Nghiên cứu động lực học vμ mô phỏng hoạt động của Đầm dùi

Nghiên cứu động lực học
v mô phỏng hoạt động của Đầm dùi



TS. nguyễn văn vịnh

Bộ môn Máy xây dựng - Xếp dỡ
Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT

Tóm tắt: Bi báo trình by tóm tắt những kết quả nghiên cứu động lực học v mô phỏng
hoạt động của Đầm dùi - một trong những thiết bị đầm lèn xi măng phổ biến hiện nay. Kết quả
nghiên cứu mô phỏng cho thấy hình ảnh trực quan, sinh động về hoạt động của các loại đầm
dùi v các đặc trng dao động, bán kính ảnh hởng của chúng. Công trình ny phục vụ cho
đo tạo nghiên cứu khoa học v sản xuất.
Summary: The articles briefs on study of dynamics and stimulation of hand pocker
vibrators - one of popular cement vibrating equipment. The result serves training, research and
production.
i. đặt vấn đề
Chất lợng của các công trình xây dựng bằng bê tông cốt thép, bê tông xi măng phụ thuộc
rất nhiều vào quá trình đầm lèn hỗn hợp bê tông xi măng (BTXM) khi thi công chúng. Đầm dùi là
một trong những thiết bị đầm lèn BTXM phổ biến dùng để đầm lèn các cấu kiện xây dựng có
hình dáng phức tạp, chiều dày lớn, diện tích nhỏ nh cột dầm, móng nhà, dầm cầuv.v. Quả
đầm thờng đặt sâu trong hỗn hợp bê tông, truyền xung lực ngang trong lòng hỗn hợp bê tông
với tần số cao nên hiệu quả đầm lèn tốt. Chúng đợc sử dụng rộng rãi vì có kết cấu gọn nhẹ, có
thể xách tay di chuyển trong quá trình đầm và đa vào mọi vị trí làm việc.
Để có thể quan sát đợc quá trình làm việc của các loại đầm dùi, xác định đợc bán kính
ảnh hởng, tính toán đợc các đặc trng dao động của chúng là mong muốn của những ngời
thiết kế, chế tạo thiết bị này. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, công việc
phức tạp trên có thể giải quyết đợc với sự trợ giúp của máy tính điện tử (MTĐT). Chúng tôi đã

tiến hành nghiên cứu động lực học của đầm dùi và mô phỏng hoạt động của chúng nhằm xây
dựng cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế, lựa chọn các thông số hợp lý của các loại đầm
dùi.
ii. nội dung
1. Khái niệm chung về đầm dùi
Trên hình 1 thể hiện cấu tạo của các kiểu đầm dùi chính. Đó là Đầm dùi trục mềm có trục
lệch tâm (hình a), đầm dùi có động cơ bố trí ở bên trong (hình b) và đầm dùi có trục lắc quay
bên trong (hình c).


Hình 1. Các loại đầm dùi chính
O
o
- trọng tâm của đầu đầm; O
1
- điểm đặt của lực kích động
2. Nguyên lý làm việc
Động cơ điện truyền chuyển động qua trục mềm tới các trục lệch tâm hoặc trục lắc làm
chúng quay. Nhờ các khối lợng lệch tâm làm cho đầu đầm bị rung động với tần số lớn để đầm
lèn bê tông.
3. Tính toán động lực học đầm dùi
Hình 2. Mô hình động lực học của đầm dùi
3.1. Mô hình động lực học
Từ kết cấu thực của đầm dùi và sơ đồ cấu
tạo của chúng, sử dụng các giả thiết để đơn
giản hoá, chúng ta có thể xây dựng đợc mô
hình động lực học của đầm dùi nh trên hình 2.
Đây là hệ dao động 2 bậc tự do.
3.2. Thiết lập phơng trình chuyển
động

Chúng ta thiết lập phơng trình chuyển
động với các giả thiết sau đây:
- Máy đầm và trục mềm có đờng trục ở
trạng thái tĩnh là thẳng đứng.
- Bỏ qua mômen uốn của cáp nối và trục mềm đối với điểm treo hoặc điểm nối.
- Coi bê tông là một môi trờng đàn hồi có hệ số dập tắt dao động tỉ lệ với tốc độ.
- Hệ số dập tắt dao động và độ cứng của bêtông không phụ thuộc vào thời gian đầm lèn.
- Khối lợng của bê tông dính vào quả đầm và dao động cùng với nó trong quá trình đầm
lèn có trị số không đổi ( m = const).
- Trong quá trình đầm lèn, ngời điều khiển kéo quả đầm theo phơng thẳng đứng và thành
phần của lực kích động theo phơng thẳng đứng có thể bỏ qua. Vì vậy, không cần viết phơng
trình cân bằng cho các lực thẳng đứng.

