Nghiên cứu xây dựng công thức tính công suất của động cơ dẫn động máy trộn bê tông xi măng hai trục ngang

ThS. Nguyễn Văn Thuyên PGS. TS. Nguyễn Văn Vịnh PGS. TS. Nguyễn Đăng Điệm Trường Ðại học Giao thông vận tải Người phản biện: PGS. TS. Thái Hà Phi PGS. TS. Vũ Thiệu Xuân

TÓM TẮT: Bài báo trình bày tóm tắt cách xây dựng công thức tính công suất của động cơ dẫn động máy trộn bê tông xi măng (BTXM) hai trục ngang ở hai giai đoạn: Trộn khô và trộn ướt, sử dụng công thức mới thu được để tính toán và so sánh giữa công suất lý thuyết với công suất thực tế trên một số máy trộn đang sử dụng phổ biến ở Việt Nam.

TỪ KHÓA: Máy trộn bê tông, tốc độ trộn, lực ma sát, công suất của động cơ.

ABSTRACT: This article presents summary of how to make the caculation formula of drivenmotor powerfor the two horizontal axes concrete mixer at two stages: Dry mix and wet mix. Using the new obtained formula to calculate and compare the theoretical powerand the reality power of those mixers are widely used in Vietnam.

Keywords: Concrete mixer, mixing speed, friction force, power of motor.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Công suất của động cơ dẫn động các máy trộn BTXM hai trục ngang rất lớn, từ vài chục kilooat đến vài trăm kilooat. Do đó, việc tính toán chính xác công suất 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. Hiện nay, có nhiều công thức tính công suất của động cơ dẫn động máy trộn của các tác giả khác nhau. Tuy nhiên, theo ý kiến chủ quan của nhóm tác giả thì có một số công thức khó áp dụng trong tính toán vì quá phức tạp, có công thức dễ áp dụng để tính toán nhưng cho kết quả chưa sát với thực tế. Đa số các công thức này chủ yếu tính cho giai đoạn trộn ướt, chưa có công thức nào tính cho cả hai giai đoạn là trộn khô và trộn ướt. 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.

2. NỘI DUNG

2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy trộn nghiên cứu

Máy trộn nghiên cứu là máy trộn BTXM hai trục ngang, làm việc kiểu chu kỳ. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của nó được trình bày ở Hình 2.1:                                                

2.2. Xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn

Công suất của động cơ dẫn động máy trộn ở giai đoạn trộn khô và trộn ướt có thể được xác định như sau:

 

 

 

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 vật liệu với vỏ thùng trộn, (W); N₄ - Công suất để vận chuyển vật liệu đi dọc theo thùng trộn, (W); N₅ - Công suất để nâng vật liệu lên cao trong quá trình trộn, (W); N₆ - Công suất để thắng lực ma sát giữa hỗn hợp trộn với các cạnh của cánh trộn, bàn tay trộn và kẹt đá do yếu tố ngẫu nhiên..., (W); h - 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 và bộ truyền động đai..., `eta` = 0,85.

2.2.1. Xác định các công suất thành phần trong giai đoạn trộn khô

2.2.1.1.Xác định công suất N₁

Theo [6], công suất để quay một bàn tay trộn trong cấp phối vật liệu có thể được xác định như sau:

N₁ = K.F.v, (W)              (3)

Trong đó:

K - Hệ số cản chuyển động của bàn tay trộn trong cấp phối vật liệu, (K = 3 x 10⁴÷ 5,5 x 10⁴ N/m²);

F - Diện tích hình chiếu của bàn tay trộn, theo phương vuông góc với phương của vận tốc v, (m²);

v - Vận tốc dài của bàn tay trộn, (m/s); w - Vận tốc góc của trục trộn, (1/s);

x - Khoảng cách từ tâm của trục trộn đến phần tử dF, (m);

r - Khoảng cách từ tâm của trục trộn đến đầu mút của bàn tay trộn (r = R_t - k), (m);

R_t - Bán kính của thùng trộn, (m); k - Khe hở giữa bàn tay trộn và vỏ thùng trộn, (m);

a - Khoảng cách từ tâm của trục trộn đến mép trong của bàn tay trộn, (m); r₁ - Bán kính của trục trộn, (m); b - Bề rộng của bàn tay trộn, (m); α - Góc nghiêng của bàn tay trộn so với trục trộn, (độ).

