Nghiên cứu xác định các thông số ảnh hưởng đến chế độ làm việc của máy va rung trong công nghệ sản xuất cấu kiện bê tông
Bộ giáo dục v đo tạo Trờng đại học xây dựng Lu Đức Thạch Nghiên cứu xác định các thông số ảnh hởng đến chế độ làm việc của máy va rung trong công nghệ sản xuất cấu kiện bê tông Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị xây dựng Mã số: 62.52.10.01 Tóm tắt Luận án Tiến sỹ kỹ thuật H nội - 2009 Danh mục công trình công bố của tác giả liên quan đến luận án 1. Trần Văn Tuấn, Đỗ Sanh, Lu Đức Thạch. Cơ sở khoa học điều khiển bằng pha dao động cho hệ va rung cộng hởng hai bậc tự do dẫn động nhờ khối lệch tâm. Tạp chí Cơ học, T. 18, 1996. No 2, trang 43- 48. 2. Lu Đức Thạch, Trần Văn Tuấn. Một số kết quả nghiên cứu cơ hệ va rung dùng trong công nghệ sản xuất cấu kiện bê tông chất lợng cao. Tuyển Tập Hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ 6. Tháng 12/1997, trang 185-190 3. Vũ Liêm Chính, Trần Văn Tuấn, Lu Đức Thạch. Một số ứng dụng cụ thể chơng trình ALASKA ở trờng ĐHXD Hà Nội. Tuyển tập báo cáo khoa học Hội thảo ALASKA lần thứ nhất. Hà Nội, 1999, trang 57-67 4. Lu Đức Thạch, Trần Văn Tuấn. Khảo sát hệ dao động cơ điện của máy rung trong sản xuât cấu kiện bê tông. Tạp chí KHCN số 3, tập 38 năm 2000, trang 48-55. 5. Tran Van Tuan, Luu Duc Thach, Truong Quoc Binh. Some Results of Analyzing of the Impacting Vibration System with one Degree of Freedom. //Proceedings VJSAEM. Ha noi, 2000, page 135-141 6. Lu Đức Thạch, Trần Văn Tuấn. Khảo sát quá trình đúc cột hỗn hợp bê tông trên bàn rung. Tuyển Tập Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 7. Tháng 12/2002, trang 539-547 7. Lu Đức Thạch, Trần Văn Tuấn. Khảo sát một số thông số ảnh hởng đến chế độ làm việc của máy va rung cộng hởng một bậc tự do đúc cấu kiện bê tông. Tuyển tập Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 8. Tháng 12/2007, trang 61-71 8. Trần Văn Tuấn, Lu Đức Thạch. Đề xuất và chứng minh giả thuyết khoa học thành luận điểm trong nghiên cứu quá trình đúc bê tông trên bàn rung. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng. Số 02-2007, trang 20-24 Công trình đợc hoàn thành tại: Trờng Đại học Xây dựng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Văn Tuấn Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh Phản biện 2: GS.TSKH Đỗ Sanh Phản biện 3: GS.TSKH Phạm Văn Lang Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc hội đồng chấm luận án cấp Nhà nớc Họp tại: Vào hồi: giờ ngày tháng năm 2009 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Th viện Quốc gia - Th viện Trờng Đại học Xây dựng - 24 - động phi tuyến của máy va rung đứng một và hai bậc tự do. tìm ra các hiệu ứng ứng quan trọng của máy: hiệu ứng cộng hởng, hiệu ứng đa tần số, hiệu ứng va chạm (độ chênh về gia tốc). - Dựa trên lý thuyết về dao động dọc của thanh thẳng, lý thuyết về cơ học môi trờng liên tục để giải bài toán truyền sóng trong cột hỗn . hợp bê tông khi có các tần số dao động bậc cao, tìm ra đợc cờng độ hấp thụ năng lợng theo suốt chiều cao của cột hỗn hợp khi không có và có gia tải. - Đã khảo sát các thông số của máy va rung đứng một và hai bậc tự do. Xác định chế độ làm việc hợp lý, khả năng điều chỉnh và miền làm việc ổn định của máy. Xác định cờng độ hấp thụ năng lợng theo suốt chiều cao của cột hỗn hợp khi không có và có gia tải. Đã áp dụng kết quả nghiên cứu vào việc thiết kế, chế tạo thành công máy va rung đứng một bậc tự do cho dây chuyền sản xuất cống bê tông. Đa ra quy trình công nghệ thiết kế, chế tạo, đo kiểm chứng, hiệu chỉnh máy va rung đứng một và hai bậc tự do phục vụ sản xuất. Một số vấn đề còn có thể tiếp tục nghiên cứu: Các máy va rung đứng một và hai bậc tự do đợc nhiều các tác giả trong và ngoài nớc nghiên cứu đã đa ra đợc nhiều các ứng dụng quan trọng và những đóng góp của luận án cũng đã góp một phần để đa công nghệ này vào thực tế sản xuất. Mặc dù vậy, nhng đây là những vấn đề khó và cần phải có thêm nhiều nghiên cứu để công nghệ này ngày càng hoàn thiện hơn. Do đó còn nhiều vấn đề có thể tiếp tục nghiên cứu sau: - Trong quá trình làm việc, ngoài việc máy va rung tơng tác với hỗn hợp bê tông, nó còn tơng tác với nguồn dẫn động là động cơ điện. Việc tính toán tổng thể một hệ cơ - điện và môi trờng công tác sẽ xác định đợc chế độ làm việc của máy tốt hơn. - Dựa trên