Tài liệu Báo cáo "NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CHO MÁY ĐÚC BÓ VỈA BÊ TÔNG TỰ HÀNH " docx

KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG

Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng
Số 13/8-2012

51

NGHIấN CU KHO ST CC THễNG S C BN
CHO MY C Bể VA Bấ TễNG T HNH

Lu c Thch
1
, Nguyn Anh Tun
2
, V Anh Tun
3
, Nguyn Ngc Linh
4


Túm tt: Bi bỏo trỡnh by mụ hỡnh nghiờn cu vớt ựn s dng phng trỡnh
Navie Stock thit lp cỏc mi quan h c bn ca vớt ựn nh lu lng Q, ỏp
lc
p
vi cỏc thụng s hỡnh hc v ng hc. Kt qu s cho phộp ỏnh giỏ nh
hng ca tc vớt n lu lng v ỏp lc to hỡnh.
T khúa: bờtụng, bú va, vớt ựn
Summary: This paper presents the model for screw extruder derived from the
Navie Stock equation to describe the relationship of the flow rate Q, the pressure
drop
p

to the geometrical and dynamical parameters. The numerical results allow
to evaluate the influence of the speed of screw extruder on the flow rate and the
pressure drop.
Keywords: screw extruder, concrete, curb machine

Nhn ngy 02/7/2012, chnh sa ngy 23/7/2012, chp nhn ng ngy 30/8/2012

1. t vn
Cỏc mỏy ỳc bú va bờ tụng t hnh cú kt cu nh gn, c ng v nng sut cao c
dựng cho cỏc cụng trỡnh cú quy mụ ln cng nh va v nh cỏc nc phỏt trin trờn th gii.
Vit Nam hin nay, loi thit b ny mi ch bt u xut hin, tuy nhiờn kh nng ỏp
dng cũn hn ch do cha cú y c s lý thuy
t cng nh kinh nghim vn hnh v
iu chnh thit b phự hp vi yờu cu cụng tỏc.
C s lý thuyt quỏ trỡnh ựn ộp ó c nhiu nh nghiờn cu ỏp dng cho rt nhiu
ng dng a dng nh Z. Tadmor, W. Michaeli cho quỏ trỡnh ựn ộp nha v cao su [7,8,9],
J.M. Harper, Frank Họndle (Ed.) cho quỏ trỡnh ựn Ceramic [10], Mc dự vy, thc t, cú rt ớt
ti liu nghiờn cu mụ t v quỏ trỡnh ựn ộp to hỡnh bờ tụng, cỏc ti liu hu ht ch tp trung
vo cỏc sỏng ch. Cỏc nh sn xut mỏy ỳc bú va bờ tụng t hnh hng u nh Gomaco,
Power curb ch gii thiu v thit b qua cỏc thụng s k thut chớnh. Thụng qua bi toỏn tng
tỏc gia mỏy v hn hp bờ tụng, bng cụng c toỏn hc v phn mm Mathematical cú th
thit lp v kho sỏt mt s quan h lm c s xỏc nh cỏc thụng s c bn cho vớt ựn to
hỡnh bú va bờ tụng.
Mỏy ựn ộp trc vớt n thng
c s dng rng rói do cu to n gin, vt liu
c ựn ộp thnh dũng liờn tc. Vt liu to hỡnh rt a dng: nha, t sột, hn hp bờ
tụng, nhụm, thộp, cao su, Mỏy cú cu to bao gm: Vớt ựn 3 nm trong v vớt 2, cú ca np
nm di phu cp liu 1, cú ca x lp khuụn ựn 4. Khi dn ng quay vớt ựn 3 vt liu s
c vn chuyn t c
a np ti khuụn ựn, c lm cht v y ra ngoi thụng qua ming

khuụn ựn.

1
TS, Khoa C khớ Xõy dng, Trng i hc Xõy dng. Email:
2
ThS, Khoa C khớ Xõy dng, Trng i hc Xõy dng.
3
KS, Khoa C khớ Xõy dng, Trng i hc Xõy dng.
4
ThS, Trng Cao ng Xõy dng s 1.
KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG

Sè 13/8-2012
T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng
52

Hình 1. Cấu tạo máy đùn ép trục vít đơn
1. Phễu cấp liệu; 2. Vỏ vít 3. vít đùn; 4.Khuôn côn; 5. Khuôn thẳng;
I: Vùng tạo áp; II: Vùng làm chặt sơ bộ; III: Vùng làm chặt tạo hình
2. Mô hình nghiên cứu vít đùn
Trong thực tế rất khó mô tả chính xác quỹ đạo chuyển động của vật liệu trong rãnh trục
vít. Có nhiều mô hình theo đó có nhiều giả thiết nghiên cứu vít đùn được xây dựng để mô tả
quỹ đạo chuyển
động của các hạt vật liệu hay dòng vật liệu.
Trong bài báo này trình bày mô hình nghiên cứu vít đùn [9,10] với các giả thiết sau:
- Hỗn hợp bê tông trong vít đùn là dòng Newton;
- Ảnh hưởng của trọng lực, lực quán tính và lực ly tâm là không đáng kể khi so sánh với
độ nhớt và áp lực;
- Độ cong rãnh không đáng kể (H<<D);
- Rãnh trải ra là hình chữ nhật;

- Khối lượng riêng của bê tông là hằng số;
- Dòng chảy là đều tại mọi điểm;
- Không có sự tr
ượt tại thành bên;
- Độ nhớt độc lập với vận tốc trượt, áp lực và nhiệt độ.
Trong mô hình nghiên cứu này, hệ trục tọa độ được đặt trên trục vít, coi trục vít là cố
định, vỏ vít có chuyển động quay với tốc độ
n
(v/s). Do tác dụng quay của vỏ sẽ kéo vật liệu
trong rãnh chuyển động và xảy ra hiện tượng trượt ở trong dòng. Khoảng không giữa vít và
thành vỏ là một rãnh hình xoắn ốc. Khai triển rãnh này thành một bề mặt phẳng thu được rãnh
chữ nhật thẳng.

Hình 2. Thông số hình học của vít đùn Hình 3. Hình dạng của rãnh vít khai triển
thành mặt phẳng
1. Thành vỏ vít; 2. Trục vít
KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG

Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng
Số 13/8-2012

53
trong ú:
s
L - Bc vớt (m)
H - Chiu sõu rónh vớt (m)
f

- Khe h nh cỏnh vớt v
thnh trong v vớt (m)

v
w - Chiu dy cỏnh vớt (m)

- Gúc nõng ren vớt () ar
s
b
L
ctg
D



=



v
D - ng kớnh nh cỏnh vớt( m)
v
d - ng kớnh trc vớt (m)
W - Chiu rng rónh vớt (m)
os w
s
v
WLc

=
cv
L - chiu di phn mang cỏnh vớt (m)
v

L - chiu di ton b vớt (m)
Khai trin v v trc vớt thnh hai tm phng song song vụ hn (hỡnh 3), trc vớt l tm
di c nh, v l tm phớa trờn bao ton b rónh v chuyn ng vi vn tc khụng i
b
V
theo gúc
b

vi l tc quay v vớt n:


bv
VnD

= (1)
Vn tc ca v cú th c phõn ra thnh 2 thnh phn: vn tc dc rónh theo phng z
v vn tc ngang rónh theo phng x l:

b
os
bx b
VVc

=
(2.a)
v

sin
bx b b
VV

= (2.b)
Vn tc dc rónh
bz
V kộo dũng vt liu v phớa ca ra, vn tc ngang rónh
bx
V to ra
chuyn ng theo phng ngang rónh ca dũng vt liu.
Theo nh lut 2 Newton, phng trỡnh chuyn ng ca dũng vt liu l

2

v
vv P g
t



+=++

(3)
trong ú:
l toỏn t vi phõn,

l khi lng riờng ca vt liu (kg/m
3
),
P
l gradient ỏp sut
dũng,

v vn tc dũng (m/s), g l gia tc trng trng (m/s
2
),

l ng sut trt (N/m
2
).
Thay
.


=
vi

l nht vt liu (N.s/m
2
),

l tc trt (1/s) vo (3) thu c
phng trỡnh NavierStokes tng quỏt vit cho chuyn ng ca dũng Newton l:

2
.
v
vv P v g
t



+=++

(4)
trong ú:
.
v
vv
t


+

: lc quỏn tớnh; P

: ỏp lc thy ng;
2
v


: lc nht;
g

: lc khi
Khai trin phng trỡnh NavierStokes (4) trong h ta cỏc, ta cú:

