Xác định mối quan hệ giữa các thông số động lực học của hệ rung làm tăng độ bền, độ chống thấm của máng xi măng lưới thép

Nội dung tài liệu: Xác định mối quan hệ giữa các thông số động lực học của hệ rung làm tăng độ bền, độ chống thấm của máng xi măng lưới thép

1. VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN C HỌC TRƯ NG QUỐC BÌNH XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ RUNG LÀM TĂNG ĐỘ BỀN ĐỘ CHỐNG THẨM CỦA MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP Chuyên ngành: C KỸ THUẬT Mã số : 62 52 01 01 T M TẮT LUẬN ÁN TI N S C HỌC HÀ NỘI 2014
2. Công trình được hoàn thành tại Viện Cơ Học - Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Văn Tuấn Phản biện 1: GS.TSKH Phạm Văn Lang Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thái Chung Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại Viện Cơ học- Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam Vào hồi giờ ngày tháng năm 2014 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam
3. 1 MỞ ĐẦU Kênh và cầu máng xi măng lưới thép (XMLT) chế tạo bằng công nghệ rung ngày càng được áp dụng rộng rãi trong ngành Thuỷ lợi - Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, kết cấu này được Nhà nước đã và đang đầu tư nhiều tỷ đồng cho việc kiên cố và hiện đại hóa hệ thống tưới tiêu nước nhằm đẩy mạnh phát triển nông nghiệp - lương thực, một trong những mục tiêu quan trọng nhất để phát triển Việt Nam trong giai đoạn mới. Vì vậy đề tài luận án: “Xác định mối quan hệ giữa các thông số động lực học của hệ rung làm tăng độ bền, độ chống thấm của máng xi măng lưới thép” là hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn tốt. - Mục đích: nghiên cứu các ảnh hưởng của thông số dao động của hệ rung đối với độ bền và độ chống thấm của cầu máng XMLT; nghiên cứu các đặc điểm của hệ dao động theo một phương truyền thống, các thuận lợi cũng như hạn chế của hệ, đề xuất hệ rung mới chế tạo máng XMLT và phân tích các thông số ảnh hưởng có lợi cho sự rung đầm chặt của bê tông, nhằm làm tăng độ bền cũng như độ chống thấm của kết cấu XMLT chế tạo bằng phương pháp rung. - Nội dung nghiên cứu: 1.Tìm hiểu về phạm vi sử dụng, đặc thù kết cấu XMLT và vật liệu chế tạo chúng. Nghiên cứu các phương pháp sản suất (đúc rung - tạo hình và lèn chặt sản phẩm) bê tông cốt liệu nhỏ, đề xuất loại máy rung hai phương cộng hưởng sử dụng hiệu ứng tuyến tính hóa ma sát.2. Nghiên cứu mô hình máy rung hai phương cộng hưởng; khảo sát ảnh hưởng của các thông số động học, động lực học tới độ bền và độ chống thấm của XMLT. Đề xuất quy trình thiết kế máy rung thí nghiệm. 3. Thiết kế, chế tạo máy rung 2 phương cỡ nhỏ và tiến hành đo, so sánh các thông số chính của máy với tính toán lý thuyết; đo, so sánh độ bền nén và độ chống thấm của mẫu
4. 2 khuôn các cấp phối bê tông cốt liệu nhỏ trên máy rung một và hai phương. Đúc thử mẫu máng XMLT và đề xuất quy trình ứng dụng kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho việc chế tạo máng XMLT thực tế. Đưa ra các kết luận và kiến nghị. - Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: các chế độ làm việc của máy rung một phương và hai phương ảnh hưởng đến chất lượng của kết cấu XMLT về độ bền và độ chống thấm. Các thông số chủ yếu gồm biên độ dao động, vận tốc cũng như gia tốc.vv được khảo sát kỹ để tìm được các ảnh hưởng có lợi cho rung đầm chặt bê tông, các thông số này được đo đạc kiểm chứng thông qua thực nghiệm. - Phương pháp nghiên cứu: sử dụng phương pháp giải tích về dao động theo 2 phương. Áp dụng phương pháp thực nghiệm trong đo đạc và kỹ thuật để chế tạo máy rung và các mẫu bê tông. Phương pháp số đã được dùng để tính toán so sánh, phân tích tổng hợp kết quả. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Chế tạo các kết cấu bê tông đúc sẵn trong đó có kênh, cầu máng XMLT mang một ý nghĩa khoa học đáng kể. Việc nghiên cứu cải tiến, đổi mới hơn nữa công nghệ rung sẽ tiếp tục tạo ra những công trình tưới tiêu đóng góp thiết thực vào việc nâng cao năng suất cây trồng, tiết kiệm đất đai, giảm chi phí duy tu bảo dưỡng công trình. Áp dụng công nghệ chế tạo kết cấu XMLT nói chung và kênh, cầu máng XMLT nói riêng bằng phương pháp rung công nghiệp tiên tiến quy mô lớn là rất quan trọng và cấp thiết để thực hiện mục tiêu to lớn nói trên của Nhà nước và nhân dân. Luận án gồm phần mở đầu, 3 chương nội dung và phần kết luận, các công trình công bố của tác giả, tài liệu tham khảo và phụ lục.
