4. Tính toán thiết kế hoàn thiện một số bộ phận làm việc của máy
4.1.2.2.Tính toán thiết kế má kẹp theo độ bềnvà độ cứng
Để tính toán độ bền và độ cứng cơ cấu kẹp giữ túi bầu cần xác định đ−ợc lực tác dụng lên túi bầu tại các vị trí nguy hiểm. Đó là khi trút giá thể vào túi bầu, khi bàn quay đ−a túi bầu (đZ chứa giá thể nạp sơ bộ và hom mía) từ vị trí III sang vị trí IV và khi túi bầu đang đ−ợc nạp giá thể lần 2 tại vị trí IV. Lực tác dụng lên túi bầu khi trút giá thể vào túi bầu có thể đ−ợc xác định theo quan niệm xem quá trình trút giá thể vào túi bầu nh− một dZy va chạm: Các hạt giá
thể rời rạc liên tiếp rơi xuống túi bầu đứng yên trong khoảng thời gian ∆t với vận tốc va chạm v nào đó. Khi bàn quay đ−a túi bầu từ vị trí III sang vị trí IV, túi bầu chịu tác dụng của lực quán tính ly tâm, lực quán tính tiếp tuyến do chuyển động quay không đều và trọng l−ợng bản thân. Khi đó, lực tác dụng lên túi bầu đ−ợc xác định theo nguyên lý cộng tác dụng của cơ học. Để xác định các lực quán tính tác dụng lên túi bầu, cần khảo sát chuyển động của bàn quay hay khảo sát cơ cấu Man trong pha quay. Để kiểm tra độ bền và độ cứng của cơ cấu kẹp giữ, sử dụng phần mềm ANSYS chạy trong môi tr−ờng Inventor.
* Lực tác dụng lên túi bầu khi nạp giá thể
Khi nạp giá thể vào túi bầu tại vị trí II, có thể xem quá trình này nh− là sự va chạm mềm của một dòng các hạt có động l−ợng bằng nhau va chạm với túi bầu đứng yên [14]. Tổng khối l−ợng giá thể nạp sơ bộ là 0,33 kg; chiều cao rơi của giá thể 0,3 m.
Khi đó lực trung bình tác dụng lên túi bầu có thể xác định theo công thức:
F=-∆m.∆v/∆t; (4.1)
trong đó ∆m là tổng khối l−ợng của các vật đZ tham gia va chạm, ∆m= 0,33 kg; ∆v là vận tốc va chạm, chính bằng vận tốc v của các hạt giá thể khi chạm vào túi bầu. Có thể xem sự rơi của các hạt giá thể là rơi tự do với vận tốc đầu v0= 0 m/s; chiều cao rơi h= 0,3 m, ta xác định đ−ợc ∆t= 2hg = 0,25 s;
v= gt= 2,43 m/s.
Từ đó có thể xác định đ−ợc lực trung bình F= 3,21 N
Với hệ số an toàn k=2, lực lớn nhất tác dụng lên túi bầu khi nạp giá thể sơ bộ sẽ là 6,42 N.
* Lực tác dụng lên túi bầu khi chuyển từ vị trí III sang vị trí IV
Khi bàn quay quay từ vị trí III sang vị trí IV, ngoài trọng lực trên túi bầu còn có tác dụng của các lực quán tính.