222
222
x x x x xxx
x
yz x
vvvv P vvv

vvv g
txyzxxyz





+++ =+ +++





KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG

Sè 13/8-2012
T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng
54

222
222
222
222
yyyy yyy
x
yz y
zzzz zzz
x
yz z
v v v v vvv

P
vvv g
txyzyxyz
vvvv P vvv
vvv g
txyzzxyz
ρ
ηρ
ρηρ
⎛⎞
∂ ∂ ∂ ∂ ∂∂∂
⎛⎞
∂
+++ =−+ +++
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
∂∂∂∂ ∂∂∂∂
⎝⎠
⎝⎠
⎛⎞
⎛⎞
∂∂∂∂ ∂∂∂∂
+++ =−+ +++
⎜⎟
⎜⎟
∂∂∂∂ ∂ ∂∂∂
⎝⎠
⎝⎠
(5)

Khi chuyển động của dòng vật liệu là đều ( 0
v
t
∂
=
∂
), ổn định ( 0
t
ρ
∂
=
∂
) và không nén
được (
onstc
ρ
= ) [5], ta có phương trình liên tục của dòng là:

0
y
xz
v
vv
xyz
∂
∂∂
++=
∂∂∂
(6)
Khi dòng được phát triển đầy đủ theo hướng trục z, thì

0
v
z
∂
=
∂
(7)
Tương tự, khi dòng chảy trong phương ngang rãnh cũng được phát triển đầy đủ theo
hướng trục x, ta có:

/ 0,/,/ 0,/ 0
xyyz
vx vxvx vx∂∂=∂∂∂∂=∂∂=
(8)
Từ phương trình liên tục (6), có
0
y
v
y
∂
=
∂
hay
y
vC
=
,với C là hằng số. Vì coi dòng chỉ
có chuyển động theo phương dọc rãnh (trục z) và phương ngang rãnh (trục x), dòng không có
chuyển động theo trục y nên:

0
y
v =
(9)
Thay vào (7), (8), (9) vào hệ phương trình (5) thu được:

2
2
x
Pv
x
y
η
∂∂
=
∂∂
(10)

/0Py∂∂=
(11)

22
22
zz
vvP
zxy
η
⎛⎞
∂∂∂

=+
⎜⎟
∂∂∂
⎝⎠
(12)
Công thức (11) cho thấy áp lực là một hàm phụ thuộc x và z. Trong công thức (10), vế
bên phải chỉ là một hàm chỉ phụ thuộc y, trong khi đó, vế bên trái áp lực P là một hàm của x và
z. Không bên nào phụ thuộc vào biến của nhau, nên cả hai vế phải bằng một hằng số hay
2
2
onst
x
Pv
c
xy
η
∂∂
==
∂∂
. Tích phân công thức (10) được vận tốc dòng theo phương x là:

2
12
2
x
yP
vCyC
x
η
∂

⎛⎞
=++
⎜⎟
∂
⎝⎠
(13)
KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG

T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng
Sè 13/8-2012

55
Các hằng số
1
C và
2
C được xác định từ các điều kiện biên
(
)
00
x
v
=
và
()
x
bx
vH V=− .
Đặt
/

x
xbx
uvV= gọi là profile vận tốc và /
y
H
ζ
=
, thay các điều kiện biên vào công thức (13)
thu được profile vận tốc theo phương ngang rãnh

()
2
1.
2
x
bx
HP
u
Vx
ζζζ
η
⎛⎞
∂
=− + −
⎜⎟
∂
⎝⎠
(14)
Công thức profile vận tốc này theo phương ngang rãnh phụ thuộc vào gradient áp lực
theo phương ngang rãnh. Nhưng khi bỏ qua dòng rò rỉ, lưu lượng dòng chảy theo phương

ngang rãnh là bằng 0.

1
0
0
x
ud
ζ
=
∫
(15)
thay (14) vào (15) và lấy tích phân, xác định được gradient áp lực:

22
sin
66
bx b b
VnD
P
xH H
π
φ
ηη
∂
=− =−
∂
(16)
Ta thấy gradient áp lực theo phương ngang rãnh là tỷ lệ thuận với tốc độ vít và đường
kính thành vỏ, và tỉ lệ nghịch với bình phương của chiều sâu rãnh. Thay công thức (16) vào
công thức (14), có được profile vận tốc theo phương ngang rãnh:

()
23
x
u
ζ
ζ
=− (17)

Theo hướng xuôi chiều rãnh, với các điều kiện biên
(
)
,0 0
z
vx
=
;

()
,
zbz
vxH V
=
,
()
0,
z
vy
;
()

,0
z
vWy=
giải phương trình vi phân (12) xác định được profile vận tốc
/
zzbz
uvV= là:
()
()
()
(
)
(
)
()
()
2
2
33
1,3,5 1,3,5
osh 0.5 /
sinh
48
sin sin
isinh 2 i osh /2
z
i i
bz
ci h
ih

