Hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn củ đã được thiết kế chế tạo tại Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp (Research institute of agricultural machineryRIAM). Cầu nâng lật xe tải được nâng nghiêng đến một góc nghiêng xác định nhờ một cơ cấu nâng truyền động thủy lực.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu phân tích kết cấu hệ thống cầu nâng xe chở sắn củ mơ hình số Researching and analyzing the structure of the bridge system for cassava transport vehicles using numerical model Nguyễn Đình Tùng Viện Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp, Bộ Công Thương Email: ndtung.hn@gmail.com; ndtung@riam.com.vn; Tel: (+84) 2438547363; Mobile: 0989 741 728 Tóm tắt Từ khóa: Cầu nâng lật xe chở sắn củ; Khả chịu lực; Mơ hình số; Uốn phẳng Hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn củ thiết kế chế tạo Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp (Research institute of agricultural machineryRIAM) Cầu nâng lật xe tải nâng nghiêng đến góc nghiêng xác định nhờ cấu nâng truyền động thủy lực Góc nghiêng cực đại vận tốc nâng sàn lựa chọn cho thỏa mãn điều kiện chảy tụt vật liệu sắn củ gia tốc cuối hành trình nâng giảm dần đến 0, đảm bảo điều kiện không lật dọc xe tải trút đổ sắn nguyên liệu Bài báo giới thiệu nội dung nghiên cứu phân tích kết cấu mơ hình số 3D cầu nâng lật xe chở sắn chịu tác động thành phần lực/mô men theo phương x, y, z q trình làm việc Kết mơ so sánh với kết thực nghiệm nhằm tối ưu hóa q trình tính tốn thiết kế khả chịu tải, dự đoán diễn biến truyền lực học nội dầm cầu nâng lật chế thay đổi trạng thái làm việc dầm cầu nâng lật Kết nghiên cho thấy rõ kết cấu cầu nâng lật, vật liệu chế tạo, sơ đồ chịu lực, biến dạng ứng suất dầm trạng thái làm việc từ trạng thái tĩnh (trạng thái ban đầu) trạng thái giới hạn (trạng thái nâng xe chở sắn lên đến góc nghiêng cho phép để trút hết sắn mà xe đảm bảo an toàn) Abstract Keywords: Crankshaft lifters for trucks; Load capacity; Numerical model; Flat bending The crankshaft lifters for cassava transport trucks was designed and manufactured by the Research Institute of Agricultural Machinery (RIAM) The crankshaft lifter is raised to a specified titl angle by a hydraulic lifting gear Maximum tilting angle and platform lifting velocity are selected to satisfy the slump of the cassava and the acceleration at the end of the lifting stroke gradually decrease to 0, ensuring the truck does not flip vertically when emptying cassava The paper presents the structural analysis on the 3D model of the cassava transport truck’s lifters driven by the force/ torque components in the x, y and z directions during the process Simulation results were compared with the experimental results to optimize the design of load bearing capacity, predicting the evolution of mechanical forces within the lift axle and the state change mechanism while the lift axle is in operation The results clearly showed the structure of the lifting mechanism, the manufacturing material, the load profile, the deformation and the stress on the beam in the working conditions from the static mode (initial state) to the threshold state (the state where cassava trucks are lifted up to the angle of inclination allows emptying all cassava while still ensuring the safety of the truck) Ngày nhận bài: 30/06/2018 Ngày nhận sửa: 06/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 GIỚI THIỆU Đối với sắn trồng rộng rãi 100 quốc gia toàn giới với nhiều quy mô canh tác khác nhau, tập trung chủ yếu nước có khí hậu nhiệt đới cận nhiệt đới châu Phi, châu Á, Nam Mỹ số nước khác Tổ chức nông lương liên hợp quốc (FAO) xếp sắn lương thực có vị trị quan trọng cấu kinh tế nước phát triển (trong có Việt Nam) sau lúa gạo, ngơ [1] Ngồi việc cung cấp lương thực cho người gia súc, sản