Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý cho máy trộn bê tông xi măng kiểu cưỡng bức, chu kỳ hai trục..

117 trang Phương Linh 18/06/2025 280

Download

Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý cho máy trộn bê tông xi măng kiểu cưỡng bức, chu kỳ hai trục..", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.

File đính kèm:

4- Toanvan LA.pdf
0- Bia LA.pdf
1- Trang ph_ b_a.pdf
2- Cam doan-mucluc.pdf
3- Danh muc chu viet tat.pdf
Bia tom tat Tieng Anh.doc
Bia tom tat Tieng Viet.doc
ThongtinLA(VN-EN).docx
Tomtat(EN).doc
Tomtat(VN).docx

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý cho máy trộn bê tông xi măng kiểu cưỡng bức, chu kỳ hai trục..

1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ở nước ta hiện nay, các máy trộn bê tông xi măng (BTXM) lắp trên các trạm trộn chủ yếu là nhập ngoại với giá thành đắt, thời gian chờ đợi lâu dẫn đến giá thành của toàn trạm trộn tăng lên đáng kể. Một số đơn vị chế tạo cơ khí trong nước đang tìm cách nghiên cứu, tính toán, thiết kế máy trộn nhằm tiến tới thay thế hoàn toàn các thiết bị ngoại nhập. Tuy nhiên việc nghiên cứu, chế tạo sản phẩm của các đơn vị cơ khí chủ yếu theo kiểu chép mẫu và theo kinh nghiệm thực tế, chưa có những nghiên cứu cơ bản. Chính vì vậy, đề tài: “Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật hợp lý cho máy trộn BTXM kiểu cưỡng bức, chu kỳ hai trục ngang do Việt Nam chế tạo” nhằm giải quyết các khó khăn trong việc thiết kế, chế tạo máy trộn trong nước và tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo máy, thay thế hoàn toàn máy trộn ngoại nhập. Vì vậy đề tài có tính thời sự và tính cấp thiết cao. 2. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu xây dựng được công thức xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn, đồng thời nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy trộn nhằm đạt công suất tiêu thụ riêng là nhỏ nhất. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu Một số thông số kỹ thuật hợp lý của máy trộn BTXM hai trục ngang do Việt Nam chế tạo. b) Phạm vi nghiên cứu - Máy trộn BTXM kiểu cưỡng bức chu kỳ hai trục ngang, dung tích thùng trộn 1m3 do Việt Nam chế tạo. Sơ đồ cấu tạo và các thông số kỹ thuật chính của máy được trình bày như dưới đây. A 7 9 A-A 8 10 11 A 1 2 3 4 5 6 Hình I. Sơ đồ cấu tạo của máy trộn BTXM hai trục ngang, dung tích thùng trộn 1m3 do Việt Nam chế tạo 1- Ổ đỡ; 2- Trục trộn; 3- Vỏ thùng trộn; 4- Bánh răng dẫn động; 5- Hộp giảm tốc; 6- Động cơ điện; 7- Cặp bánh răng ăn khớp ngoài; 8- Bộ truyền đai; 9- Bàn tay trộn; 10- Cánh tay trộn; 11- Cửa xả hỗn hợp bê tông.
2 Thông số kỹ thuật chính của máy: Công suất động cơ điện dẫn động máy trộn, Nđc = 18,5 (kW); Số cánh tay trộn, z1 = 14 (chiếc); Tốc độ quay của trục trộn, n = 38 (vòng/phút); Chiều dài thùng trộn, L t = 1,25 (m); Bước vít, S = 0,785 (m); 3 Bán kính cong của thùng trộn, R t = 0,4 (m); Dung tích thùng trộn, Vt = 1,0 (m ); 3 3 Thể tích nạp liệu tối đa, Vnl = 0,8 (m ); Thể tích một mẻ trộn Vm = 0,5 (m ). - Mác bê tông để tính toán lý thuyết và làm thí nghiệm: C30/38,5 có cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi Cbt = 38,5 (MPa), độ sụt của bê tông tươi Sbt = 18±2 (cm); phục vụ thi công cọc khoan nhồi tuyến đường sắt trên cao Ga Hà Nội - Nhổn. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng công thức tính công suất của động cơ dẫn động máy trộn. - Nghiên cứu xác định mặt cắt hợp lý của cánh tay trộn theo tiêu chí tiết kiệm năng lượng trộn. - Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hình học của thùng trộn đến công suất động cơ dẫn động máy trộn. - Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số cản chuyển động của bàn tay trộn trong cấp phối vật liệu. - Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy trộn bằng tính toán tối ưu. - Xác định dãy máy trộn trong điều kiện thực tế. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a/ Ý nghĩa khoa học - Kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có ở trong nước và trên thế giới, tác giả đã tiến hành xác định quy luật và khối lượng vật liệu chuyển động theo các phương trong quá trình làm việc của máy trộn, làm cơ sở khoa học cho việc đề xuất công thức tính toán công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang do Việt Nam chế tạo. - Tác giả sử dụng công thức xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn luận án đã xây dựng được để xác định mặt cắt hợp lý của cánh tay trộn và kích thước hình học của thùng trộn theo tiêu chí tiết kiệm năng lượng trộn, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế hợp lý máy trộn BTXM hai trục ngang do Việt Nam chế tạo. - Tác giả đã đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến tiêu thụ năng lượng riêng của động cơ dẫn động máy trộn và xác định giá trị tối ưu của các yếu tố này theo mục tiêu giảm chi phí công suất riêng, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc xác định dãy máy trộn trong điều kiện thực tế.
