Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm khảo sát lực kẹp đầu cáp trên tang bằng tấm đệm

Bài báo trình bày nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm khảo sát lực kẹp đầu cáp trên tang bằng tấm đệm. Mô hình được thiết kế, chế tạo và khai thác tại Phòng nghiên cứu thực nghiệm cơ khí, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội cho phép thiết lập nhiều dạng bài thí nghiệm khác nhau phục vụ nghiên cứu và đào tạo các chuyên ngành trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT LỰC KẸP ĐẦU CÁP TRÊN TANG BẰNG TẤM ĐỆM STUDY ON DESIGN AND MANUFACTURING AN EXPERIMENTAL MODEL TO INVESTIGATE ROPE END CLAMPING FORCES ON A DRUM NGUYỄN VĂN TỊNH*, NGUYỄN TIẾN NAM, CAO THÀNH DŨNG, PHẠM VĂN MINH, PHẠM QUANG DŨNG Khoa Cơ khí, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội *Email liên hệ: tinhnv@nuce.edu.vn Tóm tắt Trên hầu hết cấu nâng tời cáp, cáp thép truyền lực trực tiếp từ tang cáp, phổ biến loại tang lớp cáp sử dụng kiểu cố định đầu cáp tang đệm Vì vậy, việc nghiên cứu cách đầy đủ trình làm việc kẹp cáp tang nhằm đảm bảo khả truyền lực, độ an toàn độ tin cậy cần thiết Bài báo trình bày nghiên cứu sở lý thuyết thiết kế, chế tạo mơ hình thí nghiệm khảo sát lực kẹp đầu cáp tang đệm Mơ hình thiết kế, chế tạo khai thác Phịng nghiên cứu thực nghiệm khí, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội cho phép thiết lập nhiều dạng thí nghiệm khác phục vụ nghiên cứu đào tạo chuyên ngành lĩnh vực kỹ thuật khí Từ khóa: Lực ma sát, công thức lực ma sát Euler, tang cáp, kẹp đầu cáp, lực kẹp đầu cáp Abstract In most lifting mechanisms and hoists, steel ropes are driven directly from rope drums, the most common of which is single-layer ones that use the rope end fixing method on drums with clamps Thus, a complete study of the working process of rope clamps on a drum is essential to ensure transmission capability, safety, and reliability The paper presents the theoretical foundation research, design, and manufacture of an experimental model to investigate rope end clamping forces on a drum The model is designed, manufactured, and exploited at the Mechanical Experimental Research Department, Hanoi University of Civil Engineering Based on this model, various types of experiments can be set up to serve research and training in mechanical engineering majors Keywords: 310 Friction force, Euler-Eytelwein formula, rope drum, rope end clamp, rope end clamping force Đặt vấn đề Cụm tang cáp cụm chi tiết quan trọng truyền động cáp, sử dụng nhiều loại Máy xây dựng Loại tang phổ biến loại lớp cáp với đệm cố định đầu cáp Lực giữ đầu cáp tang lực ma sát cáp với tang cáp với đệm vị trí kẹp cáp Lực ma sát khơng đủ lớn dẫn đến tuột cáp chịu tải động lớn Để khắc phục tượng đó, thực tế có hai nhóm giải pháp Thứ làm tăng khả bám cáp tang tạo rãnh tang rãnh đệm nhằm tăng hệ số ma sát tương đương [1, 2]; giảm tải cho kẹp cáp cách cáp đến hai vòng tang trước vào vùng kẹp cáp [1, 2]; sử dụng đệm động để kẹp cáp cáp dịch chuyển vào vùng làm việc [3]; ứng dụng lực từ trường cáp tang [4] Thứ hai tăng số đệm tăng lực kẹp Số lượng đệm lớn làm kết cấu cụm tang phức tạp cồng kềnh Lực kẹp lớn gây bẹp cáp gây đứt sợi thép vị trí mép đệm Như vậy, nhằm nâng cao khả làm việc