Báo cáo khoa học: Xác định góc nâng giới hạn của cam trụ trên máy đóng bầu mía giống docx

Báo cáo khoa học:
Xác định góc nâng giới hạn của cam trụ
trên máy đóng bầu mía giống
Xác định góc nâng giới hạn của cam trụ
trên máy đóng bầu mía giống
Determining limit lift angle of CYLINDRICAL CAM
in soil potting machine for sugarcane propagation

Đỗ Hữu Quyết
1
Summary
The slide frame of hose supplying component in soil potting machine for sugarcane
propagation with up and down movement is driven from the main shaft by cylindrical cam
structure. Determining maximum pressure angle or limit lift angle of the cam is the focus of
synthetic problem for cam structures. There is no general formula to solve this type of problem
for every general cam, but must solve directly and individually for each concrete structure.
This article shows investigating results and limit lift angle selection of cylindrical cam
used in hose supplying component of soil potting machine for sugarcane propagation as the base
for synthesizing mentioned cam structures.
Keywords: cylindrical cam, limit lift angle.

1. Đặt vấn đề
Trong máy đóng bầu mía giống truyền động cơ khí, bộ phận cung cấp ống có nhiệm vụ
mở miệng ống, nâng miệng ống lên giao cho cơ cấu kẹp giữ tạo điều kiện thuận lợi cho bộ phận
tạo vỏ bầu làm việc tốt (Đỗ Hữu Quyết, 2006). Khung trợt là chi tiết quan trọng nhất của bộ

phận cung cấp ống, trên đó lắp cơ cấu mở miệng ống và thanh điều khiển cơ cấu kẹp túi bầu.
Khung trợt có chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phơng thẳng đứng, đợc truyền động từ
trục chính nhờ cơ cấu cam trụ cần đẩy con lăn. Sơ đồ nguyên lý làm việc và cấu tạo của bộ phận
cung cấp ống đợc thể hiện trên hình 1 và hình 2.

8
4
3
2
1
9
10
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ phận
cung cấp ống: 1- Cam trụ; 2- Trục chính; 3-
Khung trợt; 4- Cụm nâng ống; 5- Mặt bàn thao
tác; 6- Họng nạp liệu; 7- Lẫy điều khiển cơ cấu
kẹp giữ miệng ống; 8- Thanh điều khiển cơ cấu
kẹp túi bầu; 9- Lõi chèn; 10- ống nilông.
7
5
6

Hình 2. Cấu tạo của bộ phận cung cấp
ống: 1- Khung máy, 2- Cam trụ, 3- Thanh
dẫn hớng, 4- Bạc trợt, 5- Con lăn, 6-
Khung trợt, 7- Thanh điều khiển cơ cấu
kẹp túi bầu, 8- Lõi chèn, 9- Dàn dỡ cụm
nâng ống
Kích thớc của cơ cấu cam trụ có ảnh hởng lớn đến việc bố trí các bộ phận làm việc khác của
máy và cần phải nhỏ gọn nhất có thể trong khi phải đảm bảo cho khung trợt chuyển động dễ

dàng với quy luật chuyển động cần thiết. Để giải quyết tốt mâu thuẫn này trong quá trình tổng
hợp cơ cấu cam, vấn đề quan trọng nhất là xác định đợc góc nâng giới hạn của cam trụ.

2. Nội dung và phơng pháp nghiên cứu
Để thuận tiện trong việc bố trí hệ thống truyền động chung cho toàn máy, chọn cơ cấu cam
trụ cần đẩy con lăn. Để tránh hiện tợng tháo khớp, sử dụng cam rãnh.
Khâu bị dẫn của cơ cấu cam trụ (hình 2) là khung trợt 6; trợt dọc theo hai thanh dẫn
hớng 3 trên các bạc trợt 4.
Kết cấu của khung trợt đợc xác định theo yêu cầu đặt ra đối với bộ phận nâng hạ
miệng ống. Quy luật chuyển động của khung trợt đợc xác định theo yêu cầu thực hiện thao tác
cung cấp ống trong quan hệ chung với các bộ phận làm việc khác của máy.
Về mặt lý thuyết, góc nâng giới hạn của cam trụ đợc xác định theo điều kiện tự hãm
của khung trợt và phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có hình dạng và trạng thái rãnh trợt, kích
thớc khung trợt, các yếu tố của lực chủ động và lực cản đặt lên khung trợt, v.v. ( . .,
. .,1967; . . .,1976; Đặng Thế Huy, Nguyễn Khắc Thờng,
1982). Cơ cấu cam trụ đang xét là cơ cấu cam không gian phức tạp, không có công thức chung
để tìm góc nâng giới hạn của cam mà việc xác định góc nâng giới hạn phải gắn chặt với kết cấu,
kích thớc cụ thể của cơ cấu.
Để xác định góc nâng giới hạn của cam trụ trong cơ cấu đã nêu, cần viết đợc phơng trình
cân bằng các lực đặt lên khung ở trạng thái làm việc khó khăn nhất, khảo sát quy luật thay đổi góc nâng
giới hạn của cam trụ theo các kích th
ớc của khung trợt. Từ đó có cơ sở lựa chọn kích thớc của
khung trợt và cam trụ sao cho phù hợp với kết cấu chung của toàn máy.
Để giải quyết bài toán, đã sử dụng phơng pháp chung của cơ học và các phần mềm trợ
giúp (Excel, Inventor).