3 b/ Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có ích cho các đơn vị thiết kế, chế tạo máy trộn BTXM hai trục ngang; các đơn vị thiết kế, chế tạo trạm trộn BTXM trong nước khi chế tạo các sản phẩm cùng loại có dung tích thùng trộn và năng suất khác nhau. 6. Điểm mới của Luận án - Luận án đã xác định được tỉ lệ % khối lượng vật liệu chuyển động theo các phương, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc đề xuất một công thức tính công suất động cơ dẫn động máy trộn ở giai đoạn trộn khô, trộn ướt và công suất tiêu hao trung bình của quá trình trộn trên cơ sở kế thừa và phát triển những công thức, hệ số của các tác giả trước đó. Kết quả tính toán theo công thức do tác giả đề xuất tương đối sát với giá trị thực tế. - Luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt cánh tay trộn và kích thước hình học của thùng trộn đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang do Việt Nam chế tạo. - Luận án đã nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của một số thông kết cấu và thông số làm việc đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang, dung tích thùng trộn 1m 3 do Việt Nam chế tạo; xác định được các giá trị thông số kỹ thuật hợp lý cho máy trộn. - Thông qua nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng lý thuyết mô hình đồng dạng, phân tích thứ nguyên; luận án đã xác định được các thông số kỹ thuật của các máy trộn có dung tích thùng trộn 2, 3, 4 (m 3). Từ đó làm cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế các máy trộn BTXM hai trục ngang sản xuất tại Việt Nam. CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MÁY TRỘN BÊ TÔNG XI MĂNG HAI TRỤC NGANG Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1. Các công trình nghiên cứu về máy trộn BTXM hai trục ngang trên thế giới 1.1.1. Các công trình nghiên cứu về kết cấu của máy trộn Các tác giả [49] đã nghiên cứu và đề xuất sử dụng cửa xả mở rộng về hai phía theo phương hướng kính để giảm thời gian xả và xả sạch hỗn hợp bên trong thùng trộn; để nâng cao năng suất của máy trộn, nên bố trí các cửa cấp vật liệu đầu vào dọc theo trục trộn. Tác giả [41] đã nghiên cứu hình dạng của cánh tay trộn theo hướng giảm bớt trọng lượng và nâng cao tuổi thọ cho cánh tay trộn. Tác giả [64] đã
4 sử dụng phần mềm Ansys để thiết kế và mô phỏng máy trộn BTXM hai trục ngang, dung tích thùng trộn 2m3 theo hướng nâng cao chất lượng trộn và giảm rung động cho máy. Các tác giả [49], [41], [64] chưa quan tâm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu và thông số làm việc khác của máy trộn đến công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn. 1.1.2. Các công trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả trộn và thực nghiệm quá trình trộn Để nâng cao tính đồng nhất và chất lượng của sản phẩm sau khi trộn, đồng thời giảm thời gian trộn, các tác giả [47] đã phát minh ra loại máy trộn bê tông xi măng hai trục ngang kiểu có rung kết hợp. Để khắc phục các hiện tượng “ứ đọng” của vùng vật liệu ở gần với trục trộn bằng cách cho trục trộn chuyển động quay kết hợp với rung ở bên trong trục trộn. Tác giả [61] đã thử nghiệm trên máy trộn BTXM mô hình, dung tích thùng trộn là 100 lít và tác giả [66] đã nghiên cứu và thử nghiệm trên máy trộn BTXM có dung tích thùng trộn là 1m 3. Tác giả [55] đã sử dụng các phần mềm mô phỏng để xác định quỹ đạo chuyển động của các hạt cốt liệu trong máy trộn và xây dựng chương trình tính toán các thông số động học trong quá trình trộn. Các tác giả [47], [61], [66] chưa quan tâm nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của 4 thông số kết cấu và thông số làm việc của máy trộn (Tốc độ quay của trục trộn, góc nghiêng của bàn tay trộn so với trục trộn, khe hở giữa bàn tay trộn với vỏ thùng trộn, bề rộng của bàn tay trộn) đến công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn. 1.2. Các công trình nghiên cứu về máy trộn BTXM hai trục ngang ở Việt Nam 1.2.1. Tổng quan về sản xuất các máy trộn và trạm trộn BTXM ở Việt Nam Ở nước ta hiện nay, có nhiều đơn vị đã nghiên cứu sản xuất các máy trộn và trạm trộn BTXM trong nước, các đơn vị này chủ yếu nằm ở hai miền là Miền Nam và Miền Bắc như: Công ty CP công nghệ cao - Hitechco (Đồng Nai), Công ty CP xây dựng và thiết bị công nghiệp CIE1 (Hà Nội) Tác giả [17] đã nghiên cứu về các dạng hư hỏng của cánh trộn như bị mòn, bị gãy, bị mỏi của máy trộn BTXM có hai trục ngang. Tác giả [1] đã nghiên cứu thiết kế máy trộn vật liệu rời kiểu trục ngang cho các trạm trộn bê tông cỡ lớn 80200 (m 3/h). Nội dung chính của các công trình là nghiên cứu về mòn, mỏi hoặc tính bền cho các chi tiết trên cơ sở các máy trộn của nước ngoài để chế tạo trong nước, chưa quan tâm nghiên cứu các thông số hợp lý của máy trộn theo tiêu chí tiết kiệm năng lượng trộn. 1.2.2. Các công trình nghiên cứu tính toán công suất của động cơ dẫn động máy trộn bê tông xi măng hai trục ngang Các tác giả [56] đã sử dụng tiêu chuẩn Ơle, tiêu chuẩn Râynôn và tiêu chuẩn Fruit để xây dựng phương trình chuyển động của hỗn hợp trong quá trình trộn. Sau
5 đó, các tác giả đã giải phương trình chuyển động và tiến hành làm thực nghiệm để xác định các hệ số trong phương trình. Từ kết quả nghiên cứu đó các tác giả đã xây dựng được công thức xác định công suất cần thiết của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang. Các tác giả [20] đã triển khai công thức của Szevrov để xây dựng công thức tính công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang dựa trên việc xác định các thành phần lực cản chủ yếu như lực ma sát của hỗn hợp trên cánh trộn, lực ma sát của hỗn hợp trên vỏ thùng trộn, lực nâng vật liệu và các lực cản xuất hiện khi cánh trộn cắt vật liệu. Xuất phát từ công thức của M.K Morozov, các tác giả [2] đã triển khai công thức tính toán công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang, bao gồm 4 thành phần từ N1N4. Theo ý kiến chủ quan của tác giả, có công thức khó áp dụng trong tính toán vì quá phức tạp, có công thức dễ áp dụng trong tính toán thì cho kết quả chưa sát với thực tế sử dụng. Mặt khác, các công thức này chủ yếu tính cho giai đoạn trộn ướt, chưa xét đến ở giai đoạn trộn khô. Trong thực tế sử dụng, công suất của động cơ dẫn động máy trộn ở giai đoạn trộn khô có thể lớn hơn giai đoạn trộn ướt. Chính vì vậy các công thức chưa bao trùm hết các giai đoạn làm việc của máy trộn. 1.2.3. So sánh kết quả xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang của các tác giả [2], [20], [56] Để so sánh kết quả xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang của các tác giả khác nhau, luận án đã sử dụng mác bê tông C30/38,5, phục vụ thi công tuyến đường sắt trên cao Ga Hà Nội - Nhổn. Các máy trộn dùng để so sánh về công suất có dung tích thùng trộn là 1, 2, 3, 4 (m3) do Việt Nam chế tạo. Kết quả tính toán được thể hiện như bảng dưới đây. Bảng 1. 1. Bảng so sánh kết quả xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn theo [2], [20], [56] và các máy trộn đang sử dụng phổ biến ở Việt Nam Công suất của một số máy trộn lắp trên các Dung Công suất tính theo tích trạm trộn đang sử dụng phổ biến ở T [2], [20] và [56] (kW) thùng Việt Nam (kW) T trộn Theo Theo Theo Việt Nam Trung Quốc Italia 3 (m ) [2] [20] [56] sản xuất sản xuất sản xuất 1 1,0 7,12 7,42 8,67 18,5 18,5 - 2 2,0 12,44 13,60 9,54 37 37 37 3 3,0 15,81 18,72 12,75 60 60 60 4 4,0 18,06 20,33 17,86 74 74 74
6 Nhận xét: - So sánh công thức tính công suất của các tác giả khác nhau, thì cho kết quả cũng khác nhau. Nguyên nhân của sự sai khác này là do: Cách thành lập công thức và cách xác định các hệ số thực nghiệm cũng khác nhau. - Công suất của động cơ dẫn động máy trộn được tính bằng lý thuyết nhỏ hơn so với công suất thực tế của động cơ lắp trên các máy trộn hiện nay. KẾT LUẬN CHƯƠNG I Qua phân tích tình hình nghiên cứu những vấn đề liên quan đến đề tài luận án trên thế giới và trong nước cho thấy một số điểm còn tồn tại mà đề tài cần quan tâm giải quyết là: - Việc tính toán thiết kế các máy trộn và các trạm trộn BTXM chế tạo trong nước chủ yếu dựa trên các tài liệu của nước ngoài, lựa chọn các tham số theo kinh nghiệm, theo hình thức chép mẫu, trong đó có nhiều tham số có giá trị trong phạm vi rộng, gây khó khăn cho người thiết kế. Nếu xác định được miền giá trị hợp lý của các tham số này thì sẽ thiết kế được các trạm trộn có chất lượng tốt, tiết kiệm được chi phí năng lượng, tăng tuổi thọ và hạ giá thành sản phẩm của trạm. - Việc tính toán công suất dẫn động máy trộn của trạm trộn BTXM hiện nay có nhiều phương pháp được nhiều nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam đưa ra với nhiều quan điểm khác nhau và phụ thuộc nhiều yếu tố; giá trị công suất tính toán có sự chênh lệch đáng kể (bảng 1.1). Do đó cần thiết phải xây dựng một công thức tính công suất động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang sát với thực tế sản xuất hơn. Mặt khác, các công thức tính toán đều là những công thức lý thuyết nên có tính gần đúng. Vì vậy cần thông qua thực nghiệm để đánh giá, kiểm chứng sự đúng đắn của các công thức này. - Việc nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật (kết cấu, khai thác ) đến công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang chưa được xem xét đầy đủ trong các tài liệu ở trong và ngoài nước. Vì vậy, việc xem xét, đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến công suất của động cơ dẫn động máy trộn là cần thiết. - Luận án sẽ đề xuất công thức tính toán công suất dẫn động máy trộn; nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến công suất động cơ dẫn động máy trộn, xác định các giá trị hợp lý của các thông số đó theo mục tiêu chi phí năng lượng riêng cho quá trình trộn là nhỏ nhất và đảm bảo chất lượng của bê tông sau khi trộn.