kết quả nghiên cứu của luận án còn có thể mở rộng để tính cho các loại máy có va chạm khác nh: Máy va rung một khối lợng va chạm hai phía; máy va rung đóng cọc, máy sàng rung có va chạm - ảnh hởng của các dạng gây rung khác đến chế độ làm việc của máy và phụ gia đến cờng độ hấp thụ năng lợng của hỗn hợp bê tông. -1 - Mở đ ầ u 1. Tính cấp thiết của đề tài. Chế độ làm việc cộng hởng của các máy va rung là một tập hợp các bài toán rộng dùng trong các loại máy sàng, máy nghiền, lèn chặt vật liệu và tạo hình cấu kiện bê tông, búa đóng cọc và các loại máy vận chuyển bằng rung động Thông thờng, hệ số cộng hởng của máy va rung càng lớn thì độ nhạy của các thông số động lực học của máy càng tăng. Đối với những máy có đờng đặc tính cộng hởng dốc và giá trị của hệ số cộng hởng lớn, thì chỉ cần có các tác động nhỏ bên ngoài vào máy là có thể làm ảnh hởng đáng kể đến các thông số làm việc và máy rung không thể thực hiện đợc các chức năng công nghệ định trớc hoặc sẽ bị phá huỷ. Đó là một trong những nhợc điểm lớn nhất đối với máy rung cộng hởng và hiện nay vẫn cha có giải pháp khắc phục các nhợc điểm này. Bởi vậy với từng loại máy cụ thể cần có các khảo sát, tính toán, thiết kế riêng để khắc phục. Vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu các thông số ảnh hởng tới chế độ làm việc hợp lý của máy va rung nhằm thiết kế chế tạo ra đợc các máy va rung đứng cộng hởng để tạo hình các loại cấu kiện bê tông nói chung và đặc biệt đối với các cấu kiện nặng, cao, cần chất lợng tốt, giá thành hạ phục vụ cho sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nớc. 2. Mục tiêu nghiên cứu, ý nghĩa của luận án. Mục tiêu nghiên cứu của luận án là đề xuất phơng pháp xác định các thông số phù hợp, đảm bảo cho máy va rung một và hai bậc tự do làm việc ổn định ở trong miền cộng hởng nhằm lựa chọn hoặc thiết kế, chế tạo các máy va rung để đúc các loại cấu kiện bê tông nặng hoặc có chiều cao lớn, chất lợng tốt với mức tiêu hao năng lợng nhỏ Ngoài ý nghĩa thực tiễn, phơng pháp luận của luận án còn đóng góp cho lý thuyết nghiên cứu các máy va rung trong việc giải phơng trình vi phân phi tuyến và khảo sát các kết quả thu đợc bằng các phần mềm tiên tiến, giúp cho việc tính toán chính xác hơn và nhanh hơn. 3. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu. Đối tợng nghiên cứu của luận án là chế độ làm việc của máy va rung một và hai bậc tự do trong miền cộng hởng, ảnh hởng của máy va rung đến môi trờng công tác trong quá trình đúc hỗn hợp bê tông. Nghiên cứu tổng quan - 2 - về máy va rung để lựa chọn cơ sở lý thuyết phù hợp, xác định các thông số của máy va rung tơng tác với hỗn hợp bê tông. 4. Phơng pháp nghiên cứu Trong luận án đã sử dụng phơng pháp giải tích để tìm ra các mối quan hệ tơng quan giữa các thông số; sử dụng phơng pháp số nhờ phần mềm toán học "Mathematica" để khảo sát, tìm ra chế độ làm việc hợp lý của máy va rung trong miền cộng hởng, năng lợng hấp thụ của hỗn hợp bê tông, ảnh hởng của gia tải quán tính và không quán tính lên bề mặt của cột hỗn hợp bê tông phù hợp với công nghệ tạo hình hỗn hợp bê tông. Cuối cùng, luận án sử dụng phơng pháp thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết thu đợc. 5. Kết cấu của luận án: Nội dung của luận án đợc trình bày gồm: phần mở đầu, 04 bốn chơng nội dung và kết luận, trong đó: Chơng 1: Nghiên cứu tổng quan về máy va rung và cơ chế lèn chặt hỗn hợp bê tông Chơng 2: Máy va rung một bậc tự do tơng tác với hỗn hợp bê tông Chơng 3: Máy va rung hai bậc tự do tơng tác với hỗn hợp bê tông Chơng 4: Thực nghiệm kiểm chứng máy va rung một bậc tự do và quy trình thiết kế máy va rung. Kết luận chung; các đóng góp mới của luận án Danh mục công trình công bố của tác giả Tài liệu tham khảo Phụ lục Chơng 1. Nghiên cứu tổng quan về máy va rung v cơ chế lèn chặt hỗn hợp bê tông 1.1 Máy va rung trong công nghệ sản xuất cấu kiện bê tông. Việc nghiên cứu chế độ làm việc hợp lý của các loại máy rung sao cho phù hợp với từng loại công nghệ, cần thiết phải tiến hành nghiên cứu và phân tích kỹ các thông số của máy rung, để từ đó chỉ ra đợc các nét đặc biệt cũng nh các hiệu ứng có lợi cho từng loại công nghệ nh: hiệu ứng cộng hởng, hiệu ứng va chạm, hiệu ứng đa tần số Để đáp ứng cho việc nghiên cứu về mối quan hệ nêu trên cho máy va rung cộng hởng, cần phải quan tâm đến các vấn