phẩm từ sắn cịn làm ngun liệu cho số ngành công nghiệp nhẹ chế biến, dược phẩm, hóa chất… Sắn với lúa ngơ ba trồng ưu tiên nghiên cứu phát triển tầm nhìn chiến lược đến năm 2020 Bộ Nông nghiệp Phát nông thôn Các vùng trồng sắn Việt Nam tập trung chủ yếu Bắc Trung bộ, duyên hải miền Trung, Tây Ngun, Đơng Nam Trung du miền núi phía Bắc Tổng diện tích sắn vùng sinh thái chiếm khoảng 97% diện tích sắn nước Sắn Việt Nam phần lớn chế biến thành tinh bột, riêng tinh bột xuất khẩu,theo thống kê Hải quan cho thấy, xuất tinh bột sắn Việt Nam năm gần ngày tăng trưởng ấn tượng so với năm trước đây, ngành tinh bột sắn thu khoảng gần 1000 triệu đô la Mỹ từ xuất khẩu, tăng so với giá trị xuất số mặt hàng nông sản khác[2] Hiện Việt Nam có nhiều nhà máy chế biến tinh bột sắn quy mô công nghiệp, chưa kể sở tư nhân chế biến nhỏ lẻ Nhưng hầu hết nhà máy chế biến tinh bột sắn quy mô công nghiệp (năng suất từ 400 - 500 củ/ngày) nhập nguyên liệu ô tơ tải loại thơng thường khơng có “ben nâng” với tải trọng thường từ 20 - 40 phải tháo dỡ củ sắn tươi xuống sân nhà máy chế biến thủ công sử dụng sức người để tháo dỡ, cào từ xe xuống sân (Hình 1), tốn nhiều cơng sức Tính phương diện kinh tế hiệu Hơn thời gian xuống liệu chậm ảnh hưởng đến diện tích sân bãi vận hành, chất lượng bột giảm sút Xuất phát từ cần thiết sản xuất nêu trên, việc nghiên cứu thiết kế đưa thị trường hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn sử dụng truyền động điều khiển thủy lực cần thiết Tuy nhiên để giảm chi phí cho việc thiết kế, chế tạo đảm bảo kỹ thuật trước gia cơng chế tạo cơng đoạn sử dụng phần mềm máy tính hỗ trợ khâu thiết kế phân tích mơ hình trước “chốt” phương án thiết kế cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Bởi nội dung báo trình bày kết ”nghiên cứu phân tích kết cấu hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn củ mô hình số” hệ thống cầu nâng - lật xe chở sắn củ có điều khiển, truyền động thủy lực phục vụ cho nhà máy chế biến sắn quy mô 450 - 500 củ/ngày đáp ứng cho sản xuất Kết nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị sản xuất kinh doanh cho doanh nghiệp Hình Hình ảnh dùng sức người thủ cơng để tháo/cào sắn xe xuống bãi tập kết HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong báo sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mơ để phân tích kết cấu mơ hình số 3D Cụ thể sử dụng phần mềm máy tính ANSYS version 15.0 để phân tích kết cấu hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn củ mơ hình số 3D, nhằm đánh giá độ bền kết cấu khả chịu tải hệ thống cầu nâng - lật xe chở sắn củ có điều khiển, truyền động thủy lực phục vụ cho nhà máy chế biến sắn quy mô 450 - 500 củ tươi/ngày để đáp ứng nhu cầu sản xuất Với phương pháp sử dụng cơng cụ tốn học “phần tử hữu hạn” để đánh giá độ bền kết cấu có xét đến chế độ thiết lập chia lưới; tính/đặc tính vật lý vật liệu thiết kế như: giới hạn chảy, mô đuyn đàn hồi, hệ số Poisson vật liệu, Kết cuối thể thông qua thang giá trị đo màu sắc hình vẽ mục 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân tích kết cấu hoạt động cầu nâng Hình Kết lựa chọn xây dựng sơ đồ nguyên lý kết cấu hệ thống cầu nâng - lật xe chở sắn củ quy mô 450 - 500 củ/ngày (ở trạng thái trước hoạt động) 1- Xy lanh thủy lực; 2- Thanh liên kết; 3- Cơ cấu nâng; 4- Cầu nâng lật xe; 5- Xe ô tô chở sắn Hình Kết lựa chọn xây dựng sơ đồ mạch truyền động điều khiển thủy lực ứng dụng cho hệ thống cầu nâng - lật xe chở sắn củ quy mô 450 - 500 củ/ngày [3-5] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Kết thiết kế, xây dựng, đưa sơ đồ nguyên lý, kết cấu hệ thống thiết bị nâng, lật xe truyền động điều khiển thủy lực đồng đáp ứng yêu cầu đòi hỏi doanh nghiệp chế biến sắn quy mô công nghiệp việc tháo, dỡ sắn củ tập kết vào sân chuẩn bị phục vụ cho sản xuất trình bày Hình 2, Hình Với sơ đồ cho