Nghiên cứu quỹ đạo hạt vật liệu khi xả hỗn hợp cấp phối v các giải pháp chống phân hạt TS. Nguyễn văn vịnh Bộ môn Máy xây dựng Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT KS. Nguyễn Thế long Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bi báo trình by tóm tắt kết quả nghiên cứu bằng lý thuyết quỹ đạo của các hạt vật liệu trong hỗn hợp cấp phối khi xả từ băng tải xuống ôtô sau khi đã trộn xong.Trên cơ sở so sánh kết quả lý thuyết với kết quả thực nghiệm, các tác giả đã đề xuất một số giải pháp chống phân hạt giúp các cơ sở chế tạo trạm trộn cấp phối trong nớc có thể hon thiện các trạm của mình đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao cũng nh nâng cao chất lợng hỗn hợp cấp phối sau khi trộn. Công trình ny l ti liệu tham khảo có ích cho nghiên cứu khoa học, đo tạo v phục vụ trực tiếp sản xuất. Summary: The article briefs on a theoretical result on the orbit of material particles in aggregate mixture when discharged on to trucks from conveyors. After comparing the theoretical result with the practical outcome, the researchers propose some measures to defragmentation to help mixing plant manufacturers throughout the country to achieve eco technical efficiency and improve the quality of the mixed aggregates. The study is also supposed to be the reference source for scientific research, training and direct application in production. .i. đặt vấn đề Hiện nay, trong quá trình cải tạo, nâng cấp xây dựng mới các tuyến đờng bộ trong nớc, việc xây dựng lớp móng đờng (lớp BASE) có một vai trò vô cùng quan trọng, ảnh hởng rất lớn đến chất lợng của toàn bộ tuyến đờng. Trong quá trình thi công lớp móng nói trên, hỗn hợp cấp phối nếu đợc trộn ở các trạm trộn cấp phối sau công đoạn điều tiết, định lợng, trộn ở bộ máy trộn (hoặc không cần trộn ở bộ máy trộn - nếu điều tiết tốt) sẽ qua băng tải cao su đặt nghiêng để xả xuống ôtô rồi đa đến công trờng. Trong quá trình xả hỗn hợp này thờng xảy ra hiện tợng phân ly của hạt trong đống vật liệu, tức là tỷ lệ thành phần hạt trong một đơn vị thể tích của đống vật liệu ở các vị trí khác nhau là khác nhau. Điều này sẽ ảnh hởng đến chất lợng cấp phối sau khi trộn và chất lợng lớp móng đờng sau khi thi công xong. Có nhiều yếu tố ảnh hởng đến sự phân hạt nh chiều cao rơi của vật liệu, bề mặt rơi, gió thổi, độ ẩm của vật liệu Chính vì vậy, cần phải tiến hành nghiên cứu quỹ đạo của các hạt vật liệu khi xả và các yếu tố ảnh hởng bằng cả lý thuyết và thực nghiệm. Từ đó đề xuất các giải pháp chống phân hạt. Đó chính là nội dung của công trình nghiên cứu mà chúng tôi sẽ trình bày chi tiết ở phần tiếp sau đây. ii. nội dung 2.1. Nghiên cứu lý thuyết về quỹ đạo hạt vật liệu trong hỗn hợp cấp phối khi xả tự do từ băng tải đến ô tô Hình 1 thể hiện quá trình