đề sau: động lực học của máy va rung cộng hởng, các đặc tính của liên kết đàn hồi và động lực học của cột hỗn hợp bê tông khi rung, khả năng hấp thụ năng lợng của các lớp hỗn hợp khi rung cột hỗn hợp bê tông có chiều cao lớn. -23 - trọng làm việc. Khảo sát một số thông số của máy va rung đứng hai bậc tự do, tìm ra chế độ làm việc hợp lý của máy ở gần điểm cộng hởng. Cờng độ hấp thụ năng lợng trong các lớp hỗn hợp bê tông, chiều cao của tấm gia tải quán tính. 7. Đã chế tạo thành công máy va rung đứng một bậc tự do, tiến hành các thí nghiệm so sánh mẫu bê tông tạo hình trên máy va rung và máy rung thí nghiệm, kết quả cho thấy đối với máy va rung thời gian rung tạo hình nhỏ hơn 36s nhng cờng độ chịu nén lớn hơn 4MPa và khối lợng thể tích của mẫu bê tông lớn hơn 160 kg/m 3 so với máy rung thí nghiệm. 8. Từ thực nghiệm đo biên độ dao động, gia tốc dao động của mặt bàn rung và so sánh với các kết quả khảo sát: dạng của biên độ dao động là gần nh nhau, giá trị của biên độ dao động lớn nhất sai khác vào khoảng 7%. Giá trị của gia tốc lớn nhất có sự chênh lệch khoảng 10%. Điều đó chứng tỏ tính đúng đắn của mô hình nghiên cứu và kết quả khảo sát ở chơng 2 là phù hợp với yêu cầu của thực tế. 9. Từ yêu cầu công nghệ, phân tích lựa chọn phơng án máy va rung, lựa chọn sơ đồ nguyên lý làm việc, phân tích lựa chọn các thông số cơ bản của máy va rung theo các tài liệu đã biết. Xác định quy trình tính toán, thiết kế, điều chỉnh, đo kiểm tra máy va rung đứng một và hai bậc tự do theo các bớc tính toán, theo các công thức và chơng trình tính ở chơng 2 và chơng 3 nhằm hiệu chỉnh các thông số của máy va rung sao cho máy làm việc ở chế độ cộng hởng, xác định đợc hiệu ứng va chạm (độ chênh gia tốc), hiệu ứng đa tần số, xác định khoảng điều chỉnh của máy Tính toán xác định cờng độ hấp thụ năng lợng trong cột hỗn hợp bê tông khi có tấm gia tải quán tính và không quán tính, đáp ứng đợc yêu cầu của sản xuất. Các đóng góp mới của luận án - Qua phân tích tổng quan mô hình cơ học của máy rung thờng và mô hình cơ học của máy va rung một và hai bậc tự do, hình chung máy va rung một và hai bậc tự do và các giả thiết khi xây dựng mô hình, đã tiến hành xây dựng mô hình nghiên cứu và thiết lập phơng trình vi phân chuyển động cho máy va rung cộng hởng một và hai bậc tự do có kể đến ảnh hởng của hỗn hợp bê tông, mô hình này đã thể hiện đợc bản chất quá trình làm việc của máy va rung một và hai bậc tự do tơng tác với hỗn hợp bê tông. - Dựa trên phơng pháp cân bằng hàm điều hoà và tích phân bình phơng tối thiểu các sai lệch để giải phơng trình vi phân chuyển - 22 - Kết luận chung 1. Đã hệ thống hóa các phơng pháp tính toán, thiết kế máy rung trong công nghệ sản xuất cấu kiện bê tông và đặc biệt quan tâm đến công nghệ sử dụng máy va rung để đúc các cấu kiện bê tông; tác động tơng hỗ của máy va rung đến hỗn hợp bê tông và ngợc lại. Đánh giá khả năng lèn chặt hỗn hợp bê tông thông qua cờng độ hấp thụ năng lợng của hỗn hợp bê tông có độ cứng trung bình () b Ex 1,5 W/kg. 2. Trên cơ sở mô hình tơng tự, thiết lập phơng trình vi phân chuyển động cho máy va rung đứng cộng hởng một bậc tự do có kể đến ảnh hởng của hỗn hợp bê tông. Nghiệm của hệ phơng trình vi phân phi tuyến đợc tìm dới dạng hệ phơng trình hàm đại số siêu việt 01 (A ) , 0 () , n 0i i1 A (A) = , 1 A (k, , ) , (k, ) , 001 k( ,A ,A ) , 40 j 010 j2 A (A ,A, ) = , thể hiện mối tơng quan đến chế độ làm việc của máy va rung cộng hởng một bậc tự do: điểm dao động cộng hởng của máy, các thành phần dao động bậc cao, độ chênh gia tốc, sự điều chỉnh khe hở va chạm ban đầu và lực ép F 3. Xây dựng mô hình cơ học của cột hỗn hợp bê tông khi rung, thiết lập phơng trình truyền sóng trong cột hỗn hợp bê tông, xây dựng công thức tính cờng độ hấp thụ năng lợng theo chiều cao của cột hỗn hợp bê tông khi không có gia tải và khi có gia tải. Nhờ đó, xác định đợc khả năng lèn chặt theo suốt chiều cao của cột hỗn hợp bê tông, khi tạo hình trên máy va rung một bậc tự do. 4. Xây dựng thuật toán, viết chơng trình tính toán phần mềm Mathematica để khảo sát máy va rung và hỗn hợp bê tông bằng các công thức đã xác lập ở mục 2.1 và 2.2. 