thấy xe chở sắn củ tươi đến nhà máy chế biến đưa/di chuyển lên cầu nâng - lật (sàn nâng), sau “thắt dây an toàn” sàn đỡ xe tải nâng nghiêng lên dần từ góc ban đầu “00” đến góc nghiêng xác định/góc nâng tới hạn (cực đại) nhờ cấu nâng truyền động thủy lực Góc nghiêng cực đại vận tốc nâng sàn lựa chọn cho thỏa mãn điều kiện chảy tụt vật liệu sắn củ gia tốc cuối hành trình nâng giảm dần đến 0, đảm bảo điều kiện không lật dọc xe tải trút đổ sắn nguyên liệu Phần nội dung mục 3.2 trình bày kết phân tích, khảo sát mơ hình cầu nâng chế độ làm việc góc nâng khác cho khả chịu tải hoạt động hệ thống nâng trút sắn nguyên liệu kết nghiên cứu mô hình số, khảo sát trình hoạt động để đánh giá, lựa chọn thông số kết cấu, vận hành đáp ứng yêu cầu hoạt động ổn định hệ thống 3.2 Phân tích đánh giá độ bền kết cấu khả chịu tải hệ thống mô hình Với mục đích phân tích kết cấu hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn củ có sơ đồ nguyên lý động học kết cấu hình nhằm mục đích trước tiến hành gia cơng chế tạo hệ thống, để tiên đốn loại trừ hư hỏng xảy trình làm việc thực tế Mơ hình 3D xây dựng phần mềm Inventor với kích thước xác thiết kế thức, sau nhờ phần mềm DesignModeler Ansys Workbench để thực q trình phân tích (Hình 4) Hình Mơ hình nguyên lý kết cấu (trái) sơ đồ động học (phải) hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn Trong Engineering Data Toolbox lựa chọn vật liệu chế tạo hệ thống cầu nâng cho mơ hình thép CT38 có tính chất vật lý mơ đuyn đàn hồi, hệ số Poisson, khối lượng riêng giới hạn bền mỏi trình bày chi tiết Bảng 1, thông số làm sở phân tích đánh giá độ bền mỏi, độ biến dạng, ứng suất kết cấu chi tiết hệ thống Trong nghiên cứu này, công cụ tĩnh học “Static Structure” lựa chọn để phân tích kết cấu kiểm tra bền cho hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn củ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Một số đặc tính tính thép CT38[6] Thông số Mô đuyn đàn hồi Hệ số Poisson Khối lượng riêng Giới hạn bền mỏi Ký hiệu E v ρ Sγ Giá trị 210000 0,3 7850 380-490 Thứ nguyên MPa kg/m3 Mpa Với thiết lập chia lưới cho mơ hình nghiên cứu, bước quan trọng cơng cụ tốn học phần tử hữu hạn Có nhiều phương pháp chia lưới mịn gọi làm mịn thích ứng cao để tăng số phần tử lên tới mức yêu cầu tối thiểu Sự rời rạc hóa phụ thuộc vào hình dáng kết cấu chi tiết, tải trọng điều kiện biên Kết phân tích nghiên cứu mong muốn đạt kết tin cậy xác cần thiết lập chế độ chia lưới “dày đặc” Hình Số lượng phần tử số nút chi tiết sau chia lưới Hình Với số lượng phần tử lớn vậy, kết mô xác đáng tin cậy Hình Thiết lập chế độ chia lưới cho mơ hình Hình Chia lưới phần tử cho mơ hình Hình Chia lưới đặt lực cho hệ thống cầu nâng lật Thiết lập điều kiện biên, tải trọng loại kết mong muốn sau chạy mô Tải trọng xe chở sắn củ tác dụng lên hệ thống cầu nâng lật, lực nâng xy lanh thủy HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 lực ràng buộc cố định chi tiết (hình 4) biểu thị chia lưới đặt lực cho mơ Hình Những kết mong muốn tổng chuyển vị, sức căng tương đương ứng suất tương đương hệ thống nghiên cứu Sau chạy chương trình mơ cho hệ thống cầu nâng lật chế độ làm việc với góc nâng khác nhau, kết mơ biểu thị Hình 8, Hình 9, Hình 10 tương ứng với trạng thái làm việc góc nâng 300, 400, 450 Trên Hình 8, chế độ làm việc với góc nâng 300 giá trị cực đại tổng chuyển vị kết cấu cầu nâng 2,8008e-3m xuất vị trí phía trước cầu nâng Trong giá trị sức căng cực đại đạt 1,0655e-3 m/m, giá trị cực tiểu đạt 1,559e-8m/m, giá trị ứng suất cực đại đạt 1,3289e8 Pa Hình Tổng chuyển vị, sức căng tương đương ứng suất “von-Mises Stress” hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn trạng thái làm việc góc nâng 300 Hình Tổng chuyển vị, sức căng tương đương ứng suất “von-Mises Stress” hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn trạng thái