độ tin cậy, tương tác cáp với tang đệm phải xem xét cách kỹ lưỡng Vấn đề xem xét nghiên cứu từ mơ hình lý thuyết đến thực nghiệm kẹp cáp kiểu ma sát phần tử cáp thép sử dụng cơng trình xây dựng có kết cấu khơng gian lớn [5, 6] Do tính đặc thù, mơ hình khó để ứng dụng cho nghiên cứu cụm tang máy xây dựng Vì vậy, xây dựng mơ hình nghiên cứu từ lý thuyết đến thực nghiệm để khảo sát đánh giá lực kẹp đầu cáp tang đệm cần thiết Ngồi việc sử dụng mơ hình để nghiên cứu chun sâu, cịn sử dụng thiết bị thực hành đào tạo chuyên ngành kỹ thuật khí liên quan, nhằm nâng cao chất lượng đào tạo, giúp người học hiểu sâu sắc phần lý thuyết giảng nâng cao kỹ thực hành, kỹ áp dụng lý thuyết vào thực tế SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Trong khuôn khổ báo giới thiệu việc nghiên cứu xây dựng sở lý thuyết xác định lực kẹp đầu cáp tang đệm Từ đề xuất thiết kế chế tạo mơ hình thí nghiệm Các mô tả cấu tạo, nguyên lý làm việc, bước tiến hành thí nghiệm kết số thử nghiệm toán cố định đầu cáp trình bày Cơ sở lý thuyết xác định lực kéo cáp tới hạn Với kiểu cố định đầu cáp tang đệm, lực kẹp đầu cáp tính tốn hai cách: Trong đó: Pi - Lực nén lên đệm kẹp cáp thứ i ) (xem Hình 1b); n - Số lượng đệm kẹp cáp; m0 - Hệ số ma sát tính tốn Đối với đệm kẹp cáp có rãnh hình thang rãnh dạng cung trịn, hệ số ma sát tính tốn xác định tương ứng theo công thức (2) (3) sau: ( - Cách tính gần đúng, kể đến lực ma sát đệm kẹp cáp mà bỏ qua ma sát cáp bề mặt tang - Cách tính xác hơn, tính đến lực ma sát cáp tang cung nằm đệm kẹp cáp Ta xét trường hợp tang có nhánh cáp nằm đệm kẹp cáp thể Hình 1a Khả chịu kéo cụm cố định đầu cáp tang giới hạn lực kéo tới hạn Sth m0 = m + m1 , Sin g (2) m0 = m + m1.Sin g , 2g + Sin(2g ) (3) Trong đó: m - Hệ số ma sát bề mặt cáp tang; - Hệ số ma sát bề mặt cáp kẹp Theo cách tính xác hơn, S¢¢th xác định có tính đến lực ma sát cáp tang cung 12; 2-3; (xem Hình 1a): ì S1 = S th¢¢ - F1 ; ï ï S = S1 - F2 , ï e m a1 ïï S2 í S3 = m a - F3 , e ï ï ï ï S = S n -1 - F , n ïỵ n e m a n-1 (4) Trong đó: Fi - Lực ma sát đệm kẹp cáp thứ i ), Fi = m0 × Pi ; - Góc ơm cáp tang cung thứ i ( ) Tại đầu tự cáp, lực căng cáp Sn = Nếu góc ơm cáp tang cung có giá trị = a lực nén đệm Pi = P , lực kéo tới hạn biến đổi từ (4) thành: ( a) b) Hình Sơ đồ tính tốn lực kẹp đầu cáp tang Theo cách tính gần đúng, lực kéo tới hạn Sth¢ xác định theo lực ma sát đệm kẹp cáp chịu lực nén: n Sth¢ = m0 × å Pi i =1 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) (1) SthÂÂ = m0 ì P ì (ema ) n -1 ema - (5) Mơ hình thí nghiệm 3.1 u cầu mơ hình thí nghiệm - Mơ hình thí nghiệm đề xuất thiết kế chế tạo phải phản ánh chất nội dung thí nghiệm để xác định thơng số kỹ thuật đánh giá 311 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 tượng theo yêu cầu - Trên sở lý thuyết Mục thấy để quan sát trình làm việc đệm, tương tác lực kẹp cáp lực kéo trạng thái giới hạn (bắt đầu trượt) q trình thí nghiệm phải quan sát dịch chuyển cáp thép đệm, với giá trị lực tương ứng - Việc cài đặt giá trị lực kẹp cáp lực kéo phải dễ dàng điều chỉnh vơ cấp - Các thiết bị lựa chọn để thiết lập mơ hình loại có sẵn thị trường - Mơ hình thí nghiệm kết nối với máy vi tính để quan sát trực quan biến đổi giá trị khảo sát lưu trữ liệu q trình thí