Xác định các thông số hợp lý của băng tải theo tiêu chuẩn ISO 5048:1989 (P1)
Trong khi các tài liệu và nghiên cứu về băng tải ở Việt Nam hầu như chưa cập nhật theo tiêu chuẩn ISO, DIN, JIS. Phương pháp tính toán các thông số như khoảng cách hai con lăn, hệ số kéo và công suất dẫn động từ lực bền kéo cho phép băng tải còn chưa có nhiều nghiên cứu. Bài viết sẽ nghiên cứu cơ sở tính toán, xây dựng thuật toán và sử dụng phần mềm Matlab để khảo sát. Mục đích của nghiên cứu này là tìm ra các thông số hợp lý cho phép phát huy hết năng suất, công suất thiết kế, khả năng kéo của băng tải, cũng như đánh giá mức độ dự trữ an toàn của các thiết bị hiện có khi cần tăng năng suất vận chuyển.
1. Đặt vấn đề
Băng tải (Hình1) là một máy vận chuyển liên tục dùng để vận chuyển vật liệu, hàng hóa, hay đáp ứng một quá trình công nghệ trong nhà máy, bến cảng hay khai thác khoáng sản [1-3]. Vì là máy vận chuyển liên tục nên ưu điểm nổi bật là năng suất cao, khoảng cách vận chuyển từ ngắn, trung bình và thậm chí hàng trăm kilomet, hiệu quả kinh tế và an toàn vận hành [1-4]. Ở Việt Nam vận chuyển vật liệu bằng băng tải là rất phổ biến trong nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng, xi măng, nhà máy nhiệt điện, xếp dỡ vật liệu ngoài cảng.
Băng tải (Hình1) là một máy vận chuyển liên tục dùng để vận chuyển vật liệu, hàng hóa, hay đáp ứng một quá trình công nghệ trong nhà máy, bến cảng hay khai thác khoáng sản [1-3]. Vì là máy vận chuyển liên tục nên ưu điểm nổi bật là năng suất cao, khoảng cách vận chuyển từ ngắn, trung bình và thậm chí hàng trăm kilomet, hiệu quả kinh tế và an toàn vận hành [1-4]. Ở Việt Nam vận chuyển vật liệu bằng băng tải là rất phổ biến trong nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng, xi măng, nhà máy nhiệt điện, xếp dỡ vật liệu ngoài cảng.
Để tính toán băng tải, hiện nay người ta dựa vào các phương pháp là theo mô hình bảo toàn năng lượng và mô hình dựa trên lực cản chuyển động [1, 2, 4]. Các tài liệu trong [1, 2] trình bày lý thuyết chung tính toán băng tải theo phương pháp gần đúng là mô hình bảo toàn năng lượng và tính toán chính xác lực cản theo phương pháp đuổi điểm. Các tiêu chuẩn ISO, DIN, JIS trong [5-7] nêu các phương pháp chung tính toán lực cản chuyển động, lực kéo băng, công suất dẫn động và năng suất, đây là cơ sở tính toán và lựa chọn dữ liệu thiết kế phù hợp.
