Thiết kế tàu hút bùn - Chương 2

CHƯƠNG 2:
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỤM PHAY CẮT ĐẤT
2.1. SƠ ĐỒ CỤM PHAY:
Hình 2.1 – Sơ đồ cụm phay.
1 – Hộp giảm tốc; 2 – Khớp nối; 3 – Động cơ điện;
4 – Ổ đỡ trục; 5 – Trục; 6 – Hộp chòu lực; 7 – Dao phay.
2.2. CHỨC NĂNG CỤM PHAY:
- Cụm phay có chức năng cắt đất và khuấy trộn tạo thành hỗn hợp bùn để
bơm hút đổ lên bờ.
- Đầu cụm phay có mang một dao phay có các lưỡi cắt để cắt đất. Dao phay
là chi tiết quan trọng nhất của cụm phay, đóng vai trò quan trọng đối với năng suất
của tàu hút bùn. Vì vậy, việc thiết kế chế tạo các biên dạng lưỡi phay, các góc độ
thích hợp, sự bố trí các lưỡi cắt… thích hợp với từng loại đất thi công là điều hết sức
cần thiết.
2.3. CHỌN LỰA DAO PHAY:
- Hiện nay, lý thuyết về dao phay còn đang là vấn đề nghiên cứu và tiếp tục
hoàn thiện của các nhà khoa học trên thế giới. Các công thức tính toán dao phay
mỗi nơi, mỗi nước trên thế giới có những kinh nghiệm riêng của mình. Những công
thức thực nghiệm gần đúng đó được thực tế sử dụng, kiểm tra và đánh giá.
32
- Hiện nay, mặc dù có nhiều dạng lưỡi phay đang trang bò trên các tàu cuốc
nước ngoài nhưng muốn nghiên cứu sử dụng các dạng lưỡi phay này, sử dụng các
công thức của nước ngoài cho các lưỡi phay này chúng ta cần phải nghiên cứu, hiệu
chỉnh các thông số cũng như kết cấu dao cho thích hợp với thực tế đất đai nơi ta thi
công và nhất là trong điều kiện khả năng công nghệ ở nước ta cho phép.
- Mới đây, nhóm nghiên cứu tàu hút bùn của trường Đại học Bách Khoa
Thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu chế tạo thành công loại dao phay sử dụng
cho đất sét dính và cứng cho tàu hút bùn.
- So với các loại dao phay của Pháp, Nga… dao mới có những ưu điểm nổi
bậc sau:
+ Có khả năng thi công đất sét dính, cứng dễ dàng và hiệu quả hơn (ít bò

kết dính, bó lưỡi, tốc độ mòn ít hơn).
+ Nhờ có thêm các lưỡi cắt mặt đầu nên các phôi đất được tách ra khỏi
lớp đất dễ dàng hơn, ít tốn năng lượng hơn.
+ Nhờ có thêm các lưỡi vòng nên phôi đất tạo ra được nhỏ và đều đặn
hơn tạo điều kiện cho bơm hút dễ dàng, ngoài ra còn làm cho dao thêm cứng vững,
có khả năng chặt được các cây nhỏ.
+ Quy trình chế tạo đơn giản, vật liệu rẻ tiền sẵn có, gia công dễ dàng
(gò, rèn, hàn…) phù hợp với điều kiện sản xuất nhỏ.
+ Giá thành rẽ, tuổi thọ cao.
- Trên cơ sở trên, ta chọn loại dao phay này cho thiết bò ta thiết kế với kích
thước phù hợp với năng suất tàu.
2.4. LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ CỦA DAO:
2.4.1. Lưỡi cắt chính:
- Số lưỡi: 5
- Bề dày lưỡi: 6mm
- Góc cắt:
0
35
=
δ
- Góc sắt của lưỡi:
0
25
=
β
- Góc nghiêng lưỡi so với trục quay:
0
20
=
α

