4. Tính toán thiết kế hoàn thiện một số bộ phận làm việc của máy
4.2.2.1.Một số thông số hình động học và động lực học của cơ cấu Man
* Các thông số hình học
Căn cứ theo kích th−ớc bàn quay và sự bố trí các bộ phận của máy, kết hợp với kết quả tính toán sơ bộ cam trụ truyền động cho bộ phận cung cấp ống, ta chọn các thông số hình học của cơ cấu Man nh− sau:
- Bán kính tay quay: r = 100 mm;
- Bán kính vòng tròn bao đỉnh chạc: R = 100 mm;
- Khoảng cách tâm: a = 141,4 mm.
* Các thông số động học
Khi tay quay quay đều với số vòng quay trong một phút là n1 , ta có: Thời gian pha quay của chạc
tq = 15/n1 ;
Thời gian pha dừng của chạc là td = 45/n1 ;
Sử dụng kết quả thu đ−ợc trong mục 4.1.2.2, ta xác định đ−ợc vận tốc
Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của vận tốc góc và gia tốc góc của chạc Man theo góc quay của tay quay đ−ợc thể hiện trên hình 4.9.
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -4 5 -4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 om2 ep2
Hình 4.9. Đồ thị thay đổi vận tốc góc và gia tốc góc của chạc Man
Từ hình vẽ có thể thấy gia tốc góc cực đại của chạc Man đạt đ−ợc khi tay quay nằm nghiêng so với đ−ờng nối tâm một góc 11030’.
Trị số của gia tốc góc lớn nhất εmax= 5,93 1/s2.
Mô men quán tính của bàn quay ở vị trí nguy hiểm nhất: Mqt
max = Jqđ.ε = 5,93.Jqđ (N.m) (4.6) Trong công thức này, Jqđ là mô men quán tính khối l−ợng của chạc Man và của các chi tiết chuyển động theo cùng với chạc Man, quy đổi về trục chạc Man, ( kg.m2).
Theo N. IA. Nhiberg, (1961) [17], có thể xác định mô men quay cực đại trên chạc Man để thắng nổi mô men của các lực quán tính theo công thức:
Mcb= 6.Jqđ (N.m); (4.7)
Lực cực đại trên chốt quay để thắng nổi lực quán tính do chuyển động quay không đều của bàn quay gây ra là:
Trong hai công thức (4.7) và (4.8):
n - Số vòng quay trong 1 phút của tay quay, v/ph;
Jqđ - Mô men quán tính của các khối l−ợng chuyển động quay quy đổi về trục bàn quay hay trục chạc Man; kg.m2;
r – Bán kính tay quay, mm.
Thay giá trị của số vòng quay trong một phút của tay quay vào công thức (4.7) và (4.8), với n = 10 vòng/phút, r = 100 mm ta đ−ợc
Mcb= 6.Jqđ (N.m); và Pcb= 125.Jqđ (N);
Các giá trị Mcb và Pcb chính là lực cân bằng và mô men cân bằng tại cùng một thời điểm, khi mà lực quán tính trên chạc Man đạt trị số cực đại. Gọi rcb là bán kính từ chốt tay quay đến tâm chạc Man, ta có thể thiết lập quan hệ giữa Mcb và Pcb . Ta có:
Mcb = Pcb.rcb; (4.10)
Thay các biểu thức của Mcb và Pcb vào công thức trên, ta đ−ợc rcb= 48 mm. Giá trị này của chính là khoảng cách từ tâm chốt tay quay đến tâm chạc Man tại đúng thời điểm chạc Man có gia tốc tức thời lớn nhất.
Kiểm tra trên mô hình Inventor với cơ cấu Man, ta thấy khi tay quay ở vị trí lệch so với đ−ờng nối tâm một góc + 11030’ hoặc -11030’, thì khoảng cách từ tâm chốt tay đến tâm chạc Man cũng đúng bằng 48 mm.
Các kết quả so sánh trên cho thấy sự trùng khớp giữa kết quả giải tích truyền thống với các kết quả thu đ−ợc khi phân tích trên mô hình Inventor. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để xác định đ−ợc tải trọng tác dụng lên chạc Man và chốt tay quay, nhất thiết phải xác định đ−ợc mô men quán tính khối l−ợng của các phần tử chuyển động của cơ cấu quy đổi về trục chạc Man hay trục tay quay Jqđ .
Các chi tiết chuyển động quay cần xác định mô men quán tính khối l−ợng của cơ cấu Man đang xét gồm có: Chạc Man, Trục bàn quay, Bàn quay và các họng cấp liệu ở đầu các chạc bàn quay. Hình dạng của chúng đ−ợc thể hiện trên hình 4.10.
Hình 4.10. Các chi tiết có chuyển động quay cần xác định mô men quán tính: 1- Chạc Man; 2- Trục bàn quay; 3- Chạc bàn quay; 4- Các cụm họng cấp liệu.
