Xác định góc nâng giới hạn của cam trụ trên máy đóng bầu mía giống

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

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 trợt 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 trợt có chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phơng thẳng đứng, đợc 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 đợc 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 trợt; 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 5 6 Hình 2. Cấu tạo của bộ phận cung cấp ống: 1- Khung máy, 2- Cam trụ, 3- Thanh dẫn hớng, 4- Bạc trợt, 5- Con lăn, 6- Khung trợt, 7- Thanh điều khiển cơ cấu kẹp túi bầu, 8- Lõi chèn, 9- Dàn dỡ cụm nâng ống Kích thớc của cơ cấu cam trụ có ảnh hởng 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 trợt 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 đợc góc nâng giới hạn của cam trụ. 2. Nội dung và phơng 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 tợng tháo khớp, sử dụng cam rãnh. Khâu bị dẫn của cơ cấu cam trụ (hình 2) là khung trợt 6; trợt dọc theo hai thanh dẫn hớng 3 trên các bạc trợt 4. Kết cấu của khung trợt đợc xác định theo yêu cầu đặt ra đối với bộ phận nâng hạ miệng ống. Quy luật chuyển động của khung trợt đợc 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 đợc xác định theo điều kiện tự hãm của khung trợt và phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có hình dạng và trạng thái rãnh trợt, kích thớc khung trợt, các yếu tố của lực chủ động và lực cản đặt lên khung trợt, v.v. ( . ., . .,1967; . . .,1976; Đặng Thế Huy, Nguyễn Khắc Thờng, 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 thớc cụ thể của cơ cấu. Để xác định góc nâng giới hạn của cam trụ trong cơ cấu đã nêu, cần viết đợc phơng 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 trợt. Từ đó có cơ sở lựa chọn kích thớc của khung trợt và cam trụ sao cho phù hợp với kết cấu chung của toàn máy. Để giải quyết bài toán, đã sử dụng phơng 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 trợt Từ kết cấu của bộ phận tạo vỏ bầu và bố cục chung của toàn máy, sơ bộ xác định các kích thớc cần thiết của khung trợt, các lực tác dụng lên khung và xây dựng sơ đồ tính toán khung trợt, làm cơ sở cho việc xác định góc nâng giới hạn của cam trụ (hình 3). Khung trợt có chuyển động lên xuống theo chu kỳ. Trong chu kỳ chuyển động của khung trợt, 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: P tp - lực toàn phần do mặt cam tác dụng lên trục con lăn. P k - Trọng lợng của khung; đặt tại trọng tâm khung, nằm trong mặt phẳng của khung, hớng xuống dới. P n - Tổng lực cản khi nâng miệng ống; đặt tại tâm bộ phận cung cấp ống, cách mặt phẳng khung a b P ng P đ P k P tp P đk O c e P n x y z d Hình 3. Sơ đồ lực tác dụng lên khung trợt một khoảng bằng b, ngợc chiều chuyển động của khung. P đk - Lực sinh ra khi điều khiển cơ cấu kẹp miệng ống; đặt cách mặt phẳng khung một khoảng bằng b, ngợc 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 phơng pháp tuyến của bề mặt cam tại điểm tiếp xúc mà nghiêng đi một góc bằng góc ma sát ( . ., . ., 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 phơng trợt và vuông góc với phơng trợt, ta đợc lực P đ và lực P ng . Giữa chúng có quan hệ: P đ = P tp . cos; P ng = P tp .sin = P đ . tg. (3.1) ở đây, 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 trợt. Xét các lực nằm theo phơng trục Ox (hình 4): Theo phơng này chỉ có lực P ng . Dời P ng về gốc toạ độ, ta đợc 3 thành phần: Lực P ng đặt tại điểm O, ép khung vào giá đỡ theo phơng Ox. Mô men M z Png = P ng .a, có xu hớng làm khung quay quanh trục Oz. Mô men M y Png = P ng .e, có xu hớng làm khung quanh quanh trục Oy. Lập các phơng trình cân bằng tĩnh học, gọi X A Png , X B Png , X C Png , X D Png là các phản lực tại các gối đỡ A, B, C, D do thành phần lực P ng gây ra, ta có: X A Png +X B Png +X C Png +X D Png =P ng ; (3.2) Gọi Y A Mz , Y B Mz , Y C Mz , Y D Mz là các phản lực tại các gối đỡ do mô men M z gây ra, ta có: Y A Mz +Y B Mz +Y C Mz +Y D Mz =2M z /c; (3.3) Gọi X A My , X B My , X C My , X D My là các phản lực tại các gối đỡ A, B, C, D do mô men M y gây ra, ta có: X A My +X B My +X C My +X D My =2M y /d; (3.4) Y D Mx P k y x P n O P đ R M x D C B A Y C Mx z P đk Y B Mx Y A Mx Hình 4. Sơ đồ xác định phản lực