- Các lực quán tính, lực đàn hồi và lực dập tắt dao động tác dụng trong mặt phẳng nằm
ngang. Giả thiết này trong thực tế có thể cho phép với góc nghiêng ban đầu bằng (1 ữ 4).10
-3
rad
Phơng trình cân bằng lực theo phơng ngang trong hệ toạ độ OXY nh sau:
(1)

+
11
x.Kx.m
tcos..r.mx.S
2
001
=+
trong đó: m - tổng khối lợng dao động, kg;
m = m
V

+ m
b
Với:
m
V
- khối lợng của đầu đầm và phần khối lợng nối cứng của trục treo, kg;
m
b
- khối lợng của bêtông dao động cùng với đầu đầm, kg;
K - hệ số dập tắt dao động, Ns/m;
K = B.D.K
0
;
trong đó:
K
0
- hệ số dập tắt dao động riêng của bêtông Ns/m
3
;
D - đờng kính quả đầm, m;
B - chiều dày của bêtông m;
S - Độ cứng đàn hồi của bê tông, N/m; đợc xác định nh sau:
R
D.B.S
S
0
=

Với:
S

0
- hệ số đàn hồi riêng của bêtông, N/m
2
;
R - bán kính ảnh hởng của đầm dùi, m;
m
0
.r
0
- mômen của khối lợng lệch tâm, kg.m;
Phơng trình cân bằng mômen viết cho điểm trọng tâm S nh sau:
(2)
tcos..r.m.fe.x.Se.x.K.
2
001
1
=++

trong đó: - mômen quán tính của khối lợng dao động tổng cộng đối với trục Z đi qua trọng
tâm S của đầu đầm, kg.m

2
;
Chúng ta có các quan hệ hình học:
X
1
= X + e.tg

; Vì nhỏ, gần đúng tang

suy ra: X
1
= X + e.

.
Đạo hàm X
1
và thay vào các biểu thức (1) và (2) chúng ta có hệ phơng trình chuyển động
của đầm dùi nh sau:

(3)
tcos..r.m.fX.e.SX.e.K.e.S.e.K.
tcos..r.m.e.S.e.KX.SX.KX.m
2
00
22
2
00
=++++
=++++


Sau khi viết đợc phơng trình chuyển động chúng ta sẽ xem xét các trờng hợp làm việc
cụ thể của đầu đầm nh: khi đầu đầm đang làm việc đợc rút lên khỏi bêtông (K = 0, S = 0) và
đầu đầm làm việc trong bêtông (K 0, S 0).
3.3. Mô phỏng hoạt động của Đầm dùi
Trên cơ sở các công thức xác định các thông số cơ bản của Đầm dùi cũng nh từ hệ
phơng trình chuyển động (PTCĐ) (3) đã thiết lập ở trên, chúng tôi đã xây dựng chơng trình

giải hệ PTCĐ (3) và từ kết quả thu đợc có thể mô phỏng hoạt động của các kiểu đầm khác
nhau với ngôn ngữ lập trình Turbo Pascal 7.0.
Các số liệu nhập vào là khối lợng đầm, mômen lệch tâm, mômen quán tính, vị trí trọng
tâmv.v... Các kết quả thu đợc chính là các đặc trng dao động của đầm, bán kính ảnh hởng
và mô phỏng chuyển động của đầm trên màn hình máy tính với quỹ đạo là đờng Hypecbolic.
Các kết quả thu đợc có thể thể hiện trên màn hình máy tính hoặc truy xuất ra máy in. Do
khuôn khổ của một bài báo, chúng tôi xin giới thiệu có tính chất ví dụ về các giao diện và một số
kết quả chủ yếu đối với một kiểu đầm đó là đầm dùi kiểu trục lệch tâm. Đối với các loại đầm dùi
khác đều có trong chơng trình, tuỳ thuộc sự lựa chọn của ngời dùng.









Hình 3. Các giao diện của chơng trình mô phỏng

III. Kết luận
Với những kết quả đã đạt đợc khi nghiên cứu động lực học của đầm dùi và mô phỏng hoạt
động của chúng, chúng ta có thể thấy đợc một cách trực quan sinh động quá trình làm việc
của đầm dùi khi đầm lèn bê tông cũng nh xác định đợc hiệu quả đầm lèn của chúng thông
qua kết quả nhận đợc là các đặc trng dao động và bán kính ảnh hởng của các kiểu đầm,
nhờ đó có thể lựa chọn đợc các thông số hợp lý của đầm dùi. Kết quả nghiên cứu của công
trình giới thiệu trên sẽ là tài liệu tham khảo có ích cho giảng dạy, nghiên cứu khoa học và áp
dụng vào sản xuất.
Tài liệu tham khảo

[1]. Trần Quang Quý, Nguyễn Văn Vịnh, Nguyễn Bính. Giáo trình Máy và thiết bị sản xuất vật liệu xây
dựng. Nhà xuất bản GTVT năm 2001.
[2]. Nguyễn Văn Vịnh. Nghiên cứu mô phỏng hoạt động của máy trộn bê tông xi măng trộn cỡng bức kiểu
hành tinh trên máy tính điện tử. Tạp chí khoa học GTVT số 1 - tháng 11/2002.
[3]. Nguyễn Văn Vịnh. Nghiên cứu xác định các đặc trng dao động của máy sàng rung có hớng và xây
dựng chơng trình mô phỏng hoạt động trên máy tính điện tử. Tạp chí khoa học GTVT số 7 - tháng
5/2004