Việc xác định các lực quán tính tác dụng lên túi bầu dựa trên kết quả khảo sát cơ cấu Man. Bàn quay đ−ợc truyền động nhờ cơ cấu Man 4 rZnh h−ớng tâm đối xứng. có các thông số hình học và động học 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; - Vận tốc góc của tay quay ω1= 1,05 rad/s;
Khi khảo sát động học cơ cấu Man, ta xem cơ cấu Man nh− một cơ cấu Culít (hình 4.4) ứng với góc quay của khâu bị dẫn ϕ1 thay đổi trong khoảng (-450, +450) [11]. Gọi góc quay, vận tốc góc, gia tốc góc của tay quay và của chạc chữ thập lần l−ợt là là ϕ1, ω1, ε1 và ϕ2, ω2, ε2. Từ hình vẽ, đặt r/a = λ và biến đổi, ta đ−ợc λsinϕ1 ϕ2 = arctg−−−−−−−−−−; (4.2) 1 - λcosϕ1
Đạo hàm biểu thức trên theo thời gian, ta đ−ợc vận tốc góc và gia tốc góc của bàn quay: dϕ2 dϕ2 dϕ1 dϕ2 λ(cosϕ1 - λ) ω2 = −−−−− = −−−−−−. −−−− = ω1. −−−−− = ω1−−−−−−−−−−−−−−−− ; (4.3) dt dϕ1 dt dϕ1 1 - 2λcosϕ1 + λ2 d2ϕ2 λ(1-λ2)sinϕ1 ε2 = ω12. −−−−−− = ω12. −−−−−−−−−−−−−−−−− ; (4 . 4) dϕ12 (1-2λcosϕ1 + λ2)2
Lực quán tính tổng cộng trên một túi bầu đ−ợc xác định theo công thức: Pqt = ml. 2 2 4 2 ε ω + , N; (4.5) ϕ1 ϕ2 O1 O2 A ϕ1max Hình 4.4. Sơ đồ khảo sát động học cơ cấu Man
Trong đó Pqtn = mlω22 là lực quán tính ly tâm và Pqtt = mlε2 là lực quán tính tiếp tuyến. ở đây m– khối l−ợng túi bầu, l- khoảng cách từ tâm bàn quay đến trọng tâm túi bầu. Khảo sát các hàm ϕ2, ω2, ε2 bằng cách lập trình theo ngôn ngữ Pascal [6], với khối l−ợng túi bầu khi này gồm khối l−ợng giá thể nạp sơ bộ (msb= 0,33 kg) và khối l−ợng hom mía mh= 0,027 kg) m= msb+ mh= 0,36 kg, l= 0,3 m, ta xác định đ−ợc lực Pqt . Kết quả đ−ợc cho trên đồ thị hình 4.5.
Hình 4.5. Khảo sát động động lực học bàn quay: ph2- ϕ2 ; om2- ω2 ep2- ε2; Pn- Pqtn Pt- Pqtt; P- Pqt
Từ đồ thị có thể thấy lực quán tính tổng cộng tác dụng lên túi bầu đạt giá trị lớn nhất ứng với góc quay của tay quay ϕ1= 80 và có trị số Pqt= 0,76 N.
Hợp lực giữa lực quán tính và trọng lực cho ta lực tổng cộng tác dụng lên túi bầu khi túi bầu chuyển từ vị trí III sang vị trí IV:
Pt = 2 2
)
(mg +Pqt = 3,6 N.
Thực tế hợp lực Pt có ph−ơng nghiêng một góc nào đó với ph−ơng thẳng đứng, nh−ng do túi bầu làm bằng vật liệu mềm, lực căng dọc theo thành túi có thể coi nh− không đổi nên có thể xem lực gây nên hiện t−ợng tuột túi bầu trong tr−ờng hợp này chính bằng lực toàn phần Pt, nh−ng có ph−ơng thẳng đứng và có chiều theo chiều trọng lực.
* Lực tác dụng lên túi bầu khi nạp giá thể lần 2:
Lực tác dụng lên túi bầu khi này bằng trọng l−ợng phần giá thể và hom đZ có trong túi bầu cộng thêm phần lực do trút giá thể bổ sung.
Khảo sát động học bàn quay -6.5 -4.5 -2.5 -0.5 1.5 3.5 5.5 -45 -35 -25 -15 -5 5 15 25 35 45
Góc quay của tay quay, độ
phi2 om2 ep2 Pn Pt P
Trọng lựợng của túi bầu tr−ớc khi khi nạp giá thể lần 2 gồm trọng l−ợng giá thể nạp sơ bộ và trọng l−ợng hom mía. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Với khối l−ợng giá thể nạp sơ bộ và hom mía 0,36 kg; trọng l−ợng t−ơng ứng sẽ bằng 3,53 N;
Phần lực sinh ra khi trút giá thể bổ sung tính đ−ợc nh− khi trút giá thể sơ bộ đZ tính ở phần trên với chiều cao không đổi và bằng 0,3 m.
Do khối l−ợng giá thể nạp lần 2 bằng một nửa khối l−ợng giá thể nạp sơ bộ, nên lực sinh ra khi trút nạp giá thể lần 2 có thể lấy bằng một nửa lực sinh ra khi nạp giá thể sơ bộ, nghĩa là 6,42/2= 3,21 N.
Vậy lực tổng cộng khi này là 6,74 N.