33
2.4.2. Lưỡi cắt mặt đầu:
- Số lưỡi: 5
- Bề dày lưỡi: 6mm
- Góc cắt:
0
35
=
δ
- Góc sắt của lưỡi:
0
25
=
β
2.4.3. Lưỡi cắt vòng:
- Số lưỡi: 2
- Bề dày lưỡi: 6mm
- Đường kính dao:
+
mm400
max
=
φ
+
mm250
min
=
φ
+
mm

tb
325
=
φ
- Chiều dài dao:
mmL 300
=
Hình 2.2 –
Dao phay.
2.5. TÍNH
BỀ DÀY
PHOI ĐẤT
CẮT:
Đối
với các loại
thiết bò tàu
hút lớn, người ta áp dụng phương án thi công: cho lưỡi phay ấn vào đất một lượng z,
sau đó cho tàu rê ngang để lần lượt cắt hết lớp đất như hình vẽ:
34
Hình 2.3
Đối với phương án thi công này, để có thể rê ngang được dàn phay thì phải
tác dụng vào lưỡi phay một lực ngang thắng được tổng các thành phần hình chiếu
của lực cản đào tiếp tuyến
1
F
và lực cản đào pháp tuyến
2
F
xuống phương ngang,
thường tổng thành phần hình chiếu xuống phương ngang này khá lớn nên người ta

cho tàu rê quanh một cọc neo, dùng dây cáp để quay rê tàu quanh cọc đó tức là
phải trang bò thêm động cơ, hộp giảm tốc và nhiều bộ phận khác cho cơ cấu rê tàu.
Hình 2.4
Đối với thiết bò tàu hút bùn của ta thiết kế có năng suất nhỏ, yêu cầu gọn
nhẹ và nhất là vốn đầu tư chế tạo thấp nên ta áp dụng phương án thi công bằng tay
tức là dùng tay tác dụng vào điểm A của dàn phay làm thay đổi vò trí dao phay như
hình vẽ (hình 2.4)
35
Hình 2.5
Do tổng thành phần hình chiếu của lực
1
F
và
2
F
(chủ yếu là
2
F
) xuống
phương ngang lớn, đồng thời tỉ lệ với cánh tay đòn
OA
OB
lớn (gần 2,5 lần) nên bằng
sức tay trực tiếp ta không thể đẩy dàn phay quay quanh được điểm O của trục chữ
T nhằm làm thay đổi vò trí dao phay trong mặt phẳng ngang.
Do đó để giải quyết vấn đề này, ta đổi phương án thi công thay vì thay đổi vò
trí dao theo phương ngang ta thay đổi vò trí dao theo phương thẳng đứng như sau:
cho dao phay dần dần ăn sâu vào đất theo phương đứng từ trên đi xuống, sau đó
nhất dao lên quay dao đi một góc quanh trục T theo phương ngang rồi tiếp tục cho
dao phay ấn sâu vào đất…

Phương án này có nhược điểm là thời gian chết (không làm việc) của dao
phay lớn (lúc nhấc dao phay từ dưới lên theo phương đứng) nên ảnh hưởng đến
năng suất của tàu hút bùn. Tuy nhiên, việc áp dụng phương án thi công này cho
phép chúng ta sử dụng sức người để thi công:
- Khi quay dàn phay theo trục T trong phương ngang do lúc này dao phay
không cắt đất thì dùng sức người dể dàng.
- Khi cho dao phay ăn sâu vào đất, để thắng được thành phần tổng hình
chiếu của
21
, FF
theo phương đứng ta sử dụng đối trọng di chuyển trên dàn phay:
+ Khi cho dao phay ăn sâu vào đất thì đưa đối trọng ra gần dao phay
để dùng trọng lượng đối trọng thắng thành phần tổng hình chiếu
21
, FF
trên phương
đứng.
36
+ Khi cho dao phay nhấc lên thì đưa đối trọng chạy về phía trục T
(phía tâm quay) để lúc này dùng sức người nhấc dàn phay và quay dàn phay đi một
góc trong phương ngang được nhẹ nhàng.
Tính chiều dày phôi cắt lớn nhất, ta áp dụng công thức (8-28)[01]:
2
180
.arccos
...







