2.1.1. Đặc điểm của quá trình cắt đất
Cắt đất là q trình cắt phức tạp, trong đó nhờ lực tác dụng trực tiếp của lực cắt mà phôi (đất) được phân chia nhằm tạo ra sản phẩm có hình dạng và kích thước nhất định. Đất là vật liệu có cấu tạo phức tạp không đồng nhất và không đẳng hướng, nên trong q trình cắt đất có một số đặc điểm sau:
- Thành phần cấu tạo đất là không đồng nhất, trong đất có hạt sỏi to, hạt sỏi nhỏ, đất lẫn đá , cỏ, rễ cây... Với những đặc điểm này làm cho lực cắt thay đổi rất lớn dẫn đến công suất của động cơ tăng lên rất nhiều, từ đó động cơ có thể bị quá tải. Mặt khác khi lực cắt tăng lên tạo ra xung lực lớn tác động lên tay người điều khiển gây ra hiện tượng rung động. Từ đó làm cho cơng nhân vận hành thiết bị chóng bị mệt mỏi, làm ảnh hưởng đến năng suất lao động. Điều này cần phải nghiên cứu ra phương pháp cắt khi gặp đá, rễ cây mà lực cắt không tăng động cơ khơng bị q tải.
- Đất có cấu tạo hạt, tính kết dính thấp nên ứng suất kéo, ứng suất trượt rất nhỏ so với ứng suất nén, ứng suất cắt, điều này cần phải nghiên cứu ra phương pháp cắt lợi dụng được ứng suất kéo, ứng suất trượt của đất, hạn chế tạo ra ứng suất nén.
- Thành phần hoá học của đất có Ốxit Silich (SiO2) ở trong cát, có đá sỏi,...từ đó làm cho lưỡi cắt nhanh bị mài mịn, đặc điểm này ảnh hưởng đến việc tính tốn thơng số của góc mài, góc cắt, vật liệu chế tạo lưỡi cắt, độ cứng vững của lưỡi cắt.
2.1.2. Yêu cần kỹ thuật của đất sau khi cắt phục vụ cho chữa cháy
Đất sau khi cắt để phục vụ cho quá trình chữa cháy rừng phải có yêu cầu sau:
- Đất sau khi cắt phải được đập nhỏ để thuận lợi cho hệ thống hút và phun đất, nếu đất sau khi cắt có đường kính lớn hơn 2cm có thể làm tắc hệ thống hút, do vậy yêu cầu là đất sau khi cắt có đường kính hạt tối đa <2cm.
- Đất sau khi cắt được tung lên để thuận lợi cho quá trình hút đất trong đường ống hút, khi đất đã cắt nằm ở trên mặt đất khả năng hút khó khăn, cịn khi đất sau khi cắt được tung lên thì quá trình hút thuận lợi.
Từ yêu cầu kỹ thuật của đất sau khi cắt để phục vụ cho chữa cháy rừng, luận án sử dụng phương pháp cắt đất ở dạng búa cho hệ thống cắt đất, phương pháp cắt đất ở dạng búa sử dụng xung lực va chạm để cắt đất, nên đất sau khi cắt vỡ nhỏ, sau đó được dao cắt tung lên, từ đó thuận lợi cho q trình hút.
2.2. Xây dựng mơ hình tính tốn hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất
vào đám cháy
2.2.1. Mơ hình tính tốn hệ thống cắt đất, hút và phun đất vào đám cháy
Từ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy chữa cháy rừng bằng đất cát đã được trình bày trên hình 1.6, luận án xây dựng mơ hình tính tốn máy chữa cháy rừng bằng đất cát được thể hiện trên hình 2.1.
- Nguyên lý hoạt động: Hệ thống cắt đất cắt theo nguyên lý cắt ở dạng
búa, dao cắt đất (3) được lắp với đĩa thép (2) bằng khớp (O’), khi hoạt động dao cắt vừa quay quanh điểm O và điểm O’. Đĩa thép quay với vận tốc lớn nên dao cắt dự trữ một động năng lớn, khi tiếp xúc với đất tạo ra xung lực va chạm lớn, xung lực va chạm biến thành lực để cắt đất, với xung lực lớn này đất được phá vỡ và tung lên cùng với dao cắt. Quạt hút (7) tạo ra trong đường ống hút (6) một vận tốc khơng khí lớn, tại cửa hút (6) đất được hút vào ống
hút (6) và đi vào buồng hút (9); tại buồng hút (9) đất được cánh quạt hút (7) phun ra ngoài qua ống phun (8) với vận tốc lớn để dập lửa. Nguyên lý làm việc của hệ thống này là: Sử dụng máy cắt để cắt đất, tung đất lên, sử dụng quạt hút và đẩy với áp lực hút và đẩy lớn để hút và phun đất vào đám cháy. Thiết bị cắt đất và tung đất lên là máy cắt đất có hệ thống cắt đất ở dạng búa, thiết bị tạo ra áp lực hút và phun cao là máy hút và phun đất có quạt hút và phun cao áp. Hình 2.1: Sơ đồ tính tốn hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất 1- Đất rừng 2- Đĩa thép 3- Dao cắt đất 4- Bao che 5- Đất sau cắt 6- Ống hút đất 7- Quạt hút và phun 8- Ống phun đất 9- Buồng hút 10- Ống hút
Từ mơ hình tính tốn ở hình 2.1, luận án cần phải giải quyết ba bài toán ra sau đây:
- Bài toán thứ nhất: Xây dựng mơ hình động lực học để tính tốn hệ thống cắt đất của máy cắt đất để lực cắt đất là lớn nhất, chi phí năng lượng cắt nhỏ nhất, khối lượng đất đào được và tung được lên là lớn nhất.