làm việc góc nâng 400 Hình 10 Tổng chuyển vị, sức căng tương đương ứng suất “von-Mises Stress” hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn trạng thái làm việc góc nâng 450 Tiếp theo Hình trình bày kết chế độ làm việc hệ thống cầu nâng - lật xe với góc nâng 400 giá trị cực đại tổng chuyển vị 3,4714e-3m Trong giá trị sức căng cực đại đạt 1,1133e-3 m/m, giá trị cực tiểu đạt 3,039e-8m/m, giá trị ứng suất cực đại đạt 1,3849e8 Pa Tương tự Hình 10 sàn nâng vị trí làm việc 450 giá trị cực đại tổng chuyển vị kết cấu HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 cầu nâng 4,9027e-3m, giá trị sức căng cực đại đạt 1,86519e-3 m/m, giá trị ứng suất cực đại đạt 2,3262e8 Pa Đánh giá chung cho toàn hệ thống trạng thái làm việc giá trị ứng suất cực đại “von Mises stress” thỏa mãn, tất giá trị nhỏ giới hạn biến dạng đàn hồi thép CT38 380-490MPa Ứng suất cao đạt giá trị 2,3262e8 Pa làm việc trạng thái góc nâng sàn nâng 450, nhiên với giá trị nằm giới hạn an toàn bền Chuyển vị lớn xuất với giá trị 4,9027e-3m trạng thái làm việc với góc nâng sàn nâng 450, giá trị nhỏ chấp nhận Nhìn chung giá trị ứng suất cực đại thỏa mãn nằm giới hạn an tồn bền Do vậy, kết luận rằng, với điều kiện làm việc khó khăn theo thiết kế hệ thống, độ bền kết cấu khí đảm bảo an tồn trình làm việc Tuy nhiên thực tế để đảm bảo an tồn cho xe tải khơng bị lật dọc trút đổ sắn nguyên liệu mà thỏa mãn điều kiện chảy tụt vật liệu sắn củ, tác giả nhận thấy chế độ làm việc sàn nâng góc nâng 400 cần lựa chọn để thiết kế cho chế độ làm việc thực tiễn sản xuất đảm bảo thỏa mãn điều kiện KẾT LUẬN Trên sở nghiên cứu đưa nguyên lý kết cấu hệ thống cầu nâng - lật xe chở sắn củ có điều khiển, truyền động thủy lực ứng dụng nhà máy chế biến sắn quy mô công nghiệp suất 450 - 500 củ/ngày Khảo sát chế độ làm việc ứng với góc nâng khác 300, 400, 450 đảm bảo điều kiện an toàn độ bền kết cấu, cụ thể cho thấy: Ở trạng thái chế độ làm việc với góc nâng 300 giá trị cực đại tổng chuyển vị kết cấu cầu nâng 2,8008e-3m Trong giá trị sức căng cực đại đạt 1,0655e-3 m/m giá trị ứng suất cực đại đạt 1,3289e8 Pa Ở chế độ làm việc hệ thống cầu nâng-lật xe với góc nâng 400 giá trị cực đại tổng chuyển vị 3,4714e-3m Trong giá trị sức căng cực đại đạt 1,1133e-3 m/m giá trị ứng suất cực đại đạt 1,3849e8 Pa Khi sàn nâng vị trí làm việc 450 giá trị cực đại tổng chuyển vị kết cấu cầu nâng 4,9027e-3m, giá trị sức căng cực đại đạt 1,86519e-3 m/m, giá trị ứng suất cực đại đạt 2,3262e8 Pa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.fao.org/faostat/en/?#data/QC [2].http://cafef.vn/hon-80-luong-san-va-san-pham-san-xuat-khau-sang-trung-quoc2018062218065086.chn [3] Bùi Hải Triều, Nguyễn Đình Tùng, 2018 Truyền động điều khiển thủy lực ứng dụng NXB Khoa học kỹ thuật [4] Nguyễn Đình Tùng, Bùi Hải Triều, 2005 Điều chỉnh tần số quay đĩa dao máy thu hoạch mía truyền động thủy lực Tạp chí Nơng nghiệp - Nơng thơn, Tập 2, số 3, trang 28-30 [5] Holger Watter, 2008 Hydraulik und Pneumatik, Grundlagen und UebungenAnwendungen und Simulation Auflage Vieweg & Teubner Verlag (Studium Buch) [6] Hà Văn Vui, Nguyễn Chỉ Sáng, Phan Đăng Phong, 2006 Sổ tay thiết kế khí tập NXB Khoa học kỹ thuật ... thông số kết cấu, vận hành đáp ứng yêu cầu hoạt động ổn định hệ thống 3.2 Phân tích đánh giá độ bền kết cấu khả chịu tải hệ thống mơ hình Với mục đích phân tích kết cấu hệ thống cầu nâng lật xe chở. .. sắc hình vẽ mục 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân tích kết cấu hoạt động cầu nâng Hình Kết lựa chọn xây dựng sơ đồ nguyên lý kết cấu hệ thống cầu nâng - lật xe chở sắn củ quy mô 450 - 500 củ/ ngày... phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mơ để phân tích kết cấu mơ hình số 3D Cụ thể sử dụng phần mềm máy tính ANSYS version 15.0 để phân tích kết cấu hệ thống cầu nâng lật xe chở sắn củ mơ hình số 3D,