Nghiên cứu động lực học vàmô phỏng hoạt động của Đầm dùi

Nghiên cứu động lực học vμ mô phỏng hoạt động của Đầm dùi TS. nguyễn văn vịnh Bộ môn Máy xây dựng - Xếp dỡ Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học GTVT Tóm tắt: Bμi báo trình bμy tóm tắt những kết quả nghiên cứu động lực học vμ mô phỏng hoạt động của Đầm dùi - một trong những thiết bị đầm lèn xi măng phổ biến hiện nay. Kết quả nghiên cứu mô phỏng cho thấy hình ảnh trực quan, sinh động về hoạt động của các loại đầm dùi vμ các đặc tr−ng dao động, bán kính ảnh h−ởng của chúng. Công trình nμy phục vụ cho đμo tạo nghiên cứu khoa học vμ sản xuất. Summary: The articles briefs on study of dynamics and stimulation of hand – pocker vibrators - one of popular cement vibrating equipment. The result serves training, research and production. i. đặt vấn đề Chất l−ợng của các công trình xây dựng bằng bê tông cốt thép, bê tông xi măng phụ thuộc rất nhiều vào quá trình đầm lèn hỗn hợp bê tông xi măng (BTXM) khi thi công chúng. Đầm dùi là một trong những thiết bị đầm lèn BTXM phổ biến dùng để đầm lèn các cấu kiện xây dựng có hình dáng phức tạp, chiều dày lớn, diện tích nhỏ nh− cột dầm, móng nhà, dầm cầu…v.v. Quả đầm th−ờng đặt sâu trong hỗn hợp bê tông, truyền xung lực ngang trong lòng hỗn hợp bê tông với tần số cao nên hiệu quả đầm lèn tốt. Chúng đ−ợc sử dụng rộng rãi vì có kết cấu gọn nhẹ, có thể xách tay di chuyển trong quá trình đầm và đ−a vào mọi vị trí làm việc. Để có thể quan sát đ−ợc quá trình làm việc của các loại đầm dùi, xác định đ−ợc bán kính ảnh h−ởng, tính toán đ−ợc các đặc tr−ng dao động của chúng là mong muốn của những ng−ời thiết kế, chế tạo thiết bị này. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, công việc phức tạp trên có thể giải quyết đ−ợc với sự trợ giúp của máy tính điện tử (MTĐT). Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu động lực học của đầm dùi và mô phỏng hoạt động của chúng nhằm xây dựng cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế, lựa chọn các thông số hợp lý của các loại đầm dùi. ii. nội dung 1. Khái niệm chung về đầm dùi Trên hình 1 thể hiện cấu tạo của các kiểu đầm dùi chính. Đó là Đầm dùi trục mềm có trục lệch tâm (hình a), đầm dùi có động cơ bố trí ở bên trong (hình b) và đầm dùi có trục lắc quay bên trong (hình c). Hình 1. Các loại đầm dùi chính Oo - trọng tâm của đầu đầm; O1 - điểm đặt của lực kích động 2. Nguyên lý làm việc Động cơ điện truyền chuyển động qua trục mềm tới các trục lệch tâm hoặc trục lắc làm chúng quay. Nhờ các khối l−ợng lệch tâm làm cho đầu đầm bị rung động với tần số lớn để đầm lèn bê tông. 3. Tính toán động lực học đầm dùi Hình 2. Mô hình động lực học của đầm dùi 3.1. Mô hình động lực học Từ kết cấu thực của đầm dùi và sơ đồ cấu tạo của chúng, sử dụng các giả thiết để đơn giản hoá, chúng ta có thể xây dựng đ−ợc mô hình động lực học của đầm dùi nh− trên hình 2. Đây là hệ dao động 2 bậc tự do. 3.2. Thiết lập ph−ơng trình chuyển động Chúng ta thiết lập ph−ơng trình chuyển động với các giả thiết sau đây: - Máy đầm và trục mềm có đ−ờng trục ở trạng thái tĩnh là thẳng đứng. - Bỏ qua mômen uốn của cáp nối và trục mềm đối với điểm treo hoặc điểm nối. - Coi bê tông là một môi tr−ờng đàn hồi có hệ số dập tắt dao động tỉ lệ với tốc độ. - Hệ số dập tắt dao động và độ cứng của bêtông không phụ thuộc vào thời gian đầm lèn. - Khối l−ợng của bê tông dính vào quả đầm và dao động cùng với nó trong quá trình đầm lèn có trị số không đổi ( m = const). - Trong quá trình đầm lèn, ng−ời điều khiển kéo quả đầm theo ph−ơng thẳng đứng và thành phần của lực kích động theo ph−ơng thẳng đứng có thể bỏ qua. Vì vậy, không cần viết ph−ơng trình cân bằng cho các lực thẳng đứng. - Các lực quán tính, lực đàn hồi và lực dập tắt dao động