cắt - kéo văng đất
Từ kết quả nhận được có nhận xét sau: Quan hệ giữa công suất cắt- kéo văng đất với chiều dài dao cắt là quan hệ đồng biến, trong trường hợp bán kính đĩa thép lắp dao cắt cố định, khi chiều dài dao cắt tăng từ 3cm lên 11cm thì cơng suất cắt tăng lên, khi chiều dài dao cắt lớn hơn 9cm thì cơng suất cắt lớn hơn 3kW, từ kết quả khảo sát cho thấy, để công suất động cơ < 3kW thì chiều dài dao cắt hợp lý từ 7-8cm, khi đó trong lượng động cơ nhỏ từ 5-6 kG. Nếu cơng suất động cơ 3,5kW thì trọng lượng động cơ 8-9 kG, trọng lượng động cơ lớn ảnh hưởng đến khả năng di động của máy trong rừng nơi có độ dốc lớn.
3.1.3. Ảnh hưởng của mật độ khối lượng dao cắt đến công suất cắt - kéovăng đất văng đất
Khảo sát bài toán trong trường hợp bán kính đĩa thép lấy ở giá trị nhất định R = 7cm, chiều dài dao cắt lấy ở giá trị nhất định l = 7cm. Mật độ khối lượng thay đổi như sau: ρ1 = 50 10-3 kg/m ; ρ2 = 70 10-3 kg/m ; ρ3 = 90 10-3 kg/m ; ρ4 = 110 10-3 kg/m ; ρ5 = 130 10-3 kg/m ; vận tốc góc lấy ở giá trị =165 rad/s ; chiều sâu cắt h=1,5cm; khối lượng đất kéo văng mG=20g; góc γ = 45 độ. Sự ảnh hưởng của khối lượng dao đến công suất cắt- kéo văng đất được thể hiện trên hành 3.3.
Hình 3.3: Ảnh hưởng của mật độ khối lượng dao đến công suất cắt- kéo văng đất
Từ kết quả nhận được có nhận xét sau: Công suất cắt - kéo văng đất đồng biến với mật độ khối lượng dao cắt, khi mật độ khối lượng dao tăng, động năng tăng lên, xung lực va chạm tăng và lực cắt cũng tăng lên, công suất cắt tăng lên.
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc góc đĩa thép lắp dao cắt đến đếncông suất cắt - kéo văng đất công suất cắt - kéo văng đất
Luận án tiến hành khảo sát phương trình (2.42) với các thơng số khảo sát như sau: mật độ khối lượng dao cắt ρ= 70 10-3 kg/m; Bán kính đĩa thép R= 7cm; chiều dài dao cắt lấy giá trị cố định: l = 7cm; chiều sâu cắt h =1,5cm; khối lượng đất kéo văng mG = 20g; góc γ = 45 độ. Vận tốc góc thay đổi như sau 1 =125 rad/s; 2 =145 rad/s; 3 =165 rad/s; 4 =185rad/s; 5=205rad/s, các
thông số khác lấy theo các tài liệu kỹ thuật. Ảnh hưởng của vận tốc góc đến cơng suất cắt - kéo văng đất được thể hiện trên hình 3.4.
Nhận xét: Từ đồ thị hình 3.4 có nhận xét sau:
Khi vận tốc góc đĩa thép tăng, lực cắt tăng lên, công suất động cơ tăng lên nhanh, từ kết quả khảo sát và tính tốn cho thấy khi vận tốc góc ɷ =
165rad/s cơng suất động cơ dao động từ 2,5kw đến 3kw với cơng suất này thì trọng lượng của động cơ 4 - 5kg phù hợp với thiết bị chữa cháy rừng cầm tay khi di chuyển trên khu rừng có độ dốc cao.
3.2. Khảo sát rung động của hệ thống cắt đất
3.2.1. Xác định thông số đầu vào để khảo sát rung động của hệ thống
Phương trình vi phân dao động của hệ thống cắt đất được thiết lập theo (2.49). Để khảo sát dao động đó cần xác định các hệ số trong phương trình vi phân theo kết cấu cụ thể của hệ thống đã chế tạo.
Từ biểu thức của PTVP (2.49), ta thấy dao động theo 2 phương x và y hoàn toàn độc lập nhau, nên ta xét một dao động trong chúng. Theo kết cấu của máy rung động của máy theo trục X là lớn hơn trục Y, do vậy luận án khảo sát rung động của máy theo trục X (theo phương thẳng đứng).