7 CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG CÔNG THỨC TÍNH CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ DẪN ĐỘNG MÁY TRỘN BÊ TÔNG XI MĂNG HAI TRỤC NGANG Công suất của động cơ dẫn động các máy trộn BTXM hai trục ngang rất lớn, từ vài chục kilô oát đến vài trăm kilô oát. Do đó việc tính toán chính xác công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn đóng một vai trò rất quan trọng; nó quyết định đến chi phí đầu tư mua sắm trạm trộn, mức tiêu thụ điện và giá thành của bê tông sau khi trộn. Như đã phân tích ở trên, có nhiều công thức tính công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn của các tác giả khác nhau. Tuy nhiên, kết quả tính toán không giống nhau và chưa sát với thực tế sử dụng. Do đó, việc nghiên cứu và triển khai một công thức mới để thuận lợi hơn trong quá trình tính toán và phù hợp với quá trình làm việc của máy trộn BTXM là một việc làm cần thiết. Trong khuôn khổ của luận án này, tác giả sẽ đề xuất cách xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang ở cả hai giai đoạn là trộn khô và trộn ướt như dưới đây. 2.1. Nghiên cứu xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn ở giai đoạn trộn khô và giai đoạn trộn ướt Công suất của động cơ dẫn động máy trộn ở giai đoạn trộn khô và trộn ướt, tác giả đề xuất đều gồm 6 thành phần như sau: N N N N N N N 1 2 3 4 5 6 ,(kW). (2. 1) 1000. Trong đó: N1 - Công suất để quay các bàn tay trộn trong hỗn hợp trộn, (W); N2- Công suất để quay các cánh tay trộn trong hỗn hợp trộn, (W); N3- Công suất để thắng lực ma sát sinh ra do chuyển động của hỗn hợp trộn với vỏ thùng trộn, (W); N4- Công suất để vận chuyển hỗn hợp trộn đi dọc theo thùng trộn, (W); N5- Công suất để nâng hỗn hợp trộn lên cao trong quá trình trộn, (W); N6- Công suất để thắng lực ma sát giữa hỗn hợp trộn với các cạnh của bàn tay trộn, cánh tay trộn; lực ma sát do kẹt đá ngẫu nhiên ; - Hiệu suất của truyền động cơ khí, bao gồm: Tổn thất ma sát trong các ổ đỡ trục trộn, tổn thất ma sát do hộp giảm tốc, tổn thất ma sát do bộ truyền động đai , =0,85. Sau khi tính toán và biến đổi, luận án thu được công suất của động cơ dẫn động máy trộn ở giai đoạn trộn khô NK và trộn ướt NU như dưới đây.
8 z.K  .[b.cos .(r 2 a 2 ) b .(a 2 r 2 )] . 2 1 1 N K . ,(kW). 1000. m .S 180.m .g.r.sin  (2. 2)  .g(m .r 2 ) 3 1 1 2 .   z.c. .[b.cos .(r 4 a 4 ) b .(a 4 r 4 )].3  4g 1 1 N U . ,(kW). 1000. m .S 180.m .g.r.sin  (2. 3) [ .g.(m .r 2 ) 3 ]. 2 1 2 .  Trong đó:  = 1,11,3;  = 1,1 - Hệ số kể tới ảnh hưởng của công suất tiêu hao do: Lực ma sát giữa hỗn hợp trộn với các cạnh của bàn tay trộn, cánh tay trộn; lực phá vỡ đá do kẹt đá ngẫu nhiên chưa tính được; - Vận tốc góc của trục trộn, (rad/giây); z- Số cánh trộn chìm trong hỗn hợp trộn, (chiếc); K- Hệ số cản chuyển động của bàn tay trộn, cánh tay trộn trong hỗn hợp trộn, (N/m 2); b- Bề rộng của bàn tay trộn, (m); α- Góc nghiêng của bàn tay trộn so với trục trộn, (độ); r- Khoảng cách từ tâm của trục trộn đến mép ngoài của bàn tay trộn, (m); a- Chiều dài của cánh tay trộn, (m); b 1- Bề rộng của cánh tay trộn, (m); r 1- Bán kính trục trộn, (m); 1, 2- Hệ số ma sát giữa vỏ thùng trộn với hỗn hợp trộn; g- 2 Gia tốc trọng trường, (m/s ); m1- Khối lượng của hỗn hợp trộn vận chuyển vòng theo vỏ thùng trộn, (kg); m 2- Khối lượng của hỗn hợp trộn vận chuyển dọc trục trộn, (kg); m 3- Khối lượng của hỗn hợp trộn được nâng lên cao, (kg); S- Bước vít, (m); - Góc nghiêng của cánh trộn so với phương ngang, (độ). Từ công suất của động cơ dẫn động máy trộn ở giai đoạn trộn khô và trộn ướt đã xây dựng được ở trên, hoàn toàn có thể tính được công suất tiêu hao trung bình của quá trình trộn như sau: Nm = (NK.TK + NU.TU)/3600, (kWh/mẻ trộn) (2. 4) 3 N = Nm/Vm, (kWh/m bê tông) (2. 5) Trong đó: N - Công suất tiêu thụ trung bình của động cơ dẫn động máy trộn/m 3 bê tông (công suất tiêu thụ riêng), (kWh/m3 bê tông); Nm - Công suất tiêu thụ trung bình của động cơ dẫn động máy trộn/mẻ trộn, (kWh/mẻ trộn); 3 Vm - Thể tích hỗn hợp bê tông/mẻ trộn, (m bê tông/mẻ trộn); TK - Thời gian trộn khô trong một mẻ trộn, (giây); TU - Thời gian trộn ướt trong một mẻ trộn, (giây).
9 Từ công thức (2.2), (2.3), (2.4) và (2.5), thấy rằng: Tất cả các thông số kết cấu và thông số làm việc của máy trộn hoàn toàn xác định được giá trị ứng với từng máy trộn cụ thể, chỉ còn các thông số: m 1, m2, m3 trong công thức chưa xác định được. Luận án sẽ tiến hành xác định giá trị của các thông số này như mục 2.2 dưới đây. 2.2. Xác định khối lượng vật liệu vận chuyển theo các phương trong quá trình làm việc của máy trộn Luận án mô phỏng quá trình làm việc của máy trộn theo [61], sau đó tiến hành tính toán và biến đổi, thu được: Tỉ lệ % khối lượng của hỗn hợp trộn vận chuyển theo từng phương Ki được tính như sau: m K i .100% i m Trong đó: m = (m1 + m2 + m3), (kg/phút). m1 - Khối lượng của hỗn hợp trộn chuyển động vòng theo vỏ thùng trộn trong một phút được xác định như sau: 2 2 2 2 m1 z1.n.. . .[(r a ).b.cos (a r1 ).b1],(kg / phút). (2. 6) m2 - Khối lượng của hỗn hợp trộn chuyển động theo phương dọc trục trộn trong một phút được xác định như sau: 2 2 (2. 7) m2 . .S.n. ..(r a ),(kg / phút). m3 - Khối lượng của hỗn hợp trộn được nâng lên cao trong một phút được xác định như sau: 1 m z . .n.b(r a).(r r ).tg.cos ,(kg / phút) (2. 8) 3 12 1 1 Trong các biểu thức trên, thì: z 1- Số bàn tay trộn trên hai trục trộn, (chiếc); n- Tốc độ quay của trục trộn trong một phút, (vòng/phút); r- Khoảng cách từ tâm trục trộn đến đầu mút của bàn tay trộn, (m); a- Khoảng cách từ tâm trục trộn đến mép trong của bàn tay trộn, (m); - Hệ số điền đầy thùng trộn; α- Góc nghiêng của bàn 3 tay trộn so với trục trộn, (độ); - Khối lượng riêng của vật liệu, (kg/m ); r1- Bán kính của trục trộn, (m); b 1- Bề rộng của cánh tay trộn, (m); S- Bước vít, (m); - Số trục vít trong buồng trộn; - Góc chân nón của vật liệu trên bàn tay trộn, (độ). 2.3. Xây dựng chương trình tính khối lượng vật liệu vận chuyển theo 3 phương trong thùng trộn và xác định công suất động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang, dung tích thùng trộn 1m3 do Việt Nam chế tạo Để thuận lợi trong quá trình tính khối lượng vật liệu vận chuyển theo các phương trong thùng trộn và xác định công suất động cơ dẫn động máy trộn, luận án đã xây dựng các chương trình tính toán dựa trên phần mềm Visual Basic 6.0, đồng thời đã sử dụng các số liệu sau đây để đưa vào phần mềm tính toán: + Máy trộn và mác bê tông được trình bày trong “Phạm vi nghiên cứu”.