công nghệ tạo thành hỗn hợp cấp phối. Phễu cấp liệu Băn g g om Băng dâng Bộ máy trộn Phễu tích xả Hình 1. Sơ đồ công nghệ tạo hỗn hợp cấp phối Quá trình công nghệ nh sau: Vật liệu đợc điều tiết tốt từ các phễu cấp liệu xả xuống băng gom. Từ băng gom, vật liệu đa qua băng dâng (nghiêng) sau đó xả xuống xe ôtô vận chuyển hoặc có thể trớc đó đợc trộn trong bộ máy trộn, xả xuống phễu tích xả rồi mới xả xuống xe ôtô. Xét trờng hợp khi công đoạn điều tiết tốt, không cần bộ máy trộn hỗn hợp vật liệu đợc xả tự do từ băng tải nghiêng xuống ôtô, mô hình bài toán nh sau: h m i n h m a x V ậ t liệu trên băn g Băn g tải Đ ốn g v ậ t liệu Hình 2. Mô hình chung - Khi nghiên cứu, chúng ta sử dụng các giả thiết sau: + Coi các hạt vật liệu có dạng hình cầu + Băng tải chuyển động với vận tốc V 0 = const + Góc chân nón của đống vật liệu bằng + Trên đống vật liệu, các hạt vật liệu lăn và trợt với cùng hệ số ma sát lăn K và ma sát trợt f. 2.2. Mô hình chuyển động đơn giản của một hạt vật liệu a.Trạng thái 1 (khi cha hình thnh đống) - Trong thời gian đầu, đống vật liệu cha đợc hình thành mặt khác bề mặt rơi bằng tôn có thể coi va chạm giữa hạt vật liệu và bề mặt rơi là va chạm đàn hồi. Nếu bỏ qua sức cản không khí thì ta mô hình hoá quá trình rơi nh ình 3 dới đây. - Xét mô hình chỉ có một hạt vật liệu. Do hạt vật liệu có kích thớc nên trong mô hình này ta phải coi nó là một vật chứ không phải là chất điểm. Khi đã coi nh một vật lúc đó chuyển động rơi của hạt trong không gian sẽ là chuyển động song phẳng. Ta có mô hình tính toán nh sau: U S 1 VC O 1 V C(h) S 0 0 P V 0 S 0 VC R O X Y Hình 3. Quỹ đạo chuyển động của hạt vật liệu trong hình 3: + R - Bán kính hạt vật liệu, h - Chiều cao rơi tính từ tâm đến bề mặt rơi (h thay đổi từ h max - h min ), V 0 - Vận tốc ban đầu của vật bằng vận tốc băng tải, P - Trọng lợng hạt vật liệu, M - Khối lợng hạt vật liệu, 0 - Vận tốc góc ban đầu của hạt vật liệu. R V 0 0 = + J - Mô men quán tính hạt vật liệu, J = 0.4xMxR 2 , VC 0 S - Véc xung lợng ban đầu của hạt vật liệu tại O, 0 VC 0 V.MS = ; VC 1 S - Véc tơ xung lợng của hạt vật liệu tại O 1 . - Chọn hệ trục toạ độ OXY nh hình vẽ. Phơng trình vi phân chuyển động nh sau: = = = 0.J Py. g P 0x. g P C C && && && Tích phân hai vế ta đợc: = = = 0 C 0C ty. g 1 Vx & & & => = = = t 2 gt y tVx 0 2 C 0C (1) - Qua phơng trình chuyển động (1) ta thấy, quỹ đạo của hạt vật liệu không phụ thuộc vào khối lợng hạt mà chỉ phụ thuộc kích thớc hạt. - Khi chuyển động đến bề mặt rơi => y c = h. Do đó g h2 th 2 gt 2 ==>= (2) Thay t từ (2) vào (1) suy ra: g h2 .Vx 0 )h(C = (3) + Tốc độ tại điểm rơi: gh2 g h2 .ggty C === & ; 0C Vx = & => gh2VyxV 2 0 2 C 2 C)h(c +=+= && (4) + Vận tốc góc tại điểm rơi: 0)h(C = = & . Vậy khi rơi một đoạn h vật đạt vận tốc thẳng V