5. 3 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Kết cấu XMLT vỏ mỏng Phần này trình bày sơ lược lịch sử phát triển kết cấu XMLT 1 Ứng d ng kết cấu xi măng lưới thép 1 3 Cầu máng XMLT 1.3.1 Khái quát chung. Cầu máng là một công trình dẫn nước được dùng khi các tuyến kênh gặp các trở ngại cần phải vượt qua như: sông, suối, thung lũng, kênh rạch, vùng đất trũng hoặc thay thế một đoạn kênh qua vùng đất thấm nước nhiều Cầu máng thường làm bằng bêtông cốt thép hoặc xi măng lưới thép. 1 3 Dạng mặt cắt thân máng Thân máng có nhiều dạng mặt cắt như hình 1.4 tùy theo các thuận lợi khi thiết kế và thi công. a) b) c) d) e) Hình 1.4 Các dạng mặt cắt ngang thân máng Khi chế tạo thường làm thành các đoạn theo thiết kế. Mặt cắt ngang kết cấu hình thang, hình chữ U thường được dùng. 1.3.3 Phân tích về cường độ cầu máng XMLT a) Phân tích nội lực thân máng theo lý thuyết dầm. b) Phân tích nội lực theo lý thuyết vỏ: Vẽ được biểu đồ ứng suất, biến dạng của máng XMLT. 1.3.4 Phân tích về độ chống thấm của cầu máng XMLT Để đảm bảo độ bền và tuổi thọ của kết cấu XMLT cần ngăn chất lỏng và các chất gây hại xâm nhập vào kết cấu qua mặt tiếp xúc ngoài.Yêu cầu kỹ thuật bê tông thủy công quy định về độ chống thấm
6. 4 ở tuổi 28 ngày, xác định bằng mác chống thấm theo quy phạm 14TCN 63-2002. 1.4. Một số công nghệ chế tạo kênh, cầu máng XMLT 1.4.1 Chế tạo bằng thủ công. 1 4 Chế tạo bằng vữa tự lèn. 1 4 3 Chế tạo bằng phương pháp phun. 1 4 4 Chế tạo bằng phương pháp rung Có nhiều phương thức rung: rung toàn khối, rung mặt hoặc rung khuôn. Rung toàn khối được dùng là chủ yếu, vật rung gắn với hệ khung cứng, đặt trên hệ lò xo và được kích rung cưỡng bức. Hiệu ứng đầm chặt phụ thuộc các thông số rung như biên độ, vận tốc, gia tốc, độ cứng lo xo nên có thể điều chỉnh các thông số để có được hiệu quả đầm chặt cao nhất. 1 5 Một số tính chất lưu biến ảnh hưởng đến rung lèn chặt b tông. Thành phần h n hợp của bê tông và liều lượng, tính chất của t ng thành phần, (đặc biệt là hình dạng cốt liệu, kích cỡ lớn nhất, cấp phối, độ xốp, cấu trúc mặt ngoài của cốt liệu), và lượng tham gia của vữa (nước và xi măng), tỉ lệ pha trộn, thời gian đều ảnh hưởng đến rung lèn chặt bê tông. Những hiểu biết về các tính chất lưu biến làm cho việc đầm chặt có hiệu quả hơn. 1 6 Rung lèn chặt h n h p b tông 1 6 1 Giới thiệu chung. Có hơn 90% sản phẩm bê tông được tạo hình liên quan đến phương pháp rung.Trong rung đúc chế tạo kết cấu bê tông và nhất là kết cấu vỏ mỏng XMLT, nguồn kích động thường dùng là kích động bằng khối lệch tâm. Dạng bài toán dao động được sử dụng nhiều là dao động cưỡng bức có ma sát nhớt với sơ đồ nguyên lý rung một khối lượng. 1 6 Phân tích cố kết đầm chặt của quá tr nh rung
7. 5 Phân tích các giai đoạn cố kết đầm chặt của bê tông là rất quan trọng, được chia làm 3 hướng phân tích chủ yếu: khi coi h n hợp bê tông tươi có cấu trúc như mạng tinh thể, dẫn đến có thể chọn tần số rung hợp lý phụ thuộc vào kích thước cốt liệu. Khi coi h n hợp bê tông tươi có tính chất như môi trường liên tục có tính đàn nhớt do có lẫn bọt khí, thì có thể giải thích quá trình làm chặt h n hợp bê tông bằng phương trình truyền sóng. Khi chấp nhận giả thuyết về cường độ rung hợp lý dựa trên kinh nghiệm thì cường độ rung được xác định dựa vào biên độ rung và tần số rung : I = A2.f 3 1 6 3 Ảnh hưởng của rung đầm chặt đến cường độ của b tông. Rung đầm chặt của một cấu kiện dạng hạt sẽ có kết quả khi đặt được các phần tử vào chuyển động. Cường độ nén chịu ảnh hưởng của tần số, vận tốc và gia tốc rung với tỷ lệ nước-xi măng khác nhau. 1 6 4 Ảnh hưởng của rung đầm chặt đến độ chống thấm của b tông: Bê tông cần có khả năng chống thấm vì thấm làm giảm tuổi thọ và độ bền công trình. Độ chống thấm của bê tông phụ thuộc độ r ng của nó xác định thông qua các kết quả đo đạc thí nghiệm. Rung đầm chặt đã làm giảm thể tích và các micro l r ng và mao quản trong bê tông nên làm tăng độ chống thấm của bê tông. 1 6 5 Dao động của hệ kích rung bằng khối lệch tâm đ đ c cầu máng XMLT. Hiện nay thường dùng dạng dao động cưỡng bức có ma sát nhớt, kích động bằng khối lệch tâm với sơ đồ nguyên lý rung một khối lượng và rung theo một phương như hình 1.13. Phương trình dao động: (mo + m1) y + by y + Cy y = Fa cosωt
