Xác định khối lượng vật liệu vận chuyển trong thùng trộn bê tông xi măng hai trục nằm ngang

ª ThS. Nguyễn Văn Thuyên ª PGS. Ts. Nguyễn Văn Vịnh ª PGS. TS. Nguyễn Đăng Điệm Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Nguyễn Đình Tứ TS. Nguyễn Lâm Khánh

Tóm tắt: Bài báo trình bày tóm tắt cách xác định khối lượng vật liệu vận chuyển trong thùng trộn bê tông xi măng (BTXM) hai trục nằm ngang theo 3 phương, đó là: Vòng theo vỏ thùng trộn, dọc theo trục trộn và nâng lên cao để hòa trộn với nhau.

Từ khóa: Máy trộn bê tông, khối lượng vật liệu, vỏ thùng trộn, phương ngang, quá trình trộn.

Abstract: This article presents a summary of how to determine the quantity of movement material in concrete mixing drum which has two horizontal axes according to three methods, namely: The circles in the mixing drum, the horizontal following the mixing shaft and lifting materials up in order to mix together.

Keywords: Concrete mixer, quantity of material, mixing drum, horizontal, mixing process.

1. Đặt vấn đề

Công suất dẫn động bộ máy trộn BTXM hai trục nằm ngang, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Số lượng cánh trộn, góc nghiêng của bàn tay trộn, tốc độ quay của trục trộn; ngoài ra nó còn phụ thuộc vào cấp phối trộn, khối lượng của từng mẻ trộn... Có nhiều cách để xác định công suất của động cơ dẫn động bộ máy trộn BTXM hai trục nằm ngang, chẳng hạn: Xác định công suất dựa vào công tiêu hao để vận chuyển hỗn hợp bê tông dọc trục trộn (kiểu vít tải); xác định công suất dựa vào lực cản cắt, lực ma sát giữa các cánh trộn với vật liệu trộn; xác định công suất dựa vào công tiêu hao để nâng và vận chuyển vật liệu trong thùng trộn... Trong khuôn khổ của bài báo, nhóm tác giả trình bày cách xác định khối lượng của vật liệu vận chuyển theo các phương trong thùng trộn, từ đó làm cơ sở để xây dựng công thức xác định công suất tiêu hao của động cơ dẫn động bộ máy trộn BTXM hai trục nằm ngang do Việt Nam chế tạo.

2. Nội dung

2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ máy trộn nghiên cứu

Bộ máy trộn nghiên cứu là bộ máy trộn BTXM hai trục nằm ngang, làm việc kiểu chu kỳ. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của nó được trình bày ở Hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ máy trộn BTXM hai trục nằm ngang (dung tích 1m3 do Việt Nam chế tạo)

 

2.2. Mô tả quá trình di chuyển của hạt vật liệu trong quá trình bộ máy trộn làm việc

Theo [4], trong quá trình bộ máy trộn làm việc, các hạt vật liệu trong thùng trộn sẽ thực hiện các chuyển động chính như sau: Vật liệu chuyển động dọc theo trục trộn do các bàn tay trộn được bố trí một góc nghiêng a so với trục trộn; vật liệu chuyển động vòng theo vỏ thùng trộn do các bàn tay trộn mang đi trong quá trình quay trục trộn; vật liệu bị nâng lên cao và hòa trộn với nhau do các bàn tay trộn ở hai trục trộn bố trí ngược chiều nhau và chuyển động quay ngược chiều nhau.

Có thể mô tả các hạt vật liệu chuyển động trên một mặt phẳng nằm ngang như Hình 2.2 dưới đây.  Đối với những bàn tay trộn trên cùng một trục trộn có hướng như nhau, thì hạt vật liệu sẽ thực hiện 3 chuyển động, đó là: Chuyển động từ bàn tay trộn phía trước đến bàn tay trộn phía sau trên cùng một trục (mũi tên dọc trục), chuyển động sang hướng của trục trộn đối diện đó là chuyển động vòng (mũi tên ngang) và chuyển động nâng vật liệu lên cao (mũi tên chéo).

Đối với những bàn tay trộn được lắp theo hướng ngược lại với những bàn tay trộn nêu trên (bàn tay trộn 5), thì hạt vật liệu sẽ thực hiện 2 chuyển động: Một chuyển động sẽ đẩy hạt vật liệu ngược lại với chiều chuyển động do 4 bàn tay trộn trước nó tạo ra; một chuyển động sang hướng của trục trộn đối diện.

 

Trong sơ đồ trên thì: I, II là thứ tự các trục trộn; 1, 2, 3, 4, 5 là thứ tự các bàn tay trộn trên mỗi trục trộn; j là góc quay của trục trộn.