Trong [4] nghiên cứu mô hình toán học xác định khả năng kéo của tang dẫn ma sát, tính toán lực kéo băng tải theo phương pháp đuổi điểm, dùng máy tính khảo sát một số trường hợp hệ số kéo và góc nghiêng băng tương ứng, góc ôm băng tải trên tang, tải trọng, cường độ băng tải. Kết quả tính trong [4] giúp cho việc đánh giá và dự đoán rủi ro tránh băng tải bị trượt, cách tiếp cận này có thể đảm bảo kiểm soát và giám sát băng tải để tránh bị mài mòn quá mức, hoạt động được tốt. Trong [4] chưa đánh giá sự ảnh hưởng khoảng cách con lăn đỡ đến hệ số kéo băng tải. Mô hình bài toán tính công suất dẫn động băng tải trong [8] dựa vào tính toán lực cản chuyển động theo [5-7] và mô hình bảo toàn năng lượng. Bài toán trong [8] được xây dựng để đánh giá sự ảnh hưởng năng suất, vận tốc, thời gian tới công suất dẫn động. Trong [9] thiết lập mô hình bài toán khảo sát mức tiêu thụ năng lượng băng tải nghiêng với các biến theo năng suất và vận tốc, dựa trên mô hình lực cản chuyển động băng tải xác định theo [5-7]. Phân tích kết quả mô phỏng của [9] cho thấy với cùng công suất vận hành nhất định, mức tiết kiệm năng lượng trung bình giảm khoảng 7,42%. Nghiên cứu [10] xem xét ba hệ thống băng tải khác nhau, tiến hành khảo sát một số thông số động học, công suất tiêu thụ dựa trên mô hình bảo toàn năng lượng. Nghiên cứu trong [11] tượng tự [10] nhưng có xem xét thời gian sử dụng và bài toán hệ nhiều băng tải. Trong [12] đã thiết lập mô hình thiết kế băng tải, khảo sát thời gian và vận tốc vận chuyển, khảo sát mối quan hệ vận tốc và công suất dẫn động. Các tác giả trong [13] trình bày một nghiên cứu tổng quan về một số yếu tố tác động tới công suất như vật liệu làm con lăn, kích thước con lăn đỡ, ảnh hưởng tốc độ băng tải.
Như vậy qua các nghiên cứu kể trên có thể thấy đã có nhiều nghiên cứu và các tài liệu công bố về phương pháp tính toán lực cản và công suất động cơ, đánh giá ảnh hưởng các thông số tới công suất dẫn động và hệ số kéo tang dẫn hay thông số động học hệ thống. Phương pháp tính toán lực cản chuyển động băng tải theo các tiêu chuẩn ISO, DIN, JIS được phần lớn các nghiên cứu đề cập và sử dụng trong tính toán, xây dựng mô hình nghiên cứu. Tuy nhiên các nghiên cứu trên chưa đề cập phương pháp tính toán từ điều kiện lực bền kéo cho phép băng tải để xác định khoảng cách 2 con lăn, hệ số kéo và công suất dẫn động. Các giáo trình, các nghiên cứu ở Việt Nam liên quan tới băng tải nói riêng, máy vận chuyển liên tục nói chung mới chỉ dừng lại việc tính toán dựa trên mô hình bảo toàn năng lượng, tính toán chính xác lực cản dùng phương pháp đuổi điểm dựa vào việc lựa chọn thông số theo kinh nghiệm ban đầu. Có thể thấy rằng các tài liệu, nghiên cứu ở Việt Nam hầu như chưa cập nhật theo tiêu chuẩn ISO, DIN, JIS [5-7] hoặc nếu có chủ yếu là liên quan đến kỹ thuật điều khiển tự động [14] và tính toán chính xác nếu chỉ dựa theo các miền thông số kinh nghiệm sẽ không tối ưu được thiết kế. Dựa trên các phân tích từ các nghiên cứu đã công bố trên, trong bài viết này sẽ chọn phương pháp tính toán lực cản chuyển động theo các tiêu chuẩn ISO, DIN, JIS [5-7] để xây dựng mô hình tính. Trong phạm vi bài viết trình bày phương pháp thiết kế băng tải theo các tiêu chuẩn ISO, DIN, JIS, thiết lập bài toán và xây dựng thuật toán khảo sát xác định các thông số hợp lý là khoảng cách các con lăn đỡ, hệ số kéo cho phép, công suất dẫn động cần thiết. Trong bài viết sử dụng phương pháp số với các công cụ và đồ họa trong phần mềm MATLAB là cơ sở giải bài toán xác định các thông số hợp lý. Kết quả tính toán khảo sát đưa ra bộ thông số băng tải mục tiêu là phát huy hết khả năng của băng, năng suất, công suất thiết kế và qua đó có thể đánh giá mức độ dự trữ an toàn thiết bị đã có khi cần tăng năng suất vận chuyển.