8. 6 1 Y Trong đó: m0 – Khối lượng lệch 2 o tâm, kg; m1 -Tổng khối lượng dao 3 động (không kể m0), kg; Cy – Tổng C b Y Y độ cứng của lò xo theo phương đứng Hình1.13 Mô hình rung OY, N/m; by – Hệ số giảm chấn, N.s m; ω – Vận tốc góc của khối theo phương đứng gây rung, 1 s; r – Độ lệch tâm của 1-Bàn rung; 2-Cơ cấu gây khối gây rung, m; t – Thời gian, s. rung; 3-Lò xo theo phương đứng OY. Đặt M = m0 + m1, có thể viết: 2 Fa y 2 hy y  oy y cos t M (1.8) 2 C y Trong đó Fa = mo rω là biên độ của lực gây rung, N; ωoy = M by - Tần số dao động riêng, 1/s; hy = - Hệ số tắt dần dao động, 1 s. 2M Với điều kiện đầu: t = 0 ; yy 0 ; yy 0 , nghiệm của (1.8) có dạng sau: ht y y00 hy y y = e ( y0cos  1t + sinω1t ) – 1 h hty 2 2y 2 2 Fa e 0 y  cos  1 t  0 y  sin  1 t  1 2 Mh 2  24 2  2 (1.9) 0 yy Ftaycos  2 22 2 2 Mh 0 yy  4  Trong đó : 22 , dao động tắt dần do tồn tại hệ số e hty . 10 yyh
9. 7 Thành phần dao động cưỡng bức bình ổn, viết được dưới dạng sau: y yaycos  t (1.10) Trong đó: y - góc lệch pha giữa lực kích thích và dịch chuyển. 2 mr0  y (1.11) a 2 Mh2  24 2  2 oy y 2h  tg y (1.12) y 22 0 y Các kết quả của (1.10), (1.11) đã được sử dụng để xác định các thông số của hệ rung theo 1 phương đứng để chế tạo cầu máng XMLT. 1 7 Kết luận chương 1 Cường độ của máng XMLT hoàn toàn được xác định thông qua phân tích nội lực thân máng theo các phương pháp dầm và lý thuyết vỏ mỏng không gian. Độ chống thấm của kết cấu XMLT được đánh giá và xác định theo thực nghiệm và quy định hiện hành của quy phạm. Các nhân tố quan trọng nhất là cường độ và độ chống thấm phụ thuộc vào các thông số rung đầm chặt của phương pháp rung. Phân tích đánh giá công nghệ chế tạo cho thấy công nghệ rung có rất nhiều ưu việt và có thể sử dụng phổ biến trên diện rộng. Các tài liệu nghiên cứu chỉ ra rằng: máy rung thẳng đứng cho sản phẩm có cường độ cao hơn máy rung theo phương ngang 10%. Dao động theo một phương thẳng đứng sản phẩm nhận được có cường độ giảm 15% so với rung hai phương.Tác giả của luận án cho rằng: t cơ sở lý thuyết của mô hình dao động và dựa trên các kết quả đã thu được của mô hình rung theo 1 phương, việc nghiên cứu thiết kế máy rung 2 phương cộng hưởng sẽ chế tạo được cấu kiện bê tông vỏ mỏng XMLT tốt hơn các loại máy rung khác hiện đang dùng.
10. 8 Chương NGHIÊN CỨU THI T K MÁY RUNG CỘNG HƯỞNG THEO PHƯ NG CH TẠO CẦU MÁNG XMLT 2.1. Nghi n cứu bản chất của quá tr nh rung phương chế tạo cấu kiện XMLT. Dao động theo 2 phương thẳng đứng và nằm ngang, với phương ngang có tốc độ lớn hơn so với phương đứng sẽ làm các hạt trượt lên nhau, ma sát theo phương đứng giảm do quá trình tuyến tính hóa ma sát, các hạt chìm xuống nhờ trọng lượng bản thân trong môi trường đã bị giả lỏng, làm cho quá trình làm chặt đạt hiệu quả hơn 1 1 Quá tr nh tu ến tính h a ma sát và chu n động của h n h p b tông trong mặt ph ng c ma sát. Hạt cốt liệu M chuyển động với vận tốc Vx và Vy trong mặt phẳng ma sát XOY, véc tơ tổng T tạo với OX góc α với tgα = Vy/Vx . Khi Vx>> Vy thì α khá nhỏ : tg Vyx/ V cos 1,sin Chiếu lực ma sát tổng T lên các trục: T = -Tcosα và T = -Tsinα , suy ra là x y nh . . Mặt phẳng ma sát Tx ≈ -T và Ty ≈ - αT= -T Vy/Vx XOY nếu tăng Vx , giảm Vy hoặc giảm α ≈Vy/Vx thì sẽ giảm lực ma sát Ty làm cho hạt chìm xuống nhanh hơn dẫn đến làm tăng hiệu quả đầm chặt.