- Khi trục trộn quay được góc j = 45⁰thì vật liệu sẽ chuyển động như sau: I₁->I₂; I₁->II₁; I₄->I₃; I₄->II₄;

 I₄->II₃; I₅->I₄; I₅->II₅; I₅->II₄. II₂->II₃; II₂->I₂; II₂->I₃; II₃->II₄; II₃->I₃; II₃->I₄; II₄->I₄; II₄->I_5.

- Khi trục trộn quay được góc j = 90⁰thì vật liệu sẽ chuyển động như sau: I₁->I₂; I₁->II₁; I₂->II₂; I₂->II₁;

I₄->I₃; I₄->II₄; I₄->II₃; I₅->I₄; I₅->II₅; I₅->II₄.II₂->II₃; II₂->I₂; II₂->I₃; II₃->II₄; II₃->I₃; II₃->I₄.

- Khi trục trộn quay được góc j = 135⁰thì vật liệu sẽ chuyển động như sau: I₁->I₂; I₁->II₁; I₂->II₂; I₂->II₁;

I₅->I₄; I₅->II₅; I₅->II₄. II₁->II₂; II₁->I₁; II₁->I₂; II₂->II₃; II₂->I₂; II₂->I₃; II₃->II₄; II₃->I₃; II₃->I₄; II₅->II₄; II₅->I₅.

- Khi trục trộn quay được góc j = 180⁰thì vật liệu sẽ chuyển động như sau: I₁->I₂; I₁->II₁; I₂->II₂; I₂->II₁;

I₃->I₂; I₃->II₃; I₃->II₂; I₅->I₄; I₅->II₅; I₅->II₄. II₁->II₂; II₁->I₁; II₁->I₂; II₂->II₃; II₂->I₂; II₂->I₃; II₅->II₄; II₅->I₅.

- Khi trục trộn quay được góc j = 225⁰thì vật liệu sẽ chuyển động như sau: I₂->II₂; I₂->II₁; I₃->I₂; I₃->II₃;

I₃->II₂. II₁->II₂; II₁->I₁; II₁->I₂; II₂->II₃; II₂->I₂; II₂->I₃; II₄->I₄; II₄->I₅; II₅->II₄; II₅->I₅.

- Khi trục trộn quay được góc j = 270⁰thì vật liệu sẽ chuyển động như sau: I₂->II₂; I₂->II₁; I₃->I₂; I₃->II₃;

I₃->II₂; I₄->I₃; I₄->II₄; I₄->II₃. II₁->II₂; II₁->I₁; II₁->I₂; II₄->I₄; II₄->I₅; II₅->II₄; II₅->I₅.

- Khi trục trộn quay được góc j = 315⁰thì vật liệu sẽ chuyển động như sau: I₃->I₂; I₃->II₃; I₃->II₂; I₄->I₃;

I₄->II₄; I₄->II₃. II₁->II₂; II₁->I₁; II₁->I₂; II₃->II₄; II₃->I₃; II₃->I₄; II₄->I₄; II₄->I₅; II₅->II₄; II₅->I₅.

- Khi trục trộn quay được góc j = 360⁰(0⁰ ) thì vật liệu sẽ chuyển động như sau: I₁->I₂; I₁->II₁; I₃->I₂; I₃->II₃; I₃->II₂; I₄->I₃; I₄->II₄; I₄->II₃; I₅->I₄; I₅->II₅; I₅->II₄. II₃->II₄; II₃->I₃; II₃->I₄; II₄->I₄; II₄->I₅.  

Cứ sau một vòng quay của trục trộn thì vật liệu tại một điểm trong thùng trộn sẽ được quét qua 1 lần. Nếu coi các cánh trộn trên một trục trộn được bố trí theo hình xoắn vít, thì sau một vòng quay của trục trộn vật liệu sẽ di chuyển bằng một bước của hình xoắn vít. Sau một vòng quay của trục trộn thì vật liệu sẽ dịch chuyển được một đoạn bằng một bước xoắn vít S.

2.3. Xác định lượng vật liệu vận chuyển theo các phương trong quá trình làm việc của bộ máy trộn

Như đã phân tích ở trên, các hạt vật liệu sẽ thực hiện 3 chuyển động, đó là: Vòng theo vỏ thùng trộn, chuyển động dọc theo trục trộn và chuyển động nâng lên cao.

