Xây dựng phần mềm tính toán công suất nhỏ nhất của bộ máy trộn bê tông hai trục nằm ngang

Nhóm tác giả đã xây dựng phần mềm tính toán dựa trên ngôn ngữ lập trình C++. Đây là một trong những ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng mạnh và phổ biến hiện nay do tính mềm dẻo và đa năng của nó.

Từ khóa: Máy trộn bê tông, quá trình trộn, công suất trộn, chất lượng trộn.

Abstract: This article presents the summary results of calculatation software of minimum motor power of mixing shaft inside the horizontal twin shaft concrete mixer made by Vietnam, considering influence of some structural parameters. We built a calculatation software based on C++ programming language. This is one of the most popular and strongest object-oriented programming languages, thanks to its flexibility and versatility.

Keywords: Concrete mixers, mixing procedure, mixing power, mixing quality.

1. Đặt vấn đề

Bộ máy trộn là một bộ phận quan trọng nhất của các trạm trộn BTXM, nó quyết định đến 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 kw đến vài trăm kw. Các bộ máy trộn chế tạo trong nước chủ yếu theo hình thức chép mẫu. Hiện chưa có công trình khoa học phục vụ việc nghiên cứu, tính toán thiết kế bộ phận này. Do đó, việc nghiên cứu tính toán công suất động cơ dẫn động trục trộn có xét đến các yếu tố ảnh hưởng của một số thông số kết cấu của bộ máy trộn là cần thiết. Kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra kết luận, ứng với giá trị nào của các thông số kết cấu của bộ máy trộn sẽ cho chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được chất lượng sản phẩm đầu ra là BTXM thương phẩm.

2. Nội dung

2.1. Loại máy trộn nghiên cứu

Để tạo ra hỗn hợp BTXM từ các thành phần cốt liệu khác nhau, người ta sử dụng các loại máy trộn kiểu tự do có biên dạng của thùng trộn là hình trụ nằm ngang, hoặc hình nón cụt, hoặc các loại máy trộn cưỡng bức hình trụ đứng có gắn các cánh tay trộn hành tinh và máy trộn cưỡng bức có hai trục nằm ngang để trộn.

Trong các loại máy kể trên thì loại máy trộn cưỡng bức kiểu hai trục nằm ngang có nhiều ưu điểm hơn cả vì: Chất lượng trộn đồng đều; thời gian trộn nhanh; năng suất cao, có thể đạt đến 250 m³/h, rất thích hợp với những trạm yêu cầu khối lượng cung cấp hỗn hợp bê tông lớn và liên tục. Trong khuôn khổ, bài báo chỉ đề cập tới việc tính toán công suất nhỏ nhất của động cơ dẫn động trục trộn trong bộ máy trộn BTXM hai trục nằm ngang do Việt Nam chế tạo có năng suất 25 m³/h. Hình ảnh trạm trộn BTXM được minh họa trên Hình 2.1, sơ đồ cấu tạo và thông số kỹ thuật của bộ máy trộn được thể hiện trên Hình 2.2 và Bảng 2.1.

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

Hình 2.2: Sơ đồ cấu tạo và thông số kỹ thuật của bộ máy trộn BTXM hai trục nằm ngang, năng suất 25m³/h do Việt Nam chế tạo (không thể hiện cửa xả)

Nguyên lý làm việc: Động cơ (3) quay; thông qua bộ truyền đai (4), hộp giảm tốc (2) và cặp bánh răng (1) làm cho 2 trục trộn (7) có gắn các bàn tay trộn (5) và bàn tay vét thùng (8) chuyển động quay ngược chiều nhau. Vật liệu: Đá, cát, sỏi, xi măng, nước và phụ gia được cho vào thùng. Sau khi trộn xong thì xả hỗn hợp bê tông ra ngoài bằng cách mở đáy thùng.

 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 (a), 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. Mô hình bài toán xác định công suất nhỏ nhất thể hiện trên hình dưới đây:

Vì thông số “đầu ra” là công suất phụ thuộc đồng thời cả 4 thông số “đầu vào” (a, n, b, k), nên vấn đề đặt ra là: Công suất dẫn động bộ máy trộn sẽ có giá trị nhỏ nhất ứng với các giá trị cụ thể nào của 4 thông số “đầu vào” nói trên? Nói một cách khác, đây chính là bài toán xác định công suất nhỏ nhất của động cơ dẫn động trục trộn phụ thuộc vào nhiều yếu tố mà các tác giả sẽ trình bày cách giải cụ thể ở phần tiếp theo.