−
=
π
δ
R
zR
RxV
đ
(2.1)






−
=⇒
180
.arccos..
.2
π
δ
R
zR
Rx
V
đ
(2.2)

Hình 2.6
1
O
: tâm của dao phay ở vò trí 1.
2
O
: tâm của dao phay ở vò trí 2 cách vò trí đầu một vòng quay của dao.
Trong đó:
x: độ ăn sâu theo chiều dọc của lưỡi phay vào đất, do đất thi công là loại bùn
nhão nên ta cho dao ăn sâu hoàn toàn vào đất,
mLx 3,0
==
R: bán kính trung bình của dao,
mR
tb
1625,0
2
325,0
2
===
φ
z: khoảng cách từ điểm A đến B (điểm mà cần tìm bề dày phoi đất cắt tại đó)
(trong trường hợp thi công của ta chính là y)
đ
V
: thể tích phoi đất cắt
δ
: bề dày phoi đất cắt
37
Nhìn vào công thức (2.2), ta nhận thấy bề dày phoi đất cắt lớn nhất tại vò trí

mà
Rz
=
(vò trí C),
0
90
=
n
ϕ
.
Do tính chất đất thi công là loại bùn nhão nên ta chọn độ dòch chuyển của
dao theo phương ngang sau mỗi lần nhấc dao lên là:
Rz 2
=
.
Trong công thức (2.2), nếu ta cho
mRz 1625,0
==
thì
2
V
V
=
đ
Với V: là thể tích phoi đất do một lưỡi cắt tạo ra trong một vòng quay của
dao nhằm đảm bảo năng suất của thiết bò, V được tính như sau:
mn
kq
V
..60

.
2
=
(2.3)
Trong đó:
hmq /15
3
=
: năng suất thiết bò
k: hệ số kể đến ảnh hưởng của thời gian không làm việc của dao (lúc nhấc
dao lên), ta chọn
5,1
=
k
5
=
m
: số lưỡi dao
phvgn /35
2
=
: tốc độ quay của dao
Ta tính được:
3
00214,0 mV
=
3
00107,0
2
m

V
V
đ
==⇒
Thế tất cả số liệu tính được vào (2.2) ta tính được bề dày phôi cắt lớn nhất:
mmm
R
RR
4004,0
180
14,3
.
2
arccos.1625,0.3,0
00107,0.2
==
−
=






δ
2.6. TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN DAO PHAY:
Lực tác dụng lên dao phay gồm hai thành phần chính sau:
2.6.1. Thành phần lực cản đào theo phương tiếp tuyến
1
F

:
1
F
tính theo công thức (8.33)[01]:
2
3211
....
2
1
....... VSktxkfffxkF
h
γδ
γθα
++=
(2.4)
38
Trong đó:
k
1
: lực cản đất tính trên tiết diện
2
1cm
, tiết diện vuông góc với phương vận
tốc cắt đất của lưỡi cắt, tra bảng (8-1)[01] ta có:
2
1
/2,0 cmdaNk
=
x: tổng chiều dài mép cắt của các lưỡi cắt tham gia cắt đất đồng thời ở thời
điểm tính toán:

2
.
m
Lx
≈
(2.5)
Với:
L: chiều dài dao phay,
cmL 30
=
m: số dao phay,
5
=
m
cmx 75
≈⇒
δ
: bề dày phoi đất cắt cực đại,
cmmm 440
==
δ
γθα
kkk ,,
: các hệ số hiệu chỉnh tính đến sai lệch góc cắt so với góc cắt tối ưu,
góc nghiêng của mép cắt lưỡi phay đối với đường trục trống quay, tốc độ cắt của
lưỡi phay, ta chọn:
2,1,,
=
γθα
kkk

k
2
: sức cản nén của đất tính trên
2
1cm
, tra bảng (8-1)[01] ta có
2
2
/5,0 cmdaNk
=
t: chiều dày mép cắt của lưỡi phay, chọn
cmt 3,0
=
k
3
: hệ số cản của bề dày lưỡi phay, tra bảng (8-2)[01] ta chọn
3,0
3
=
k
h
γ
: trọng lượng riêng hỗn hợp bùn,
3
/1225 mdaN
h
=
γ
S: diện tích bề mặt các lưỡi phay, ta tính gần đúng như sau:

BLmS ..
=
(2.6)
Với:
m: số lưỡi dao,
5
=
m
L: chiều dài dao,
mL 3,0
=
B: bề rộng lưỡi,
mB 04,0
=
2
06,004,0.3,0.5 mS ==⇒
39
V: vận tốc cắt của dao phay:
60
..
2
n
V
tb
φπ
=
(2.7)
Với:
tb
φ

: đường kính trung bình dao phay,
m
tb
325,0
=
φ
phvgn /35
2
=
smV /6,0
60
35.325,0.14,3
==⇒
Thế tất cả các số liệu vào công thức (2.4), ta tính được lực cản đào tiếp tuyến:
NdaNF 2,87222,8706.06,0.1225.3,0.
2
1
3,0.75.5,02,1.4.75.2,0
2
1
==++=
2.6.2. Thành phần lực cản đào pháp tuyến:
Theo kinh nghiệm:
( )
12
.45,03,0 FF
÷=
(2.8)
Ta chọn:
NFF 88,3482,872.4,0.4,0

12
===
Ngoài ra, do dao phay còn có các lưỡi cắt mặt đầu nên sẽ tạo ra một thành
phần lực dọc trục (do thành phần lực pháp tuyến của lưỡi cắt cong mặt đầu tạo
nên); thành phần lực cản đào tiếp tuyến của lưỡi dao cong mặt đầu và của lưỡi dao
vòng sẽ làm cho thành phần lực cản đào tiếp tuyến của dao phay tăng lên một hệ
số k, ta chọn:
4,1
=
k
Do đó, giá trò của thành phần lực cản đào tiếp tuyến là:
NF 08,12212,872.4,1
1
==
2.7. TÍNH CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CỤM PHAY:
Công suất động cơ cụm phay tính theo công thức:
η
π
.1000.60
.....2
21
nRFa
N
tb
p
=
(kW) (2.9)
Trong đó:
a: hệ số dự trữ công suất,
( )

3,11,1 ÷=a
, ta chọn
2,1
=
a
NF 08,1221
1
=
40
mR
tb
tb
1625,0
2
325,0
2
===
φ
phvgn /35
2
=
η
: hiệu suất bộ truyền, chọn
8,0
=
η
Thế vào công thức (2.9) ta tính được:
kWN
p
12,1

8,0.1000.60
35.1625,0.08,1221.2,1.14,3.2
==
2.8. CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỘP GIẢM TỐC CHO CỤM PHAY:
Tra bảng 2p [03] ta chọn loại động cơ không đồng bộ ba pha roto đoản mạch
điện áp 220/380V có ký hiệu: A02-22-4 có các thông số kỹ thuật như sau:
- Công suất đònh mức:
kWN 5,1
=
- Tốc độ:
phvgn /1420
=
- Hiệu suất:
8,0
=
η
- Tỉ số giữa momen mở máy và momen đònh mức:
8,1=
đm
M
M
m
- Tỉ số giữa momen cực đại và momen đònh mức:
2,2
max
=
đm
M
M
- Tỉ số giữa momen cực tiểu và momen đònh mức:

2,1
min
=
đm
M
M
- Khối lượng động cơ:
kgG 23
=
Tra bảng Atlat Máy Xây Dựng, ta chọn hộp giảm tốc PM250 có các thông số
kỹ thuật:
- Tỉ số truyền:
17,40
=
i
- Tốc độ trục vào:
phvgn /1500
=
- Công suất đònh mức:
kWN 5,2
=
(chế độ 25%)
- Momen xoắn giới hạn trên trục quay chậm: 330kgm
- Khối lượng: 102kg.
41