nghiệm - Các đầu đo sử dụng phải đảm bảo độ xác cần thiết thiết bị thí nghiệm - Kích thước khn khổ mơ hình thí nghiệm thao tác thực phải phù hợp thuận tiện người thực 3.2 Cấu tạo tính mơ hình thí nghiệm đề xuất Mơ hình thí nghiệm đáp ứng mục tiêu toán đặt đảm bảo yêu cầu đề xuất Hình Nó bao gồm cụm tang lắp cố định khung thép bàn thí nghiệm 1, vành tang lắp hai nhánh cáp có lực kéo căng tạo puly cân với cấu căng cáp (bao gồm từ tay quay, hộp giảm tốc trục vít - bánh vít đến tang cáp), đệm tạo lực nén lên cáp nhờ bu lông đai ốc với Load cell để kiểm sốt lực nén Bu lơng liên kết với Load cell cho phép quay tự quanh vành tang nhờ đầu lại liên kết với trục lắp hai ổ bi tỳ vào thành ống nhỏ (lỗ vành tang ống nhỏ để xỏ bu lơng qua có hình van dọc theo trục cáp) Do thí nghiệm phân tích lực ma sát tang cáp nên cáp thép kẹp chặt rãnh hình thang đệm (khi đạt giá trị lực kéo tới hạn Sth , cáp bu lông đệm trượt tang, bu lông đệm quay quanh trục tang góc, cáp khơng trượt tương đối rãnh đệm) Việc điều chỉnh lực kẹp cáp đệm nhờ vào việc chỉnh đai ốc phía đệm Trên vành tang có kẻ vạch để quan sát dịch chuyển kẹp cáp cáp trượt bề mặt tang Load cell cảm biến lực kéo hai nhánh cáp Các đầu đo lực có sai số đo khơng vượt q 0,03% Tín hiệu thu từ cảm biến khuếch đại, lọc tín hiệu sau đến vi xử lý trung tâm máy vi tính Trên Hình sơ đồ ngun lý kết nối load cell với hệ thống điện (trong tủ điện Hình 2) Mơ hình thí nghiệm sau chế tạo Hình Hình Cấu tạo thiết bị thí nghiệm Bàn thí nghiệm; Tủ điện; Cụm tang cáp; Load cell 0,5 tấn; Puly cân bằng; Load cell 0,5 tấn; Cơ cấu căng cáp Các đầu đo Khuếch đại tín hiệu Lọc tín hiệu Bộ vi xử lý trung tâm (CPU+Mơđun Analog) Máy tính (Phần mềm chun dụng) Hình Sơ đồ nguyên lý kết nối thiết bị cảm biến 312 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng dạng đồ thị Hình Ngồi tính nêu trên, phía 600 Loadcell (N) Loadcell (N) Loadcell (N) 550 500 Loadcell (N) Loadcell (N) 450 Lực đo [N] 400 350 300 250 200 150 100 a) 50 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Thời gian [s] Hình Đồ thị biến thiên giá trị lực đầu đo b) bàn thí nghiệm thiết kế tủ đựng đồ gồm hai ngăn Các thiết bị phụ trợ phục vụ q trình thí nghiệm thước kẹp, cờ lê, cáp điện,… cất giữ cách gọn gàng tiện lợi Việc di chuyển lắp đặt thiết bị thí nghiệm nhẹ nhàng động lắp đặt bốn cụm bánh xe với khóa bánh xe cần cố định vị trí 3.3 Quy trình khảo sát lực kẹp đầu cáp tang đệm Quy trình khảo sát lực kẹp đầu cáp tang đệm tiến hành sau: - Nghiên cứu kỹ sở lý thuyết tính tốn yếu tố ảnh hưởng đến lực kéo giới hạn c) Hình a) Mơ hình thiết bị thí nghiệm chế tạo; b) Giao diện khai báo thơng tin thí nghiệm; c) Giao diện chương trình q trình thí 4a với thiết bị vật tư lựa chọn có sẵn nước Phần mềm chuyên dụng lập trình cài đặt máy tính có giao diện tiếng Việt, trực quan dễ dàng sử dụng Trên Hình 4b 4c giao diện chương trình thí nghiệm bắt đầu khai báo thơng tin buổi thí nghiệm bắt đầu thực thí nghiệm Các thơng số khảo sát lực với giá trị quan sát trực tiếp hình dạng số dạng đồ thị biến thiên giá trị lực đo theo thời gian Tất thông số với thơng tin lần thí nghiệm lưu trữ lại file Microsoft Excell riêng biệt máy tính dạng bảng liệu SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) - Tính tốn giá trị