3. Kết quả nghiên cứu
3.1 Góc nâng giới hạn của khung trợt
Từ kết cấu của bộ phận tạo vỏ bầu và bố cục
chung của toàn máy, sơ bộ xác định các kích thớc cần

thiết của khung trợt, các lực tác dụng lên khung và xây
dựng sơ đồ tính toán khung trợt, làm cơ sở cho việc xác
định góc nâng giới hạn của cam trụ (hình 3).
Khung trợt có chuyển động lên xuống theo
chu kỳ. Trong chu kỳ chuyển động của khung trợt,
vị trí bất lợi nhất xét về điều kiện tự hãm của khung
là khi khung đi lên đến gần điểm chết trên. Khi này
lực tác dụng lên khung (bỏ qua các lực quán tính)
bao gồm:
P
tp
- lực toàn phần do mặt cam tác dụng lên
trục con lăn.
P
k
- Trọng lợng của khung; đặt tại trọng tâm
khung, nằm trong mặt phẳng của khung, hớng
xuống dới.
P
n
- Tổng lực cản khi nâng miệng ống; đặt tại
tâm bộ phận cung cấp ống, cách mặt phẳng khung
a
b

P
ng
P
đ
P

k
P
tp
P
đk
O
c
e
P
n
x
y
z
d
Hình 3. Sơ đồ lực tác dụng
lên khung trợt

một khoảng bằng b, ngợc chiều chuyển động của khung.
P
đk
- Lực sinh ra khi điều khiển cơ cấu kẹp miệng ống; đặt cách mặt phẳng khung một khoảng
bằng b, ngợc chiều chuyển động của khung.
Do có ma sát giữa con lăn và trục con lăn, lực toàn phần do mặt cam tác dụng lên chốt
con lăn thông qua con lăn không trùng với phơng pháp tuyến của bề mặt cam tại điểm tiếp xúc
mà nghiêng đi một góc bằng góc ma sát ( . ., . ., 1967). Tuy nhiên trong
cơ cấu đang xét, ma sát giữa con lăn và chốt con lăn là rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Khi này, lực
tác dụng lên chốt con lăn sẽ đi qua tâm chốt và vuông góc với bề mặt của cam trụ tại điểm tiếp
xúc. Phân tích lực này thành hai thành phần theo phơng trợt và vuông góc với phơng trợt, ta
đợc lực P
đ

và lực P
ng
. Giữa chúng có quan hệ:
P
đ
= P
tp
. cos;
P
ng
= P
tp
.sin = P
đ
. tg. (3.1)
ở đây, là góc nâng của mặt cam trụ.
Chọn hệ trục toạ độ Oxy có vị trí nh hình vẽ, gốc toạ độ O nằm tại trọng tâm khung
trợt. Xét các lực nằm theo phơng trục Ox (hình 4):
Theo phơng này chỉ có lực P
ng
. Dời P
ng
về gốc toạ độ, ta đợc 3 thành phần:
Lực P
ng
đặt tại điểm O, ép khung vào giá đỡ theo phơng Ox.
Mô men M
z
Png
= P

ng
.a, có xu hớng làm khung quay quanh trục Oz.
Mô men M
y
Png
= P
ng
.e, có xu hớng làm khung quanh quanh trục Oy.
Lập các phơng trình cân bằng tĩnh học, gọi X
A
Png
, X
B
Png
, X
C
Png
, X
D
Png
là các phản lực tại
các gối đỡ A, B, C, D do thành phần lực P
ng
gây ra, ta có:
X
A
Png
+X
B
Png