11. 9 1 Rung phương, cộng hưởng theo phương ngang Sử dụng mô hình rung 2 phương và cho cộng hưởng theo phương ngang sẽ đem lại hiệu quả đầm chặt tốt hơn so với rung một phương. 2.2. Mô hình và phương tr nh của hệ kích rung bằng khối lệch tâm 1 Mô h nh động lực học má rung theo phương 4 1 x 2 C Hình 2.2. Mô hình máy rung 2 phương 3 bx 1.Bàn rung 2. Cơ cấu gây rung Y bY CY 3. Lò xo đứng 4.Lò xo ngang o X 2. Hệ phương tr nh dao động và lời giải: 2 (m0 m)x 1 b.x x C.x x m.r. 0  .cos  t (a) (2.5) 2 (m0 m)y 1 b.y y C.y y m.r. 0  .sin  t (b) Trong đó: mo -Tổng khối lượng cơ cấu gây rung (kg); m1-Tổng khối lượng dao động không kể mo (kg); Cx, Cy-Tổng độ cứng của lò xo theo phương Ox và Oy (N/m); bx, by - Hệ số giảm chấn theo 2 phương (N.s m);  - Vận tốc góc của khối gây rung (rad s); r-Độ lệch tâm khối gây rung(m); t-Thời gian(s). a) Phân tích dao động theo phương OX và OY: Giải (2.5), ta có các thông số cơ bản để tính toán thiết kế máy rung và cho máy làm việc ở chế độ cộng hưởng theo phương ngang để giảm ma sát: t (2.8), (2.9), (2.10), (2.12), (2.13), (2,14), (2.15), rút ra : x xax cos  t ; y = ya sin (ωt-φy) 2 2 mr0  mr0  xa ; ya 2 22 2 2 2 22 2 2 M ox  4h x  M oy  4h y 
12. 10 mr2 2 2h  xch 0 ox ; ch ox ; tg x a 22 x 22 x 22 2Mhxxox h ox 2h x 0x ch x - Tần số cộng hưởng theo phương Ox 3 Chọn sơ bộ một số thông số của má rung Theo thiết kế mặt cắt máng và chiều dài đoạn cầu máng, xác định được tổng khối lượng tham gia dao động M=1500 kg; Tốc độ quay động cơ được sử dụng nđc = 3000 v ph; Tần số góc làm việc ωlv = 314 rad s; Biên độ dao động ngang Xa = 0,3 ÷ 0,8 mm; Biên độ dao động đứng Ya = 0,2 ÷ 0,5 mm; Tỉ số vận tốc Vax / Vay> 1 làm cho ma sát theo phương đứng OY giảm, tăng khả năng làm chặt. 3 1 Xác định các thông số cơ bản của cơ cấu gâ rung và lò xo 2.3.1.1 Mômen tĩnh cần thiết morct Theo (2.22) rút ra : 2 2 Xtt.4 M  tt 2 h 2  2 a ox lv x lv m r 0,46 kg . m 0 ct 1000.2 lv tt ox là tần số dao động riêng theo phương OX. 3 1 Tính toán chọn lò xo phương đứng: Tổng độ cứng tính toán của các lò xo theo phương đứng được xác định theo công thức sau: 2 tt M.ωlv ΣCoy 2 (N/m) (2.23) ekn ekn = 8 ÷ 12 là hệ số kinh nghiệm, chọn ekn = 10; phương đứng OY bố trí my = 30 lò xo. Độ cứng của 1 lò xo đứng : tt Coy = Cmoy/ y = 1478940 /30 = 49298 (N/m). 3 1 3 Tính toán chọn lò xo phương ngang:
13. 11 Tổng độ cứng tính toán của các lò xo theo phương ngang Ox được xác định theo điều kiện gần điểm cộng hưởng bằng công thức sau: Ctt = M.ω 2= 1500. 3142=147894000 (N/m)  ox lv T đó chọn được số lượng 132 lò xo ngang. 2.3.2. Xác định các thông số bi n độ, vận tốc, gia tốc theo phương ngang OX 3 1 Bi n độ theo phương ngang Xa: Xác định theo biểu thức (2.9) : 1000.mr .2 X o lv (mm) (2.9) a 2 2 2 2 2 Mh(ox  lv ) 4 x .  lv Thay m0r = 0,46(kgm); M =1500 (kg), ωox = 305,32 (rad/s), hx = 60 (1 s), ω = 314 rad s vào (2.9) xác định được biên độ dao động theo phương OX là Xa= 0,7944 (mm). 2.3.2.2 Bi n độ vận tốc theo phương ngang OX: Biên độ vận tốc được xác định theo biểu thức sau (2.41): Vax = ω.Xa (mm/s) Thay ω = ωlv = 314 (rad/s), Xa = 0,7944 (mm) vào (2.41) ta có : Vax = 314. 0,7944 = 249,44 (mm/s) 2.3.2.3. Bi n độ gia tốc theo phương ngang OX: Biên độ gia tốc được xác định theo biểu thức sau : -3 2 2 X = 10 Xa.ω (m/s ) (2.42) a Thay ω = ωlv = 314 (rad/s), Xa = 0,7944 (mm) vào (2.42) ta có : -3 2 2 = 10 . 0,7944.314 = 78,32 (m/s ). 3 3 Xác định các thông số bi n độ, vận tốc, gia tốc theo phương đứng OY Làm tương tự như đối với phương ngang ta có: 3 3 1 Bi n độ theo phương đứng 2 1000.mro . lv (mm) (2.43) Ya Mh(2  2 ) 2 4 2 .  2 oy lv y lv