10 + Hệ số ma sát giữa vật liệu cấp phối với thép: µ1 = 0,72; giữa bê tông với thép: 0 µ2 = 0,5; góc chân nón động của hỗn hợp trên bàn tay trộn:  = 35 ; hệ số cản chuyển động của vật liệu cấp phối lên bàn tay trộn: K =35000 (N/m 2); hệ số cản chuyển động của bê tông lên bàn tay trộn: c = 6; các hệ số khác:  = 1,2;  = 1,1. + Thời gian trộn khô: TK = 35 (giây); thời gian trộn ướt: TU = 40 (giây). Sau khi tính toán, luận án thu được các kết quả như dưới đây. Bảng 2. 1. Tỉ lệ % khối lượng vật liệu vận chuyển theo 3 phương TT Ký Khối lượng vật liệu vận chuyển theo Khối lượng vật liệu vận hiệu 3 phương trong 1 phút (kg/phút) chuyển theo 3 phương (%) 1 m1 35967,2 62,72 2 m2 20865,6 36,39 3 m3 510,6 0,89 Bảng 2. 2. Công suất của động cơ dẫn động máy trộn TT Công suất trộn khô Công suất trộn ướt Công suất tiêu thụ riêng 3 NK (kW) NU (kW) N (kWh/m bê tông) 1 26,30 9,81 0,73 Hình 2. 1. Giao diện chương trình tính khối lượng vật liệu vận chuyển trong buồng trộn BTXM hai trục ngang, dung tích thùng trộn 1m3 do Việt Nam chế tạo Hình 2. 2. Giao diện của chương trình tính công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang, dung tích thùng trộn 1m3 do Việt Nam chế tạo
11 2.4. So sánh công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang do Việt Nam chế tạo được tính theo công thức của tác giả đề xuất và các tác giả khác Bảng 2. 3. Bảng so sánh kết quả xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn theo các tác giả và các máy trộn đang sử dụng phổ biến ở Việt Nam T Dung Công suất tính theo Công suất tính theo [2], [20] Công suất của T tích công thức đề xuất và [56] (kW) một số máy trộn của (kW) lắp trên các trạm thùng Trộn Trộn Theo Theo Theo trộn ở Việt Nam trộn khô ướt [2] [20] [56] (kW) (m3) NK NU 1 1,0 26,30 9,81 7,12 7,42 8,67 18,5 2 2,0 46,26 20,16 12,44 13,60 9,54 37 3 3,0 63,74 26,54 15,81 18,72 12,75 60 4 4,0 86,07 35,09 18,06 20,33 17,86 74 KẾT LUẬN CHƯƠNG II - Luận án đã xây dựng được công thức tính tỉ lệ % khối lượng vật liệu vận chuyển theo 3 phương trong thùng trộn BTXM hai trục ngang do Việt Nam chế tạo. Luận án đã áp dụng công thức và ứng dụng phần mềm Visual Basic 6.0 để xây dựng chương trình tính toán đối với máy trộn BTXM hai trục ngang dung tích thùng trộn 1m 3, sau khi tính toán thu được kết quả: Khối lượng vật liệu chuyển động vòng theo vỏ thùng trộn chiếm 62,72%, dọc theo trục trộn: 36,39% và được nâng lên cao: 0,89%. - Luận án đã xây dựng được công thức xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang do Việt Nam chế tạo ở hai giai đoạn là trộn khô và trộn ướt. Trên cơ sở công thức đã xây dựng được, luận án đã ứng dụng phần mềm Visual Basic 6.0 để xây dựng chương trình "Tính công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang" và áp dụng tính toán đối với các máy trộn BTXM đang sử dụng phổ biến ở Việt Nam. Kết quả tính toán cho thấy, công suất của động cơ dẫn động máy trộn ở giai đoạn trộn khô lớn hơn giai đoạn trộn ướt (bảng 2.3). - Từ kết quả tính toán công suất của động cơ dẫn động các máy trộn ở trên, ta thấy rằng: Cần lựa chọn công suất của động cơ lắp trên các máy trộn theo công suất tính được ở giai đoạn trộn khô và hệ số quá tải cho phép của nó.