So sánh các tr−ờng hợp với nhau, ta xác định đ−ợc tr−ờng hợp khi trút giá thể vào túi bầu tại vị trí nạp giá thể lần 2 là nguy hiểm nhất. Lực kẹp giữ miệng túi bầu phải đ−ợc tính toán theo trị số lực trong tr−ờng hợp này:
Pk= 6,74 N.
* Lực kẹp và kiểm tra độ bền má kẹp
Theo kết cấu cơ cấu kẹp đZ chọn, miệng ống đ−ợc kẹp giữ miệng ống nhờ 4 má kẹp (hình 4.3). Vì rằng cả má kẹp lẫn thành họng cấp liệu đều có tác dụng giữ túi bầu, nên số bề mặt ma sát d−ới mỗi má kẹp bằng 2.
Gọi áp lực tại mỗi má kẹp là N, hệ số ma sát giữa má kẹp với vỏ túi bầu là f, hệ số an toàn k, lực ma sát tổng cộng là Fms, ta phải có:
Fms≥ Pk; với Fms= 4.2.N.f, và Pk là lực tác dụng lên túi bầu. Đặt k là hệ số an toàn, ta có thể viết:
4.2.N.f= k.Pk ;
Thay các giá trị t−ơng ứng Pk= 6,74 N, f= 0,25, k= 4, ta xác định đ−ợc áp lực trên mỗi má kẹp N= 13.68 N.
Chạy ch−ơng trình ANSYS trong môi tr−ờng Inventor, ta xác định đ−ợc tr−ờng ứng suất, biến dạng trong má kẹp ứng với 2 ph−ơng án kết cấu: không làm
gân tăng cứng cho má kẹp (hình 4.6) và khi má kẹp có gân tăng cứng (hình 4.7). Các kết quả chi tiết đ−ợc trình bày trong phần phụ lục, bảng P.4
.
• Name Minimum Maximum Alert Criteria
"Equivalent Stress" "Model" 8.81ì10-4 MPa 4.27 MPa N/A
"Deformation" "Model" 0.0 mm 6.26ì10-3 mm N/A
Hình 4.6. Trích kết quả chạy ANSYS cho tay kẹp không tăng cứng
• Name Minimum Maximum Alert Criteria
"Equivalent Stress" "Model" 3.52ì10-3 MPa 2.44 MPa N/A
"Deformation" "Model" 0.0 mm 2.43ì10-3 mm N/A
Từ kết quả thu đ−ợc, ta nhận thấy việc thêm gân tăng cứng cho má kẹp có tác dụng rõ rệt: má kẹp có gân tăng cứng có các chỉ tiêu độ bền và độ cứng cao hơn so với má kẹp không có gân tăng cứng. Việc thêm gân tăng cứng cũng làm cho tr−ờng ứng suất và tr−ờng biến dạng trong má kẹp thay đổi. Tr−ờng ứng suất thay đổi cả dạng lẫn về trị số: trên má kẹp không tăng cứng ứng suất cực đại là 4,27 N/mm2 đạt đ−ợc tại chỗ tiếp giáp giữa càng kẹp và tay kẹp, còn trên má kẹp có gân tăng cứng ứng suất cực đại là 2,44 N/mm2 đạt đ−ợc tại điểm gZy của càng kẹp.
Về biến dạng, trên má kẹp không tăng cứng, tay kẹp hầu nh− không bị biến dạng, hai càng kẹp bị biến dạng nhiều nhất và biến dạng cực đại (6,26.10-3 mm) đạt đ−ợc tại điểm ngoài cùng của càng kẹp; còn trên má kẹp có tăng cứng, cả tay kẹp lẫn càng kẹp đều bị biến dạng và biến dạng cực đại (2,43.10-3 mm) đạt đ−ợc cũng tại điểm ngoài cùng của càng kẹp.
So sánh với các trị số ứng suất cho phép, ta thấy cơ cấu kẹp hoàn toàn đủ độ bền. Về biến dạng, ta có thể thấy biến dạng thực của càng kẹp là rất nhỏ nên chắc chắn cơ cấu kẹp cũng đủ độ cứng.
Biết lực kẹp trên mỗi má kẹp, việc tính toán cơ cấu đóng mở tay kẹp, tính toán để chọn lò xo có thể tiến hành không mấy khó khăn nên không trình bày ở đây.