14. 12 Khi có kể đến ảnh hưởng của lò xo ngang tác dụng lên phương đứng: Ya = 0,48686 (mm) 2.3.3.2 Bi n độ vận tốc theo phương đứng OY: Biên độ vận tốc được xác định theo biểu thức sau: Vay = ω.Ya (mm/s) (2.55) Thay ω = ωlv = 314 (rad/s), Ya = 0,48686 (mm) vào (2.55) ta có Vay = 314.0,48686 = 152,87 (mm/s) 2.3.3.3 Bi n độ gia tốc theo phương đứng OY: Biên độ gia tốc -3 2 2 được xác định theo biểu thức sau :Ϋa = 10 Ya.ω (m/s ) (2.56) Thay ω = ωlv = 314 (rad/s), Ya = 0,48686 (mm) vào (2.56) ta có 2 -3 2 Ϋa = 0,48686.314 .10 = 48 (m/s ) 4 Khảo sát các mối quan hệ của bi n độ, tần số, thời gian rung khi đ c cầu máng XMLT 2 4 1 Khảo sát hàm bi n độ, vận tốc và gia tốc Với mor = 0,46 (kg.m); M = 1500 (kg); hx=60 (1/s) ; hy=50(1/s); tt tt Cox =139046752,7(N/m); Coy =1371741 (N/m)và các biểu thức đã thiết lập, ta vẽ được đồ thị biên độ (hình 2.4), vận tốc (hình 2.8) và gia tốc ( hình 2.12 ) dưới đây. T biểu thức (2.57); (2.58) cho ω thay đổi, ta có đồ thị Xa(ω); Ya(ω). Hình 2.4. Đồ thị hàm số Xa(ω) và Ya(ω)
15. 13 2.4.2. Khảo sát hàm vận tốc T các biểu thức (2.67), (2.68) vẽ được đồ thị Vax(ω); Vay(ω) sau: Hình 2.8. Đồ thị hàm số Vax(ω), Vay(ω) 2.4.3. Khảo sát hàm gia tốc Tương tự 2 đồ thị trên, t biểu thức (2.71), (2.72) vẽ được đồ thị gia tốc-tần số Ẍ(ω) và Ϋ(ω) sau: Hình 2.12. Đồ thị hàm số X a (ω), Ÿa(ω) 4 4 Sơ đồ qu tr nh tính c sự tr gi p của má tính Để dễ dàng trong các bước tính toán thiết kế, có thể sử dụng quy trình như sơ đồ hình 2.15.
16. 14 Hình 2.15 Sơ đồ quy trình tính toán có trợ giúp của máy tính
17. 15 Kết luận chương Xuất phát t nhiệm vụ đã nêu ở chương trước, tác giả đã lựa chọn phương pháp rung theo 2 phương hiệu quả hơn phương pháp rung 1 phương truyền thống để đúc các cấu kiện vỏ mỏng bằng bê tông hạt mịn. Trong chương này đã trình bày nghiên cứu về mặt bản chất cũng như tính toán cụ thể phương pháp rung 2 phương chế tạo cầu máng XMLT, đặc biệt vấn đề tuyến tính hóa ma sát đã chứng minh được là: sự giảm ma sát theo phương đứng làm cốt liệu chìm xuống nhanh hơn, tăng hiệu quả của rung đầm chặt bê tông tươi. Các thông số ảnh hưởng đến bản chất rung đầm chặt của bài toán rung theo 2 phương đã được xác định. Tác giả đã phân tích các ảnh hưởng có lợi cho rung đầm chặt về mặt biên độ, tần số, thời gian rung và các hệ số liên quan khác như hệ số cản h, hệ số k xét ảnh hưởng của h n hợp bê tông cùng tham gia dao động, tổng khối lượng M tham gia dao động, đặc biệt là vận tốc rung theo phương ngang khi có cộng hưởng ngang có thể được điều khiển để Vx> Vy khá lớn, triệt để lợi dụng hiện tượng tuyến tính hóa ma sát. Trong chương này tác giả đã trình bày cơ sở tính toán, trong đó đưa ra các công thức cơ bản để tính chọn các thông số thiết kế máy rung theo 2 phương như tổng khối lượng tham gia rung M, tần số làm việc của động cơ gây rung ωlv, mô men tĩnh gây rung mor, độ cứng lò xo trong đó có chỉ dẫn các bước tính toán thiết kế và sơ đồ quy trình tính toán có trợ giúp của máy tính. Thông qua biểu thức xác định giá trị biên độ (2.9); (2.14) và các giá trị khảo sát trong bảng 2.5 cho thấy: khi tần số làm việc ωlv=314 rad/s thì tổng biên độ dao động của máy rung 2 phương có giá trị là A 0,794422 0,4869 0,932 mm là khá lớn khi so sánh với các máy rung thí nghiệm (thường A= 0,5 mm; ωlv =314 rad/s).