12 CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU VÀ THÔNG SỐ LÀM VIỆC CỦA MÁY TRỘN ĐẾN CÔNG SUẤT TIÊU THỤ CỦA ĐỘNG CƠ DẪN ĐỘNG MÁY TRỘN BÊ TÔNG XI MĂNG HAI TRỤC NGANG DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu của máy trộn đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động bộ máy Để thuận lợi trong quá trình so sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết với quá trình làm thực nghiệm xác định công suất tiêu thụ nhỏ nhất của động cơ dẫn động máy trộn và xác định dãy máy trộn trong điều kiện thực tế ở chương IV, luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của 4 thông số kết cấu của máy trộn đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn bao gồm: - Góc nghiêng giữa bàn tay trộn và trục trộn α (độ); - Tốc độ quay của trục trộn n (vòng/phút); - Bề rộng của bàn tay trộn b (m); - Khe hở giữa bàn tay trộn và vỏ thùng trộn k (mm). Các thông số này được gọi là thông số "đầu vào", khoảng giá trị của chúng được xác định theo [2] và [20]. Thông số "đầu ra" là: - Công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn N (Y), (kWh/m3 bê tông) - Chất lượng của bê tông sau khi trộn Y c (đánh giá bằng TCVN 3106 -1993, 3118- 1993 và thiết kế cấp phối bê tông của dự án). Chất lượng của bê tông được trình bày trong phần thực nghiệm của chương IV. Để nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của 4 thông số kết cấu đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn, luận án đã sử dụng phần mềm Minitab 16.0 để xây dựng bảng ma trận thí nghiệm, sau đó sử dụng giá trị của các thông số α, n, b, k ở các trường hợp thí nghiệm để đưa vào công thức xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn (luận án đã xây dựng được), kết quả xây dựng bảng ma trận thí nghiệm và kết quả tính toán được thể hiện như bảng 3.1 dưới đây. Bảng 3. 1. Bảng kết quả xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn ở giai đoạn trộn khô, trộn ướt và công suất tiêu thụ riêng n α b k N N N (kWh/m3 TT K U (v/ph) (độ) (m) (mm) (kW) (kW) bê tông) 1 41 50 0,25 3 28,22 10,68 0,79 2 44 45 0,23 2 30,55 11,69 0,85 3 44 55 0,23 4 27,52 11,01 0,78 4 41 50 0,25 3 28,22 10,68 0,79 5 38 55 0,27 2 25,77 9,72 0,72 6 44 45 0,27 2 33,09 12,18 0,91 7 41 50 0,25 2 28,30 10,71 0,79 8 38 55 0,27 4 25,61 9,67 0,71
13 9 38 45 0,23 2 26,38 9,83 0,73 10 38 55 0,23 4 23,76 9,30 0,67 11 41 50 0,25 3 28,22 10,68 0,79 12 41 50 0,25 4 28,13 10,65 0,78 13 44 50 0,25 3 30,28 11,62 0,85 14 41 50 0,25 3 28,22 10,68 0,79 15 44 55 0,27 2 29,84 11,54 0,84 16 41 50 0,25 3 28,22 10,68 0,79 17 38 45 0,27 2 28,58 10,22 0,78 18 41 50 0,27 3 29,30 10,89 0,81 19 38 50 0,25 3 26,15 9,78 0,73 20 38 45 0,23 4 26,22 9,78 0,73 21 38 55 0,23 2 23,91 9,35 0,67 22 41 45 0,25 3 29,57 10,94 0,82 23 44 55 0,23 2 27,69 11,08 0,78 24 41 50 0,25 3 28,22 10,68 0,79 25 38 45 0,27 4 28,40 10,16 0,78 26 44 45 0,23 4 30,36 11,62 0,85 27 41 50 0,25 3 28,22 10,68 0,79 28 41 55 0,25 3 26,73 10,39 0,75 29 44 45 0,27 4 32,88 12,11 0,91 30 41 50 0,23 3 27,11 10,46 0,76 31 44 55 0,27 4 29,66 11,47 0,83 Nhận xét: Từ kết quả tính toán ở bảng trên, thấy rằng: Nếu bất kỳ một thông số α, n, b, k thay đổi thì công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn cũng thay đổi theo. Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của các thông số này đến công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn khác nhau. Để đánh giá kết quả tính toán bằng lý thuyết, luận án sẽ tiến hành so sánh với kết quả thực nghiệm ở chương IV. 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của dạng mặt cắt cánh tay trộn đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn Trong khuôn khổ của luận án, tác giả sẽ xét đến các mặt cắt của cánh tay trộn có hình dạng như sau: Mặt cắt hình chữ nhật (kiểu đứng), mặt cắt hình e líp đứng, mặt cắt hình e líp ngang, mặt cắt hình tam giác (tam giác cân, có chiều cao nhỏ hơn cạnh đáy), mặt cắt hình tròn. Sau khi phân tích các trường hợp chịu lực của cánh tay trộn, tiến hành tính toán thiết kế cánh tay trộn theo [13] và [20], từ đó luận án tính diện tích cản chuyển động của cánh tay trộn theo các phương và xác định công suất tiêu hao của động cơ dẫn động máy trộn ứng với các loại cánh tay trộn có mặt cắt khác nhau. Kết quả tính toán thấy rằng, với máy trộn có dung tích
14 thùng trộn 1m3 do Việt Nam chế tạo, nên sử dụng cánh tay trộn có mặt cắt ngang hình chữ nhật sẽ cho chi phí năng lượng tiêu thụ riêng là nhỏ nhất. Hình 3. 1. Giao diện chương trình tính chọn cánh tay trộn của máy trộn BTXM hai trục ngang 3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước thùng trộn đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn Thùng trộn của máy trộn BTXM có nhiệm vụ chứa hỗn hợp trộn và cho phép hỗn hợp trộn chuyển động trong đó để tạo thành BTXM. Các máy trộn nói chung và thùng trộn nói riêng được chế tạo trong nước chủ yếu vẫn theo hình thức chép mẫu. Hiện chưa có các công trình khoa học phục vụ việc nghiên cứu, tính toán thiết kế bộ phận này. Do đó, việc nghiên cứu thùng trộn BTXM hai trục ngang là cần thiết. Kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra kết luận, ứng với loại thùng trộn nào sẽ cho tiêu hao năng lượng trộn là nhỏ nhất. Luận án đã khảo sát kích thường của thùng trộn BTXM, dung tích 1m3 do Việt Nam chế tạo, sau đó đưa các giá trị đã khảo sát được vào công thức xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn và thu được kết quả như dưới đây: Bảng 3. 2. Bảng giá trị công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang N thay đổi theo Rt và Lt TT Bán kính cong của Chiều dài thùng Công suất tiêu hao của động cơ dẫn 3 thùng trộn, Rt (m) trộn, Lt (m) động máy trộn, N (kWh/m bê tông) 1 0,40 1,252 0,73 2 0,39 1,317 0,71 3 0,38 1,388 0,68 4 0,37 1,464 0,66 5 0,36 1,546 0,64
15 Sử dụng phần mềm Minitab 16.0 để vẽ đồ thị quan hệ giữa công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn với bán kính và chiều dài thùng trộn như dưới đây. ) g n ô t Bán kính thùng trộn Rt (m) Chiều dài thùng trộn Lt (m) ê b 3 0,73 m / h W 0,72 k ( , n ộ 0,71 r t y á 0,70 m ộ b g 0,69 n ộ đ n 0,68 ẫ d ơ c 0,67 g n ộ đ 0,66 a ủ c 0,65 ụ h t u ê 0,64 i t S / 0,36 0,37 0,38 0,39 0,40 1,252 1,317 1,388 1,464 1,546 C Hình 3. 2. Đồ thị đánh giá ảnh hưởng của Rt và Lt đến công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang KẾT LUẬN CHƯƠNG III - Luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của 4 thông số α, n, b, k đến công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Tốc độ quay của trục trộn (n) ảnh hưởng nhiều nhất đến công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn, còn các thông số khác ảnh hưởng ít hơn. - Luận án đã ứng dụng phần mềm Visual Basic 6.0 để xây dựng được chương trình tính chọn mặt cắt hợp lý của cánh tay trộn theo tiêu chí tiết kiệm năng lượng trộn. Kết quả tính toán cho thấy: Với máy trộn có dung tích thùng trộn 1m3 do Việt Nam chế tạo, nên sử dụng cánh tay trộn có mặt cắt ngang hình chữ nhật sẽ cho chi phí năng lượng tiêu thụ riêng là nhỏ nhất. - Luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học của thùng trộn đến công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn. Kết quả tính toán cho thấy: Với cùng một dung tích thùng trộn như nhau, nếu giảm bán kính của thùng trộn và tăng chiều dài của thùng trộn, thì công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn sẽ giảm. Nên thiết kế thùng trộn có tỉ lệ giữa chiều dài thùng trộn với đường kính thùng trộn là Lt/Dt = 2, thì công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn là nhỏ nhất.
