Báo cáo Khoa học Xác định góc nâng giới hạn của cam trụ trên máy đóng bầu mía giống

Bỏo cỏo khoa học: Xỏc định gúc nõng giới hạn của cam trụ trờn mỏy đúng bầu mớa giống 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 tr−ợt 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 tr−ợt có chuyển động tịnh tiến lên xuống theo ph−ơng thẳng đứng, đ−ợc 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 đ−ợc 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 tr−ợt; 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. 7 56 Hình 2. Cấu tạo của bộ phận cung cấp ống: 1- Khung máy, 2- Cam trụ, 3- Thanh dẫn h−ớng, 4- Bạc tr−ợt, 5- Con lăn, 6- Khung tr−ợt, 7- Thanh điều khiển cơ cấu kẹp túi bầu, 8- Lõi chèn, 9- Dàn dỡ cụm nâng ống Kích th−ớc của cơ cấu cam trụ có ảnh h−ởng 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 tr−ợt 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 đ−ợc góc nâng giới hạn của cam trụ. 2. Nội dung và ph−ơng 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 t−ợng tháo khớp, sử dụng cam rãnh. Khâu bị dẫn của cơ cấu cam trụ (hình 2) là khung tr−ợt 6; tr−ợt dọc theo hai thanh dẫn h−ớng 3 trên các bạc tr−ợt 4. Kết cấu của khung tr−ợt đ−ợc xác định theo yêu cầu đặt ra đối với bộ phận nâng hạ miệng ống. Quy luật chuyển động của khung tr−ợt đ−ợc 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 đ−ợc xác định theo điều kiện tự hãm của khung tr−ợt và phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có hình dạng và trạng thái rãnh tr−ợt, kích th−ớc khung tr−ợt, các yếu tố của lực chủ động và lực cản đặt lên khung tr−ợt, v.v. (Юдин В. А., Петрокас Л. В.,1967; Кожевников С. Н. и др.,1976; Đặng Thế Huy, Nguyễn Khắc Th−ờng, 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 th−ớc cụ thể của cơ cấu. Để xác định góc nâng giới hạn của cam trụ trong cơ cấu đã nêu, cần viết đ−ợc ph−ơng 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 th−ớc của khung tr−ợt. Từ đó có cơ sở lựa chọn kích th−ớc của khung tr−ợt và cam trụ sao cho phù hợp với kết cấu chung của toàn máy. Để giải quyết bài toán, đã sử dụng ph−ơng 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 tr−ợt Từ kết cấu của bộ phận tạo vỏ bầu và bố cục chung của toàn máy, sơ bộ xác định các kích th−ớc cần thiết của khung tr−ợt, các lực tác dụng lên khung và xây dựng sơ đồ tính toán khung tr−ợt, làm cơ sở cho việc xác định góc nâng giới hạn của cam trụ (hình 3). Khung tr−ợt có chuyển động lên xuống theo chu kỳ. Trong chu kỳ chuyển động của khung tr−ợt, 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 l−ợng của khung; đặt tại trọng tâm khung, nằm trong mặt phẳng của khung, h−ớng xuống d−ới. 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 tr−ợt một khoảng bằng b, ng−ợc 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, ng−ợc 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 ph−ơng 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 ph−ơng tr−ợt và vuông góc với ph−ơng tr−ợt, ta đ−ợc 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 nh− hình vẽ, gốc toạ độ O nằm tại trọng tâm khung tr−ợt. Xét các lực nằm theo ph−ơng trục Ox (hình 4): Theo ph−ơng này chỉ có lực Png. Dời Png về gốc toạ độ, ta đ−ợc 3 thành phần: Lực Png đặt tại điểm O, ép khung vào giá đỡ theo ph−ơng Ox. Mô men Mz Png = Png.a, có xu h−ớng làm khung quay quanh trục Oz. Mô men My Png = Png.e, có xu h−ớng làm khung quanh quanh trục Oy. Lập các ph−ơng 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: XA Png+XB Png+XC Png+XD Png=Png; (3.2) Gọi YA Mz , YB Mz , YC Mz , YD Mz là các phản lực tại các gối đỡ do mô men Mz gây ra, ta có: YA Mz+YB Mz+YC Mz+YD Mz=2Mz/c; (3.3) Gọi XA My, XB My , XC My , XD My là các phản lực tại các gối đỡ A, B, C, D do mô men My gây ra, ta có: XA My+XB My+XC My+XD My=2My/d; (3.4) YD Mx λ Pk y x Pn O Pđ R Mx D C B A YC Mx z Pđk YB Mx YA Mx Hình 4. Sơ đồ xác định phản lực ổ trục do lực Png gây ra a λ d z y x a c e O Pn Mz My XB Png A B C D XD Png XC Png XA Png YC Mz YA M XB My YB Mz XA My XC M XD My Hình 5. Sơ đồ xác định phản lực ổ trục do các lực Pđ, Pn, Pđk gây ra Tại vị trí đang xét, các phản lực trên có ph−ơng chiều nh− 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 đ−ợc 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 h−ớng làm cho khung chuyển động. Mô men Mx làm cho khung bị quay đi quanh trục Ox. Thành lập ph−ơng 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: YA Mx+ YB Mx+ YC Mx+ YD Mx = 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 YA Mx, YB Mx, YC Mx, YD Mx , nghĩa là lực ma sát tại các ổ trục do riêng mô men Mx gây ra, sẽ đ−ợc tính theo công thức: Fms Mx = (YA Mx+ YB Mx+ YC Mx+ YD Mx).f = (2Mx / d).f; (3.7) Lập ph−ơng trình cân bằng hình chiếu của tất cả các lực tác dụng lên khung theo ph−ơng 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 đ−ợc: 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 ph−ơng trình cân bằng, cũng có thể xem là ph−ơng 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 ng−ợc 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 đ−ợc 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 đ−ợc. Góc nâng giới hạn đ−ợc 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 th−ớc của khung tr−ợt Góc nâng giới hạn của cam trụ phụ thuộc theo các kích th−ớc của khung tr−ợt (công thức 3.12) có thể đ−ợc thể hiện qua đồ thị (hình 6). Qua các đồ thị trên hình 6, có thể thấy khi tăng kích th−ớc giữa các ổ trục của khung tr−ợt (tăng các kích th−ớc c, d) hoặc khi đặt con lăn càng gần trọng tâm của khung (giảm các kích th−ớc a, e) thì góc nâng giới hạn tăng lên. Các đồ thị cũng cho thấy ảnh h−ởng của khoảng cách a và e đến góc nâng giới hạn mạnh hơn ảnh h−ởng của các kích th−ớc c, d; nghĩa là để tăng góc nâng giới hạn của cam trụ thì việc giảm các kích th−ớc a, e có hiệu quả hơn là tăng các kích th−ớc c, d. Căn cứ theo định h−ớng 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 30 40 50 60 70 54.5 55 55.5 56 300 320 340 360 380 400 a) b) 56.5 57 57.5 58 58.5 200 220 240 260 280 300 58 60 62 64 66 68 70 0 50 100 150 c) d) Hình 6. Sự thay đổi góc nâng giới hạn theo các kích th−ớc khung tr−ợt: 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 tr−ợt và điều kiện làm việc của bộ phận cung cấp ống, đã viết đ−ợc ph−ơng trình cân bằng gần đúng của khung tr−ợt, cho phép phân tích ảnh h−ởng của các kích th−ớc của khung tr−ợt đến góc nâng giới hạn của cam trụ, định h−ớng cho việc chọn các kích th−ớc chính của khung tr−ợt và cam trụ. Đã xác định các kích th−ớc chính của khung và góc nâng giới hạn của cam trụ. Những kết quả thu đ−ợc đã đ−ợc 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 Th−ờng (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.