Ứng dụng phần mềm Minitab 16.0 để xác định các thông số kết cấu hợp lý của bộ máy trộn bê tông hai trục nằm ngang do VN chế tạo

ThS. Nguyễn Văn Thuyên ª PGS. TS. Nguyễn Văn Vịnh Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Vũ Minh Đức PGS. TS. NGND. Nguyễn Đăng Điểm

Tóm tắt: Bài báo trình bày tóm tắt những kết quả thu được sau khi ứng dụng phần mềm Minitab 16.0 để xác định các thông số kết cấu hợp lý của bộ máy trộn bê tông xi măng (BTXM) hai trục nằm ngang do Việt Nam chế tạo, theo tiêu chí tiết kiệm năng lượng và đảm bảo chất lượng sản phẩm sau khi trộn. Đây là một phần mềm được áp dụng trong việc xây dựng bảng ma trận thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của đa yếu tố đến mức tiêu thụ năng lượng của máy bằng các phương pháp phân tích hồi qui, phương sai.

Từ khóa: Phần mềm Minitab, máy trộn bê tông, tiết kiệm năng lượng, chất lượng trộn.

Abstract: This article presents summary of the results obtained by Minitab 16.0 software application to determine the structural parameters of the two horizontal axes concrete mixer made by Vietnam, according to the criteria of energy saving and product quality ensuring after mixing. This is a very suitable software to build the experiment matrix and determine the influence of multiple factors to the energy consumption of the machine by the method of regression analysis, the variance.

Keywords: Minitab software, concrete mixers, energy saving, mixing quality.

1. Đặt vấn đề

Bộ máy trộn là một bộ phận quan trọng nhất của các trạm trộn BTXM, nó quyết định năng suất, chất lượng của mẻ trộn. Tuy nhiên, việc tính toán, kết cấu của bộ máy trộn hiện còn chưa được hoàn thiện và thống nhất. Buồng trộn của các hãng khác nhau có sự khác biệt đáng kể về các thông số kỹ thuật khi có cùng năng suất như nhau. Ví dụ: Cùng một mẻ trộn BTXM có năng suất và dung tích mẻ trộn như nhau, nhưng công suất của động cơ dẫn động trục trộn lại khác nhau. Phần lớn các trạm trộn đã nhập khẩu và sản xuất tại Việt Nam đều sử dụng hình thức trộn cưỡng bức, chu kỳ kiểu rô to hoặc hai trục nằm ngang. Công suất dẫn động các bộ máy này rất lớn, từ vài chục kilôoát đến vài trăm kilôoát. Các bộ máy trộn được chế tạo trong nước chủ yếu 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, để xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của bộ máy trộn theo tiêu chí: Vừa tiết kiệm năng lượng mà vẫn đảm bảo chất lượng bê tông sau khi trộn là một việc làm cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.

2. Nội dung

2.1. Loại máy trộn nghiên cứu

Loại máy trộn làm thí nghiệm là máy trộn cưỡng bức, chu kỳ kiểu hai trục nằm ngang do Việt Nam chế tạo có năng suất 25m³/h. Hình ảnh trạm trộn BTXM được minh họa trên Hình 2.1, thông số kỹ thuật của bộ máy trộn được trình bày trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của bộ máy trộn

 

Hình 2.1: Cấu tạo tổng thể trạm trộn BTXM năng suất 25m3/h do Việt Nam chế tạo 1 - Ca-bin điều khiển; 2 - Bộ máy trộn; 3 - Xiclo chứa xi măng; 4 - Hệ thống phễu cấp liệu

 Cấu tạo của bộ máy trộn gồm những bộ phận chính như dưới đây:

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 vật liệu. Hình 2.2: Sơ đồ cấu tạo của bộ máy trộn BTXM hai trục nằm ngang (năng suất 25m3/h do Việt Nam chế tạo)

2.2. Nghiên cứu các thông số kết cấu của bộ máy trộn ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động trục trộn

Có nhiều thông số ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động trục trộn như: Số vòng quay trục trộn, góc nghiêng bàn tay trộn, bề rộng của bàn tay trộn, khe hở giữa bàn tay trộn với vỏ thùng trộn, thời gian trộn, số lượng cánh trộn, cách bố trí bàn tay trộn, hệ số điền đầy thùng trộn... Trong khuôn khổ của bài báo, các tác giả chỉ xác định các yếu tố ảnh hưởng chính sau đây: Số vòng quay trục trộn (n), góc nghiêng bàn tay trộn (j), bề rộng của bàn tay trộn (b), khe hở giữa bàn tay trộn với vỏ thùng trộn (k) đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động trục trộn. Các yếu tố này gọi là yếu tố “đầu vào”, còn yếu tố “đầu ra” là công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động trục trộn (Y_min), cường độ chịu nén của bê tông (C_max) và độ sụt của bê tông đạt yêu cầu (S_đạt). Mô hình bài toán được thể hiện như hình dưới đây:

Hình 2.3: Mô hình bài toán xác định công suất nhỏ nhất của động cơ dẫn động trục trộn

Từ mô hình bài toán, chúng ta thấy rằng: Để xác định được công suất nhỏ nhất của động cơ dẫn động bộ máy trộn mà vẫn đảm bảo được chất lượng của bê tông như trên thì phải xây dựng bảng ma trận thí nghiệm với các thông số “đầu vào” là j, n, b, k, sau đó tiến hành thí nghiệm, đo đạc để xác định các giá trị công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động trục trộn, cường độ chịu nén và độ sụt của bê tông như những phần dưới đây.

2.3. Xây dựng bảng ma trận thí nghiệm và xác định công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động trục trộn, cường độ chịu nén và độ sụt của bê tông bằng đo đạc thực nghiệm

2.3.1. Xây dựng bảng ma trận thí nghiệm

Sử dụng phần mềm Minitab 16.0 với thiết kế hỗn hợp tâm xoay CCD (Central Composite Design) với: Số biến là 4, lần lượt là: X₁ = n, X₂ = j, X₃ = b, X₄ = k; số mức là 3, cụ thể là: -1; 0; +1 tương ứng với giá trị: Nhỏ nhất, mức giữa, lớn nhất của các biến. Các khai báo khác: Số thí nghiệm tại điểm trung tâm là mặc định, số lần lặp là 1, giá trị của a =1 đã thu được bảng ma trận thí nghiệm thể hiện ở mục 2.3.2.2 dưới đây.

2.3.2. Tiến hành thí nghiệm để xác định công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động trục trộn, cường độ chịu nén và độ sụt của bê tông

Mác bê tông làm thí nghiệm là C30/38,5 phục vụ dự án thi công tuyến đường sắt trên cao ga Hà Nội - Nhổn; thành phần cấp phối cho 1m³ bê tông: Xi măng Bút Sơn PC40: 397kg; cát vàng sông Lô: 897kg; đá Cao Dương có kích thước lớn nhất 1 ¸ 2cm: 920kg; nước sạch Hà Nội: 165 lít; phụ gia siêu dẻo Hàn Quốc SR300S: 3,57 lít. Cường độ chịu nén thiết kế: 38,5MPa; độ sụt thiết kế: 18 ± 2cm.

2.3.2.1. Chuẩn bị

- Bộ máy trộn, nguồn điện, đá, cát, xi măng, nước, phụ gia, máy tính xách tay, tủ đo công suất (đã được cơ quan chức năng hiệu chỉnh), biến tần điều chỉnh tốc độ, các khuôn đúc bê tông, côn đo độ sụt, máy nén bê tông 200 tấn... như Hình 2.4 dưới đây:

a) - Bộ máy trộn thí nghiệm; b) - Côn đo độ sụt; c) - Khuôn đúc mẫu; d) - Máy nén bê tông Hình 2.4

- Đấu nguồn điện vào tủ đo công suất, từ tủ đo công suất đến biến tần, từ biến tần vào bộ máy trộn; nối dây tín hiệu từ cảm biến tốc độ đến tủ đo công suất, nối dây truyền thông từ tủ đo công suất vào máy tính xách tay như hình ảnh dưới đây:

Hình 2.5: Sơ đồ kết nối bộ máy trộn với các thiết bị khác để làm thí nghiệm

- Cân đá cát, xi măng với khối lượng như sau: Xi măng Bút Sơn PC40: 198,5kg; cát vàng sông Lô: 448,5kg; đá Cao Dương có kích thước lớn nhất 1¸2cm: 460kg; nước sạch Hà Nội: 82,5 lít; phụ gia siêu dẻo Hàn Quốc SR300S: 1,78 lít. Thể tích hỗn hợp nạp vào bộ máy trộn xấp xỉ 0,5m³.