5. Tính toán sơ bộ các thông số ban đầu của máy va rung. Xác định thông số đảm bảo cho máy va rung làm việc ở gần điểm cộng hởng phù hợp với công nghệ lèn chặt hỗn hợp bê tông, các thành phần dao động bậc cao, ảnh hởng của nó đến cờng độ hấp thụ năng lợng trong hỗn hợp bê tông. Khảo sát cờng độ hấp thụ năng lợng trong các lớp hỗn hợp bê tông vi phân theo suốt chiều cao của cột, tìm ra chiều cao của tấm gia tải quán tính và áp lực gia tải không quán tính hợp lý lên bề mặt trên cùng của cột hỗn hợp bê tông vi phân. 6. Sử dụng các kết quả giải tích đã đạt đợc ở chơng 2 để giải bài toán máy va rung hai bậc tự do có khe hở không phụ thuộc vào tải -3 - 1.2 Động lực học của máy va rung. Việc duy trì chế độ rung tích cực, ổn định của máy va rung phù hợp với công nghệ tạo hình và lèn chặt hỗn hợp bê tông còn đợc ít tác giả đề cập đến. Bài toán rung kết hợp với va chạm là bài toán về phơng trình vi phân phi tuyến[1, 34, 71, 73]. Một số trờng hợp có thể giải gần đúng nh phơng pháp tuyến tính hoá. Cũng có thể giải bài toán theo hàm điều hoà cơ bản. Một số trờng hợp dùng phơng pháp ghép nối nghiệm để giải chính xác. Vì vậy, tìm miền tồn tại nghiệm thực của hệ phơng trình vi phân cũng là tìm chế độ làm việc ổn định của máy va rung [8, 57, 60, 63]. Nếu sử dụng các phơng pháp giải tích thì sẽ rất phức tạp và khó, kết quả thờng đa tới hệ phơng trình đại số hàm siêu việt và cuối cùng vẫn phải nhờ đến máy tính giải bằng phơng pháp số. Nếu sử dụng các phầm mềm mô phỏng tính toán động lực học máy nh ALASKA, SimulationX thì không thể xác định rõ đợc miền làm việc cộng hởng của máy, các biên độ dao động thành phần 1.3 Các đặc tính liên kết đàn hồi của các máy va rung. Kết cấu liên kết đàn hồi của máy va rung loại cộng hởng rất đa dạng, phong phú. Thông thờng liên kết đàn hồi trong máy va rung cộng hởng đợc phân loại theo chức năng, dạng đặc tính của lực đàn hồi, loại vật liệu lựa chọn. Trong nghiên cứu động lực học máy va rung cộng hởng, ảnh hởng thành phần phi tuyến của lực đàn hồi và lực cản chỉ cần tính đến nh một hệ số cộng thêm vào trong quá trình lập phơng trình và giải bài toán động lực học máy va rung [71, 77]. 1.4 Mô hình động lực học của cột hỗn hợp bê tông rung Dới tác dụng của rung, xảy ra những mối tơng tác phức tạp giữa mặt bàn rung và hỗn hợp bê tông và các hạt vật liệu trong hỗn hợp bê tông với nhau. Cho đến nay, vẫn tồn tại các cuộc thảo luận về mô hình động học và phơng trình trạng thái của hỗn hợp bê tông khi rung; tồn tại các giả thuyết về hiệu quả làm chặt và chất lợng bề mặt bê tông [60,77]. Hiệu quả làm chặt, một mặt phụ thuộc vào thành phần cấp phối và tính chất cơ lý của hỗn hợp, mặt khác phụ thuộc vào đặc điểm tác động lực, vì tính chất của hỗn hợp bê tông nằm giữa pha rắn và pha lỏng. -21 - 4.7 Xác định các thông số cơ bản của máy va rung một bậc tự do 4.7.1 Xác định sơ bộ các thông số cơ bản của máy va rung một bậc tự do. Dựa trên các tài liệu đã biết và các công thức kinh nghiệm để tính chọn sơ bộ các thông số cần thiết của máy va rung. 4.7.2 Xác định chính xác các thông số cơ bản của máy va rung một bậc tự do Các thông số ban đầu đợc lựa chọn ở trên có thể cha đợc chính xác, máy va rung có thể cha làm việc ở chế độ mong muốn (chế độ cộng hởng). Để đảm bảo cho máy rung làm việc ổn định; đảm bảo đợc năng lợng truyền cho các lớp hỗn hợp bê tông vi phân và lớp hỗn hợp bê tông trên cùng, cần phải tính chính xác lại các thông số của máy để cho máy va rung làm việc ở chế độ làm việc cộng hởng. Các bớc tính chính xác đợc tính toán bằng các công thức của chơng 2, tuân theo sơ đồ thuật toán hình 2.3, và sử dụng phần mềm toán học Mathematica 4.8 Xác định các thông số cơ bản của máy va rung hai bậc tự do 4.8.1 Xác định sơ bộ các thông số cơ bản của máy rung hai bậc tự do 4.8.2 Xác định chính xác các thông số cơ bản của máy va rung hai bậc tự do 4.9 Nhận xét phần quy trình thiết kế máy va rung 1. Từ yêu cầu công nghệ qua quá trình phân tích lựa chọn phơng án, lựa chọn sơ đồ nguyên lý làm việc, tính chọn các thông số cơ bản của máy va rung theo các tài liệu đã biết. Để máy va rung làm việc trong miền cộng hởng, đảm bảo đợc biên độ dao động, độ chênh gia tốc dao động, cờng độ hấp thụ năng lợng trong hỗn hợp bê tông, cần phải tính toán chính xác bộ thông số này. 2. Thực hiện các bớc tính toán theo các công thức và chơng trình tính (chơng 2 và chơng 3) nhằm hiệu chỉnh các thông số của máy va rung, đảm bảo máy va rung làm việc ở chế độ cộng hởng, xác định các hiệu ứng va chạm (độ chênh gia tốc), hiệu ứng đa tần số, xác định khoảng điều chỉnh của máy xác định cờng độ hấp thụ năng lợng trong cột hỗn hợp bê tông khi có tấm gia tải quán tính và không quán tính. 3. Với quy trình đã xây dựng có thể xác định đợc các thông số của máy va rung một bậc tự do và máy va rung hai bậc tự do, đảm bảo yêu cầu thiết kế, chế tạo máy va rung và chọn chế độ sử dụng phù hợp . - 4 - a. Máy rung thờng có dao động điều hòa Cờng độ rung hợp lý E (W/kg) đợc xác định theo công thức sau [34, 73]: 23 EA = (1.1) Trong đó: A - biên độ dao động; - tần số của lực kích động. b. Máy va rung Cờng độ rung theo suốt chiều cao của cột hỗn hợp bê tông đợc xác định theo công thức [66, 73]: ( )() 23 bb Ex A sx (1.2) Trong đó: b x - toạ độ của lớp hỗn hợp bê tông; () b s x - hàm ảnh hởng theo chiều cao của cột bê tông. 1.5 ảnh hởng của hỗn hợp bê tông lên các thông số động lực học của máy rung 1.5.1 Mô hình cột hỗn hợp bê tông khi rung Theo phơng pháp Fuorier nghiệm của phơng trình truyền sóng đợc thể hiện bởi hàm số sóng ảo [77]: bb Ivx Ivx I t b12 u( x ,t ) ( u e u e )e =+ (1.3) Độ dịch chuyển b u( x ,t ) đợc xác định bởi tích của hai hàm số, một trong số đó phụ thuộc vào tham số 12 () bb I vx Ivx b Xx ue ue =+ , còn hàm kia chỉ phụ thuộc vào tham số () I t Tt e = ; - tần số của lực kích động; I - số phức; 12 ,uu là các hằng số đợc xác định từ các điều kiện biên; v là số sóng ảo vI =+ ; - đặc trng cho hệ số tắt dần sóng đợc lan truyền trong lớp hỗn hợp bê tông; - hệ số ảnh hởng lên bớc sóng . 1.5.2 Xác định các thông số động lực học của máy rung trong điều kiện tơng tác với hỗn hợp bê tông a. Trờng hợp máy rung thờng Phơng trình vi phân chuyển động của máy rung tơng tác với hỗn hợp bê tông có thể viết ở dạng [77]: ()() sin br b 1 b 1 11 mmaxbmdxCxG t +++ += && & (1.4) Trong đó: br m - khối lợng của bàn rung và các bộ phận công tác chịu run g khác; b -h ệ số cản của lò xo; 11 C - đ ộ cứn g của lò xo; 2 0 Gmr = ; 4.5 Nhận xét phần thực nghiệm 1. Kết quả ở bảng 4.1 và bảng 4.2, cho thấy rằng, khi tạo hình mẫu trên máy va rung đã chế tạo, thời gian rung mẫu đạt độ sụt tiêu chuẩn nhỏ hơn rung trên máy thí nghiệm. Với cùng cấp phối, cờng độ nén và khối lợng thể tích của mẫu tạo hình trên máy va rung lớn hơn mẫu tạo hình trên máy rung thí nghiệm, tức là chất lợng và hiệu quả đúc bằng máy va rung tốt hơn. 2. So sánh đồ thị chuyển vị và gia tốc dao động của máy va rung một bậc tự do cho thấy: - Dạng của biên độ dao động là gần nh nhau, giá trị của biên độ dao động lớn nhất sai khác vào khoảng 7%. - Giá trị của gia tốc lớn nhất có sự chênh lệch khoảng 10%. Nguyên nhân: có hiện tợng ma sát trong hệ truyền động, lực cản không khí, sự phân bố khối lợng trên bàn rung, lực ép ban đầu của lò xo điều chỉnh Từ kết quả thực nghiệm cho thấy tính đúng đắn của mô hình nghiên cứu và kết quả khảo sát ở chơng 2 là phù hợp với yêu cầu thực tế. 4.6 Nguyên tắc thiết kế máy va rung Hình 4.12 Sơ đồ nghiên cứu thiết kế máy va rung một và hai bậc tự do 0 mr - mô men quán tính lệch tâm; - Tần số của lực kích động. b m - khối lợng của hỗn hợp bê tông; hệ số 1 a - hệ số lực cản phản lực, còn hệ số 1 d - hệ số phản ánh tính chất và mức độ thay đổi lực cản chủ động. b. Trờng hợp máy va rung một bậc tự do có cơ cấu điều chỉnh khe hở Hình 1.1 Mô hình cơ học của máy va rung một bậc tự do 1. Mặt bàn rung (bộ phận công tác); 2. Lò xo đỡ dới; 3. Gối va chạm; 4. Lò xo điều chỉnh phía trên; 5. Đai ốc điều chỉnh Phơng trình vi phân của hệ khi có va đập đợc viết dới dạng sau [34]: ( ) ( ) () () 1s 1 2 mx C C x Signx R x R x F P t ++ + + =+ && & khi x 0 ( ) ( ) 12 mx C x SignxR x F P t++ =+ && & khi x < 0 (1.5) Trong đó: ( ) 1 SignxR x & - thành phần cản không đàn hồi của đệm; ( ) 2 Si g nxR x & - thành phần cản không đàn hồi của lò xo; () 12 ,()RxRx- các hàm lực cản nào đó. 12 C - độ cứng của lò xo điều chỉnh; 11 C - độ cứng của lò xo đỡ; s C - độ cứng của cao su làm gối va chạm; 11112 CC C = + - tổng độ cứng của lò xo đỡ và lò xo điều chỉnh; F - lực ép ban đầu; P( t ) - lực kích động điều hòa. c. Trờng hợp máy va rung hai bậc tự do Hình 1.2 Mô hình cơ học máy va rung hai bậc tự do có cơ cấu điều chỉnh khe hở không phụ thuộc vào tải trọng. 