Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến việc lựa chọn tốc độ quay trục lệnh tâm của máy sàng rung có hướng

Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực N.M. Hùng, N.V. Tân, B.K. Gầy, “Nghiên cứu ảnh hưởng máy sàng rung có hướng.” 160 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU ĐẾN VIỆC LỰA CHỌN TỐC ĐỘ QUAY TRỤC LỆNH TÂM CỦA MÁY SÀNG RUNG CÓ HƯỚNG Nguyễn Mạnh Hùng1*, Nguyễn Viết Tân2, Bùi Khắc Gầy2 Tóm tắt: Từ mô hình động lực học máy sàng rung có hướng, bài báo khảo sát ảnh hưởng đồng thời của các thông số kết cấu và tốc độ quay trục lệch tâm đến năng suất và hiệu quả làm việc của máy nhằm lựa chọn đến việc lựa chọn tốc độ quay hợp lý của trục lệch tâm. Kết quả nghiên cứu cho phép thiết lập mối tương quan giữa khối lượng lệch tâm, khối lượng hộp sàng và tốc độ quay của trục lệch tâm, làm cơ sở để thiết lập hệ thống tự động lựa chọn tốc độ quay hợp lý của trục lệch tâm để nâng cao hiệu quả khai thác và máy sàng rung có hướng tại Việt Nam. Từ khóa: Sàng rung có hướng, Thông số kết cấu, Thông số động lực học, Trục lệch tâm. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Máy sàng rung có hướng làm việc theo nguyên lý sử dụng lực kích động có hướng của khối lệch tâm tác động lên hộp sàng, tạo ra năng lượng cho các hạt vật liệu nằm trên mặt sàng chuyển động và diễn ra quá trình phân loại vật liệu. Hiệu quả làm việc của máy sàng rung có hướng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: các thông số về kết cấu (khối lượng lệch tâm, bán kính lệch tâm, khối lượng hộp sàng cùng vật liệu, độ cứng và giảm chấn các gối đỡ lò xo), thông số về chế độ làm việc (tốc độ quay của trục lệch tâm, tỷ lệ kích cỡ hạt, lưu lượng nạp). Lý thuyết và các kết quả nghiên cứu về máy sàng cho thấy các thông số kết cấu của máy có quan hệ chặt chẽ với các thông số động lực học và chế độ làm việc của máy. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về máy sàng rung như tác giả Bauman.V.A [5, 6] đã đưa ra mô hình tính toán động lực học của máy sàng rung có hướng ở dạng đơn giản, tác giả Xapônicôv [7] đã trình bày cơ sở khoa học xác định các thông số động học và động lực học của máy phân loại vật liệu sử dụng hiệu ứng rung, tác giả Nguyễn Văn Vịnh [1,4] đã đưa ra mô hình tính toán động lực học và hệ phương trình chuyển động của máy sàng rung có hướng với 2 bậc tự do theo 2 phương X,Y, tác giả Trần Văn Tuấn [3] đã đề cập đến một số bài toán lý thuyết liên quan đến quá trình rung động của máy sàng, tác giả Lê Trọng Tuấn [2] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thông số kết cấu đến năng suất và hiệu quả sàng khi chọn cố định một tốc độ quay của trục lệch tâm. Như vậy, việc xác định ảnh hưởng đồng thời của hai nhóm thông số kết cấu và tốc độ quay trục lệch tâm đến năng suất và hiệu quả làm việc của máy sàng rung có hướng chưa được công bố. Khi thiết kế, mối quan hệ giữa các thông số kết cấu và chế độ làm việc của máy cần lựa chọn hợp lý theo điều kiện năng suất và hiệu quả sàng. Trong thực tiễn khai thác, vì lý do nào đó sẽ làm thay đổi khối lượng vật liệu trên hộp sàng, thay đổi tốc độ quay của trục lệch, dẫn đến làm thay đổi mối quan hệ hợp lý theo thiết kế. Mặt khác, nếu thay đổi tốc độ quay trục lệch tâm, sẽ làm thay đổi lực kích động và tần số kích động dao động hộp sàng, có thể dẫn đến làm giảm lực kích động và dễ gây ra hiện tượng “cộng hưởng” của hộp sàng, làm giảm hiệu quả sàng. Do vậy, phạm vi bài báo sẽ trình bày ảnh hưởng đồng thời của sự thay đổi tốc độ quay trục lệch tâm và một số thông số kết cấu đến năng suất và hiệu quả sàng tốt nhất. Từ đó, cho phép lựa chọn hợp lý tốc độ quay trục lệch tâm II. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY SÀNG RUNG CÓ HƯỚNG Để xây dựng được mô hình tính toán động lực học của máy sàng rung có hướng, sử dụng một số giả thiết sau: Xét mô hình trong mặt phẳng thẳng đứng; Hộp sàng dao động có hướng và theo [3] có 1/3 khối lượng vật liệu cùng dao động; Đường tác dụng của lực kích Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 161 động đi qua trọng tâm của hộp sàng; Độ cứng của các lò xo được coi là như nhau và qui về độ cứng tương đương là C; Sự dập tắt dao động của hộp sàng được thể hiện bằng hệ số dập tắt dao động b; Bỏ qua sự tổn hao ma sát tại các khớp của hộp sàng, các thanh chống. Từ mô hình vật lý máy sàng rung có hướng và với các giả thiết, trên hộp sàng đặt hai hệ hệ trục tọa độ: hệ trục cố định XOY có gốc tọa độ trùng với khối tâm của hộp sàng ở vị trí cân bằng tĩnh và có phương của trục X trùng với phương dao động của hộp sàng, hệ trục tọa độ di động X’O’Y’, Theo [4,2], mô hình dao động của máy sàng rung có hướng là mô hình 1 bậc tự do ứng với một tọa độ suy rộng là x và thể hiện ở hình 1. Trong đó: m0 là tổng khối lượng của khối lệch tâm;  là vận tốc góc của trục lệch tâm; α là góc lực kích động với phương ngang; Pkđ là lực kích động tạo bởi các khối lệch tâm; Sử dụng phương trình Lagrăng loại hai có dạng tổng quát: ( ) ( ) (1) d T T P t dt x x x x              Phương trình vi phân mô tả chuyển động của hộp sàng: Hình 1. Mô hình tính toán động lực học máy sàng rung có hướng. 2 0 0 0( ) cos( )m m x bx cx m r t      (2) Hay: 2 0 0 0 0 0 cos( ) m rb c x x x t m m m m m m          (3) Với điều kiện đầu: x(0 ) 0; x(0 ) 0  Các tham số động lực học xác định theo phương trình (3) phụ thuộc vào thông số kết cấu (m0, m, r0, C, b) và chế độ làm việc (n hoặc ). Đối với gối đàn hồi là là xo, thông số b phụ thuộc vào dạng lực kích động và thường được xác định bằng thực nghiệm. Để năng suất và hiệu quả sàng cao nhất, khi giải phương trình (3), theo [7], các giá trị động lực học tối ưu về mặt lý thuyết khi bỏ qua yếu tố như ma sát ở các gối đỡ là: dịch chuyển (0,003÷0,006m), vận tốc (v0=0,2÷0,5m/s), gia tốc (a=25÷40m/s 2). III. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT Bộ số liệu ban đầu: để thuận lợi cho việc tính toán lý thuyết và sẽ có sự đánh giá theo thực nghiệm ở bài báo nghiên cứu tiếp theo, theo [2], chọn bộ số liệu theo kết cấu máy sàng rung sử dụng trong phòng thí nghiệm Khoa Động lực: m0=6,4 kg; r0=0,04 m; m=120 kg; C=154321 N/m; b=77,16 Ns/m. Để xác định ảnh hưởng đồng thời của thông số kết cấu và tốc độ quay trục lệch tâm đến hiệu quả sàng, trong phạm vi nghiên cứu, lựa chọn sự thay đổi hai tham số về kết cấu là khối lượng khối lệch tâm m0 và hộp sàng cùng vật liệu m theo trường hợp tăng so với giá trị ban đầu 1,5 lần (m0=9,6kg, m=180kg) và tốc độ quay trục lệch tâm từ n=2001200 vòng/phút . 