C(h) và vận tốc góc . )h(C Mặt khác ta có: VC 1)h(C SV.mU.m = (5) - Chiếu phơng trình (5) xuống các trục O 1 và O 1 của hệ trục toạ độ O 1 ta đợc: =+ = VC 1)h(C )h(C SV.MU.M 0V.MU.M (6) Theo công thức (3) và (4): 0)h(C VV = và gh2V )h(C = thay vào (6) => 0 VU = (7) Sau khi hạt va chạm xuống mặt phẳng rơi, ta có thể coi va chạm đàn hồi (do bề mặt rơi bằng thép) với hệ số phục hồi va chạm k khi đó: = )h(C V U k ; gh2.kV.kU )h(C == (8) Tại O 1 , vật có tốc độ ban đầu theo các phơng nh sau: 0 VU = ; gh2.kU = Phơng trình vi phân chuyển động của vật trên hệ trục O 1 nh sau: = = mg.M 0.M && && (9) Điều kiện đầu: t = 0, 0 = 0, 0 = 0, 0 V,gh2.k == & & - Tích phân hai vế phơng trình (9) ta đợc: += = t.gh2.k 2 gt tV 2 0 (10) Vật chạm đất khi thay vào (10) suy ra: 0= g2 h k4t s = - Khoảng cách giữa hai điểm rơi của vật: S 0 = V 0 .t s = g2 h .k.4.V 0 (11) b.Trạng thái 2 (chuyển động của hạt sau khi đã hình thnh đống vật liệu) - Để đơn giản, ta coi đống nh một mặt nghiêng với góc nghiêng bằng góc chân nón . Bề mặt có hệ số ma sát trợt f và ma sát lăn k. Chuyển động của vật là chuyển động song phẳng với vận tốc tịnh tiến ban đầu V 0(n) và vận tốc góc ban đầu )h(C)n(0 = . - Mô hình tính toán: S 23 X Y N M qt V 0(n) P V C(h) F ms) R qt 1 Hình 4. Chuyển động của hạt vật liệu trên đống - Trong mô hình trên: + )h(C V r : Véc tơ vận tốc của hạt vật liệu rơi đợc đoạn bằng độ cao h, có phơng trùng với phơng tiếp tuyến của quỹ đạo hạt tại điểm tiếp xúc của hạt với bề mặt nghiêng của đống; V 0(n) : Vận tốc ban đầu của vật có phơng trùng với phơng mặt phẳng nghiêng; : Vận tốc góc ban đầu của vật; : Vận tốc góc của vật; )n(0 : Gia tốc góc của vật; w C : Gia tốc tịnh tiến của vật; V C : Vận tốc tịnh tiến của vật; F ms : Lực ma sát trợt; F ms = N.f (12) N: áp lực của vật xuống mặt phẳng nghiêng; f: Hệ số ma sát trợt; J C : Mô men quán tính của vật: 2 C R.M 5 2 J = (13) R - bán kính hạt vật liệu; P: Trọng lợng hạt vật liệu; qt R : Lực quán tính (thêm vào theo nguyên lý Dalambe); qt M : Mô men quán tính (thêm vào theo nguyên lý Dalambert); K: Hệ số ma sát lăn; : Mô men cản lăn: (14) c l M N.kM c l = - Xác định vận tốc ban đầu V 0(n) Theo hình vẽ: )180(Sin V Sin V )h(C)n(0 = => )(Sin )(Sin.V V )h(C )n(0 = với gh2 V tg 0 = Vậy: = = 0)n(0 )h(C )n(0 Sin Sin.V V (15) Phơng trình chuyển động của vật trên mặt phẳng nghiêng. R w R V CC === & & (16) CCqt w g P w.MR == (17) C C 2 Cqt w. g R.P . 5 2 R w .R.M. 5 2 .JM = == (18) + Xét cân bằng của vật sau khi đã đã thêm R qt và M qt . == C qt w. g P N.fSin.PRN.fSin.PX (19) === Cos.PN0Cos.PNY (20) 0N.kw. g R.P . 5 2 R.N.f0MMR.Fm C l cqtmsC === (21) Sau khi giải hệ ta đợc vận tốc tại vị trí 2 nh sau: )n(02)2(C Vt).kR.f( R2 Cos.g5 V + = (22) trong đó t 2 = )Cos.fSin(g V 2 )n(0 + . Khi đó vận tốc góc của vật: + == )n(02)2(C)2(C Vt).kR.f.