2.3.1. Xác định khối lượng vật liệu vận chuyển vòng theo vỏ thùng trộn

Khi bàn tay trộn chuyển động quay, sẽ quét các hạt vật liệu thành một hình vành khăn theo phương hướng kính. Trong đó, bán kính ngoài của hình vành khăn chính là khoảng cách từ tâm trục trộn đến đầu mút của bàn tay trộn r, khoảng cách này xấp xỉ bằng bán kính của vỏ thùng trộn; bán kính trong của hình vành khăn chính là khoảng cách từ tâm trục trộn đến mép trong của bàn tay trộn a. Chiều dày của hình vành khăn sẽ bằng bề rộng của bàn tay trộn theo phương vuông góc với chiều chuyển động b.cosa (Hình 2.4).

Hình 2.4: Sơ đồ tính khối lượng vật liệu chuyển động theo phương vòng

 

Theo hình vẽ, ta có:

Diện tích hình vành khăn do bàn tay trộn tạo ra khi chuyển động được xác định như sau:

 

(1)

Trong đó:

r - Khoảng cách từ tâm trục trộn đến mép ngoài của bàn tay trộn, (m);

a - Khoảng cách từ tâm trục trộn đến mép trong của bàn tay trộn, (m).

Thể tích hình trụ do 1 bàn tay trộn có bề rộng b.cosa tạo ra là:

 

(2)

 

Trong đó:

b - Bề rộng của bàn tay trộn, (m); a - Góc nghiêng của bàn tay trộn so với trục trộn, (độ).

Thay (1) vào (2), ta thu được:

     (3)

 

Mỗi một vòng quay của trục trộn, sẽ có z bàn tay trộn quét qua, nên thể tích của các hình trụ được tạo ra sau một vòng quay sẽ là:

 

(4)

Trong đó: z - Số bàn tay trộn trên hai trục trộn, (chiếc).

Thể tích vật liệu vận chuyển vòng theo vỏ thùng trộn do z bàn tay trộn quét qua trong một phút được tính như sau:

 

(5)

Trong đó:

n - Tốc độ quay của trục trộn trong một phút, (vòng/phút); e - Hệ số điền đầy của thùng trộn, e = 0,5.

Khối lượng vật liệu do các bàn tay trộn quét được trong 1 phút được xác định như sau:

m_1b = V_b.r, (kg/phút).                                   (6)

Trong đó:

r - Khối lượng riêng của vật liệu, (kg/m³).

Thay (5) vào (6), ta được:

    

(7)

 

Với cách tính tương tự đối với cánh tay trộn, ta thu được:

 

(8)

Trong đó:

r₁ - Bán kính của trục trộn, (m); b₁ - Chiều dầy của cánh tay trộn, (m).

Tổng lượng vật liệu vận chuyển theo phương vòng trong 1 phút được xác định như sau:

m₁ = m_1b + m_1c, (kg/phút).                 (9)

Thay (7) và (8) vào (9), ta thu được:

 

(10)

2.3.2. Xác định khối lượng vật liệu vận chuyển dọc theo trục trộn

Nếu coi các cánh trộn tạo thành một trục vít, còn vỏ thùng trộn là máng vít. Theo [2], năng suất vận chuyển vật liệu trong một phút có thể được xác định như sau:

m₂ = 60.F.v.r.e (kg/phút).                 (11)

Trong đó: F - Diện tích mặt cắt ngang của dòng vật liệu, (m²); v - Vận tốc vận chuyển của dòng vật liệu, (m/giây); r - Khối lượng riêng của vật liệu vận chuyển, (kg/m³); e - Hệ số đầy máng vít, e = 0,5.

- Xác định diện tích mặt cắt ngang của dòng vật liệu.

Do các cánh trộn không tham gia vào quá trình vận chuyển vật liệu theo phương dọc trục, mà chỉ có các bàn tay trộn đặt nghiêng một góc a mới tạo ra chuyển động dọc trục của vật liệu. Vì vậy, ta có thể coi chiều dài của các cánh trộn chính là bán kính của “trục vít”, trên “trục vít” đó có gắn các cánh vít là các bàn tay trộn. Do đó, diện tích mặt cắt ngang của dòng vật liệu trong máng vít chính bằng diện tích hình vành khăn do bàn tay trộn và cánh tay trộn tạo ra và được xác định như sau:

 

 

 

 

 

Trong đó: S - Bước vít, (m); n - Tốc độ quay của trục vít trong một phút, (vòng/phút).

Thay (12) và (13) vào (11), ta xác định được khối lượng vật liệu vận chuyển dọc theo trục trộn trong 1 phút đó là:

 

(14)

2.3.3. Xác định lượng vật liệu được nâng lên cao trong quá trình trộn

Hình 2.5: Sơ đồ xác định khối lượng vật liệu trên một cánh trộn

Một cách gần đúng, có thể coi thể tích vật liệu trên một cánh trộn có dạng là một hình chóp (Hình 2.5). Trong đó: b - Góc chân nón của vật liệu trên bàn tay trộn, (độ); H - Chiều cao của hình chóp, (m);

a - Chiều dài của cánh tay trộn, (m); r - Khoảng cách từ tâm trục trộn đến điểm mút của bàn tay trộn, (m);

r₁ - Bán kính của trục trộn, (m); b - Bề rộng bàn tay trộn, (m); a - Góc nghiêng của bàn tay trộn so với trục trộn, (độ).