1. Mặt bàn; 2. Lò xo đỡ; 3. Gối va chạm; 4. Khối lợng khung máy cùng cụm dẫn động; 5. Lò xo điều chỉnh phía dới; 6. Lò xo liên kết. - 20 - -5 - Máy va rung Mô hình Cơ học Kết quả So sánh Mô hình toán học Đo các thông số cơ bản Phơng pháp đo, thiết bị đo Hệ số điều hỉ h Giả thiế t Phơng pháp giải Hệ số điều chỉnh Phơng trình vi phân chuyển động khối lợng m 1 và khối lợng m khi có va chạm x >0 đợc viết [34]: ()() ( )( ) ( ) ,() 11 1 s12 12 112 212 12 mx CCxx Signxx Rxx Rxx 05C Pt = + + + + && & & ()() ( )( ) ( ) , 21s12 12112212 12 mx C C x x Sign x x R x x R x x 0 5C =+ + + && & & (1.6) Trong đó: x 1 - tọa độ của khối lợng m; x 2 - tọa độ của khối lợng 1 m ; 12 x xx=; C 1 - tổng độ cứng của các lò xo liên kết và lò xo điều chỉnh; C s - độ cứng của đệm va chạm; ( ) () 12112 Sign x x R x x && - thành phần cản không đàn hồi của đệm; () () 12212 Sign x x R x x && - thành phần cản của các lò xo liên kết; 2 - độ dịch chuyển của đai ốc điều chỉnh. Phơng trình vi phân chuyển động của 1 m và m khi không có va chạm và F = 0, x 0, đợc viết [34]: () () () . ,() 11 1 1 2 1 2 2 1 2 12 mx C x x Sign x x R x x 05C Pt = + + && & & () ( )( ) , 2 112 12212 12 mx C x x Sign x x R x x 0 5C =+ && & & (1.7) 1.6 Nhận xét chơng 1 Việc tính toán máy va rung một và hai bậc tự do đã đợc nhiều tác giả trong và ngoài nớc nghiên cứu. Một số công trình mới chỉ đề cập đến bài toán máy va rung một cách thuần túy, cha đi sâu nghiên cứu mối tơng tác giữa máy và hỗn hợp bê tông. Một số công trình đã đề cập đến mối quan hệ này, nhng mới dừng lại nghiên cứu thành phần dao động cơ bản của máy va rung, công thức xác định các thông số của máy tơng đối phức tạp không tiện cho việc nghiên cứu khảo sát chúng ở các bớc tiếp theo. Dựa trên các phân tích tổng quan để xây dựng mô hình, thiết lập phơng trình vi phân chuyển động của máy va rung một và hai bậc tự do; phơng pháp cân bằng hàm điều hòa và phơng pháp tích phân bình phơng cực tiểu để giải phơng trình vi phân chuyển động của máy va rung; sử dụng phơng trình truyền sóng trong môi trờng đàn nhớt để nghiên cứu mối quan hệ tơng tác giữa máy va rung và hỗn hợp bê tông, xác định cơ chế lèn chặt hỗn hợp bê tông. Luận án sẽ tập trung nghiên cứu sâu hơn các vấn đề sau: 1. Xây dựng mô hình cơ học, thiết lập phơng trình vi phân chuyển động của máy va rung một và hai bậc tự do có khả năng điều chỉnh khe hở. 2. Giải hệ phơng trình xác định các hiệu ứng ảnh hởng tới công nghệ đúc cấu kiện bê tông của máy va rung nh: hiệu ứng cộng hởng, hiệu ứng đa tần số, hiệu ứng va chạm. Trờng hợp 2: 1 =0,004m, 2 =0,004m, =0,002m, F = 33598,4N, =80rad/s. Khảo sát theo lý thuyết Thực tế đo -100 -50 0 50 100 150 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Thi gian (s) Gia tc (m/s2) Hình 4.8 Gia tốc dao động của máy va rung một bậc tự do, khi >0 -0.004 -0.003 -0.002 -0.001 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Thi gian (s) Biờn (m ) Hình 4.9 Biên độ dao động của máy va rung một bậc tự do, khi >0 Trờng hợp 3: 1 = 0, 2 = 0,04m, = -0,00065m, F = 335984N, =120rad/s. Khảo sát theo lý thuyết Thực tế đo -100 -50 0 50 100 150 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Thi gian (s) Gia tc (m) Hình 4.10 Gia tốc dao động của máy va rung một bậc tự do, khi < 0 -0.004 -0.003 -0.002 -0.001 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Thi gian (s) Biờn (m ) Hình 4.11 Biên độ dao động của máy va rung một bậc tự do, khi <0 - 6 - -19 - -7 - 3. Xây dựng mô hình cơ học, thiết lập phơng trình truyền sóng trong cột hỗn hợp bê tông; công thức xác định cờng độ hấp thụ năng lợng theo suốt chiều cao của cột hỗn hợp bê tông, chiều cao của tấm gia tải quán tính và áp lực gia tải không quán tính lên bề mặt trên cùng của cột hỗn hợp bê tông. 4. Khảo sát máy va rung một và hai bậc tự do dựa trên các thông số của máy va rung đã đợc tính toán theo các tài liệu đã biết cho một loại sản phẩm bê tông cụ thể, tìm ra bộ thông số hợp lý của máy đáp ứng đợc yêu cầu công nghệ và đảm bảo đợc hiệu ứng của máy va rung làm việc ổn định và khả năng điều chỉnh máy va rung khi không có và có khe hở va chạm. Khảo sát cờng độ hấp thụ năng lợng theo chiều cao của cột hỗn hợp bê tông, chiều cao tấm gia tải quán tính và áp lực gia tải không quán tính, đáp ứng đợc yêu cầu công nghệ. 5. Thiết kế, chế tạo máy va rung đứng một bậc tự do ứng dụng trong sản xuất và phục vụ cho công tác đo thực nghiệm để kiểm chứng một vài kết quả khảo sát lý thuyết. 