- Bài tốn thứ hai: Xây dựng mơ hình rung động của máy cắt đất để thiết lập phương trình vi phân dao động của máy, từ đó đưa ra giải pháp giảm rung cho máy.
- Bài toán thứ ba: Xây dựng mơ hình tính tốn hệ thống quạt hút và phun đất để khối lượng đất, áp lực đất phun vào đám cháy là lớn nhất.
Sau đây luận án tiến hành nghiên cứu các bài toán đã nêu ở trên để đáp ứng được yêu cầu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát đó là: Khối lượng đất và áp lực đất phun vào đám cháy là lớn nhất, rung động của máy là thấp nhất, từ đó hiệu quả dập lửa của máy tăng lên, giảm thiểu ảnh hưởng đến sức khỏe của công nhân vận hành máy.
2.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống cắt đất
2.2.2.1. Cấu tạo của hệ thống cắt đất
Máy cắt đất có cấu tạo như hình 2.2.
Hình 2.2: Mơ hình hệ thống cắt đất
1. Động cơ cưa xăng; 2. Bộ truyền đai; 3. Đĩa thép để lắp dao cắt; 4. Bu lông lắp dao; 5. Dao cắt đất; 6. Tấm tôn tạo buồng hút.
2.2.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy cắt đất
Nguồn động lực để cho hệ thống hoạt động là động cơ cưa xăng vì cưa xăng có cơng suất lớn nhưng trọng lượng nhẹ, tốc độ cắt lớn rất phù hợp với các thiết bị cầm tay.
Mô men quay từ trục cơ của động cơ truyền qua côn và truyền chuyển động đến dây đai, qua bộ truyền dây đai làm đĩa thép quay. Trên đĩa thép có lắp các dao cắt, dao cắt này quay xung quanh trục của nó. Khi chuyển động dao cắt gồm hai chuyển động là quay cùng với đĩa thép và quay xung quanh trục của nó tạo ra xung lực. Khi cho dao tiếp xúc với đất thì xung lực của dao biến thành lực cắt, do thời gian va chạm ngắn nên lực cắt tăng lên rất lớn, trên dao cắt có lưỡi cắt hình nêm (giống lưỡi cuốc đất thủ công), với lực cắt lớn làm cho lưỡi cắt ăn sâu vào đất phá vỡ kết cấu của đất đồng thời cùng với chuyển động của đĩa thép lưỡi cắt của dao cắt tiến hành bẩy đất để phá vỡ kết cấu đất và kéo đất đi cùng dao cắt, một phần đất sau bị cắt tung lên cùng chuyển động của dao cắt. Mỗi một vòng quay của đĩa thép thực hiện một quá trình cắt. Tiếp tục cho dao cắt ăn sâu vào đất, dao cắt sẽ cắt đất và tung đất lên, đất sau khi bị cắt và được tung lên trong buồng hút, buồng hút được nối với quạt hút bằng ống hút, do đó đất được hút và phun vào đám cháy.
Từ mơ hình của thiết bị đã được trình bày trên luận án cần giải quyết các vấn đề sau:
- Xây dựng mơ hình động học, động lực học của q trình cắt đất dạng búa, các yếu tố ảnh hưởng đến q trình cắt;
- Tính tốn lực cắt, lực cản cắt;
- Tính tốn các thơng số của hệ thống cắt đất;
- Tính tốn rung động của thiết bị trong quá trình cắt, ảnh hưởng của rung động tới sức khoẻ cơng nhân;
- Tính tốn cơng suất của động cơ.