Thể tích của hình chóp được xác định như sau:

 

(15)

 

Trong đó: S_đ - Diện tích tam giác đáy của hình chóp, (m²).

Xác định diện tích tam giác đáy của hình chóp S_đ:

 

(16)

 

Xác định chiều cao của hình chóp H:

 

(17)

 

Thay (16), (17) vào (15), ta được thể tích vật liệu được nâng lên bởi 1 cánh trộn sau một vòng quay:

 

(18)

 

Tổng thể tích vật liệu do z cánh trộn nâng lên được sau một vòng quay sẽ là:

 

(19)

 

Khối lượng vật liệu được nâng lên sau 1 phút của z cánh trộn được xác định như sau:

 

(20)

Trong đó: r - Khối lượng riêng của vật liệu, (kg/m³); n - Số vòng quay của trục trộn trong 1 phút, (vòng/phút).

Thay (19) vào (20) ta được:

 

(21)

Từ (10), (14) và (21), ta thu được:

Tổng khối lượng vật liệu vận chuyển theo cả 3 phương trong 1 phút sẽ là:

 

 

 

Để thuận lợi trong quá trình tính khối lượng vật liệu vận chuyển theo các phương trong thùng trộn, nhóm tác giả đã xây dựng chương trình tính toán dựa trên phần mềm Visual Basic 6.0; sử dụng chương trình đã xây dựng được để tính toán với bộ máy trộn BTXM hai trục ngang, dung tích thùng trộn 1m³ do Việt Nam chế tạo, trong quá trình tính toán, tác giả đã sử dụng các thông số của cấp phối vật liệu chế tạo mác bê tông C30/38,5, phục vụ thi công tuyến đường sắt trên cao ga Hà Nội - Nhổn [3].

Hình 2.6: Giao diện của chương trình tính khối lượng vật liệu vận chuyển theo các phương trong buồng trộn BTXM hai trục ngang, dung tích thùng trộn 1m3 do Việt Nam chế tạo

 

Bảng 2.1. Tỉ lệ % khối lượng vật liệu vận chuyển theo 3 phương

 

3. Kết luận và kiến nghị

- Bài báo đã trình bày tóm tắt cách xác định tỉ lệ % khối lượng vật liệu vận chuyển theo 3 phương trong thùng trộn BTXM hai trục nằm ngang; đã áp dụng công thức để tính toán đối với bộ máy trộn BTXM hai trục nằm ngang dung tích thùng trộn 1m³ do Việt Nam chế tạo. Kết quả tính toán cho thấy, khối lượng vật liệu vận chuyển vòng theo vỏ thùng trộn là lớn nhất (62,72 %), còn khối lượng vật liệu được nâng lên cao là nhỏ nhất (0,89 %);

- Kiến nghị áp dụng công thức trên, để tính tỉ lệ % khối lượng vật liệu vận chuyển trong buồng trộn BTXM hai trục nằm ngang, từ đó làm cơ sở để xây dựng công thức xác định công suất tiêu hao của động cơ dẫn động bộ máy trộn BTXM hai trục nằm ngang do Việt Nam chế tạo;

- Tiếp tục nghiên cứu, khảo sát khối lượng vật liệu chuyển động trong thùng trộn BTXM hai trục nằm ngang theo thời gian trộn, bằng cách sơn màu hạt vật liệu, sàng phân loại, cân đong chúng trong các giai đoạn trộn khác nhau.

Tài liệu tham khảo

[1]. 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.

[2]. Nguyễn Văn Hợp, Phạm Thị Nghĩa, Lê Thiện Thành (2000), Máy trục vận chuyển, NXB. GTVT.

[3]. Công ty TNHH công nghiệp DAELIM (2014), Thiết kế cấp phối bê tông số 1, Dự án: Tuyến đường sắt đô thị trên cao, đoạn Ga Hà Nội - Nhổn.

[4]. 王卫中 (2004), 双卧轴搅拌机工作装置的试验研究, 工程硕士学位论文, 长安大学, 中国. (

. (Tiếng Việt Nam: Vương Vệ Trung(2004), Nghiên cứu thực nghiệm quá trình làm việc của máy trộn hai trục, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Trường An, Trung Quốc).