6. Các kết quả nghiên cứu, khảo sát ở trên đợc tập hợp lại dới dạng quy trình hớng dẫn tính toán, thiết kế máy va rung thông dụng. Chơng 2. máy va rung một bậc tự do tơng tác với hỗn hợp bê tông 2.1 Mô hình máy va rung một bậc tự do, dẫn động khối lệch tâm 2.1.1 Các giả thiết khi xây dựng mô hình 2.1.2 Mô hình nghiên cứu máy va rung một bậc tự do Hình 2.1 Mô hình cơ học máy va rung một bậc tự do 1. Bàn rung; 2. Lò xo dới; 3. Gối va chạm; 4. Lò xo phía trên; 5. Giảm chấn bê tông và lò xo; 6. Đai ốc điều chỉnh. Phơng trình vi phân chuyển động cỡng bức có cản của cơ hệ hình 2.1 đợc viết dới dạng sau: 1 () () cos x fxx px G t f + += + && & (2.1) Trong đó: / () ()/ 1 1s bm khi x0 fx bbm khix0 = + < ; / () ()/ 1 1s Cx m khi x 0 px CCxm khix0 = + < ; 2 0 mr G m = ; ; - 18 - 4.3.4 Quy trình thực nghiệm Hình 4.2 Máy va rung một bậc tự do sản xuất cống bê tông. Hình 4.3 Thiết bị dùng để đo ghi dao động, Máy DMC-PLUS 4.4 Các kết quả thực nghiệm và so sánh với kết quả lý thuyết Trờng hợp 1: 1 = 0, 2 = 0, = 0, F = 0, =100rad/s. Khảo sát theo lý thuyết Thực tế đo -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Thi gian t(s) Gia tc m /s2 Hình 4.6 Gia tốc dao động của máy va rung một bậc tự do khi = 0. -0.004 -0.003 -0.002 -0.001 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Thi gian (s) Biờn (m ) Hình 4.7 Biên độ dao động của máy va rung một bậc tự do khi = 0. -17 - Để khảo sát chất lợng làm chặt hỗn hợp bê tông trên máy va rung đã đợc chế tạo và so sánh với chất lợng làm chặt hỗn hợp bê tông bằng máy rung thí nghiệm, ta tiến hành các bớc theo sơ đồ khối hình 4.1. 4.2.2 Kết quả thí nghiệm mẫu bê tông Mẫu thí nghiệm có kích thớc 10ì10ì10 cm theo các cấp phối bê tông nh ở trong bảng 4.1. Mẫu đợc bảo dỡng ở độ ẩm 100%, trong điều kiện phòng thí nghiệm Bảng 4.1. Thành phần cấp phối bê tông mác 300, để kiểm tra chất lợng đúc bê tông trên máy va rung một bậc tự do Chi phí nguyên liệu cho 1m 3 bê tông Độ cứng, s STT Xi măng (kg) Nớc (lít) Cát (kg) Đá (kg) Theo Tiêu chuẩn Tạo hình thực tế 1 315 151 673 1313 83 54 2 330 158 641 1313 65 42 3 345 160 607 1313 59 37 4 * 330 158 641 1313 65 78 Ghi chú: Mẫu 4 * đợc tạo hình trên máy rung thí nghiệm - Kết quả nén mẫu ở tuổi 28 ngày Bảng 4.2. Kết quả kéo nén mẫu bê tông STT R b (MPa) b (kg/m 3 ) 1 34,8 2400 2 38,1 2390 3 38,0 2378 4 * 34,1 2230 4.3 Nghiên cứu thực nghiệm máy va rung 4.3.1 Các yêu cầu khi tiến hành thực nghiệm 4.3.2 Máy va rung một bậc tự do 4.3.3 Thiết bị đo - 8 - / 1 f Fm= ; 0 mr - mô men tĩnh lệch tâm; m - khối lợng tham gia dao động; - tần số của lực kích động; b 1 - hệ số cản đàn hồi của lò xo và bê tông tham gia dao động; b s - hệ số cản đàn hồi của cao su làm gối va chạm; s C - độ cứng của cao su làm gối va chạm; 1 C - tổng độ cứng của các lò xo; F- lực ép ban đầu. Nghiệm của phơng trình (2.1), đợc xác định: 00 cos ( ) ii ii xu Ait == = = Trong đó: i A - các biên độ dao động thành phần; - góc lệch pha của dao động; i- chỉ số của các dao động thành phần. 2.2 ảnh hởng các thông số động lực học của máy lên hỗn hợp bê tông khi đúc cấu kiện 2.2.1 Phơng trình truyền sóng trong cột hỗn hợp bê tông trên máy va rung Hình 2.2 Mô hình cột hỗn hợp bê tông dao động 1. Mặt bàn rung; 2. Khuôn; 3. Hỗn hợp bê tông. Sự dịch chuyển của hỗn hợp bê tông khi tham gia dao động: bb n Ijvx Ijvx Ij t bj1j2 j1 u( x ,t ) e ( u e u e ) = =+ (2.2) Trong đó: j - đặc trng cho hệ số tắt dần sóng đợc lan truyền trong lớp hỗn hợp bê tông; j - thông số ảnh hởng lên bớc sóng đó. h - chiều cao của cột hỗn hợp bê tông; j - chỉ số của bậc dao động; h - chiều cao của cột hỗn hợp bê tông; x b - tọa độ của cột hỗn hợp bê tông đợc xác định từ vị trí tiếp xúc với mặt bàn rung;. Biến dạng của lớp hỗn hợp bê tông vi phân: n jjb Ij t bjjj j1 bjj s h(( I ))(x h) u (x ,t) Ae ( I ) x 2ch(( I ))h = + =+ + (2.3) 2.2.2 Cờng độ hấp thụ năng lợng trong lớp hỗn hợp bê tông vi phân 2 2 bb b b jV u E( x ) 2x = (2.4) [...]