 

Sau khi tính toán và biến đổi, thu được công suất để quay bàn tay trộn trong cấp phối vật liệu như sau:

 

 

2.2.1.2.Xác định công suất N₂

Với cách tính tương tự như N₁, công suất để quay các cánh trộn trong cấp phối vật liệu được xác định như sau:

 

 

Xác định N₃, N₄, N₅: Trong quá trình máy trộn làm việc, các hạt vật liệu trong thùng trộn sẽ thực hiện các chuyển động chính như sau [3]: Vật liệu chuyển động dọc theo thùng trộn do các bàn tay trộn được bố trí một góc nghiêng α so với trục trộn; vật liệu chuyển động vòng theo vỏ thùng trộn do các bàn tay trộn mang đi trong quá trình quay trục trộn; vật liệu bị nâng lên cao và hòa trộn với nhau do các bàn tay trộn ở hai trục trộn bố trí ngược chiều nhau và chuyển động quay ngược chiều nhau. Quá trình di chuyển của vật liệu trong thùng trộn và các lực phát sinh trong quá trình máy trộn làm việc ở giai đoạn trộn khô được mô tả ở Hình 2.3:

Hình 2.3: Hình ảnh mô tả quá trình di chuyển của vật liệu trong buồng trộn và các lực phát sinh trong quá trình máy trộn làm việc

 2.2.1.3.Xác định công suất N₃

Công suất để thắng lực ma sát sinh ra do chuyển động của cấp phối vật liệu với vỏ thùng trộn, có thể được xác định:        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2.1.5.Xác định công suất N₅

Các hạt vật liệu được nâng lên cao và bị rơi xuống khi góc nghiêng của cánh trộn so với phương ngang (phương vuông góc với trục trộn) lớn hơn góc ma sát động của vật liệu nằm trên bàn tay trộn. Trong quá trình tính toán N₅, tác giả chỉ xét vận tốc góc của trục trộn luôn nằm trong phạm vi trộn hiệu quả. Theo Hình 2.3, ta có:

 

 

 

 

 

2.2.1.6.  Xác định công suất N₆

Công suất này rất khó xác định, kiến nghị lấy bằng (10 - 30)% tổng công suất của (N₁+N₂+N₃+ N₄+ N₅)

Thay các giá trị của N₁, N₂, N₃, N₄, N₅, N₆ đã tính được ở trên vào biểu thức (1) và biến đổi, thu được công suất dẫn động máy trộn bê tông hai trục ngang ở giai đoạn trộn khô như dưới đây:

 

 

 

Trong đó: `lambda` = 1,1 ÷ 1,3 - Hệ số kể tới ảnh hưởng của công suất tiêu hao do: Lực ma sát giữa cấp phối vật liệu với các cạnh của bàn tay trộn, cánh tay trộn; lực phá vỡ đá do kẹt đá ngẫu nhiên... chưa tính được.

2.2.2. Xác định các công suất thành phần trong giai đoạn trộn ướt

2.2.2.1.Xác định công suất N₁

Công suất lý thuyết để quay 1 bàn tay trộn trong hỗn hợp bê tông có thể được xác định theo công thức sau đây:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2.2.5. Xác định công suất N₅

Cách tính công suất để nâng vật liệu lên cao trong quá trình trộn được thực hiện hoàn toàn giống ở mục 2.2.1.5, sau khi tính toán thu được:

 

 

2.2.2.6. Xác định công suất N₆

Công suất này rất khó xác định, trong giai đoạn trộn ướt kiến nghị lấy bằng 10% tổng công suất của (N₁+N₂+N₃+N₄+N₅).

Thay các giá trị của N₁, N₂, N₃, N₄, N₅, N₆ đã tính được ở trên vào biểu thức (2) và biến đổi, thu được công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngangở giai đoạn trộn ướt như dưới đây:

 

 

 

2.3. So sánh công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang được tính theo công thức của tác giả đề xuất và các tác giả khác

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, bài báo đã sử dụng các số liệu sau đây để tính toán: r = 2433 kg/m³; µ₁=0,72 µ₂=0,5; c = 6; l = 1,2; c = 1,1; 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 2.1 dưới đây:

Bảng 2.1. Bảng so sánh kết quả xác định công suất của động cơ dẫn động máy trộn theo các tác giả đối với các máy trộn đang sử dụng phổ biến ở Việt Nam

 

TT	Dung tích của thùng trộn (m3)	Công suất tính theo công thức đề xuất (kW)		Công suất tính theo [1], [2] và [5] (kW)			Công suất của một số máy trộn lắp trên các trạm trộn ở Việt Nam (kW)
		Công suất trộn khô NK	Công suất trộn ướt NU	Công suất theo [1]	Công suất theo [2]	Công suất theo [5]	Việt Nam  sản xuất	Trung Quốc  sản xuất	Italia  sản  xuất
1	1,0	26,30	9,81	7,12	7,42	8,67	18,5	18,5
2	2,0	46,26	20,16	12,44	13,60	9,54	37	37	37
3	3,0	63,74	26,54	15,81	18,72	12,75	60	60	60
4	4,0	86,07	35,09	18,06	20,33	17,86	74	74	74

Nhận xét:

- So sánh công suất của động cơ dẫn động máy trộn được tính theo công thức của các tác giả khác nhau thì cho kết quả cũng khác nhau. Sự sai khác này được lý giải bởi các nguyên nhân sau đây:

+ Cách thành lập công thức khác nhau, cách xác định các hệ số thực nghiệm cũng khác nhau.