16 CHƯƠNG IV NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ DẪN ĐỘNG MÁY TRỘN VÀ XÁC ĐỊNH DÃY MÁY TRỘN TRONG ĐIỀU KIỆN THỰC TẾ 4.1. Mục tiêu và công tác chuẩn bị thí nghiệm 4.1.1. Mục tiêu làm thí nghiệm - Để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết ở chương II và chương III. - Nghiên cứu xác định công suất tiêu thụ nhỏ nhất của động cơ dẫn động máy trộn. Từ đó áp dụng lý thuyết đồng dạng để xác định dãy máy trộn trong thực tế. 4.1.2. Các sơ đồ khối khi tiến hành làm thí nghiệm Các thông số "đầu vào" và "đầu ra" được trình bày trong chương III. Dưới đây là các sơ đồ khối khi tiến hành thí nghiệm. THÔNG SỐ THÍ THÔNG SỐ “ĐẦU VÀO” NGHIỆM “ĐẦU RA” n = 38 (v/ph) TRÊN - -Y (kWh/m3 bê tông) α = 45 (độ) MÁY - Cbt (MPa) b = 0,23 (m) - Sbt (cm) k = 3 (mm) THỰC Hình 4. 1. Sơ đồ khối tiến hành làm thí nghiệm xác định hệ số cản chuyển động (K) của bàn tay trộn trong cấp phối vật liệu trộn THÔNG SỐ THÍ THÔNG SỐ “ĐẦU VÀO” NGHIỆM “ĐẦU RA” n = 38, 41, 44 (v/ph) TRÊN -Y (kWh/m3 bê tông) α = 45, 50, 55 (độ) MÁY - Cbt (MPa) b = 0,23; 0,25; 0,27 (m) - Sbt (cm) k = 2, 3, 4 (mm) THỰC Hình 4. 2. Sơ đồ khối tiến hành làm thí nghiệm ảnh hưởng đồng thời của bốn thông số kết cấu của máy trộn đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn và chất lượng của bê tông sau khi trộn 4.1.3. Thiết bị và đối tượng làm thí nghiệm 4.1.3.1.Yêu cầu đối với máy trộn BTXM hai trục ngang Máy trộn thí nghiệm cần đảm bảo những yêu cầu sau: Dung tích thùng trộn 1m3, do Việt Nam chế tạo, thay đổi được tốc độ quay của trục trộn, thay đổi được góc nghiêng của bàn tay trộn so với trục trộn, thay đổi được kích thước bàn tay trộn, thay đổi được khe hở giữa bàn tay trộn và vỏ thùng trộn. Mác bê tông làm thí nghiệm C30/38,5 phục vụ thi công tuyến đường sắt trên cao Ga Hà Nội - Nhổn. 4.1.3.2. Phương pháp và thiết bị đo thông số đầu ra
17 Đo năng lượng hao phí: Mức tiêu thụ điện năng được xác định bằng phương pháp đo cảm ứng điện từ. Bộ đo công suất được kết nối với máy tính và cho ra các thông số chính của động cơ bao gồm: Thời gian trộn; Tốc độ quay của động cơ; Công suất tiêu thụ của động cơ. 220v/380v tốc độ Dây kết nối với cảm biến tốc Tủ điện độ Biến tần Tủ đo công suất, máy tính Dây kết nối với Máy tính xách tay Máy trộn BTXM hai trục ngang Hình 4. 3. Sơ đồ đo tiêu thụ năng lượng trộn và tốc độ quay của động cơ dẫn động máy trộn 4.2. Thí nghiệm xác định hệ số cản chuyển động (K) của bàn tay trộn trong cấp phối vật liệu và so sánh với kết quả nghiên cứu lý thuyết - Số lần làm thí nghiệm: 31 lần. Trong quá trình làm các thí nghiệm, các thông số kết cấu, thông số làm việc của máy trộn, thời gian trộn; tỉ lệ cấp phối và thể tích vật liệu nạp vào buồng trộn được thực hiện giống nhau và không thay đổi. Sau khi làm thí nghiệm, luận án thu được hệ số cản chuyển động K = 36623 (N/m2). So sánh sự sai lệch giá trị của hệ số cản chuyển động K đưa vào công thức tính công suất của động cơ dẫn động máy trộn với xác định bằng thực nghiệm, thu được kết quả. 36623 35000 .100% 4,43%. (4. 1) 36623 4.3. Thí nghiệm ảnh hưởng đồng thời của bốn thông số kết cấu của máy trộn đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn, chất lượng của BTXM sau khi trộn và so sánh với kết quả nghiên cứu lý thuyết Sau khi tiến hành thí nghiệm theo bảng ma trận, luận án xác định được công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn bằng thực nghiệm, từ đó so sánh với kết quả tính toán bằng lý thuyết (bảng 3.1) và thu được kết quả như dưới đây.
18 Bảng 4. 1. Bảng so sánh công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm Công suất tiêu thụ riêng Tỉ lệ % n α b k 3 chênh TT (kWh/m bê tông) (v/ph) (độ) (m) (mm) lệch N (lý thuyết) Y (thực nghiệm) 1 41 50 0,25 3 0,79 0,74 6,33 2 44 45 0,23 2 0,85 0,78 8,24 3 44 55 0,23 4 0,78 0,78 0,00 4 41 50 0,25 3 0,79 0,74 6,33 5 38 55 0,27 2 0,72 0,72 0,00 6 44 45 0,27 2 0,91 0,83 8,79 7 41 50 0,25 2 0,79 0,77 2,53 8 38 55 0,27 4 0,71 0,67 5,63 9 38 45 0,23 2 0,73 0,62 15,07 10 38 55 0,23 4 0,67 0,63 5,97 11 41 50 0,25 3 0,79 0,74 6,33 12 41 50 0,25 4 0,78 0,72 7,69 13 44 50 0,25 3 0,85 0,81 4,71 14 41 50 0,25 3 0,79 0,74 6,33 15 44 55 0,27 2 0,84 0,90 6,67 16 41 50 0,25 3 0,79 0,74 6,33 17 38 45 0,27 2 0,78 0,66 15,38 18 41 50 0,27 3 0,81 0,76 6,17 19 38 50 0,25 3 0,73 0,65 10,96 20 38 45 0,23 4 0,73 0,58 20,55 21 38 55 0,23 2 0,67 0,68 1,47 22 41 45 0,25 3 0,82 0,71 13,41 23 44 55 0,23 2 0,78 0,84 7,14 24 41 50 0,25 3 0,79 0,74 6,33 25 38 45 0,27 4 0,78 0,61 21,79 26 44 45 0,23 4 0,85 0,72 15,29 27 41 50 0,25 3 0,79 0,74 6,33 28 41 55 0,25 3 0,75 0,77 2,60 29 44 45 0,27 4 0,91 0,76 16,48 30 41 50 0,23 3 0,76 0,72 5,26 31 44 55 0,27 4 0,83 0,84 1,19 Sử dụng phần mềm Excel 2010 để đánh giá sự sai khác giữa công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn được tính toán bằng lý thuyết và thực nghiệm như dưới đây.