Các thông số đầu vào để khảo sát rung động của máy như sau:
C1y - Độ cứng theo phương thẳng đứng y của hệ thống, tính theo tài liệu kỹ thuật của máy ta có: C1y= 200N.m;
C2y- Độ cứng của lò xo theo phương thẳng đứng của hệ thống theo tài liệu kỹ thuật của máy ta có C2y= 50N.m;
R - Bán kính của đĩa thép lắp dao cắt đất, R = 0,08 (m); L - Chiều dài của dao, L = 0,07 (m);
md - Khối lượng của dao cắt, m1 = 50 g;
ω - Vận tốc góc của trục đĩa lắp đĩa thép = 125 rad/s; L1= 13cm , a=10cm , L3=17cm , L2= 27cm Trọng lượng của toàn bộ máy Mm =9,5kG
k - Số dao cắt k = 2;
n - Số vòng quay của đĩa thép lắp dao cắt n = 1.200 (v/p). Tần số va đập được tính như sau:
Chu kỳ va đập được tính như sau:
(s)
(1/s)
Lực kích động gây rung tính theo cơng thức (2.63), dạng kích động theo quy luật trên hình 2.9, trong q trình khảo sát lực kích động lấy ở giá trị nhất định.
3.2.2. Giải và mơ phỏng phương trình vi phân dao động của hệ thống cắt đất
Sau khi lập được hệ phương trình vi phân mơ tả dao động của hệ thống cắt đất, luận án tiến hành mô phỏng dao động của máy với sự hỗ trợ của phần mềm Matlab – Simulink.
Từ hệ phương trình vi phân dao động của máy cắt kéo văng đất: m 2 yyϕ + y2ϕ + yϕ y + C ( y − a)2ϕ − mgy = Q (3.6) 1 m y (ϕ 2 + 1) + yϕϕ + 2ϕϕ y + yϕ 2 ϕ + C ( y − a)ϕ 2 + C ( y − L ) − mgϕ= Q 1 2 2 y Ta đưa về dạng : 2 a N0 kπ 2
my ϕ + myϕ y = 2PT 0 + ∑ak cos t ( y + L1 ) cosθ − 2myyϕ − C1 ( y − a) ϕ + mgy
2 k =1
2 a N0
kπ
myϕϕ + m(ϕ + 1) y = 2PT 0 + ∑ak cos t (ϕ cosθ + sinθ
) (3.7)
2 k =1
− 2mϕϕ y − myϕ 2 −C ( y − a)ϕ 2 − C ( y − L ) + mgϕ
1 2 2
Để giải được hệ (3.7) trước hết ta phải tính được xung lượng kéo văng đất (theo 2.30) 2 2 L3 RL P h J1ω+ ρ∑R L.ω+ (ω+ γi ) + (2ω+ γi )cos(γi) − c S = m b i=1 3 2 ω (3.8) kv G 2 L3 J + m .b2 2 + ρ∑L.R 2 + + RL2cos(γ ) 1 G 3 i
i=1
Giải hệ phương trình chuyển động của đĩa-búa (3.1), sau đó tính xung lượng va chạm trung bình theo (2.54)
N = P + P = P + bω
S (3.9)
Tính (theo 2.52) p =M ωkv 2 R + L q B 2 (3.10)
Tính tổng hợp lực của búa tác động lên trục đĩa:
PT = Tính các hệ số Fourier : a = τ , a = 2T 1− cos kπ τ với τβ= , T = π 0 T k τ k 2π2 T ω ω a N0 Xác định được hàm P(t) = 2PT 0 + ∑ak cos 2 Từ đó có được các lực suy rộng k =1
Qϕ = P(t ). cosθ ( y + L1 ), Qy = P(t )(ϕ cosθ + sinθ ). Việc giải (3.7) được thực hiện trên Matlab.
Hình 3.5 trình bày sơ đồ khối khảo sát hệ phương trình vi phân dao động của hệ thống cắt đất dạng búa.
Hình 3.5. Sơ đồ khối mơ phỏng phương trình vi phân dao động của hệ thống cắt đất
Sau khi mơ phỏng tổng qt phương trình vi phân và theo rung động của máy với sự trợ giúp của máy vi tính và phần mềm Matlab - Simulink luận án đã thu được các kết quả thể hiện các giá trị như các đồ thị sau:
a) Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc góc của đĩa thép lắp dao cắt đến gia tốc rung động của máy
Luận án tiến hành khảo sát với tham số đầu vào khi thay đổi vận tốc góc của đĩa thép lắp dao cắt ɷ1 = 125 rad/s, ɷ2 = 165rad/s, ɷ3 = 205rad/s, kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 3.6; 3.7; 3.8.