18. 16 ωlv =314 rad s). Để có biên độ tương đương cần lựa chọn các thông số phù hợp hơn. Chương 3: CH TẠO MÁY RUNG PHƯ NG VÀ K T QUẢ THỬ NGHIỆM 3.1. Thiết kế chế tạo mô h nh má rung hai phương mới 3.1.1. Phân tích về đồng dạng của mô h nh và má thực 3.1.1.1.Các mô h nh thực nghiệm cơ bản: Mô hình được chia thành mô hình toán học và mô hình vật lý. Mô h nh toán học dùng phương trình vi phân để mô tả một quá trình đã cho của đối tượng. Mô hình vật lý (đồng dạng) là mô hình cho nghiên cứu quá trình trong dạng thực và bảo đảm điều kiện vật lý của mô hình. 3.1.1.2.Chuẩn số đồng dạng và xác định chuẩn số đồng dạng Chuẩn số đồng dạng không có thứ nguyên là cơ sở cho việc thiết lập mô hình đồng dạng của đối tượng, sau khi xác định được chuẩn số đồng dạng cần tính toán thiết kế các thông số cơ bản của mô hình vật lý và chế tạo lắp đặt mô hình để tiến hành thực nghiệm. Đưa phương trình có thứ nguyên về dạng không thứ nguyên nhằm chứng tỏ mô hình thí nghiệm có kích thước bất kỳ và kết quả thu được bằng thí nghiệm đúng cho mọi kích thước mô hình. Các kết quả chứng tỏ: Vấn đề đồng dạng giữa mô hình thí nghiệm và máy thực không phải đặt ra. 3 1 Chế tạo máy rung phương: chế tạo máy rung 2 phương theo mô hình cơ học và cơ sở toán học đã trình bày trong chương 2 3.1.2.1. Ván khuôn thép: thiết kế và cấu tạo ván khuôn thép. 3 1 Kết cấu thép má rung Cấu tạo kết cấu thép máy rung đã được chọn, kết cấu máy hoàn toàn đối xứng, đủ không gian để bố trí đúc mẫu kênh máng mô hình, kết cấu thép được tính toán đảm bảo độ bền, độ ổn định khi vận hành.
19. 17 1. Mặt máy rung; 2. Khung đỡ cấu kiện; 3. Động cơ và quả văng kích rung; 4. Cụm lò xo đứng; 5.Cụm lò xo ngang; 6. Mặt bích đỡ cụm lò xo ngang; 7.Trụ đứng; 8. Đế máy; 9. Bu Hình 3.3 Máy rung 2 lông liên kết đế và móng máy. phương 3 1 3 Tính toán xác định và lựa chọn các thông số cơ bản của máy rung: Các thông số quan trọng nhất gồm: Biên độ rung của h n hợp bê tông hạt mịn nằm trong khoảng 0,3~0,8mm; Tần số rung, chọn theo giả thuyết cường độ rung hợp lý; thời gian rung tối ưu được tính toán khoảng 50s.Tổng khối lượng tham gia rung là 200 kg. 3 1 3 1 Chọn động cơ gâ rung và tính chọn các thông số má : Động cơ gây rung IB-36T (của Liên xô cũ) đã được chọn. 3 1 3 Tính toán ki m tra độ bền má rung mô h nh Xác định lực tác dụng và kiểm tra đảm bảo độ bền, độ ổn định. 3 1 3 3 Ki m tra công suất động cơ đã chọn Tính toán công suất cần thiết để duy trì dao động cho máy rung. 3 1 3 4 Khảo sát lý thu ết má rung mô h nh Các thông số động lực học cơ bản được xem xét đánh giá mức độ phù hợp với yêu cầu công nghệ, có thể được bổ sung, sửa đổi thiết kế để có kết quả tốt hơn, phù hợp hơn với sản phẩm. Với các số liệu ở t bảng 3.2: mor = 0,046 (kg.m); M = 200 (kg); C ox = 133278 (N/m); t C oy = 46078,3 (N/m); hx = 70 (1/s); hy = 60 (1/s) và theo quy trình tính toán ở hình 2.15, ta xây dựng được các đồ thị sau:
20. 18 a) Bi n độ - tần số Xa(ω), Ya(ω) Hình 3.13 Đồ thị hàm số Xa(ω) và Ya(ω), mor = 0,046 kg.m b) Vận tốc - tần số Hình 3.14 Đồ thị hàm số Vax(ω), Vay(ω), mor = 0,046 kg.m c) Gia tốc- tần số Hình 3.15 Đồ thị hàm số X a (ω), Ÿa(ω), mor = 0,046 kg.m 3.1.3.5. Khảo sát má rung với các mô men kích rung khác nhau: Đã tiến hành khảo sát tương tự với các quan hệ biên độ, vận tốc, gia tốc với tần số trong các trường hợp mô men kích rung mor khác nhau phù hợp động cơ gây rung đã chọn.