tác dụng trong mặt phẳng nằm ngang. Giả thiết này trong thực tế có thể cho phép với góc nghiêng ban đầu bằng (1 ữ 4).10-3rad Ph−ơng trình cân bằng lực theo ph−ơng ngang trong hệ toạ độ OXY nh− sau: (1) ••• + 11 x.Kx.m tcos..r.mx.S 2001 ωω=+ trong đó: m - tổng khối l−ợng dao động, kg; m = mV + mb Với: mV - khối l−ợng của đầu đầm và phần khối l−ợng nối cứng của trục treo, kg; mb - khối l−ợng của bêtông dao động cùng với đầu đầm, kg; K - hệ số dập tắt dao động, Ns/m; K = B.D.K0; trong đó: K0 - hệ số dập tắt dao động riêng của bêtông Ns/m 3; D - đ−ờng kính quả đầm, m; B - chiều dày của bêtông m; S - Độ cứng đàn hồi của bê tông, N/m; đ−ợc xác định nh− sau: R D.B.S S 0= Với: S0 - hệ số đàn hồi riêng của bêtông, N/m 2; R - bán kính ảnh h−ởng của đầm dùi, m; m0.r0 - mômen của khối l−ợng lệch tâm, kg.m; Ph−ơng trình cân bằng mômen viết cho điểm trọng tâm S nh− sau: (2) tcos..r.m.fe.x.Se.x.K. 20011 ωω=++βθ ••• trong đó: - mômen quán tính của khối l−ợng dao động tổng cộng đối với trục “Z” đi qua trọng tâm S của đầu đầm, kg.m θ 2; Chúng ta có các quan hệ hình học: X1 = X + e.tgβ ; Vì nhỏ, gần đúng tang β β ≈ β suy ra: X1 = X + e.β . Đạo hàm X1 và thay vào các biểu thức (1) và (2) chúng ta có hệ ph−ơng trình chuyển động của đầm dùi nh− sau: (3) tcos..r.m.fX.e.SX.e.K.e.S.e.K. tcos..r.m.e.S.e.KX.SX.KX.m 2 00 22 2 00 ωω=++β+β+βθ ωω=β+β+++ •••• •••• Sau khi viết đ−ợc ph−ơng trình chuyển động chúng ta sẽ xem xét các tr−ờng hợp làm việc cụ thể của đầu đầm nh−: khi đầu đầm đang làm việc đ−ợc rút lên khỏi bêtông (K = 0, S = 0) và đầu đầm làm việc trong bêtông (K ≠ 0, S ≠ 0). 3.3. Mô phỏng hoạt động của Đầm dùi Trên cơ sở các công thức xác định các thông số cơ bản của Đầm dùi cũng nh− từ hệ ph−ơng trình chuyển động (PTCĐ) (3) đã thiết lập ở trên, chúng tôi đã xây dựng ch−ơng trình giải hệ PTCĐ (3) và từ kết quả thu đ−ợc có thể mô phỏng hoạt động của các kiểu đầm khác nhau với ngôn ngữ lập trình Turbo Pascal 7.0. Các số liệu nhập vào là khối l−ợng đầm, mômen lệch tâm, mômen quán tính, vị trí trọng tâmv.v... Các kết quả thu đ−ợc chính là các đặc tr−ng dao động của đầm, bán kính ảnh h−ởng và mô phỏng chuyển động của đầm trên màn hình máy tính với quỹ đạo là đ−ờng Hypecbolic. Các kết quả thu đ−ợc có thể thể hiện trên màn hình máy tính hoặc truy xuất ra máy in. Do khuôn khổ của một bài báo, chúng tôi xin giới thiệu có tính chất ví dụ về các giao diện và một số kết quả chủ yếu đối với một kiểu đầm đó là đầm dùi kiểu trục lệch tâm. Đối với các loại đầm dùi khác đều có trong ch−ơng trình, tuỳ thuộc sự lựa chọn của ng−ời dùng. Hình 3. Các giao diện của ch−ơng trình mô phỏng III. Kết luận Với những kết quả đã đạt đ−ợc khi nghiên cứu động lực học của đầm dùi và mô phỏng hoạt động của chúng, chúng ta có thể thấy đ−ợc một cách trực quan sinh động quá trình làm việc của đầm dùi khi đầm lèn bê tông cũng nh− xác định đ−ợc hiệu quả đầm lèn của chúng thông qua kết quả nhận đ−ợc là các đặc tr−ng dao động và bán kính ảnh h−ởng của các kiểu đầm, nhờ đó có thể lựa chọn đ−ợc các thông số hợp lý của đầm dùi. Kết quả nghiên cứu của công trình giới thiệu trên sẽ là tài liệu tham khảo có ích cho giảng dạy, nghiên cứu khoa học và áp dụng vào sản xuất. Tài liệu tham khảo [1]. Trần Quang Quý, Nguyễn Văn Vịnh, Nguyễn Bính. Giáo trình “Máy và thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng”. Nhà xuất bản GTVT năm 2001. [2]. Nguyễn Văn Vịnh. Nghiên cứu mô phỏng hoạt động của máy trộn bê tông xi măng trộn c−ỡng bức kiểu hành tinh trên máy tính điện tử. Tạp chí khoa học GTVT số 1 - tháng 11/2002. [3]. Nguyễn Văn Vịnh. Nghiên cứu xác định các đặc tr−ng dao động của máy sàng rung có h−ớng và xây dựng ch−ơng trình mô phỏng hoạt động trên máy tính điện tử. Tạp chí khoa học GTVT số 7 - tháng 5/2004♦