( R.2 Cos.g.5 .RV.R (23) - Xét chuyển động của vật từ vị trí 2 đến vị trí 3 có độ dài S (3 - vị trí vật sẽ dừng lại ) S 3 2 N C(2) M V C(2) F ms P Hình 5. Chuyển động của hạt vật liệu trên bề mặt phẳng Tại vị trí 2 vật có vận tốc tịnh tiến V C(2) (Tính theo công thức 22) và vận tốc góc tính )2(C theo công thức (23). áp dụng định luật bảo toàn năng lợng. + Tổng động năng của vật tại vị trí 2 2 2 )2(C 22 )2(C 2 )2(CC 2 )2(Cd R V .R.M. 5 2 . 2 1 V.M 2 1 ).(J 2 1 V.M. 2 1 E +=+= 2 )2(C 2 )2(C 2 )2(Cd V.M. 10 7 V.M 5 1 V.M 2 1 E =+= (24) + Tổng công của lực ma sát: += .MS.FA l cmsms trong đó là góc quay đợc của hạt vật liệu khi đi đợc quãng đờng S; R S = ) R k f(S.g.M R S .g.M.kS.f.g.MA ms +=+= (25) Từ (24) và (26) ta có phơng trình: + == + R k fg V.7 SV.M. 10 7 R k fS.g.M 2 )2(C 2 )2(C (26) 2.3. Nghiên cứu thực nghiệm xác định các yếu tố ảnh hởng đến sự phân hạt Để nghiên cứu xác định các yếu tố ảnh hởng đến sự phân hạt của vật liệu nh chiều cao rơi h, hình dạng bề mặt rơi (bề mặt của sàn ôtô hứng vật liệu), tốc độ của băng dâng và ảnh hởng của gió cũng nh kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết ở trên, chúng tôi đã tiến hành làm thực nghiệm từ ngày 5 ữ 15/4/2004 tại Công ty ôtô 1 - 5 - Tổng công ty cơ khí GTVT tại Đông Anh - Hà nội (chi tiết quá trình thực nghiệm xin xem [1]). Sơ đồ khảo sát thực nghiệm nh hình 1. Hình ảnh về trạm trộn dùng làm thực nghiệm thể hiện trên hình 6. Hình 6. Tổng thể trạm dùng lm thực nghiệm Chúng tôi đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng bằng cách lần lợt thay đổi một yếu tố trong khi cố định các yếu tố khác. Ví dụ thay đổi chiều cao h, sau đó thay đổi vận tốc băng tải rồi lấy mẫu thí nghiệm tại các vị trí khác nhau trên đống vật liệu (hình 7). Tiến hành sàng vật liệu bằng sàng chuẩn của Mỹ, cân đong và ghi số liệu.Sau khi xử lý số liệu, chúng tôi vẽ đờng cong phân bố hạt xem có nằm trong biểu đồ thành phần hạt chuẩn theo TCVN hay không? Và xem xét các yếu tố ảnh hởng nh thế nào đến sự phân bố hạt. Để minh họa cho kết quả thực nghiệm chúng tôi xin giới thiệu một số biểu đồ sau: Hớng vật liệu đến từ băng tải Đống vật liệu Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Hình 7. Vị trí lấy mẫu 0 20 40 60 80 100 120 2 4.75 12.5 25 37.5 50 Cận dới Cận trên h=1 m h=1.2m h=1.4 m Cận trên Cận dới h =1.4 m h = 1.2 m h=1 m 0 20 40 60 80 100 120 2 4.75 12.5 25 37.5 50 Cận dới Cận trên M1A1 M2A1 M3A1 M4A1 M1A2 M2A2 M3A2 M4A2 Cận trên M1A2 M4A2 M3A1 M1A1 M3A2 M4A1 Cận dới M2A1 M2A2 Hình 8. Khi h thay đổi Hình 9. Khi thay đổi 0 20 40 60 80 100 120 2 4.75 12.5 25 37.5 50 Cận dới Cận trên M1C M2C M3C M4C M1P M2P M3P M4P Cận dới M1C M4C M4P M2P M2C M1P Cận trên M3C M3P Hình 10. Khi bề mặt rơi thay đổi iii. Kết