Hình 3.6: Gia tốc rung động của máy ứng với ɷ1= 125 rad/s
Hình 3.8: Gia tốc rung động của máy ứng với ɷ3= 205rad/s
Từ những kết quả khảo sát thu được luận án đưa ra một số nhận xét sau:
- Gia tốc rung động của hệ thống cắt đất có dạng tuần hồn, phụ thuộc vào vận tốc góc của đãi thép lắp dao cắt đất
- Gia tốc rung động lớn hơn gia tốc rung động cho phép của máy, gia tốc rung động này ảnh hưởng đến kết cấu và độ bền của các chi tiết trong hệ thống cắt đất, đồng thời ảnh hưởng đến dao động của máy.
- Khi vận tốc góc của đĩa thép lắp dao cắt đất ɷ1= 125 rad/s, thi gia tốc rung động của hệ thống lớn, khi vận tốc góc ɷ2= 165rad/s, thì gia tốc rung động của hệ thống nhỏ, khi tăng vận tốc góc của đĩa thép lên ɷ3= 205rad/s,
thì gia tốc độ rung động của máy lại tăng lên nguyên nhân khi vận tốc góc nhỏ xung lực tại chốt lắp dao cắt (điểm O1) lớn, từ đó tác động lên hệ thống làm cho gia tốc rung của hệ thống lớn, khi vận tốc góc của đĩa thép đạt giá trị nhất định thì xung lực tại chốt lắp dao cắt nhỏ, từ đó làm cho gia tốc rung của hệ thống giảm đi. Khi vận tốc góc lớn thì xung lực va chạm lớn, lực cắt lớn, lực khích động gây rung lớn, dẫn đến gia tốc rung động lớn.
b) Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng lò xo giảm rung C1 đến gia tốc rung động của máy
Luận án tiến hành khảo sát khi thay đổi đầu vào của chương trình mô phỏng với sự thay đổi độ cứng của lò xo giảm rung C1 = 200 N/m; C1 =300 N/m; C1=400N/m, C2 lấy giá trị cố định C2 = 50 N/m, kết quả mơ phỏng được đồ thị hình 3.9; 3.10; 3.11.
Hình 3.9: Gia tốc rung động của hệ thống cắt đất ứng vớiđộ cứng lò xo giảm chấn C1 = 200N/m độ cứng lò xo giảm chấn C1 = 200N/m
Hình 3.10: Gia tốc rung động của hệ thống cắt đất ứng vớiđộ cứng lò xo giảm chấn C1 = 300N/m độ cứng lị xo giảm chấn C1 = 300N/m
Hình 3.11: Gia tốc rung động của hệ thống cắt đất ứng vớiđộ cứng lò xo giảm chấn C1 = 400N/m độ cứng lò xo giảm chấn C1 = 400N/m
Từ kết quả khảo sát thu được có nhận xét sau:
Gia tốc rung động của máy phục thuộc vào độ cứng của lò xo giảm chấn liên kết giữa máy và tay cầm, khi độ cứng của lị xo C1 = 300N/m thì gia tốc rung động là nhỏ nhất, kết quả khảo sát này là cơ sở khoa học để đưa ra giải pháp chống rung động cho hệ thống cắt đất.
c) Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng C1 đến biên độ dao động của trục đĩa thép lắp dao cắt đất
Bài toán khảo sát khi cho giá trị độ cứng C1 thay đổi, xác định được các trị tương ứng về biên độ dao động cực đại theo phương thẳng đứng của trục đĩa thép lắp dao cắt và phản lực tác dụng cực đại lên tay cầm trên của máy cắt đất, các trị tương ứng này được ghi trên bảng 3.2. Kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 3.12 và 3.13
Độ cứng C1 ( kN/m)
Biên độ cực đại theo phương đứng của trục
đĩa (mm)
Phản lực cực đại lên tay cầm trên của
máy (kG) 200 13.8 116.9 250 11.3 120.3 300 9.4 119.4 350 7.7 114.9 400 6.6 112.6 450 5.9 112.8 500 5.5 116.0 550 4.8 113.2 600 4.5 113.6 650 4.1 112.5 700 3.8 111.8 750 3.5 111.8 800 3.3 112.0 850 3.1 111.1
Hình 3.12. Đồ thị ảnh hưởng của độ cứng C1 đến biên độ dao động cực đại theo phương đứng của trục đĩa
Hình 3.13. Đồ thị ảnh hưởng của độ cứng C1 đến phản lực cực đại trên tay cầm trên của máy
3.2.3. Giải pháp giảm rung cho hệ thống cắt đất
Đối với nguồn động lực đã được nghiên cứu tương đối hoàn thiện về cân bằng máy, trong lượng máy, kết cấu của hệ thống giảm rung, do vậy ở phần này luận án chỉ đề cập đến các giải pháp giảm rung do lực kích động gây ra khi cắt đất. Để cho máy cắt đất có gia tốc rung nằm trong giá trị cho phép, đề tài đề xuất giải pháp giảm rung là tiêu tán năng lượng trong môi trường cản,
bằng cách bổ sung thêm vào bộ phận giảm rung của hệ thống một phần tử giảm rung có độ cứng được xác định bằng thực nghiệm hoặc bằng mô phỏng lý thuyết C1= 300N/m, bộ phận giảm rung mới có thể sử dụng lị xo thép hoặc đệm cao su. Để có S01 nhỏ nhất cần giảm ma sát ở chốt quay O1 của dao cắt đất. Giải pháp này có tác dụng làm giảm được biên độ rung và lực qn tính (hay gia tốc rung).