... chọn các thông số của máy va rung: C11, C12, b1, bs sau đó tính chính xác theo sơ đồ khối hình 2.3 2.3.2 Sơ đồ khối tính toán, khảo sát động lực học máy va rung Bắt đầu Bớc 1: Nhập thông số của máy va rung và các thông số ảnh hởng của hỗn hợp bê tông Bớc 8: Nhập các thông số của hỗn hợp bê tông cần thay đổi Bớc 2: Tính toán xác định các thông số động học và động lực học của máy va rung Bớc 4: Nhập thông. .. thị ảnh hởng của biên độ dao động cơ bản A1 theo tần số dao động cỡng bức của máy va rung một bậc tự do, khi khe hở < 0 - 12 - - 13 - Sau khi đã khảo sát, phân tích và lựa chọn chính xác các thông số của máy va rung một bậc tự do trong mục 2.3, ta có thể đa ra các thông số kỹ thuật của máy va rung và khả năng điều chỉnh máy theo yêu cầu của công nghệ (bảng 2.1) Bảng 2.1 Các thông số ban đầu của máy. .. - ảnh hởng của các tần số dao động bậc cao đến biên độ x 0,001m và độ chênh gia tốc của máy va rung là lớn && 65 x m/s2, thể hiện đợc hiệu ứng đa tần số, hiệu ứng va chạm - Để đảm bảo cờng độ hấp thụ năng lợng của các lớp hỗn hợp bê tông E ( xb ) 1,5 W/kg, thì các thông số của cấu kiện bê tông đặt trên máy va rung phải là: m = 3000ữ7000kg, h= 0,5ữ3m, Vb = 20ữ80m/s, b = 0,1ữ0,4 Chơng 3 Máy va rung. .. Biên độ dao động của mặt bàn máy va rung hai bậc tự do Hình 3.4a Biên độ dao động của khung máy va rung hai bậc tự do Hình 2.4 Đồ thị đặc tính biên độ tần số cơ bản của máy va rung một bậc tự do theo độ cứng của gối va chạm với 1- Cs = 8.4 107; 2- Cs = 5.4 108 N/m; 3- Cs = 8.4 108 N/m Hình 2.6a Đồ thị biên độ dao động của máy va rung một bậc tự do với biên độ dao động điều hòa bậc nhất (1) và tổng các. .. phân chuyển động phi tuyến của máy va rung một bậc tự do, tìm đợc nghiệm dới dạng hệ phơng trình hàm đại số 3.Sau khi khảo sát, phân tích bằng số các thông số của máy va rung, rút ra một số nhận xét sau đây: - Để máy va rung một bậc tự do làm việc trong miền cộng hởng với cn =100rad/s, thì độ cứng của gối va chạm là: Cs = 5.4 108 N/m; hệ số tỷ lệ giữa độ cứng của gối va chạm và độ cứng của lò xo đỡ... bản của máy va rung hai bậc tự do theo độ cứng của gối va chạm 1 Biên độ của x = x1 x2 ; 2 Biên độ dao động cơ bản của khung máy x1 ; 3 Biên độ dao động cơ bản của mặt bàn rung x2 Khi Cs = 2,1 108 N/m Hình 2.13 Đồ thị ảnh hởng của biên độ dao động cơ bản A1 theo tần số dao động cỡng bức của máy va rung một bậc tự do,khi khe hở = 0 Hình 2.10 Cờng độ hấp thụ năng lợng theo chiều cao của cột hỗn hợp bê. .. lợng đúc hỗn hợp bê tông -9- Cờng độ hấp thụ năng lợng trong lớp hỗn hợp bê tông vi phân khi cha có gia tải đợc xác định theo công thức (2.4) Trong đó: Vb - vận tốc truyền sóng trong cột hỗn hợp bê tông; b - hệ số hao tán năng lợng trong cột hỗn hợp bê tông 2.3 Khảo sát các thông số của máy va rung một bậc tự do bằng phơng pháp số 2.3.1 Số liệu khảo sát Số liệu cho trớc theo yêu cầu công nghệ: mb = 3000kg;... máy va rung một bậc tự do Thông số I Thông số máy va rung Sức nâng Mô men quán tính Ký hiệu Đơn vị Giá trị m m0r kg kgm 2000 ữ 5000 2.1 ữ 5.1 Tần số dao động của lực kích động rad/s Biên độ dao động Độ chênh gia tốc dao động II Thông số của hỗn hợp bê tông Chiều cao của cột hỗn hợp bê tông Vận tốc truyền sóng A && x m m/s2 h m 0,5 ữ 3 Vb m/s 20 ữ 80 Hệ số hao tán năng lợng b Hệ số tỷ lệ hỗn hợp bê tông. .. hợp bê tông đến khả năng hấp thụ năng lợng của các lớp hỗn hợp bê tông khi không có gia tải (1) h=1,5m ; (2) h=3m Hình 3.2a Đồ thị đặc tính biên độtần số cơ bản của máy va rung hai bậc tự do theo độ cứng của gối va chạm 1 Biên độ của x = x1 x2 ; 2 Biên độ dao động cơ bản của khung máy x1 ; 3 Biên độ dao động cơ bản của mặt bàn rung x2 Khi Cs = 3,0 108 N/m Hình 3.2b Đồ thị đặc tính biên độtần số cơ... các biên độ dao động thành phần (2) Hình 3.3b Gia tốc dao động của mặt bàn máy va rung hai bậc tự do Hình 3.4b Gia tốc dao động của khung máy va rung hai bậc tự do Hình 3.5 Cờng độ hấp thụ năng lợng theo chiều cao của cột hỗn hợp bê tông trên máy va rung hai bậc tự do Hình 3.6 Cờng độ hấp thụ năng lợng của hỗn hợp bê tông khi có tấm gia tải quán tính trên máy va rung hai bậc tự do khi chiều cao của tấm . 1. Nghiên cứu tổng quan về máy va rung v cơ chế lèn chặt hỗn hợp bê tông 1.1 Máy va rung trong công nghệ sản xuất cấu kiện bê tông. Việc nghiên cứu chế độ làm việc hợp lý của các loại máy rung. thông số của máy va rung và các thông số ảnh hởng của hỗn hợp bê tông Bớc 2: Tính toán xác định các thông số động học và động lực học của máy va rung Bớc 3: Kiểm tra các thông số của máy va rung. Nghiên cứu xác định các thông số ảnh hởng đến chế độ làm việc của máy va rung trong công nghệ sản xuất cấu kiện bê tông Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị xây dựng Mã số: 62.52.10.01