ổ trục do lực P ng gây ra a d z y x a c e O P n M z M y X B Png A B C D X D Png X C Png X A Png Y C Mz Y A M X B My Y B Mz X A My X C M X D My Hình 5. Sơ đồ xác định phản lực ổ trục do các lực P đ , P n , P đk gây ra Tại vị trí đang xét, các phản lực trên có phơng 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 P đ , P k , P đk , P n . Dời tất cả về trọng tâm O của khung và hợp lại, ta đợc một lực R và một mô men M x xác định theo biểu thức: R = P đ - P đk - P n - P k ; M x = P đ .a + (P đk + P n ).b ; (3.5) Lực R có xu hớng làm cho khung chuyển động. Mô men M x làm cho khung bị quay đi quanh trục Ox. Thành lập phơng trình cân bằng tĩnh học cho khung, gọi Y A Mx , Y B Mx , Y C Mx , Y D Mx là các phản lực ổ trục do riêng M x gây ra , ta có: Y A Mx + Y B Mx + Y C Mx + Y D Mx = 2M x / 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 Y A Mx , Y B Mx , Y C Mx , Y D Mx , nghĩa là lực ma sát tại các ổ trục do riêng mô men M x gây ra, sẽ đợc tính theo công thức: F ms Mx = (Y A Mx + Y B Mx + Y C Mx + Y D Mx ).f = (2M x / d).f; (3.7) Lập phơng trình cân bằng hình chiếu của tất cả các lực tác dụng lên khung theo phơng 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 đợc: P đ - P đk - P n - P k - P ng .f (2M z /c).f (2M y / d).f (2M x / d) .f = 0; (3.8) Thay các trị số của P ng , M z , M y theo P đ vào và biến đổi, ta có: P đ - P đ . tg.f (1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d) = P k + (P đk +P n ). (1+2.b.f/d) ; P đ .[1 f(1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d)tg] = P k + (P đk +P n ). (1+2.b.f/d) ; (3.9) Đặt A = f(1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d). P k + (P đk +P n ). (1+2.b.f/d) Từ (3.9), chú ý giá trị của A, ta có P đ = ------------------------------------------------- ; ( 3.1 0 ) 1 A. tg Biểu thức (3.10) chính là phơng trình cân bằng, cũng có thể xem là phơng trình chuyển động, của khung. Khi lực P đ lớn hơn giá trị của biểu thức bên vế phải, khung sẽ chuyển động theo chiều lực P đ . Với một kết cấu xác định, giá trị của vế phải trong biểu thức (3.10) có một giá trị xác định. Khi càng nhỏ, lực cần thiết để khung chuyển động sẽ càng nhỏ và ngợc lại, khi càng lớn thì lực cần thiết để làm cho khung chuyển động sẽ càng lớn. Khi thành phần (1- A.tg) 0 thì vế phải của biểu thức (3.10) , nghĩa là lực cần thiết để khung chuyển động đợc là vô cùng lớn. Nói cách khác, khi (1- A.tg) = 0 thì khung bị tự hãm: Lực P đ dù có lớn đến đâu cũng không làm cho khung chuyển động đợc. Góc nâng giới hạn đợc xác định theo điều kiện: 1 A. tg gh = 0; (3.11) Từ đó ta có: gh = 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 thớc của khung trợt Góc nâng giới hạn của cam trụ phụ thuộc theo các kích thớc của khung trợt (công thức 3.12) có thể đợc thể hiện qua đồ thị (hình 6). Qua các đồ thị trên hình 6, có thể thấy khi tăng kích thớc giữa các ổ trục của khung trợt (tăng các kích thớc c, d) hoặc khi đặt con lăn càng gần trọng tâm của khung (giảm các kích thớc a, e) thì góc nâng giới hạn tăng lên. Các đồ thị cũng cho thấy ảnh hởng của khoảng cách a và e đến góc nâng giới hạn mạnh hơn ảnh hởng của các kích thớc c, d; nghĩa là để tăng góc nâng giới hạn của cam trụ thì việc giảm các kích thớc a, e có hiệu quả hơn là tăng các kích thớc c, d. Căn cứ theo định hớng 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: 65 0 30. 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 thớc khung trợt: a) Hàm gh = f(a), khi b= 75mm, c= 350 mm, d= 2e= 200mm, f=0,25 b) Hàm gh = f(c), khi a= 40 mm, b= 75mm, d= 2e= 200mm, f=0,25 c) Hàm gh = f(d,e), khi a= 40 mm, b= 75mm, c= 350 mm, d= 2e, f=0,25 d) Hàm gh = 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 trợt và điều kiện làm việc của bộ phận cung cấp ống, đã viết đợc phơng trình cân bằng gần đúng của khung trợt, cho phép phân tích ảnh hởng của các kích thớc của khung trợt đến góc nâng giới hạn của cam trụ, định hớng cho việc chọn các kích thớc chính của khung trợt và cam trụ. Đã xác định các kích thớc chính của khung và góc nâng giới hạn của cam trụ. Những kết quả thu đợc đã đợc 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 Thờng (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. . . ., , ., . 1976., Ctp. 42-45. . ., . . (1967), , . , . Ctp. 396-401. . ., . ., . ., , . , , 1980, Ctp. 162-167.