3.3. Khảo sát thơng số ảnh hưởng đến vận tốc và áp lực của quạt hút vàphun đất phun đất
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến vận tốc của quạt hútvà phun đất và phun đất
Để tìm qui luật ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra β2 đến vận tốc của quạt hút, luận án tiến hành khảo sát phương trình (2.73). Phương pháp khảo sát sử dụng phần mềm phần mềm Matlab – Simulink, thơng số đầu vào cho khảo sát gồm có: r1 = 10cm; r2 = 4cm, kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 3.14.
Hình 3.14: Ảnh hưởng của góc β2 đến vận tốc của quạt hút và phun đất Nhận xét: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra của quạt hút ở dạng phi Nhận xét: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra của quạt hút ở dạng phi tuyến, với góc lắp ráp đầu ra β2 = 100-125 độ thì vận tốc tuyệt đối của khơng khí đầu ra là lớn nhất, kết quả khảo sát này là cơ sở để xác định thơng số hợp lý của góc β2 khi thiết kế chế tạo quạt hút và phun đất chữa cháy rừng.
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến áp lực phun của quạt hút quạt hút
Để xác định ảnh hưởng của góc β2 đến áp lực của quạt hút và phun đất, luận án tiến hành khảo sát công thức (2.76). Phương pháp khảo sát sử dụng phầm mềm phần mềm Matlab – Simulink, thông số đầu vào cho khảo sát gồm có: r1 = 10cm; r2 = 4cm, kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 3.15.
Hình 3.15: Ảnh hưởng của góc β2 đến áp lực quạt hút, phun đất
Từ kết quả khảo sát thu được luận án có nhận xét sau:
- Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến áp lực của quạt hút là quan hệ phi tuyến, khi góc lắp ráp đầu ra β2 thay đổi từ 100 - 125 độ cho áp lực hút và phun là lớn nhất.
- Kết quả khảo sát trên là cơ sở khoa học để lựa chọn thông số hợp lý của góc lắp ráp đầu ra khi tính tốn thiết kế chế tạo quạt hút, phun đất cắt chữa cháy rừng.
3.4. Xác định một số thông số hợp lý của máy chữa cháy rừng bằng đất cát
Từ kết quả tính tốn thu được trong chương 2 và kết quả khảo sát thu được trong chương 3, luận án tiến hành xác định một số thông số kỹ thuật của máy chữa cháy rừng bằng đất cát để làm cơ sở cho cơng việc tính tốn tối ưu một số thơng số của máy trong chương 4.
Căn cứ vào kết quả khảo sát thu được luận án tiến hành xác định một số thông số hợp lý của máy cần phải nghiên cứu tính tốn tối ưu như sau:
- Bán kính đĩa thép lắp dao cắt: Căn cứ vào kết quả khảo sát cơng suất cắt- kéo văng đất hình 3.1, cho thấy để thỏa mãn yêu cầu về công suất động cơ của máy thì bán kính đĩa thép lắp dao cắt hợp lý trong khoảng R = (7-8) cm;
- Chiều dài dao cắt hợp lý: Theo kết quả khảo sát trên hình 3.2 thì chiều dài dao cắt hợp lý nhất khi l = 6 - 8cm, khi đó trọng lượng động cơ nhỏ;
- Mật độ khối lượng dao cắt hợp lý : Mật độ khối lượng dao cắt càng