+X
C
Png
+X
D
Png
=P
ng
; (3.2)
Gọi Y
A
Mz
, Y
B
Mz
, Y
C
Mz
, Y
D
Mz
là các phản lực tại các gối đỡ do mô men M
z
gây ra, ta có:
Y
A
Mz
+Y
B
Mz

+Y
C
Mz
+Y
D
Mz
=2M
z
/c; (3.3)
Gọi X
A
My
, X
B
My
, X
C
My
, X
D
My
là các phản lực tại các gối đỡ A, B, C, D do mô men M
y
gây
ra, ta có:
X
A
My
+X
B

My
+X
C
My
+X
D
My
=2M
y
/d; (3.4)

Y
D
Mx

P
k
y

x
P
n
O
P
đ
R
M
x
D
C

B
A
Y
C
Mx
z
P
đk
Y
B
Mx
Y
A
Mx

Hình 4. Sơ đồ xác định phản lực
ổ trục do lực P
ng
gây ra
a

d
z
y
x
a
c
e
O
P
n
M
z
M
y
X
B
Pn
g
A
B
C

D
X

D
Pn
g
X
C
Pn
g
X
A
Pn
g
Y
C
Mz
Y
A
M
X
B
M
y
Y
B
Mz
X
A
M
y
X
C

M
X
D
M
y
Hình 5. Sơ đồ xác định phản lực ổ trục do
các lực P
đ
, P
n
, P
đk
gây ra
Tại vị trí đang xét, các phản lực trên có phơng chiều nh trên hình 4.
Trong mặt phẳng yOz (hình 5): Các lực và lực cản làm việc nằm trong mặt phẳng yOz
gồm có P
đ
, P
k
, P
đk
, P
n
. Dời tất cả về trọng tâm O của khung và hợp lại, ta đợc một lực R và một
mô men M
x
xác định theo biểu thức:
R = P
đ
- P

đk
- P
n
- P
k
;
M
x
= P
đ
.a

+ (P
đk
+ P
n
).b ; (3.5)
Lực R có xu hớng làm cho khung chuyển động. Mô men M
x
làm cho khung bị quay đi
quanh trục Ox.
Thành lập phơng trình cân bằng tĩnh học cho khung, gọi Y
A
Mx
, Y
B
Mx
, Y
C
Mx

, Y
D
Mx
là các
phản lực ổ trục do riêng M
x
gây ra

, ta có:
Y
A
Mx
+ Y
B
Mx
+ Y
C
Mx
+ Y
D
Mx
= 2M
x
/ d; (3.6)
Khi khung chuyển động, tại các ổ trục sẽ xuất hiện các lực ma sát. Lực ma sát tổng cộng
do các phản lực Y
A
Mx
, Y
B

Mx
, Y
C
Mx
, Y
D
Mx
, nghĩa là lực ma sát tại các ổ trục do riêng mô men M
x

gây ra, sẽ đợc tính theo công thức:
F
ms
Mx
= (Y
A
Mx
+ Y
B
Mx
+ Y
C
Mx
+ Y
D
Mx
).f = (2M
x
/ d).f; (3.7)
Lập phơng trình cân bằng hình chiếu của tất cả các lực tác dụng lên khung theo phơng

trục Oz, giả thiết rằng tất cả các phản lực tại các gối đỡ do các lực thành phần gây ra không triệt
tiêu lẫn nhau và bỏ qua các lực quán tính của khung khi chuyển động, ta đợc:
P
đ
- P
đk
- P
n
- P
k
- P
ng
.f (2M
z
/c).f (2M
y
/ d).f (2M
x
/ d) .f = 0; (3.8)
Thay các trị số của P
ng
, M
z
, M
y
theo P
đ
vào và biến đổi, ta có:
P
đ

- P
đ
. tg.f (1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d) = P
k
+ (P
đk
+P
n
).

(1+2.b.f/d)

;
P
đ
.[1 f(1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d)tg] = P
k
+ (P
đk
+P
n
).

(1+2.b.f/d)

; (3.9)
Đặt A = f(1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d).
P
k
+ (P

đk
+P
n
).