HP
ui i
ih V z c i h
πχ
πζ
π
χ
ζζ
π
ζ
ππ η π π
∞ ∞
= =
⎡
⎤
−
⎛⎞
∂
=+−+
⎢
⎥
⎜⎟
∂
⎢
⎥
⎝⎠
⎣
⎦
∑∑

(18)
trong đó đặt

/Wx
χ
= và /hHW= .
Lưu lượng dòng Q xác định được bằng cách tích phân công thức (18) theo phương
ngang rãnh:

11
00
W.HV
bz z
Qudd
ζ
χ
=
∫∫
(19)
dẫn đến:

3
212
bz
dp d p
VWH
WH P
QQ Q F F
L
η

Δ
⎛⎞
=+= + −
⎜⎟
⎝⎠
(20)

33
1,3,5
16 1
tanh
2
d
i
WiH
F
Hi W
π
π
∞
=
⎛⎞
=
⎜⎟
⎝⎠
∑
(21.a)
KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG

Sè 13/8-2012

T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng
56

55
1,3,5
192 1
1tanh
p
i
HiW
F
Wi H
π
π
∞
=
⎛⎞
=−
⎜⎟
⎝⎠
∑
(21.b)

Hình 4.
Mô hình dòng cản (A) và dòng áp lực (B)
1. Tấm di động; 2. Tấm cố định; 3. Phần tử vật liệu H - Chiều sâu rãnh vít; V: vận tốc của phần
tử vật liệu; V
d
: vận tốc kéo; y: khoảng cách từ vị trí cố định đến phần tử vật liệu; F
1

, F
2
, F
3
, F
4
:
lực tác động lên phần tử vật liệu do chênh lệch áp lực trong dòng áp lực
trong đó:

d
Q

đại diện của dòng kéo, do chuyển động tương đối giữa hai tấm song song cố định và
di động làm cho dòng vật liệu được kéo chuyển động theo hướng dọc trục vít (hình 4A);

p
Q : đại diện của dòng áp lực, do ảnh hưởng cản chuyển động giữa hai vị trí áp lực cao
và áp lực thấp ở hai đầu cửa nạp và cửa xả của vít đùn (hình 4B);

d
F và
p
F gọi là các hệ số hình dạng cho dòng kéo và dòng áp lực có giá trị <1, đặc
trưng cho ảnh hưởng cản của cánh vít đối với dòng giữa hai tấm song song vô hạn.
3. Khảo sát các thông số cơ bản của máy đùn bó vỉa trên sản phẩm bó vỉa bê tông có
kích thước rộng x cao = 200(mm) x 180(mm)
Từ phương trình (20), tiến hành khảo sát các thông số cơ bản của máy đùn bó vỉa bê
tông cụ thể bằng phần mềm Mathematical 7.0. Năng suất của máy
đùn 60(m/h) tương đương

2,5m
3
/h cho bó vỉa có kích thước 200(mm) x 180mm.
Các đặc điểm của hỗn hợp bê tông mác 200 là: ứng suất trượt tới hạn
01
τ
=2000 (N/m
2
);
khối lượng riêng 2200kg/m
3
; độ nhớt khảo sát từ 25 - 150 (N.s/m
2
), độ sụt 20(mm).
3.1 Khảo sát mối quan hệ lưu lượng Q và áp lực
Δ
p ( đường đặc tính của vít đùn)
ứng với các giá trị tốc độ vít n khác nhau
Hình 5 thể hiện đường đặc tính vít ứng với một tốc độ trục vít cụ thể, với mỗi giá trị lưu
lượng và áp lực xác định trong khuôn đùn, chỉ có một giá trị tốc độ vít tương ứng, gọi là điểm
làm việc. Khi lưu lượng qua vít đùn tăng thì áp lực của vít giảm tuyến tính và ngượ
c lại.


KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG

T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng
Sè 13/8-2012

57

Hình 5. Đường đặc tính của vít đùn
- Đường (1): tương ứng tốc độ vít
n = 3v/s; đường (2): tương ứng tốc độ vít n = 5v/s;
đường (3): tương ứng tốc độ vít
n = 7.64v/s; đường (4): tương ứng tốc độ vít n = 9v/s;
- A: điểm làm việc, với
p
Δ = 617378.4 N/m
2
, Qk = 0.00083m
3
/s
3.2 Khảo sát quan hệ tốc độ dòng bê tông qua vít
bz
V và bước vít
s
L
Kết quả khảo sát trong hình 6 cho thấy:
- Với bước vít
0,10
s
Lm< , tốc độ dòng bê tông qua vít
bz
V ứng với các giá trị độ nhớt
của bê tông không ổn định, lúc tăng lúc giảm. Với bước vít 0,10
s
Lm≥ , tốc độ dòng bê tông
qua vít
bz

V ổn định, có mối quan hệ gần như tuyến tính và dòng chảy của bê tông không phụ
thuộc nhiều vào chiều dài của bước vít.