3.1. Các trường hợp tính toán: a. Trường hợp 1: Lấy theo bộ số liệu kết cấu ban đầu. Thay đổi tốc độ quay trục lệch tâm n=2001200 vòng/phút (=21126 rad/s). Kết quả tính toán tham số động lực học (chuyển dịch, vận tốc và gia tốc) theo tốc độ quay của trục lệch tâm cho theo hình 2. Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực N.M. Hùng, N.V. Tân, B.K. Gầy, “Nghiên cứu ảnh hưởng máy sàng rung có hướng.” 162 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 a) 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 b) 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 c) Hình 2. Kết quả tính toán động lực học máy sàng rung có hướng theo số liệu của máy sàng trong phòng thí nghiệm Khoa Động lực/Học viện KTQS. a) Biên độ dao động của hộp sàng theo tốc độ vòng quay trục lệch tâm. b) Vận tốc dao động của hộp sàng theo tốc độ vòng quay trục lệch tâm. c) Gia tốc dao động của hộp sàng theo tốc độ vòng quay trục lệch tâm. b. Trường hợp 2: Sử dụng số liệu ban đầu , thay đổi m0=9,6kg. Kết quả tính toán tham số động lực học theo sự tăng của khối lượng lệch tâm và sự thay đổi tốc độ quay của trục lệch tâm cho theo hình 3. 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 a) 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 b) Hình 3. Kết quả tính toán động lực học máy sàng rung có hướng khi khối lượng lệch tâm m0 tăng 1,5 lần. a) Biên độ dao động của hộp sàng theo tốc độ vòng quay trục lệch tâm. b) Vận tốc dao động của hộp sàng theo tốc độ vòng quay trục lệch tâm. c) Gia tốc dao động của hộp sàng theo tốc độ vòng quay trục lệch tâm. 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 c) Tốc độ quay (vg/ph) Tốc độ quay (vg/ph) Dịch chuyển (m) Vận tốc (m/s) Vận tốc (m/s) Dịch chuyển (m) Tốc độ quay (vg/ph) Tốc độ quay (vg/ph) Tốc độ quay (vg/ph) Tốc độ quay (vg/ph) Gia tốc (m/s2) Gia tốc (m/s2) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 163 c. Trường hợp 3: Sử dụng số liệu ban đầu, thay đổi m=180kg. Kết quả tính toán tham số động lực học theo sự tăng của khối lượng hộp sàng và sự thay đổi tốc độ quay của trục lệch tâm cho theo hình 4. 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -0.01 -0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 a) 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 b) Hình 4. Kết quả tính toán động lực học máy sàng rung có hướng khi khối lượng hộp sàng m tăng 1,5 lần. a) Biên độ dao động của hộp sàng theo tốc độ vòng quay trục lệch tâm. b) Vận tốc dao động của hộp sàng theo tốc độ vòng quay trục lệch tâm. c) Gia tốc dao động của hộp sàng theo tốc độ vòng quay trục lệch tâm. 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 c) d. Trường hợp 4: Sử dụng số liệu ban đầu, m0=9.6 kg, m=180 kg. Kết quả tính toán tham số động lực học theo sự tăng của các khối lượng và sự thay đổi theo tốc độ quay của trục lệch tâm cho theo hình 5. 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -0.01 -0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 a) 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 b) Hình 5. Kết quả tính toán động lực học máy sàng rung có hướng khi khối lượng lệch tâm m0 và khối lượng hộp sàng m tăng 1,5 lần. a) Biên độ dao động của hộp sàng theo tốc độ vòng quay trục lệch tâm. b) Vận tốc dao động của hộp sàng theo tốc độ vòng quay trục lệch tâm. c) Gia tốc dao động của hộp sàng theo tốc độ vòng quay trục lệch tâm. 