21. 19 3 1 4 Thí nghiệm ki m chứng các thông số cơ bản của máy rung mô hình: Máy rung 2 phương mô hình đã được Phòng nghiên cứu thực nghiệm cơ khí, bộ môn Máy xây dựng, trường Đại học Xây dựng kiểm tra các thông số rung cơ bản bằng các thiết bị đo tiên tiến, đã tìm ra chế độ rung cộng hưởng theo phương ngang, có các thông số gần với tính toán lý thuyết là ω=295 rad s. Bảng 3.7 cho kết quả đo biên độ - tần số của máy rung với t ng giá trị mô men tĩnh mor . T bảng kết quả vẽ được các đồ thị biên độ-tần số: Theo phương ngang Xa(ω): Hình 3.29 Đồ thị Xa - ωvới mor = 0,046 kg.m Theo phương đứng Ya(ω): Hình 3.32 Đồ thị Ya - ω với mor = 0,046 kg.m Nhận xét: Kết quả đo biên độ tần số của máy rung 2 phương cho thấy: quy luật làm việc của máy rung giống với tính toán của lý
22. 20 thuyết. Giá trị biên độ nằm trong khoảng (0,3~0,8)mm đo được thực tế là đạt được chế độ rung đầm chặt tốt của bê tông. - Ma sát ở đầu lò xo do liên kết có ảnh hưởng đến giá trị biên độ của dao động, có thể giảm được ma sát này bằng giải pháp căn chỉnh hoàn hảo hơn khi lắp ráp. - Kết quả đo cũng cho thấy, nên điều chỉnh chế độ mô men tĩnh để lấy các giá trị lớn là 0,036 kg.m và 0,046 kg.m để biên độ đạt yêu cầu. 3.2. Chế tạo các mẫu bê tông tiêu chuẩn bằng các máy rung 2 phương, 1 phương và so sánh. Máy rung 2 phương được dùng để đúc các mẫu bê tông hạt mịn bằng các khuôn bê tông tiêu chuẩn (10x10) cm cùng với máy rung 1 phương. Toàn bộ mẫu được bảo dưỡng 28 ngày theo tiêu chuẩn. Sau đó các mẫu đã được thử cường độ nén và đo độ chống thấm trên máy chuyên dùng trong phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng của trường Đại học Thủy lợi tuân theo tiêu chuẩn hiện hành. Hình 3.34. Quan hệ giữa cường độ và thời gian Rn – t
23. 21 a) Nhận xét về cường độ chịu nén: Với các lực kích rung của động cơ, máy rung 2 phương đều cho kết quả cường độ chịu nén lớn hơn so với bàn rung 1 phương. Cường độ nén của bê tông tăng trung bình 1,22 lần. (Với trường hợp mô men tĩnh gây rung mor = 0,046 kg.m). Cường độ chịu nén bê tông tăng dẫn đến mô đun đàn hồi E của vật liệu XMLT tăng lên (với cùng hàm lượng lưới thép trong vật liệu), XMLT là vật liệu rắn, đàn hồi và tuân theo định luật Hook. Hình 3.36 Quan hệ giữa áp lực thấm - thời gian rung - mômen tĩnh b) Nhận xét về độ chống thấm Các kết quả đo khả năng chống thấm của các mẫu đúc bằng bàn rung 2 phương đều cho kết quả tốt hơn so với máy rung 1 phương, cụ thể với mor = 0,029 kg.m cho áp lực thấm cao hơn khoảng 9 %; mor = 0,036 kg.m cho áp lực thấm cao hơn 20,45 %; mor = 0,046 kg.m áp lực thấm cao hơn 38,64 % so với bàn rung 1 phương c) Thời gian rung: Với cấp phối nhất định, thời gian rung thích hợp để bê tông có cường độ lớn nhất là t = 45s. Nhận xét chung.