Hình 6. Đồ thị ảnh hưởng của độ nhớt bê tông
η
đến tốc độ dòng bê tông qua vít
bz
V và bước vít
s
L
trong đó: Đường cong (1): độ nhớt
η
= 25Ns/m
2
; đường cong (2) độ nhớt
η
= 65Ns/m
2
; đường
cong (3) độ nhớt
η
= 105Ns/m
2
; đường cong (4) độ nhớt
η
= 145Ns/m
2
;
- Độ nhớt của bê tông
η

thay đổi từ 25Ns/m
2
đến 65Ns/m
2
thì tốc độ dòng bê tông qua vít
bz
V thay đổi nhiều. Khi tăng
η
lớn hơn 65Ns/m
2
thì tốc độ dòng bê tông qua vít giảm của
bz
V ít hơn.
4. Ứng dụng cụ thể
Từ các kết quả nghiên cứu và khảo sát, chúng tôi đã ứng dụng cho việc thiết kế, chế tạo
và lắp đặt cho máy đúc bó vỉa bê tông tự hành, hình 7.
(
)
2
(
)
4
()
1
(
)
3
A
(
)

3
(
)
1
(
)
2
(
)
4
KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG

Số 13/8-2012
Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng
58
Hỡnh 7. Hot ng ca mỏy ỳc bú va bờ tụng t hnh
5. Kt lun
- Xõy dng mụ hỡnh mỏy ựn ộp vi vt liu l hn hp bờ tụng, thit lp cỏc cụng thc
ca trc vớt lm c s kho sỏt la chn cỏc thụng s c bn ca mỏy.
- Xõy dng thut toỏn kho sỏt cỏc thụng s ca mỏy nh phn mm Mathematical 7.0
bng cỏc cụng thc ó c xỏc lp.
- ó xỏc nh s b cỏc thụng s
c bn ca mỏy v tỡm ra cỏc thụng s lm vic ca
mỏy sao cho kt cu ca mỏy nh gn m bo c dũng chy ca vt liu trong vớt ựn.
ng kớnh thnh trong trc vớt
b
D =0.15 (m); Bc vớt
s
L = 0.15 (m); Gúc xon vớt

=17.65
(); ng kớnh trc vớt
v
d =0.05 (m); Khe h cỏnh v thnh trong v vớt
f

= 0.002 (m)
- Kt qu ny ó c s dng lm c s cho vic thit k v ch to mỏy ựn bú va bờ
tụng t hnh.

Ti liu tham kho
1. V Liờm Chớnh, Phm Quang Dng, Trng Quc Thnh (2002), C s thit k Mỏy xõy
dng, H Ni.
2. on Ti Ng, Nguyn Thiu Xuõn, Trn Vn Tun, Nguyn Th Mai, Nguyn Kim Anh
(2000), Mỏy v thit b sn xut v
t liu xõy dng, NXB Xõy dng.
3. Nguyn Vn Phiờu (2006), Thit b cụng ngh vt liu xõy dng, NXB Xõy dng.
4. Trn Vn Tun (2005), C s k thut rung trong xõy dng v sn xut vt liu xõy dng,
NXB Xõy dng.
5. Nguyn Anh Tun (2010), Nghiờn cu tớnh toỏn, xỏc nh cỏc thụng s c bn ca mỏy ỳc
bú va bờ tụng t hnh, Lun vn Thc s k thut. Tr
ng i hc xõy dng.
6. ACI 309R-96. Guide for Consolidation of Concrete. Reported by ACI Committee 309 - 1996.
7. Tim A. Osswald, Juan P. Hernỏndez-Ortiz (2006), Polymer Processing - Modeling and
Simulation, Carl Hanser Verlag, Munich.
8. Natti S.Rao, Gunter Schumacher (2004), Design formulas for Plastic Engineers. Hanser
Publishers, Munich.
9. Zehev Tadmor and Costas G.gogos (2006), Principles of Polymer Processing. John Willey &
Sons Publishers, New Jersey.
10. Frank Họndle (Ed.) (2007), Extrusion in Ceramic, Springer.