S¢th S¢¢th theo công thức (1) (4) với giá trị Pi (i = - 4) cho trước , Do thí nghiệm xét trường hợp a cáp trượt tang nên cơng thức lấy giá trị m0 = m - Tìm hiểu mơ hình thí nghiệm so sánh với mơ hình tính tốn lý thuyết - Tìm hiểu bước thực khảo sát mơ hình thí nghiệm quy định an toàn - Thiết lập thiết bị thí nghiệm lực nén lên đệm Tiếp theo, quay tay quay cấu căng cáp Đồng thời quan sát dịch chuyển tương đối đệm so với vạch vành tang Từ cho thấy mức độ ổn định cụm cố định đầu cáp tác dụng lực kéo Trạng thái tới hạn cụm cố định đầu cáp tang tính thời điểm dịch chuyển đệm cuối Giá trị lực kéo tới hạn 313 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng Bảng trích suất thống kê liệu đo TT Ngày Giờ Mã Chế Time Load cell Load cell Load cell Load cell Load cell Thực Tên TN độ (s) - đệm (N) - đệm (N) - đệm (N) - đệm (N) - kéo (N) TN 145 25/03/21 14:28:12 14,5 275,66 276,64 273,70 316,86 266,83 Tinhnv P1.1 146 25/03/21 14:28:12 14,6 275,66 276,64 274,68 316,86 267,81 Tinhnv P1.1 147 25/03/21 14:28:12 14,7 275,66 276,64 274,68 316,86 267,81 Tinhnv P1.1 148 25/03/21 14:28:12 14,8 275,66 276,64 274,68 316,86 267,81 Tinhnv P1.1 149 25/03/21 14:28:12 14,9 275,66 276,64 274,68 316,86 267,81 Tinhnv P1.1 150 25/03/21 14:28:12 15 275,66 276,64 274,68 316,86 267,81 Tinhnv P1.1 151 25/03/21 14:28:12 15,1 275,66 276,64 274,68 316,86 267,81 Tinhnv P1.1 Bảng Giá trị lực kéo giới hạn phụ thuộc theo lực nén lên đệm Lực nén đệm (N) Lực kéo giới hạn Lực kéo lý thuyết (N) giới hạn Lần Sth¢¢ - Sth¢ Sth¢ Qth - S th¢ Sth¢ Qth - Sth¢¢ Sth¢¢ 267,8 49% 56% 5% thực (N) P1 P2 P3 P4 S¢th S¢¢th 275,7 276,6 273,7 316,9 171,4 256,0 508,2 482,7 487,6 475,8 293,1 429,8 569,0 47% 94% 32% 753,4 976,1 810,3 804,4 501,6 737,7 1010,0 47% 101% 37% 719,1 802,5 860,4 749,5 469,7 695,0 936,9 48% 99% 35% Qth giá trị đo trung bình sau ba thí nghiệm với giá trị lực nén Sau đó, điền giá trị vào bảng có dạng Bảng - Xác định mức độ ảnh hưởng lực ma sát cáp tang, chênh lệch giá trị lực kéo giới hạn thực nghiệm với giá trị lý thuyết phân tích chúng - Đánh giá kết đề xuất kiến nghị Ngồi ra, thiết lập quy trình thí nghiệm cho thí nghiệm khác mơ hình khảo sát hệ số ma sát tang cáp thép, ảnh hưởng số đệm,… 3.4 Kết số thử nghiệm mơ hình Tiến hành thí nghiệm khảo sát lực kẹp đầu cáp mơ hình theo quy trình với cáp thép ϕ9 bề mặt tang không xẻ rãnh Các kết đo thu được thống kê lưu lại Trên Bảng trích xuất liệu đo thời điểm đệm cuối bị trượt Hình đồ thị biến thiên giá trị lực đầu đo thực thí nghiệm lần Thời điểm đệm cuối dịch chuyển quan sát mơ hình thí nghiệm tương ứng với khơng biến thiên giá trị lực thay đổi dạng đồ thị lực kéo cáp ghi nhận Khả kéo cụm cố định đầu cáp đệm kể đến lực ma sát cáp thép bề mặt tang khoảng 314 Qth đệm tăng lên đáng kể (đến 45%) Việc tính tốn lực kẹp theo cách tính gần có xu thiên an toàn Tuy nhiên, để tạo lực giữ cáp lớn theo yêu cầu lực kẹp cáp lớn nên gây bẹp cáp đứt sợi thép cáp mép đệm Ở trường hợp nên xem xét việc tính tốn thiết kế cụm kẹp đầu cáp theo hướng tính tốn xác Lực kéo tới hạn thực tế lớn so với lực kéo cách tính tốn xác từ 5% đến 37% tùy thuộc vào lực nén lên đệm Độ chênh lệch tăng lên lực nén đệm tăng Điều giải thích phần ảnh hưởng biến dạng cáp bề mặt tang điểm kẹp làm hệ số ma sát bị