2. Cơ sở để tính toán, lựa chọn các thông số băng tải
2.1. Lực cản chuyển động băng tải
Trong trường hợp tổng quát theo [5-7] các thành phần lực cản với băng tải tính toán theo công thức:
Trong [4] nghiên cứu mô hình toán học xác định khả năng kéo của tang dẫn ma sát, tính toán lực kéo băng tải theo phương pháp đuổi điểm, dùng máy tính khảo sát một số trường hợp hệ số kéo và góc nghiêng băng tương ứng, góc ôm băng tải trên tang, tải trọng, cường độ băng tải. Kết quả tính trong [4] giúp cho việc đánh giá và dự đoán rủi ro tránh băng tải bị trượt, cách tiếp cận này có thể đảm bảo kiểm soát và giám sát băng tải để tránh bị mài mòn quá mức, hoạt động được tốt. Trong [4] chưa đánh giá sự ảnh hưởng khoảng cách con lăn đỡ đến hệ số kéo băng tải. Mô hình bài toán tính công suất dẫn động băng tải trong [8] dựa vào tính toán lực cản chuyển động theo [5-7] và mô hình bảo toàn năng lượng. Bài toán trong [8] được xây dựng để đánh giá sự ảnh hưởng năng suất, vận tốc, thời gian tới công suất dẫn động. Trong [9] thiết lập mô hình bài toán khảo sát mức tiêu thụ năng lượng băng tải nghiêng với các biến theo năng suất và vận tốc, dựa trên mô hình lực cản chuyển động băng tải xác định theo [5-7]. Phân tích kết quả mô phỏng của [9] cho thấy với cùng công suất vận hành nhất định, mức tiết kiệm năng lượng trung bình giảm khoảng 7,42%. Nghiên cứu [10] xem xét ba hệ thống băng tải khác nhau, tiến hành khảo sát một số thông số động học, công suất tiêu thụ dựa trên mô hình bảo toàn năng lượng. Nghiên cứu trong [11] tượng tự [10] nhưng có xem xét thời gian sử dụng và bài toán hệ nhiều băng tải. Trong [12] đã thiết lập mô hình thiết kế băng tải, khảo sát thời gian và vận tốc vận chuyển, khảo sát mối quan hệ vận tốc và công suất dẫn động. Các tác giả trong [13] trình bày một nghiên cứu tổng quan về một số yếu tố tác động tới công suất như vật liệu làm con lăn, kích thước con lăn đỡ, ảnh hưởng tốc độ băng tải.
Như vậy qua các nghiên cứu kể trên có thể thấy đã có nhiều nghiên cứu và các tài liệu công bố về phương pháp tính toán lực cản và công suất động cơ, đánh giá ảnh hưởng các thông số tới công suất dẫn động và hệ số kéo tang dẫn hay thông số động học hệ thống. Phương pháp tính toán lực cản chuyển động băng tải theo các tiêu chuẩn ISO, DIN, JIS được phần lớn các nghiên cứu đề cập và sử dụng trong tính toán, xây dựng mô hình nghiên cứu. Tuy nhiên các nghiên cứu trên chưa đề cập phương pháp tính toán từ điều kiện lực bền kéo cho phép băng tải để xác định khoảng cách 2 con lăn, hệ số kéo và công suất dẫn động. Các giáo trình, các nghiên cứu ở Việt Nam liên quan tới băng tải nói riêng, máy vận chuyển liên tục nói chung mới chỉ dừng lại việc tính toán dựa trên mô hình bảo toàn năng lượng, tính toán chính xác lực cản dùng phương pháp đuổi điểm dựa vào việc lựa chọn thông số theo kinh nghiệm ban đầu. Có thể thấy rằng các tài liệu, nghiên cứu ở Việt Nam hầu như chưa cập nhật theo tiêu chuẩn ISO, DIN, JIS [5-7] hoặc nếu có chủ yếu là liên quan đến kỹ thuật điều khiển tự động [14] và tính toán chính xác nếu chỉ dựa theo các miền thông số kinh nghiệm sẽ không tối ưu được thiết kế. Dựa trên các phân tích từ các nghiên cứu đã công bố trên, trong bài viết này sẽ chọn phương pháp tính toán lực cản chuyển động theo các tiêu chuẩn ISO, DIN, JIS [5-7] để xây dựng mô hình tính. Trong phạm vi bài viết trình bày phương pháp thiết kế băng tải theo các tiêu chuẩn ISO, DIN, JIS, thiết lập bài toán và xây dựng thuật toán khảo sát xác định các thông số hợp lý là khoảng cách các con lăn đỡ, hệ số kéo cho phép, công suất dẫn động cần thiết. Trong bài viết sử dụng phương pháp số với các công cụ và đồ họa trong phần mềm MATLAB là cơ sở giải bài toán xác định các thông số hợp lý. Kết quả tính toán khảo sát đưa ra bộ thông số băng tải mục tiêu là phát huy hết khả năng của băng, năng suất, công suất thiết kế và qua đó có thể đánh giá mức độ dự trữ an toàn thiết bị đã có khi cần tăng năng suất vận chuyển.