- Cho bộ máy trộn hoạt động không tải, cho xe skip chạy lên xuống không tải, kiểm tra tình trạng làm việc bình thường của bộ máy trộn, của các cơ cấu công tác, kiểm tra sự hoạt động của máy tính, phần mềm đo công suất, tủ đo công suất, cảm biến tốc độ trước khi cho máy làm việc có tải.

2.3.2.2. Tiến hành thí nghiệm

Địa điểm thí nghiệm được thực hiện tại Công ty CP Đầu tư và Xây dựng Quốc tế Asean - Khu công nghiệp Lại Yên - Hà Nội. Quá trình lấy mẫu, thử độ sụt, đúc mẫu, bảo dưỡng mẫu và thí nghiệm nén bê tông được tiến hành tại phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng Las XD 1442. Trong quá trình tiến hành thí nghiệm thì thời gian trộn của mỗi mẻ là không thay đổi t = 75 giây và thể tích hỗn hợp cấp vào buồng trộn cũng không đổi V = 0,5m³.

Sau khi xây dựng được bảng ma trận thí nghiệm và đo được công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động trục trộn Y, cường độ chịu nén C và độ sụt của bê tông S, tác giả đã có bảng ma trận thí nghiệm như sau:

 

Trong đó:

X₁ - Tốc độ quay của trục trộn, X₁= n (vòng/phút);

X₂ - Góc nghiêng của bàn tay trộn so với trục trộn, X₂ = j (độ);

X₃ - Bề rộng của bàn tay trộn, X₃ = b (m);

X₄ - Khe hở giữa bàn tay trộn và vỏ thùng trộn, X₄ = k (mm);

Y - Công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động trục trộn, (W);

C - Cường độ chịu nén của bê tông ở 28 ngày tuổi, (MPa);

S - Độ sụt của bê tông, đo sau khi trộn, (cm);

Stdorder - Thứ tự sắp xếp ngẫu nhiên của bảng ma trận thí nghiệm;

RunOrder - Thứ tự nên tiến hành khi làm thí nghiệm;

PtType - Các điểm thí nghiệm;

Blocks - Số khối làm thí nghiệm.

Xử lý các số liệu đo được của hàm Y ở bảng trên bằng phần mềm Minitab 16.0, thu được các kết quả sau:

- Giá trị xác suất p ứng với các hệ số đều rất nhỏ (nhỏ hơn 0,001);

- Giá trị xác suất p của mức độ phù hợp với mô hình thí nghiệm (lack of fit) = 0,344 lớn hơn nhiều so với mức ý nghĩa (lớn hơn 0,05).

- Phương trình hàm hồi quy Y ảnh hưởng bởi các yếu tố X₁, X₂, X₃, X₄ như sau:

Y = - 58840,3 + 3102,89X₁ + 19,9968X₂ - 64873X₃ + 1024,69X₄  - 36,4682X₁²  - 1,98474X₂² + 4,63437X₁X₂ + 1539,96X₁X₃ - 30,6074X₁X₄ + 606,258X₂X₃   - 3,98746X₂X₄ - 852,17X₃X₄.

Từ những kết quả thu được trên đây, ta thấy rằng phương trình hàm hồi quy bậc 2 hoàn toàn phù hợp với mô hình thí nghiệm.

Xác định công suất tiêu thụ nhỏ nhất của động cơ dẫn động trục trộn đồng thời thỏa mãn 2 điều kiện là: Cường độ chịu nén của bê tông lớn nhất và độ sụt của bê tông đạt yêu cầu. Nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm Minitab 16.0 và thu được kết quả như Hình 2.6.