24. 22 Với kết quả đo cường độ chịu nén và độ chống thấm của mẫu bê tông tương ứng thời gian đúc, ta thấy hoàn toàn có thể áp dụng máy rung 2 phương trong sản xuất chế tạo cấu kiện XMLT vỏ mỏng nói chung và cầu máng XMLT nói riêng, đáp ứng các yêu cầu thực tế trong xây dựng, thủy lợi, giao thông.vv Kết luận chương 3 Chương 3 trình bày cơ sở lý luận về đồng dạng tương tự của mô hình và máy thực, kiểm định tính thực tiễn của máy dạng mô hình. Trên cơ sở đó thiết kế chế tạo máy mô hình, thực hiện đo đạc kiểm chứng máy mô hình, dùng máy mô hình được chế tạo để đúc các mẫu bê tông và mô hình kênh máng thu nhỏ, kiểm tra các kết quả về nén và chống thấm trên các mẫu theo các tiêu chuẩn hiện hành, chứng minh được tính khoa học, tính đúng đắn xác thực và tiết kiệm năng lượng của máy mô hình, qua đó khẳng định máy rung 2 phương là một kết quả khách quan của nghiên cứu phát hiện và chứng minh quan điểm: Máy rung 2 phương đúc bê tông hạt mịn và bê tông nói chung cho chất lượng tốt hơn máy rung 1 phương truyền thống nhờ những ưu điểm như đã được phân tích. K T LUẬN CHUNG 1. Đã hệ thống hóa ứng dụng cầu máng XMLT trong cấp nước cho nông nghiệp, tiêu thoát nước thải vệ sinh môi trường. Phân loại các dạng mặt cắt và hình dạng kích thước kết cấu của cầu máng XMLT chế tạo bằng phương pháp rung. Làm rõ 2 yêu cầu về chất lượng của cầu máng XMLT là cường độ (độ bền) và độ chống thấm là quan trọng nhất đối với kết cấu vỏ mỏng XMLT nói chung và cầu máng
25. 23 XMLT nói riêng. Trong đó tính toán xác định cường độ có thể tính trực tiếp thông qua mô đun đàn hồi E bê tông xác định qua thực nghiệm và xác định độ chống thấm chỉ thông qua thực nghiệm. 2. Phân tích nội lực của cầu máng theo phương pháp phân tích thành hệ phẳng dùng phương pháp tính toán theo kiểu dầm và phân tích theo hệ không gian dùng phân tích kết cấu vỏ mỏng, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính theo chuyển vị và ứng dụng phần mềm SAP để tính toán ứng suất và biến dạng của kết cấu với một thông số đầu vào quan trọng là mô đun đàn hồi E bê tông có thể thay đổi do các thông số máy rung. 3. Phân tích các phương pháp rung để chế tạo kết cấu bê tông và XMLT, làm rõ các tính chất cơ bản về lưu biến của h n hợp bê tông ảnh hưởng đến tính chất rung đầm chặt, phân tích các nguyên nhân và biện pháp tăng cường độ đầm lèn chặt để ảnh hưởng có lợi đến độ bền và tính chống thấm của bê tông và cầu máng XMLT. 4. Nghiên cứu t mô hình của dao động theo 1 phương chế tạo cầu máng XMLT thấy được nhược điểm của mô hình rung theo 1 phương để đầm chặt h n hợp bê tông, luận án đã chỉ ra và đề xuất một mô hình máy rung hoàn toàn mới: rung theo 2 phương và tạo cộng hưởng theo 1 phương, lợi dụng tuyến tính hóa ma sát của chuyển động của vữa bê tông trong mô hình mới, làm tăng hiệu quả đầm chặt bê tông,
26. 24 làm giảm thời gian rung đầm chặt, tăng năng suất và hiệu quả máy rung. 5. Chế tạo máy rung theo mô hình rung 2 phương hoàn toàn mới so với máy rung truyền thống, phân tích, kiểm định thực nghiệm máy rung mới, xác định phù hợp các thông số máy và điều chỉnh để đạt được kết quả rung đầm chặt tốt hơn như đã phân tích ở nghiên cứu lý thuyết đề xuất t trước. 6. Dùng máy rung theo 2 phương mới chế tạo, tiến hành rung đầm chặt các mẫu bê tông theo tiêu chuẩn hiện hành, ép thử cường độ và thử độ thấm theo các tiêu chuẩn máy và thiết bị thí nghiệm tại phòng thí nghiệm công trình của Đại học Xây dựng, Đại học Thủy lợi, và thu được các kết quả như đã được dự báo t trước là các kết quả đo cường độ tăng 22% của mẫu bê tông và đo độ chống thấm tăng khoảng 30% đều tốt hơn so với máy rung 1 phương truyền thống. 7. Cường độ của bê tông đông cứng tăng làm cho mô đun đàn hồi chịu nén của kết cấu XMLT tăng, dẫn đến làm tăng độ bền của vật liệu.
27. DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1. Trương Quốc Bình, Trần Văn Tuấn,“ Nghiên cứu xác định các thông số cơ bản của máy rung theo 2 phương trong công nghệ chế tạo kết cấu vỏ mỏng xi măng lưới thép”- Tuyển tập công trình khoa học hội nghị Cơ học toàn quốc 8-9 12 2012, NXB Bách khoa Hà nội 2013., Tập 4- Cơ học máy. 2. Trương Quốc Bình, Trần Văn Tuấn, “Nghiên cứu thiết kế bàn rung hai phương cộng hưởng để chế tạo kênh máng xi măng lưới thép”, Tạp chí Khoa học và công nghệ- Viện Hàn Lâm KH&CN Việt Nam (số 4 / 2014). 3.Trương Quốc Bình, Trần Văn Tuấn, “Kết quả thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của bàn rung cộng hưởng 2 phương khi đúc h n hợp bê tông cốt liệu nhỏ”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 9-2013 4. Trương Quốc Bình, “ Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số dao động đến cường độ và độ thấm của kết cấu xi măng lưới thép”,Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật Thủy lợi- Môi trường số 7-11-2004. 5. Trương Quốc Bình, “Applying of ferrocement structures to construct of water system in tranditional industry village”, symposium proceedings of Saitama University of Japan. 2009.