19 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 N (kWh/m(kWh/m33 bê bê tông) tông) 0.70 Y (kWh/m(kWh/m33 bê bê tông) tông) 0.65 0.60 0.55 0.50 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Trường hợp làm thí nghiệm Hình 4. 4. Đồ thị so sánh công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn giữa tính toán lý thuyết với kết quả thí nghiệm 4.4. Xác định dãy máy trộn trong điều kiện thực tế Để xác định được dãy máy trộn trên cơ sở máy trộn đã thí nghiệm, trước hết cần sử dụng lý thuyết mô hình hóa. Khi áp dụng lý thuyết này, luận án coi máy trộn thí nghiệm là máy trộn “mô hình” sau đó sử dụng các chuẩn số đồng dạng để tính chọn các thông số của dãy máy trộn. 4.4.1. Lý thuyết cơ bản của đồng dạng Cơ sở của mô hình hoá là sự đồng dạng của đối tượng được tổng quát theo những phương trình, công thức và được gọi là chuẩn số đồng dạng. Những tập hợp này bao gồm các thông số vật lý đặc trưng cho đối tượng nghiên cứu. Vì vậy lý thuyết đồng dạng là học thuyết về phương pháp nghiên cứu hiện tượng, thể hiện bởi những tập hợp không thứ nguyên [14]. Công thức thứ nguyên có dạng mũ tổng quát: [ ] = [ ] .[퐿] .[ ] (4. 2) Với: M- khối lượng, (kg); L- chiều dài, (m); T- Thời gian, (giây); , ,  - Số mũ. Ứng dụng phương pháp mô hình đồng dạng và phân tích thứ nguyên [14] để xác định thông số “vào” trong thực nghiệm: , L t, Rt, S, a, b1, b, , k, Ltr, d, , , f, W, g. Thông số "đầu ra" được xác định trong thực nghiệm trên mô hình máy trộn hai trục ngang là tiêu thụ năng lượng riêng N/Q. Năng suất trộn Q phụ thuộc vào các yếu tố chính sau: Q = f (, Lt, Rt, S, a, b1, b, , k, Ltr, d, , , f, W, g) (4. 3) Sau khi lựa chọn các đại lượng cơ bản, xây dựng phương trình dưới dạng công thức thứ nguyên và xác định các số mũ  i, i, i cho các chuẩn số đồng dạng trên cơ sở phân tích các thứ nguyên, luận án thu được các chuẩn số đồng dạng dưới đây:
20 Q b L R S  ; . 1 ; t ; t ; ; 1 5 2 g 3 b 4 b 5 b b1 .g 1 1 1 a b k L tr d  6 ; 7 ;8 ; 9 ;10 ;11 ; b1 b1 b1 b1 b1 12 ;13 f;14 W. 4.4.2. Xác định các thông số của dãy máy trộn bằng chuẩn số đồng dạng Từ các chuẩn số đồng dạng ở trên luận án tiến hành xác định dãy máy trộn trong điều kiện thực tế. Để làm được điều đó, trước hết phải xác định công suất tiêu thụ nhỏ nhất của động cơ dẫn động máy trộn đồng thời thỏa mãn 2 điều kiện: Cường độ chịu nén của bê tông lớn nhất và độ sụt của bê tông đạt yêu cầu bằng cách sử dụng kết quả của bảng ma trận đã thí nghiệm và ứng dụng phần mềm minitab 16.0 để tính toán tối ưu. Sau khi tính toán, thu được kết quả như sau: Công suất tiêu thụ riêng nhỏ nhất của động cơ dẫn động máy trộn Ymin = 0,7033 3 (kWh/m bê tông); cường độ chịu nén của bê tông lớn nhất là Cbtmax = 41,2808 (MPa); độ sụt của bê tông tươi S btđ = 18,4330 (cm); các giá trị trên đạt được ở tốc độ quay của trục trộn n = 41,7576 (vòng/phút); góc nghiêng của bàn tay trộn α = 450; bề rộng của bàn tay trộn b = 0,23 (m); khe hở giữa bàn tay trộn với vỏ thùng trộn k = 3,1717 (mm). Optimal X1 (v/ph X2 (độ) X3 (m) X4 (mm) High 44,0 55,0 0,270 4,0 D Cur [41,7576] [45,0] [0,230] [3,1717] 0,78351 Low 38,0 45,0 0,230 2,0 Composite Desirability 0,78351 Y (kWh/m Minimum y = 0,7033 d = 1,0000 C (MPa) Maximum y = 41,2808 d = 1,0000 S (cm) Targ: 18,0 y = 18,4330 d = 0,61389 Hình 4. 5. Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa các thông số “đầu vào” và “đầu ra” của thí nghiệm
21 Từ kết quả tính toán tối ưu ở trên, luận án đã sử dụng các chuẩn số đồng dạng, để xác định dãy máy trộn trong điều kiện thực tế và thu được bảng kết quả như dưới đây. Bảng 4. 2. Bảng các thông số kỹ thuật của các máy trộn xác định được thông qua các chuẩn số đồng dạng T Các thông số Máy trộn MT1 MT2 MT3 T “mô hình” 3 1 Dung tích của thùng trộn, Vt (m ) 1,0 2,0 3,0 4,0 2 Số vòng quay của trục trộn, n 41,75 35,04 31,65 29,52 (vòng/phút) 3 Chiều dài thùng trộn, Lt (m) 1,25 1,78 2,18 2,50 4 Bán kính cong của thùng trộn, Rt (m) 0,40 0,57 0,69 0,80 5 Bước vít, S (m) 0,785 1,114 1,366 1,570 6 Chiều dài cánh tay trộn, a (m) 0,26 0,37 0,45 0,52 7 Bề rộng của cánh tay trộn, b1 (m) 0,05 0,07 0,09 0,10 8 Bề rộng của bàn tay trộn, b (m) 0,23 0,33 0,40 0,46 9 Góc nghiêng của bàn tay trộn, (độ) 45 45 45 45 10 Khe hở giữa bàn tay trộn và vỏ thùng 3,17 4,50 5,52 6,34 trộn, k (mm). 11 Chiều dài của trục trộn, Ltr (m) 1,30 1,84 2,26 2,60 12 Đường kính của trục trộn, d (m) 0,20 0,28 0,35 0,40 13 Công suất của động cơ dẫn động máy 16,88 40,56 67,41 95,49 trộn, Nđc (kW) 14 Hệ số điền đầy thùng trộn,  0,5 0,5 0,5 0,5 15 Năng suất lý thuyết của máy trộn, Q (m3/h) với giả thiết thời gian trộn là như 24 48 72 96 nhau, T = 75 (giây) 16 Công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn, N (kWh/m3 bê 0,703 0,845 0,936 0,995 tông) Nhận xét: - Từ máy trộn "mô hình" luận án hoàn toàn có thể xác định được các thông số kết cấu và thông số làm việc của các máy trộn có dung tích thùng trộn là 2, 3, 4 m3. - Công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động các máy trộn có dung tích thùng trộn khác nhau thì khác nhau. Điều này được lý giải bởi nguyên nhân sau đây: Nếu coi hệ số đầy thùng trộn () và thời gian trộn (T) là như nhau, thì năng suất lý thuyết của máy trộn (Q) sẽ tỉ lệ thuận với hàm bậc nhất của dung tích thùng trộn (Vt), hay có thể nói nếu giữ nguyên chiều dài thùng trộn (Lt) thì năng suất lý thuyết
22 của máy trộn sẽ tỉ lệ thuận với hàm bậc nhất của bán kính cong thùng trộn (R t). Trong khi đó, công suất của động cơ dẫn động máy trộn (N) được xác định theo chuẩn số đồng dạng lại tỉ lệ với hàm mũ 2/5 của bán kính thùng trộn, dẫn đến công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động các máy trộn (N/Q) có sự khác nhau. - Từ kết quả đo đạc thực nghiệm và tính toán tối ưu các thông số kết cấu, thông số làm việc trên máy trộn "mô hình", thì công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo chất lượng của bê tông (C30/38,5) sau khi trộn là N = 0,703 (kWh/m3 bê tông). Do đó, để giảm tiêu hao năng lượng trộn 3 của các máy trộn có dung tích thùng trộn là 2, 3, 4 m mà vẫn đảm bảo chất lượng của bê tông (C30/38,5) sau khi trộn, hoàn toàn có thể giảm công suất của động cơ dẫn động các máy trộn nêu trên, cụ thể là: Giảm 17% ứng với máy trộn có dung tích thùng trộn 2 m3, giảm 25% ứng với máy trộn có dung tích thùng trộn 3 m 3 và giảm 29% ứng với máy trộn có dung tích thùng trộn 4 m 3. Có thể nói theo một cách khác, nếu giữ nguyên giá trị công suất (được xác định thông qua các chuẩn số đồng dạng) của động cơ dẫn động các máy trộn có dung tích thùng trộn 2, 3, 4 m 3, thì khả năng quá tải của các máy này sẽ cao hơn máy “mô hình”. Do đó các máy này có thể trộn được nhiều loại bê tông có cấp phối lớn hơn, các loại cốt liệu đá có độ bền cao hơn. KẾT LUẬN CHƯƠNG IV - Luận án đã tiến hành thí nghiệm và xác định được giá trị của hệ số cản chuyển động của bàn tay trộn trong cấp phối vật liệu chế tạo bê tông mác C30/38,5 là: K = 36623 (N/m2). Mặc dù có sự sai khác so với hệ số K được sử dụng trong tính toán lý thuyết [K = 35000 (N/m2)], tuy nhiên mức độ sai khác này tương đối nhỏ ( = 4,43%) có thể chấp nhận được. - Luận án đã tiến hành làm thí nghiệm ảnh hưởng đồng thời của 4 thông số kết cấu của máy trộn đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn và so sánh với kết quả tính toán lý thuyết cho thấy, dạng đồ thị công suất tiêu thụ riêng của động cơ dẫn động máy trộn giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm tương đối giống nhau. Điều đó, chứng tỏ rằng công thức xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn luận án đã xây dựng được, phản ánh tương đối chính xác và đầy đủ các thành phần lực cản, lực ma sát phát sinh trong quá trình làm việc của máy trộn. - Luận án đã sử dụng phần mềm Minitab 16.0 để phân tích ảnh hưởng của một số thông số đến công suất tiêu thụ riêng của máy trộn. Kết quả phân tích cho thấy: Tốc độ trộn có ảnh hưởng nhiều nhất, còn góc nghiêng của bàn tay trộn, bề rộng của bàn tay trộn và khe hở giữa bàn tay trộn với vỏ thùng trộn ảnh hưởng ít hơn. - Từ kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm, thấy rằng: Công suất động cơ dẫn động máy trộn ở giai đoạn trộn khô lớn hơn giai đoạn trộn ướt. Do đó, cần lựa chọn động cơ lắp trên máy trộn theo công suất ở giai đoạn trộn khô.