Công suất tiêu thụ nhỏ nhất của động cơ dẫn động trục trộn Y_min = 16680 W; cường độ chịu nén của bê tông lớn nhất là C_max = 41,2603MPa; độ sụt bê tông S_đạt = 18,4554cm; các giá trị trên đạt được ở tốc độ trộn n = 41,3955 vòng/phút; góc nghiêng của bàn tay trộn j = 45⁰; bề rộng của bàn tay trộn b = 0,23m; khe hở giữa bàn tay trộn với vỏ thùng trộn k = 3,1717mm.

Đánh giá ảnh hưởng của các biến thí nghiệm đến công suất tiêu thụ Y. Sử dụng phần mềm Minitab 16.0, ta thu được kết quả đánh giá như Hình 2.7.

H26                                                                                          27

 Hình 2.6: Đồ thị đánh giá ảnh hưởng của các biến thí nghiệm đến công suất tiêu thụ Y

Hình 2.7: Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa các thông số “đầu vào” và “đầu ra” của thí nghiệm

 Nhận xét:

Từ đồ thị Hình 2.7 chúng ta thấy rằng:

- Biến có ảnh hưởng lớn nhất đến hàm mục tiêu Y là biến X₁ - Tốc độ quay của trục trộn. Nếu tốc độ trộn càng cao thì công suất của động cơ dẫn động quay trục trộn càng tăng mạnh và ngược lại;

- Các biến còn lại X₂- Góc nghiêng của bàn tay trộn; X₃- Bề rộng của bàn tay trộn; X₄- Khe hở giữa bàn tay trộn và vỏ thùng trộn, đều có ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động quay trục trộn. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng của các biến này là khác nhau và không lớn.

3. Kết luận

Bài báo đã trình bày tóm tắt cách xây dựng bảng ma trận thí nghiệm và cách tiến hành thí nghiệm. Sau khi xử lý các kết quả đo bằng phần mềm Minitab 16.0 đã thu được những kết quả sau:

- Công suất tiêu thụ nhỏ nhất của động cơ dẫn động trục trộn Y_min = 16680W; cường độ chịu nén của bê tông lớn nhất là C_max = 41,2603MPa; độ sụt bê tông S_đạt = 18,4554cm; các giá trị trên đạt được ở tốc độ trộn n = 41,3955 vòng/phút; góc nghiêng của bàn tay trộn j = 45⁰; bề rộng của bàn tay trộn b = 0,23m; khe hở giữa bàn tay trộn với vỏ thùng trộn k = 3,1717mm.

- Tốc độ trộn có ảnh hưởng lớn nhất đến công suất của động cơ dẫn động quay trục 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.

Tài liệu tham khảo

[1]. Nguyễn Văn Dự, Nguyễn Đăng Bình (2011), Quy hoạch thực nghiệm trong kỹ thuật, NXB. Khoa học và Kỹ thuật.

[2]. Vũ Minh Đức (2013), Nghiên cứu, đánh giá độ tin cậy của trạm trộn và xác định một số thông số kỹ thuật hợp lý của buồng trộn thuộc trạm trộn bê tông nhựa nóng do Việt Nam chế tạo, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật.

[3]. Nguyễn Thị Kiều Hạnh, Trần Thị Thanh (5/2011), Nghiên cứu máy ép viên phân hữu cơ sinh học kiểu khuôn vòng - cánh quay - MEVKVCQ - 1000 bằng bề mặt đáp ứng và ứng dụng vào sản xuất,  Kỷ yếu Hội nghị KHCN tuổi trẻ các trường đại học và cao đẳng khối Nông - Lâm - Ngư - Thủy toàn quốc lần thứ 5, Trường Đại học Cần Thơ.

[4]. Đỗ Thị Tám (2012), Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến độ trộn đều và năng lượng tiêu thụ của máy trộn thức ăn chăn nuôi kiểu trục ngang, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Thái Nguyên.

[5]. Nguyễn Thiệu Xuân, Trần Văn Viết (6/2011), Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng trộn và mức tiêu thụ năng lượng của máy trộn hai trục cưỡng bức với các loại vật liệu rời, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 6.