Theo ph−ơng pháp truyền thống, mô men quán tính khối l−ợng quy đổi của một cụm chi tiết nói chung th−ờng đ−ợc xác định bằng thực nghiệm hoặc bằng tính toán. Ph−ơng pháp tính toán theo công thức đZ biết th−ờng đ−ợc dùng khi chi tiết hoặc cụm chi tiết cần xác định mô men quán tính khối l−ợng có hình dạng đơn giản, các trục quán tính chính đặt song song với nhau thuận tiện cho việc áp dụng các công thức tính toán và áp dụng công thức chuyển trục song song [4]. Khi cụm máy nhiều chi tiết có hình dạng phức tạp, các trục quán tính chính của từng chi tiết nằm “lộn xộn”, không song song với nhau thì việc áp dụng ph−ơng pháp tính toán sẽ trở nên rất phức tạp và thực tế không thể giải đ−ợc bằng tay. Việc xác định mô men quán tính khối l−ợng theo các ph−ơng pháp thực nghiệm (ph−ơng pháp con lắc, ph−ơng pháp dao động xoắn, ph−ơng pháp vòng lăn trên mặt phẳng nghiêng,…) không cho kết quả chính xác và tiến hành thí nghiệm tốn nhiều công sức.
Với hình dạng phức tạp nh− trên hình 4.7, việc xác định mô men quán tính khối l−ợng quy đổi về trục bàn quay rõ ràng là rất khó khăn.
Để giải quyết nhiệm vụ này mà không tốn nhiều công sức trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác cao của các kết quả thu đ−ợc, chúng tôi đZ khai thác các phần mềm ứng dụng về tính toán thiết kế cơ khí. Có nhiều phần mềm thoả mZn nhu cầu này. Đó là các phần mềm Inventor, Ansys, Catia, Cosmos, Unigraphics, v.v.. Các phần mềm này cho phép xác định cực kỳ nhanh chóng và chính xác một số đặc tr−ng hình học của mặt cắt ngang, các đặc tr−ng vật lý của các chi tiết sau khi đZ xây dựng đ−ợc mô hình không gian 3 chiều của chi tiết và khai báo đúng các thông tin cần thiết (vật liệu, khối l−ợng riêng, hệ toạ độ). Chúng cũng cho phép tính toán ứng suất, biến dạng, hệ số an toàn của chi tiết trên cơ sở ph−ơng pháp phần tử hữu hạn có chia l−ới tự động hoặc cho phép sự can thiệp của ng−ời sử dụng trong quá trình tính toán. Để thuận tiện cho quá trình tính toán thiết kế và kiểm tra các bộ phận làm việc của máy, chúng tôi chọn phần mềm Inventor.
Kết quả xác định mô mômen quán tính khối l−ợng của các phần tử chuyển động theo cùng khâu bị dẫn của cơ cấu Man đang xét đ−ợc thể hiện trên hình vẽ 4.11.
Theo cách xây dựng mô hình không gian 3 chiều của các chi tiết, trên hình 4.11, trục Y là trục theo ph−ơng thẳng đứng, trùng với trục của trục bàn quay, chính là trục mà ta đang cần xác định mô men quán tính khối l−ợng đối với nó. Từ bảng xuất dữ liệu mà phần mềm đ−a ra, ta có các thông số sau:
- Khối l−ợng riêng của vật liệu: 7,86 tấn/m3;
- Khối l−ợng chung của các chi tiết: 32,74 kg;
- Mô men quán tính khối l−ợng đối với trục Y (trục bàn quay): Iyy = JY = Jqđ= 5,238 kg.m2.
- Mô men quán tính khối l−ợng đối với các trục còn lại: Ixx=Izz= JX=JY= 2,668 kg.m2.
Hình 4.11. Xác định mô men quán tính khối l−ợng nhờ phần mềm Inventor.
Thay trị số Jqđ= 5,238 kg.m2 vào công thức (4.9) Mcb= 6. 5,238 = 31,43 (N.m)
Pcb= 125.5,238 = 655 (N)
Khi bàn quay quay sẽ không có lực cản làm việc, chỉ có mô men quán tính của các khối l−ợng chuyển động quay, mô men ma sát tại các ổ trục của trục bàn quay và mô men cản do không khí gây ra. Mô men ma sát trên các ổ trục và mô men cản do không khí gây ra khi bàn quay chuyển động là không đáng kể. Mô men cân bằng Mcb chủ yếu dùng để thắng nổi mô men quán tính của bàn quay. Giá trị của Mô men cân bằng chính là mô men cực đại mà chốt tay quay cần truyền cho bàn quay để thắng nổi mô men cực đại của các lực quán tính đặt lên khâu bị dẫn. Ta lấy giá trị Mcb làm cơ sở cho các tính toán sau này.