2.3. Cơ sở lý thuyết tính tốn hệ thống cắt đất
Theo nguyên lý đã được trình bày ở phần trên, hệ thống cắt đất phải đạt yêu cầu sau:
- Đất cắt ra phải nhỏ vụn và được hất tung lên trong buồng hút thì quá trình hút mới thực hiện được;
- Do nguồn động lực được sử dụng cho quá trình cắt đất là động cơ xăng nên tiêu hao cơng suất cho cắt đất phải nhỏ nhất.
Từ yêu cầu trên, căn cứ vào kết quả nghiên cứu của các cơng trình [18]; [19], luận án lựa chọn dạng cắt đất theo nguyên lý va đập (cắt đất dạng búa). Cắt đất theo nguyên lý dạng búa có nhiều ưu điểm đó là: Tiêu hao cơng suất thấp, đất sau khi cắt tung lên thuận lợi cho quá trình hút, khi gặp đá, gốc cây, rễ cây lực cắt không tăng, động cơ không bị quá tải.
2.3.1. Nguyên lý cắt đất dạng búa
a) Cấu tạo của hệ thống cắt đất dạng búa
D
o D
l o1
α
Hình 2.3: (Ca)ấu tạo của hệ thống cắt đất dạ(nb)g búa
1- Đĩa thép để lắp dao cắt; 2- Dao cắt; 3- Lưỡi dao cắt; α- Góc sau dao cắt; β- Góc mài dao cắt; - Góc cắt dao cắt.
b) Nguyên lý cắt đất ở dạng búa
Dựa vào cấu tạo và chuyển động của hệ thống, quá trình cắt đất được chia thành 3 giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1: Dao cắt chuyển động ở trên không chưa tiếp xúc với đất; do lực ly tâm nên phương của dao cắt trùng với đường kính đi qua hai trục lắp dao. Dao cắt chuyển động quanh điểm O, với số vịng quay n, vận tốc góc ω, dao cắt dữ trữ một động năng lớn (hình 2.4).
- Giai đoạn 2: Cắt đất : Dao cắt tiếp xúc với đất (cắt đất) khi cho dao cắt tiếp xúc với đất với động năng lớn tại mũi dao xảy ra xung lực va chạm lớn. Với kết cấu mũi dao có độ sắc nhất định, thời gian va chạm ngắn nên lực cắt rất lớn, mũi dao sẽ cắm sâu vào đất (hình 2.4a). Kết thúc giai đoạn này đất
trong nhát cắt bị vỡ kết cấu (do ứng suất tại mọi điểm trong nhát cắt đã vượt quá giới hạn cho phép).
- Giai đoạn 3: Kéo văng đất: Khi điểm O2 di chuyển đến O3 theo quan hệ động học thì dao cắt chuyển động tịnh tiến, trong qua trình chuyển động dao cắt kéo theo lượng đất máy vừa tạo ra. Như vậy, đất sau khi cắt ra được kéo văng lên (hình 2.4b).
Hình 2.4: Nguyên lý cắt đất dạng búa
Nhận xét: Từ q trình phân tích ngun lý cắt đất dạng búa ở trên có
một số nhận xét sau:
- Lợi dụng được động năng của dao cắt tạo ra xung lực lớn để phá vỡ kết cấu của đất. Từ đó chi phí năng lượng riêng cho q trình cắt thấp, dẫn đến nguồn động lực khơng cần phải có cơng suất lớn, nên giảm trọng lượng của thiết bị và tăng năng suất của máy.
- Lợi dụng được cánh tay đòn của dao cắt để bẩy đất nên tốn rất ít lực. Mặt khác cũng lợi dụng được ứng suất tách rất nhỏ của đất để tách thỏi đất ra khỏi nền đất (giai đoạn 3 bẩy và tách đất).
- Năng suất cắt của hệ thống phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ, số dao lắp trên đĩa, càng nhiều dao thì năng suất càng lớn, để giảm cơng suất động cơ thì ta phải tính tốn sao cho một thời điểm chỉ có một dao cắt làm việc.
- Khi gặp đá, gặp rễ cây, gốc cây thì lực cắt tăng lên đột ngột. Nếu lực cắt do dao cắt tạo ra nhỏ hơn lực cản cắt thì dao cắt khơng ăn vào đất, nhưng do dao cắt chuyển động quay quanh điểm O1 nên công suất của động cơ không ảnh hưởng. Đây là đặc điểm quan trọng của phương pháp cắt đất dạng
búa, nó đã giải quyết được khó khăn lớn nhất trong việc cắt đất tại chỗ để phun vào đám cháy, mặt khác khi cắt phải đất có đá, rễ cây thì động cơ khơng bị q tải. Cịn đối với các dạng cắt khác nếu gặp đá, gốc cây thì động cơ quá tải dẫn đến hỏng hệ thống cắt, hoặc hỏng động cơ.
- Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này đó là: Rung động của thiết bị lớn do va đập giữa dao cắt và đất. Để hạn chế lực kích động gây rung cần phải nghiên cứu các thông số hệ thống cắt đất sao cho lực cản cắt là nhỏ nhất, từ đó gia tốc rung là nhỏ nhất. Mặt khác để khắc phục nhược điểm này luận án đưa ra các giải pháp chống rung cho thiết bị.
2.3.2. Quan hệ động học của qua trình cắt đất.
Căn cứ vào nguyên lý cắt đã được trình bày ở trên chúng tơi thiết lập sơ đồ động học của hệ thống cắt đất và được thể hiện trên hình 2.4. Trong quá trình cắt, dao thực hiện hai chuyển động:
- Chuyển động tương đối quay quanh điểm chốt O1 với góc θ1 ( 0 ≤ θ ≤ π )
2
- Chuyển động theo cùng với chốt O1 quay quanh O với góc ϕ1 = ωt , trong đó: ω là vận tốc góc của đĩa, ϕ0 ≤ ϕ1 ≤ ϕ1 , với ϕ0, ϕ1 - góc giữa OO1 với trục ngang song song với mặt đất ở thời điểm dao tiếp xúc với đất và thời điểm dao ra khỏi đất (hình2.5a).
Hình 2.5: Sơ đồ động học của hệ thống cắt đất
θ = ϕ −ψ
Áp dụng định lý biến thiên mô men động lượng trong va chạm, ta có:
M (Vc −Voc ) = SA + S0 + S0 1 1 J (ω − ω0 ) = m0 (SA ) + m0 (S0 ) với: 1 V = OO . θ . = OO .ϕ −ψ .OC ; ω = ϕ c 1 1 0 Voc = OC.ϕ = (OO 1 +O1C).ϕ ; ω = θ = ϕ −ψ
⇒M OO1.ϕ − O1C.ϕ −(OO1 + O1C )ϕ = SA + S0 J (ψ )= m0 (SA ) = (OO1 + O1C ) SA
o'
Hình 2.6: Sơ đồ tính mơn men động lượng
2.3.3. Quan hệ động lực học của quá trình cắt đất
Xét chuyển động của dao, tại thời điểm tiếp đất và quá trình va chạm tại điểm A đầu mũi dao hình 2.7. Gọi xung lượng va chạm tại mũi dao là SA,
theo định luật biến thiên động lượng và mô men động lượng đối với dao cắt chuyển động quay điểm o ta có:
M (Uc −Voc ) = SA + S0 1 JO (ω1 − ω0 ) = m01 (SA ) (2.1) 1 o ϕ o1 c R c l A SA (a)
Hình 2.7: Sơ đồ tính tốn động lực học của hệ thống cắt đất dạng búa
Trong đó: Uc , Voc - vận tốc của khối tâm (C) trước và sau va chạm; M - khối lượng của dao;
ω1, ω0 - vận tốc góc của dao trước và sau va chạm;
J - mơmen qn tính khối lượng dao đối với điểm O1. m01(SA)- mơ mem động lượng tại điểm A Vận
tốc góc của dao trước lúc va chạm: ω0 = ϕ = ω Vận tốc góc của dao sau va chạm: ω1 =ψ = R0
ω
l
(suy ra từ điều kiện: v = R ϕ = AC.ψ →ψ = R0 .ω )
01 0
l
Thay các đại lượng này vào công thức (2.1) và chiếu lên phương vng góc với OA, ta có:
(2.2) Giải hệ phương trình (2.2) ta được:
(2.3)
2.3.4. Lực cắt đất.
Với xung lượng của dao khi va đập vào đất được xác định như biểu thức (2.3) thì đất bị phá vỡ kết cấu do tải động. Có thể xem nền đất là tấm đàn hồi đặt trên nền cố định chịu va chạm với tải trọng SA và vận tốc va chạm là vận tốc đầu dao A ngay trước thời điểm va chạm: vA = (R0+l)ω.
Lực cắt đất trong va chạm này được xác định theo công thức tính tải trọng động khi va chạm ngang:
Pmax =
Pt .kd
(2.4) O1
Trong đó: P = S /t ; k =
t A 1 d
với: v - vận tốc va chạm: t1: - Thời gian va chạm.
∆t - biến dạng tại điểm va chạm, có thể tính theo lý thuyết độ lún của
nền đất. Độ lún ∆t rừng
có thể được xác định bằng thí nghiệm với các loại đất mặt Từ đó, lực cắt đất khi va chạm là:
(2.5) Thay xung lực SA tính theo cơng thức (2.3) vào cơng thức (2.5) ta có lực cắt