23 - Bằng cách ứng dụng lý thuyết mô hình đồng dạng và phân tích thứ nguyên, luận án đã xác định được các chuẩn số đồng dạng, xác định thông số “vào”, “ra” của máy trộn. Sau khi tiến hành các thí nghiệm và phân tích, xử lý số liệu đã xác định được các giá trị tối ưu của thông số "vào": Góc nghiêng giữa bàn tay trộn và trục trộn, α = 45 0; Tốc độ quay của trục trộn, n = 41,75 (vòng/phút); Bề rộng của bàn tay trộn, b = 0,23 (m); Khe hở giữa bàn tay trộn và vỏ thùng trộn, k = 3,17 3 (mm). Thông số đầu ra Y min = 0,70 (kWh/m bê tông); từ đó ứng dụng các chuẩn số đồng dạng để xác định các thông số cho các máy trộn có dung tích thùng trộn là 2, 3, 4 (m3). KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận: Sau khi nghiên cứu các vấn đề còn tồn tại liên quan đến đề tài luận án trên thế giới và trong nước (phần tổng quan), tác giả đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên máy trộn BTXM hai trục ngang, dung tích thùng trộn 1m3 do Việt Nam chế tạo và thu được những kết quả như dưới đây: 1. Luận án đã xây dựng được công thức tính tỉ lệ % khối lượng vật liệu chuyển động theo 3 phương trong thùng trộn BTXM hai trục ngang với dung tích 1m3 do Việt Nam chế tạo, cụ thể: Khối lượng vật liệu chuyển động vòng theo vỏ thùng trộn chiếm 62,72%, dọc theo trục trộn: 36,39% , được nâng lên cao: 0,89% (bảng 2.1). 2. Luận án đã xây dựng được công thức xác định công suất dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang ở hai giai đoạn là trộn khô và trộn ướt. Kết quả tính toán cho thấy, công suất của động cơ dẫn động máy trộn có dung tích thùng trộn 1m3 ở giai đoạn trộn khô (NK = 26,30 kW) lớn hơn giai đoạn trộn ướt (NU = 9,81 kW), (bảng 2.2). 3. Luận án đã ứng dụng phần mềm Visual Basic 6.0 để xây dựng chương trình "Tính công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang" đang sử dụng phổ biến ở Việt Nam và so sánh kết quả tính toán bằng công thức luận án đề xuất với cách tính công suất của các tác giả trước đó (bảng 2.3). 4. Luận án đã ứng dụng phần mềm Visual Basic 6.0 để xây dựng được chương trình "Tính chọn mặt cắt hợp lý của cánh tay trộn theo tiêu chí tiết kiệm năng lượng trộn". Kết quả tính toán cho thấy, với máy trộn có có dung tích thùng trộn 1m3 do Việt Nam chế tạo, nên sử dụng cánh tay trộn có mặt cắt ngang hình chữ nhật sẽ cho chi phí năng lượng tiêu thụ riêng là nhỏ nhất. 5. Luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học của thùng trộn đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang, dung tích thùng trộn 1m3 do Việt Nam chế tạo. Kết quả tính toán cho thấy, nên chọn tỉ lệ giữa chiều dài thùng trộn với đường kính thùng trộn là Lt /Dt = 2, thì công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn là nhỏ nhất. 6. Luận án đã ứng dụng phần mềm Minitab 16.0 để xây dựng bảng ma trận thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm theo bảng ma trận đó. Sau khi xử lý các kết quả đo bằng phần mềm Minitab 16.0 đã thu được những kết quả sau:
24 - Công suất tiêu thụ riêng nhỏ nhất của động cơ dẫn động máy trộn 3 Ymin = 0,70 (kWh/m bê tông); cường độ chịu nén của bê tông lớn nhất là Cbtmax = 41,28 (MPa); độ sụt của bê tông tươi S btđ = 18,43 (cm); các giá trị trên đạt được ở tốc độ quay của trục trộn n = 41,75 (vòng/phút); góc nghiêng của bàn tay trộn α = 450; bề rộng của bàn tay trộn b = 0,23 (m); khe hở giữa bàn tay trộn với vỏ thùng trộn k = 3,17 (mm). - Tốc độ trộn ảnh hưởng lớn nhất đến công suất của động cơ dẫn động máy trộn; còn góc nghiêng của bàn tay trộn, bề rộng của bàn tay trộn và khe hở giữa bàn tay trộn với vỏ thùng trộn thì ảnh hưởng ít hơn. 7. Bằng cách ứng dụng lý thuyết mô hình đồng dạng và phân tích thứ nguyên, luận án đã xác định được các chuẩn số đồng dạng, xác định thông số “vào”, “ra” của máy trộn, từ đó ứng dụng các chuẩn số đồng dạng để xác định các thông số cho các máy trộn có dung tích thùng trộn là 2, 3, 4 (m3), (bảng 4.2). 2. Kiến nghị: 1. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn và chất lượng của bê tông sau khi trộn. Luận án mới dừng ở nghiên cứu 4 thông số ảnh hưởng là: Tốc độ quay của trục, góc nghiêng của bàn tay trộn, bề rộng của bàn tay trộn và khe hở giữa bàn tay trộn với vỏ thùng trộn. Vì vậy cần tiếp tục mở rộng phạm vi nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số khác để hoàn chỉnh cơ sở khoa học cho công tác thiết kế máy trộn. 2. Đối với các máy trộn BTXM hai trục ngang do Việt Nam sản xuất, nên lựa chọn công suất của động dẫn động máy trộn theo hệ số quá tải cho phép của động cơ và công suất tính được ở giai đoạn trộn khô. 3. Do động cơ làm việc ở các mức tải khác nhau trong quá trình làm việc của máy trộn, do đó để nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ và tiết kiệm năng lượng trộn bằng cách sử dụng các động cơ điện có hiệu suất cao và lắp thêm các biến tần trên các trạm trộn. 3. Hướng nghiên cứu tiếp theo: 1. Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông khác đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động máy trộn và chất lượng của bê tông sau khi trộn, như cách bố trí cánh trộn (kiểu có cánh âm ở đoạn giữa trục, kiểu có gắn thêm các cánh trộn trên thùng trộn, kiểu xoắn ), hình dạng của bàn tay trộn, khoảng cách giữa các cánh trộn, kích thước và vị trí lắp đặt cửa nạp vật liệu và cửa xả bê tông 2. Nghiên cứu cách cấp vật liệu cho buồng trộn (cấp một lần, cấp nhiều lần, thứ tự cấp) để giảm thời gian trộn và nâng cao hiệu quả trộn. 3. Nghiên cứu sự thay đổi của công suất tiêu thụ động cơ dẫn động máy trộn và hiệu quả trộn khi thay đổi cách cấp xi măng (cấp xi măng khô, cấp hồ xi măng và cấp theo giai đoạn).