(1+2.b.f/d)

Từ (3.9), chú ý giá trị của A, ta có P
đ
= ; ( 3 . 1 0 )
1 A. tg
Biểu thức (3.10) chính là phơng trình cân bằng, cũng có thể xem là phơng trình chuyển
động, của khung. Khi lực P
đ
lớn hơn giá trị của biểu thức bên vế phải, khung sẽ chuyển động theo
chiều lực P
đ
. Với một kết cấu xác định, giá trị của vế phải trong biểu thức (3.10) có một giá trị xác
định. Khi càng nhỏ, lực cần thiết để khung chuyển động sẽ càng nhỏ và ngợc lại, khi càng lớn thì
lực cần thiết để làm cho khung chuyển động sẽ càng lớn.
Khi thành phần (1- A.tg) 0 thì vế phải của biểu thức (3.10) , nghĩa là lực cần
thiết để khung chuyển động đợc là vô cùng lớn. Nói cách khác, khi (1- A.tg) = 0 thì khung bị
tự hãm: Lực P
đ
dù có lớn đến đâu cũng không làm cho khung chuyển động đợc. Góc nâng giới
hạn đợc xác định theo điều kiện:
1 A. tg
gh
= 0; (3.11)
Từ đó ta có:

gh
= Arctg(1/A), với A= f(1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d). (3.12)
a. Khảo sát sự thay đổi của góc nâng giới hạn theo sự thay đổi của các kích thớc của
khung trợt
Góc nâng giới hạn của cam trụ phụ thuộc theo các kích thớc của khung trợt (công
thức 3.12) có thể đợc thể hiện qua đồ thị (hình 6).
Qua các đồ thị trên hình 6, có thể thấy khi tăng kích thớc giữa các ổ trục của khung
trợt (tăng các kích thớc c, d) hoặc khi đặt con lăn càng gần trọng tâm của khung (giảm các
kích thớc a, e) thì góc nâng giới hạn tăng lên. Các đồ thị cũng cho thấy ảnh hởng của khoảng
cách a và e đến góc nâng giới hạn mạnh hơn ảnh hởng của các kích thớc c, d; nghĩa là để tăng
góc nâng giới hạn của cam trụ thì việc giảm các kích thớc a, e có hiệu quả hơn là tăng các kích
thớc c, d. Căn cứ theo định hớng trên, chú
ý đến kết cấu của các bộ phận khác của máy và kết
cấu chung của toàn máy, ta chọn: = 75 mm, c= 350 mm, d= 300 mm, e= 50 mm, Khi này, góc
nâng giới hạn của cam trụ sẽ là: 65
0
30.
51
52
53
54
55
56
57
58
59
30 40 50 60 70
54.5
55
55.5

56
300 320 340 360 380 400

a) b)
56.5
57
57.5
58
58.5
200 220 240 260 280 300
58
60
62
64
66
68
70
0 50 100 150

c) d)

Hình 6. Sự thay đổi góc nâng giới hạn theo các kích thớc khung trợt:
a) Hàm

gh
= f(a), khi b= 75mm, c= 350 mm, d= 2e= 200mm, f=0,25
b) Hàm

gh
= f(c), khi a= 40 mm, b= 75mm, d= 2e= 200mm, f=0,25

c) Hàm

gh
= f(d,e), khi a= 40 mm, b= 75mm, c= 350 mm, d= 2e, f=0,25
d) Hàm

gh
= f(e), khi a= 40 mm, b= 75mm, c= 350 mm, d= 300mm, f=0,25.

4.
Kết luận
Trên cơ sở kết cấu của khung trợt và điều kiện làm việc của bộ phận cung cấp ống, đã
viết đợc phơng trình cân bằng gần đúng của khung trợt, cho phép phân tích ảnh hởng của
các kích thớc của khung trợt đến góc nâng giới hạn của cam trụ, định hớng cho việc chọn
các kích thớc chính của khung trợt và cam trụ.
Đã xác định các kích thớc chính của khung và góc nâng giới hạn của cam trụ. Những
kết quả thu đợc đã đợc sử dụng để thiết kế, chế tạo bộ phận cung cấp ống và cơ cấu truyền
động cho nó trên máy đóng bầu mía giống.

Tài liệu tham khảo
Đặng Thế Huy, Nguyễn Khắc Thờng (1982), Nguyên lý máy, NXB Nông nghiệp, trang 152-
158.
Đỗ Hữu Quyết (2006), Lựa chọn nguyên tắc làm việc của máy đóng bầu mía giống, Tạp chí
Nông nghiệp và phát triển nông thôn, số 11/2006, trang 35-38.
. . ., , ., . 1976., Ctp. 42-45.
. ., . . (1967), , . ,
. Ctp. 396-401.
. .,
. ., . .,
, . , , 1980, Ctp. 162-167.