+ Công suất được xác định theo [1], [2] và [5] mới chỉ xét ở giai đoạn trộn ướt, khi hỗn hợp trộn đã thành bê tông, chứ không xét ở giai đoạn trộn khô. Trong khi đó, công thức đề xuất có xét đến cả hai giai đoạn là trộn khô và trộn ướt.

- So sánh kết quả tính toán công suất theo công thức của các tác giả [1], [2], [5] và công thức đề xuất ở giai đoạn trộn ướt, thấy rằng: Công suất được tính theo công thức của tác giả đề xuất so với công suất được tính theo [1] có giá trị sai khác lớn nhất khoảng 48% và so với [2] là 42% (máy trộn có dung tích thùng trộn 4 m³), so với [5] là 53% (máy trộn có dung tích thùng trộn 2m³).

- So sánh kết quả tính toán công suất theo công thức của các tác giả với công suất thực tế mà các máy trộn đang sử dụng hiện nay, thấy rằng: Theo công thức tính công suất của tác giả đề xuất ở giai đoạn trộn ướt nhỏ hơn (46÷56)%; ở giai đoạn trộn khô công suất đề xuất lớn hơn (6÷30)%; tính theo [1] nhỏ hơn (62÷76)%, tính theo [2] nhỏ hơn (60÷73)% và tính theo [5] nhỏ hơn (53÷79%).

- Từ Bảng 2.1 thấy rằng, nếu sử dụng công suất động cơ lắp trên các trạm trộn hiện nay đều non tải so với công suất được tính theo [1], [2], [5] và công thức đề xuất ở giai đoạn trộn ướt. Còn bị quá tải khoảng (6÷30)% tương đương với (1,06÷1,42) lần so với công suất được tính theo công thức đề xuất ở giai đoạn trộn khô. Theo [4] với hệ số quá tải cho phép của động cơ không đồng bộ 3 pha rô to lồng sóc bằng (1,7÷2,2) thì các động cơ lắp trên các máy trộn hiện nay hoàn toàn thỏa mãn.

 

3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

- Bài báo đã trình bày tóm tắt cách xây dựng công thức tính công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang ở hai giai đoạn là trộn khô và trộn ướt. Áp dụng công thức đã xây dựng được để tính công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang, dung tích thùng trộn là 1, 2, 3, 4 m³ do Việt Nam chế tạo. Mặc dù có sự sai khác so với các phương pháp tính công suất của các tác giả khác, tuy nhiên do cấu trúc của công thức đơn giản, dễ áp dụng trong tính toán, công thức có thể tính được công suất của động cơ dẫn động máy trộn ở cả hai giai đoạn trộn và cho kết quả tương đối sát so với thực tế sử dụng. Chính vì vậy, tác giả kiến nghị cho phép áp dụng công thức này để tính công suất của động cơ dẫn động máy trộn BTXM hai trục ngang do Việt Nam sản xuất.

- 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.

- 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.

Tài liệu tham khảo

[1]. Vũ Liêm Chính, Nguyễn Kiếm Anh, Nguyễn Thị Thanh Mai, Đoàn Tài Ngọ, Trần Văn Tuấn, Nguyễn Thiệu Xuân (2013), Máy và thiết bị sản xuất vật liệu và cấu kiện xây dựng, NXB. Xây dựng.

[2]. Trần Quang Quý, Nguyễn Văn Vịnh, Nguyễn Bính (2001), Máy và thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng, NXB. GTVT.

[3]. Nguyễn Văn Thuyên, Nguyễn Văn Vịnh, Nguyễn Đăng Điệm (2016), Xác định khối lượng vật liệu vận chuyển trong thùng trộn BTXM hai trục nằm ngang, Tạp chí GTVT, số tháng 4.

[4]. Đỗ Xuân Tùng, Trương Trí Ngộ, Nguyễn Văn Thanh (1998), Trang bị điện Máy xây dựng, NXB. Xây dựng.

[5]. Бауман В.А. и др (1975), Механическоеоборудованиепредприятийстроительныхматериалов, изделийиконструкций, Мoсква: (Машиностроение).

[6]. Дроздов А.Н (2006), Основытеориивыбораиэффективнойэксплуатации  строительныхмашин,Москва.