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 c) Tốc độ quay (vg/h) Dịch chuyển (m) Vận tốc (m/s) Tốc độ quay (vg/h) Gia tốc (m/s2) Tốc độ quay (vg/h) Gia tốc (m/s2) Tốc độ quay (vg/h) Dịch chuyển (m) Tốc độ quay (vg/h) Vận tốc (m/s) Tốc độ quay (vg/h) Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực N.M. Hùng, N.V. Tân, B.K. Gầy, “Nghiên cứu ảnh hưởng máy sàng rung có hướng.” 164 Nhận xét: Theo các kết quả tính trên, khi thay đổi đồng thời một số thống số kết cấu và tốc độ quay của trục lệch tâm từ 2001200 vg/phút (bằng việc điều chỉnh biến tần), có một số nhận xét như sau: - Về qui luật: qui luật về các thông số động lực học (chuyển dịch, vận tốc và gia tốc) của hộp sàng hoàn toàn giống nhau và có biên độ tăng lên khi tăng tốc độ quay. Khi tốc độ quay lớn hơn 300vg/ph, biên độ của chuyển dịch và vận tốc giảm dần, còn biên độ gia tốc vẫn tăng dần. Như vậy, với bộ số liệu chọn trước như trên, khi tăng tốc độ quay của trục lệch tâm (tăng lực kích động lên hộp sàng), tần số dao động kích thích sẽ tiếp cận đến tần số dao động riêng ở vùng từ 300400vg/ph, giá trị của chuyển dịch đạt lớn nhất nên có thể coi vùng tốc độ quay này sẽ gây ra hiện tượng “cộng hưởng”, càng xa vùng này, ảnh hưởng của hiện tượng này giảm đi rõ rệt. Qui luật này phù hợp với đặc tính làm việc của máy sàng thực. - Về giá trị: Nếu chọn trường hợp tính 1 coi là chuẩn để so sánh thì khi khối lượng lệch tâm (hoặc khối lượng hộp sàng) tăng lên một giá trị nào đó (giả sử chọn 1,5 lần) thì dịch chuyển lớn nhất sẽ tăng (hoặc giảm) xấp xỉ 1,5 lần ở vùng tốc độ quay khác nhau. Khi tăng đồng thời khối lượng lệch tâm và khối lượng hộp sàng lên 1,5 lần thì giá trị lớn nhất của dịch chuyển giảm xấp xỉ 1,2 lần với vùng tốc độ quay trục lệch tâm nhỏ hơn. Các tham số khác cũng có qui luật tương tự. Như vậy, giá trị của các tham số động lực học không chỉ phụ thuộc vào thông số kết cấu, mà còn phụ thuộc vào tốc độ quay của trục lệch tâm. Đây là cơ sở để lựa chọn vùng tốc độ quay trục lệch tâm. 2. Xác định ảnh hưởng của kết cấu đến lựa chọn tốc độ quay của trục lệch tâm Theo kết quả và nhận xét ở trên, theo điều kiện [7] để nâng cao hiệu quả và năng suất sàng, các thông số động lực học nhận được phải là các giá trị trong vùng đã nêu ở mục II trên. Từ đó, có thể lựa chọn tốc độ quay của trục lệch tâm theo các trường hợp tính toán đã nêu trên như sau: - Trường hợp 1: vùng tốc độ quay được lựa chọn từ 8001150vg/ph; - Trường hợp 2: vùng tốc độ quay được lựa chọn từ 9001000vg/ph; - Trường hợp 3: không chọn được vùng tốc độ quay, do không đạt yêu cầu về vận tốc; - Trường hợp 4: vùng tốc độ làm việc được lựa chọn từ 10501200vg/ph; Ứng với mỗi trường hợp tính trên, vùng làm việc của trục lệch tâm là khác nhau. Nghĩa là, các thông số kết cấu đã ảnh hưởng đến việc lựa chọn tốc độ quay của trục lệch tâm, cụ thể: trường hợp 1 có vùng làm việc lớn nhất, trường hợp 3 không chọn được vùng làm việc. Trong thực tế, sự thay đổi tốc độ quay của trục lệch tâm trong quá trình làm việc phụ thuộc vào trạng thái của động cơ, của hộp giảm tốc và của khối lượng vật liệu chất vào hộp sàng nên nếu vùng làm việc được lựa chọn càng rộng, thì hiệu quả sàng thực tế sẽ tốt hơn. IV. KẾT LUẬN Từ mô hình tính toán động lực học máy sàng rung có hướng, bài báo tiến hành khảo sát ảnh hưởng đồng thời thông số khối lượng khối lệch tâm m0 , khối lượng hộp sàng cùng vật liệu m và tốc độ quay trục lệch tâm theo điều kiện để nâng cao năng suất và hiệu quả làm việc của máy đạt cao nhất. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự thay đổi thông số kết cấu đã ảnh hưởng đến việc xác định vùng làm việc của trục lệch tâm. Từ đó, cho phép lựa chọn tốc độ quay trục lệch thỏa mãn điều kiện tối ưu về năng suất và hiệu quả sàng. Từ kết quả này cho phép xác lập mối quan hệ giữa thông số kết cấu và tốc độ quay hợp lý của trục lệch tâm, cụ thể: nếu cho trước bộ số liệu về kết cấu của máy sàng thì sẽ xác định được vùng tốc độ quay của trục lệch tâm và ngược lại, có thể điều chỉnh tốc độ quay trục lệch tâm khi có sự thay đổi về khối lượng vật liệu trên hộp sàng để đảm bảo hiệu quả Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 165 sàng là lớn nhất. Kết quả này sẽ cho phép lựa chọn vùng tốc độ quay hợp lý của trục lệch tâm, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác máy sàng, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu về tự động điều tốc độ quay của trục lệch tâm theo sự thay đổi của vật liệu trên hộp sàng khi thiết kế, chế tạo máy sàng tại Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Quang Quý, Nguyễn Văn Vịnh, Nguyễn Bính, “Máy và thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng”, NXB Giao thông vận tải, 2001. [2]. Lê Trọng Tuấn. “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến năng suất và hiệu quả làm việc của máy sàng rung có hướng”. Tạp chí Kh&KT, số 161, 4-2014. [3]. Trần Văn Tuấn. “Cơ sở kỹ thuật rung trong xây dựng và sản xuất vật liệu xây dựng”. NXB Xây dựng - 2005. [4]. Nguyễn Văn Vịnh. “Động lực học máy xây dựng và xếp dỡ”. ĐHGTVT- 2006. [5]. Бауман В. А. и другие. “Вибрационные машины в строительстве и производстве строительных материалов”, Москва - 1970. [6]. Бауман В. А. и И. И. Быховский. “Вибрационные машины и процессы в строительстве”, Москва - 1977. [7]. Сапожников М. Я. “Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций”, Москва - 1970. ABSTRACT STUDYING ON THE EFFECT OF THE STRUCTURAL PARAMETERS ON THE SELECTION OF THE ROTATIONAL SPEED OF THE ECCENTRIC SHAFT FOR VIBRATING SCREEN DIRECTION From the kinetic model of vibrating screen direction machine, we study the impact simultaneously of the structural parameters and rotational speed of the eccentric shaft to the productivity and work efficiency of the machine. Our results is to give the relations of eccentric shaft mass, gear mass to the rotational speed of the eccentric shaft, so that we can automatically choose the suitable speed of the eccentric shaft in order to improve the work efficiency of the vibrating screen direction machine in Vietnam Keywords: Vibrating Screen direction, Structural parameters, Dynamic parameters, Eccentric shaft. Nhận bài ngày 10 tháng 01 năm 2016 Hoàn thiện ngày 23 tháng 02 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 02 năm 2016 Địa chỉ: 1Viện Kỹ thuật Công binh- BTL Công Binh; 2Học viện Kỹ thuật QS; * Email: hoangsonhung72@gmail.com.