động của máng rung trong hệ thống định lợng của trạm trộn cấp phối và từ các kết quả thu đợc sau khi tiến hành làm thực nghiệm với hệ thống này của trạm, chúng ta có thể đi đến một số kết luận sau đây: - Hệ thống điều tiết (định lợng) bằng máng rung - cửa sập hoàn toàn có thể áp dụng tốt cho việc định lợng vật liệu cấp phối liên tục trang bị cho trạm trộn cấp phối. Hệ thống hoạt động ổn định, sai số dới 2%, thoả mãn yêu cầu về sai số của các thành phần hạt cấp phối theo quy định hiện hành. - Đối với trạm trộn cấp phối năng suất Q = 80 - 100 T/h, hợp lý nhất là chiều cao cửa sập H = 7 9 cm, góc nghiêng độ cứng lò xo C = 36000 55000 N/m, tần số của động cơ rung f = 50 Hz. ,10 o - Đối với các loại vật liệu cấp phối hạt lớn (Cỡ hạt trên 12.5 mm), độ ẩm của vật liệu đầu vào ít ảnh hởng đến năng suất và sai số của hệ thống định lợng liên tục bằng máng rung. Đối với các loại vật liệu hạt nhỏ, độ ẩm có ảnh hởng mạnh tới năng suất và sai số của hệ thống định lợng. Khi độ ẩm tăng, năng suất của hệ thống định lợng giảm và sai số tăng. Sai số của hệ thống tăng rất mạnh và đột biến nếu nh có hiện tợng tạo vòm xảy ra trên phễu cấp liệu hoặc khi vật liệu bị ớt. Độ ẩm thích hợp nhất của vật liệu đầu vào dùng trong thi công móng đờng là w = 4 % - 5 %. Do đó cần có biện pháp bảo quản vật liệu trong quá trình trời ma, nhất là các phễu cấp liệu cần đợc che chống nớc ma khi không làm việc. - Cấu tạo phễu thích hợp cũng là một trong những thông số đảm bảo cho hệ thống định lợng cấp phối liên tục hoạt động ổn định, tránh hiện tợng tạo vòm vật liệu xảy ra khi thi công, nhất là với các vật liệu hạt nhỏ nh cát và đá mạt. Góc nghiêng thành phễu hợp lý cho các phễu chứa cát và đá mạt là > 55 0 . Nên bố trí phễu có cấu tạo dạng hai tầng với 2 giá trị góc nghiêng khác nhau để tránh hiện tợng tạo vòm. Dung tích phễu hợp lý cho các trạm cấp phối chế tạo trong nớc là 4 - 6 m 3 để đảm bảo năng suất cấp liệu, tính kinh tế và khả năng cơ động của trạm. - Đối với hệ thống định lợng cấp phối liên tục bằng máng rung, ngoài việc lu ý các thông số thiết kế, trong quá trình thi công sử dụng với mỗi loại cấp phối khác nhau, đợc trộn với các cỡ hạt và tỷ lệ thành phần khác nhau cần thờng xuyên đợc kiểm tra và thí nghiệm xác định năng suất và sai số cụ thể để điều chỉnh kịp thời các thông số H, , w Để đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật chất lợng sản phẩm của công trình đề ra. - Biên độ dao động của máng rung với độ cứng lò xo C = 49050 N/m là A 3 mm, góc lắc = 2,5.10 -3 rad là hợp lý và nên dùng. Công trình nghiên cứu mà kết quả đợc trình bày tóm tắt nh trên là tài liệu tham khảo có ích cho công tác đào tạo, nghiên cứu khoa học và có thể ứng dụng trực tiếp vào sản xuất. Tài liệu tham khảo [1]. Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học công đoạn điều tiết và trộn liên tục của trạm trộn cấp phối. Luận văn thạc sỹ KHKT của KS. Nguyễn Hữu Lộc, hớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Vịnh, PGS. TS. Vũ Thế Lộc. [2]. TS . Nguyễn Văn Vịnh v cộng sự . Nghiên cứu động lực học máy trộn và dao động của tháp trộn trong trạm trộn cấp phối. Tạp chí khoa học GTVT số 5 tháng 11/2003 (trang 56). [3]. Tuyển tập tiêu chuẩn thí nghiệm công trình giao thông. Bộ GTVT - tháng 4 /1999 . Khảo sát dao động của máng rung v nghiên cứu một số yếu tố ảnh hởng đến năng suất v sai số của hệ thống định lợng trong trạm trộn cấp phối TS. Nguyễn văn vịnh Bộ môn Máy xây dựng Khoa. thể hiện các yếu tố ảnh hởng đến năng suất của hệ thống định lợng Nhận xét: - Năng suất của máng rung tăng tỷ lệ thuận với chiều cao H của cửa mở và sai số của tất cả các máng rung điều tiết. đến năng suất và sai số của hệ thống. Độ ẩm thích hợp W = 4 - 5 % (hình 6f). iii. Kết luận Với việc khảo sát dao động của máng rung trong hệ thống định lợng của trạm trộn cấp phối và từ các