thay đổi so với ban đầu Song để kết luận xác tường minh vấn đề cần tiếp tục thực kiểm nghiệm khác mơ hình Kết luận Bài báo đề xuất xây dựng mơ hình thí nghiệm khảo sát lực kẹp đầu cáp tang đệm sở lý thuyết xác định lực kẹp đầu cáp tang có kể đến ảnh hưởng lực ma sát cáp bề mặt tang Quy trình tiến hành thí nghiệm tốn khảo sát trình bày Mơ hình thiết bị thí nghiệm đề xuất có cấu tạo đơn SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 giản, dễ chế tạo hoàn toàn khả thi với điều kiện vật tư thiết bị nước Một mơ hình thí nghiệm chế tạo, lắp đặt khai thác Phịng Nghiên cứu thực nghiệm Cơ khí, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Việc xây dựng chế tạo thêm thiết bị thí nghiệm giúp giảng viên nâng cao chất lượng giảng dạy nghiên cứu khoa học, giúp người học học lý thuyết đôi với thực hành bước đầu tiếp cận với việc nghiên cứu chuyên môn Đây chủ trương lớn Bộ Giáo dục Đào tạo nhằm nâng cao chất lượng giáo dục sở giáo dục đại học Nhiều dạng tốn thí nghiệm thực hành thiết lập mơ hình thiết bị thí nghiệm dạng tốn liên quan đến lực ma sát sợi dây, toán ảnh hưởng lực kẹp, số bu lông kẹp,… Kết số thử nghiệm mơ hình cho thấy: Lực kéo giới hạn thực tế cụm kẹp cáp lớn giá trị lực kéo tính tốn lý thuyết theo cách tính xác từ 5% đến 37%; lớn đến gấp hai lần so với lực kéo tính tốn lý thuyết theo cách tính gần Như vậy, tùy theo trường hợp cụ thể để áp dụng cách tính phù hợp thiết kế cụm kẹp cáp tang nhằm đảm bảo độ bền, độ ổn định độ bền lâu liên kết TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Scheffler, M., Feyrer, K., and Matthias, K., Fördermaschinen Hebezeuge, Aufzüge, Flurförderzeuge Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/ Wiesbaden, 1998 [2] Vũ Liêm Chính, Phạm Quang Dũng, Trương Quốc Thành, Cơ sở thiết kế máy xây dựng, Nhà xuất xây dựng, Hà Nội, 2002 [3] Schumann, P., Schmidt, T., and Leonhardt, T., High Traction Clamp Hoists to Solve the Conflict between Maximum Lifetime of the Rope and Traction of the Hoist Logist J., pp.1-7, 2016 [4] Nguyễn Văn Tịnh, Trần Quỳnh Trang, Nghiên cứu ứng dụng lực từ truyền động cáp thép, Tạp chí khí Việt Nam, số 10, 31-38, 2020 [5] Bechtold, M., & Saal, H., Load carrying behaviour of cable clamps, IABSE Symposium Report, Vol.88(5), pp.156-161, 2004 [6] Ruan, Y., Luo, B., Ding, M., Huang, L., & Guo, Z., Theoretical and Experimental Study on the Antisliding Performance of Casting Steel Cable Clamps, Advances in Civil Engineering, pp.1-18, 2019 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa lần 01: Ngày nhận sửa lần 02: Ngày duyệt đăng: SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 29/6/2021 06/8/2021 26/8/2021 29/8/2021 315 ... kiểm nghiệm khác mơ hình Kết luận Bài báo đề xuất xây dựng mơ hình thí nghiệm khảo sát lực kẹp đầu cáp tang đệm sở lý thuyết xác định lực kẹp đầu cáp tang có kể đến ảnh hưởng lực ma sát cáp bề... đến lực ma sát đệm kẹp cáp mà bỏ qua ma sát cáp bề mặt tang - Cách tính xác hơn, tính đến lực ma sát cáp tang cung nằm đệm kẹp cáp Ta xét trường hợp tang có nhánh cáp nằm đệm kẹp cáp thể Hình. .. đặt thiết bị thí nghiệm nhẹ nhàng động lắp đặt bốn cụm bánh xe với khóa bánh xe cần cố định vị trí 3.3 Quy trình khảo sát lực kẹp đầu cáp tang đệm Quy trình khảo sát lực kẹp đầu cáp tang đệm