2. Cơ sở để tính toán, lựa chọn các thông số băng tải
2.1. Lực cản chuyển động băng tải
Trong trường hợp tổng quát theo [5-7] các thành phần lực cản với băng tải tính toán theo công thức:
Trong đó:
FU là tổng các thành phần lực cản, (N);
FH là thành phần lực cản chính (N);
FN là thànhphần lực cản phụ, (N);
FS1 là thành phần lực cản chính trong trường hợp đặc biệt khác, (N);
FS2 làthành phần lực cản phụ trong trường hợp đặc biệt khác, (N);
FST là thành phần lực cản do góc nghiêngbăng tải, (N);
C là hệ số cho tính toán thành phần cản FN.
FU là tổng các thành phần lực cản, (N);
FH là thành phần lực cản chính (N);
FN là thànhphần lực cản phụ, (N);
FS1 là thành phần lực cản chính trong trường hợp đặc biệt khác, (N);
FS2 làthành phần lực cản phụ trong trường hợp đặc biệt khác, (N);
FST là thành phần lực cản do góc nghiêngbăng tải, (N);
C là hệ số cho tính toán thành phần cản FN.
Trường hợp băng tải ngắn hơn 80 m tính theo công thức (1), trường hợp băng tải dài hơn 80 m tính theo công thức (2). Triển khai áp dụng phương pháp tính từng thành phần lực cản quy định trong [5-7] sau đó cộng lại. Trong bài viết thiết lập cho băng vải cao su có kết cấu 1 con lăn, 2 con lăn, 3 con lăn nhánh có tải khi bỏ qua thành phần cản phụ đặc biệt FS2. Ký hiệu các thông số trong công thức và đơn vị tính trình bày trong Bảng 1 và Bảng 2. Kết quả tính toán lực cản khi áp dụng [5-7] như sau:
Trường hợp sử dụng 1 con lăn nhánh có tải (Hình 2(a)), khi chiều dài băng tải nhỏ hơn 80 m theo công thức (3) với băng lõi vải, công thức (4) khi băng lõi thép và lớn hơn 80 m theo công thức (5):
Trường hợp sử dụng 2 con lăn nhánh có tải (Hình 2(b)), khi chiều dài băng tải nhỏ hơn 80 m theo công thức (6) với băng lõi vải, công thức (7) khi băng lõi thép và lớn hơn 80 m theo công thức (8):
Trường hợp có 3 con lăn nhánh có tải (Hình 2(c)), khi chiều dài băng tải nhỏ hơn 80 m theo công thức (9) với băng lõi vải, công thức (10) khi băng lõi thép và lớn hơn 80 m theo công thức (11):
Trong đó, ký hiệu các thông số trong công thức và thứ nguyên trình bày trong Bảng 1 và Bảng 2. Để truyền lực bằng ma sát khắc phục lực vòng lớn nhất mà băng tải không bị trượt trên tang dẫn phải thỏa mãn công thức Ơ le, với mô hình trong [5, 7] như Hình 3 ta có:
Cũng theo [5, 7] từ điều kiện công thức Ơ le (12), thì lực căng nhánh nhả xác định theo công thức (13):
(Còn nữa)
VLXD.org (TH/ TC KHCNXD)