luận So sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nh đã trình bày ở trên, chúng ta có thể rút ra một số kết luận sau đây: - Sự phân hạt phụ thuộc vào quá trình tạo đống, nếu chiều cao của đống càng lớn, mức độ phân hạt xảy ra càng mạnh. - Theo công thức (22) và (23), nếu bán kính hạt vật liệu (R) quá nhỏ có thể dẫn đến V C(2) và C(2) < 0 tức là hạt không lăn đợc xuống vị trí 2, có nghĩa hạt sẽ không chuyển động đợc trên bề mặt nghiêng của đống. Điều này giải thích tại sao tỷ lệ hạt nhỏ ở chân đống vật liệu (vị trí lấy mẫu 1 và 2) ít (xem hình 7). - Từ công thức (26) cho thấy, hạt to (R lớn) khả năng lăn xa càng lớn, điều này đã đợc chứng minh bằng thực nghiệm khi hạt to tập trung tại vị trí lấy mẫu 1 và mẫu 2 (tại chân đống vật liệu). Đặc biệt tại vị trí mẫu 2. - Thực nghiệm đã cho thấy, tỷ lệ hạt nhỏ ở vị trí lấy mẫu 4 ít hơn so với tỷ lệ hạt nhỏ ở vị trí lấy mẫu 3. - Từ những điều đã trình bày ở trên, chúng tôi thấy, để giảm bớt hiện tợng phân hạt cần áp dụng một số giải pháp kỹ thuật cụ thể nh sau: 1. Không nên để xả tự do vật liệu từ băng tải vào ôtô luôn mà nên dùng thêm một phễu tích xả trung gian (V = 0,5 ữ 1m 3 ) tích luỹ dòng cấp phối liên tục rồi xả xuống xe vận chuyển chu kỳ. 2. Dùng ống xuắn cứng có đầu quay (lắp dới phễu tích xả) quay bằng tay để xả liên tục hỗn hợp vào nhiều điểm nhận. 3. Dùng ống thẳng mềm dịch chuyển bằng tay xả liên tục hỗn hợp vào nhiều điểm nhận. 4. Lắp đặt bộ chống phân hạt. Nội dung công trình nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, có thể sử dụng trực tiếp phục vụ cho việc chế tạo trạm trộn cấp phối trong nớc, phục vụ cho công tác giảng dạy, nghiên cứu khoa học trong nhà trờng. Tài liệu tham khảo [1]. KS. Nguyễn Thế Long. Luận văn thạc sỹ KHKT. Nghiên cứu quỹ đạo hạt của các hình thức xả cấp phối và xây dựng cơ sở khoa học chống phân hạt của trạm trộn năng suất 80 - 100T/h. Hớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Vịnh, TS. Trơng Tất Đích. [2]. TS. Nguyễn Văn Vịnh v cộng sự. Nghiên cứu động lực học bộ máy trộn và dao động của tháp trộn trong trạm trộn cấp phối. Tạp chí KHGTVT số 5 tháng 11/2003. [3]. Tuyển tập tiêu chuẩn thí nghiệm công trình giao thông Bộ GTVT - 4/1999 . Nghiên cứu quỹ đạo hạt vật liệu khi xả hỗn hợp cấp phối v các giải pháp chống phân hạt TS. Nguyễn văn vịnh Bộ môn Máy xây dựng Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT. Nghiên cứu lý thuyết về quỹ đạo hạt vật liệu trong hỗn hợp cấp phối khi xả tự do từ băng tải đến ô tô Hình 1 thể hiện quá trình công nghệ tạo thành hỗn hợp cấp phối. Phễu cấp liệu . hởng đến sự phân hạt nh chiều cao rơi của vật liệu, bề mặt rơi, gió thổi, độ ẩm của vật liệu Chính vì vậy, cần phải tiến hành nghiên cứu quỹ đạo của các hạt vật liệu khi xả và các yếu tố ảnh