2.3. Áp dụng công thức tính công suất của bộ máy trộn BTXM

Có nhiều công thức tính công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động trục trộn của nhiều tác giả khác nhau. Tuy nhiên, theo ý kiến chủ quan của nhóm tác giả thì công thức tính công suất theo tài liệu [1] có thể áp dụng để tính công suất của bộ máy trộn này vì dễ áp dụng. Trong công thức đã thể hiện tương đối đầy đủ các thành phần lực cản, lực ma sát của hỗn hợp tác dụng lên bàn tay trộn, cánh tay trộn; có xét đến khe hở giữa bàn tay trộn và thành thùng trộn… như dưới đây:

P = Z₁.ω.{C₁.C₃.μ.r.b.[(cosφ₃- cosφ₁).  + (φ₃ - φ₁). . + a² (b-c). (C₂.π.τ.sinα + C₃.μ.cosφ₁.a) +  .C₂.C₃.sinφ₁^.[b.(r³-a³) + c.a³] +  .r³.π.τ}.   (2.1)

Trong đó: 

P – Công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động trục trộn (w);

Z₁ – Số cánh trộn đồng thời nằm trong hỗn hợp BTXM;

ω – Tốc độ góc của cánh trộn (rad/giây);

C₁ = 1 + μ.cotgα; C₂ = 1 + μ. ; C₃ = ρ.g.sinα;

α- Góc nghiêng bàn tay trộn (độ);

ρ – Khối lượng riêng của hỗn hợp bê tông (kg/m³);

g – Gia tốc trọng trường (m/s²);

μ – Hệ số ma sát giữa hỗn hợp bê tông và thành thùng trộn;

r – Khoảng cách từ trục trộn đến mép của bàn tay trộn ở vị trí xa tâm nhất (m);

b – Bề rộng của bàn tay trộn (m);

φ₁ – Góc ma sát trong của vật liệu (độ);

φ₃ – Góc giữa mặt phẳng ngang và tiếp tuyến cánh trộn (độ);

a – Khoảng cách từ tâm trục trộn đến bàn tay trộn ở vị trí gần tâm nhất (m);

c – Bề rộng của cánh tay trộn (m);

τ – Ứng suất cắt của hỗn hợp bê tông (N/m²).

2.4. Sử dụng ngôn ngữ lập trình C++ để xây dựng phần mềm tính toán công suất nhỏ nhất của bộ máy trộn

Sơ đồ thuật toán của chương trình thể hiện như trên Hình 2.4.

Ứng dụng ngôn ngữ lập trình C++ để xây dựng phần mềm tính toán công suất cho bộ máy trộn theo công thức (2.1), đồng thời sử dụng bộ số liệu của máy trộn nghiên cứu và loại bê tông C30 sử dụng cho xây dựng tuyến đường sắt trên cao Nhổn – Ga Hà Nội, đó là: Z₁ = 8 (cái); p = 2438 (kg/m³); g = 9,81 (m/s²); ì = 0,45;  ư₁ = 27 (độ); ư₃ = 135 (độ); a = 0,26 (m); c = 0,05 (m); ơ = 1000 (N/m²); bán kính thùng trộn R = 400 (mm); r = 385 (mm); khe hở giữa thùng trộn và cánh trộn k = R-r; các thông số a (độ); n (v/ph); b (m); k (mm) là các tham số có giá trị thay đổi trong quá trình chạy phần mềm. Sơ đồ thuật toán của chương trình xác định công suất nhỏ nhất của động cơ dẫn động trục trộn được thể hiện như trên Hình 2.4; Trong đó: (*) Hàm P(n, a, b, r) được tính theo công thức (2.1); (**) Sử dụng thuật toán so sánh tìm giá trị nhỏ hơn.

Cách tìm P_min trên sơ đồ thuật toán như sau:

+ Ứng với một bộ 4 số (n, a, r, b), các giá trị được xác định như ở bảng trên, thực hiện các việc sau:

- Tính: C₁, C₂, C₃;

- Tính hàm: P(n, a, b, k);

- Tìm P_min, ứng với giá trị của n_(min), a_(min), b_(min), k_(min).

+ Sau khi thực hiện hết các bộ 4 số (n, a, r, b) thì in ra các kết quả: P_min, n_(min), a_(min), b_(min), k_(min).

Sau khi chạy phần mềm với các thông số “đầu vào” nêu trên, tác giả nhận được kết quả như dưới đây:

Các kết quả thu được sau khi máy tính thực hiện 4235 phép tính là: P_min = 5091,9 W = 5,09 kW; ứng với giá trị của: n = 38 v/ph; a = 45⁰; b = 0,23 m; k = 15 mm.

3. Kết luận

Bài báo đã trình bày tóm tắt cách tính công suất nhỏ nhất của động cơ dẫn động trục trộn trong bộ máy trộn BTXM kiểu cưỡng bức, chu kỳ hai trục nằm ngang có dung tích trộn 500 lít bằng phần mềm đã xây dựng được dựa trên ngôn ngữ lập trình C++. Sau khi tính toán thu được kết quả, công suất nhỏ nhất của động cơ dẫn động trục trộn là P_min = 5,09 kW; ứng với các giá trị của: n = 38 v/ph; a = 45⁰; b = 0,23 m; k = 15 mm .

Tài liệu tham khảo

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

[2]. 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.

[3] Bjarne Stroustrup (1997), The C++ Programming Language, Third Edition, AT&T Labs Murray Hill, New Jersey.

[4]. Дроздов А.Н (2006), Основы теории выбора и эффективной эксплуатации строительных машин, Москва.