Báo cáo khoa học:
Xác định góc nâng giới hạn của cam trụ
trên máy đóng bầu mía giống
X¸c ®Þnh gãc n©ng giíi h¹n cña cam trô
trªn m¸y ®ãng bÇu mÝa gièng
Determining limit lift angle of CYLINDRICAL CAM
in soil potting machine for sugarcane propagation
§ç H÷u QuyÕt 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. §Æt vÊn ®Ò
Trong m¸y ®ãng bÇu mÝa gièng truyÒn ®éng c¬ khÝ, bé phËn cung cÊp èng cã nhiÖm vô
më miÖng èng, n©ng miÖng èng lªn giao cho c¬ cÊu kÑp gi÷ t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho bé phËn
t¹o vá bÇu lµm viÖc tèt (§ç H÷u QuyÕt, 2006). Khung tr−ît lµ chi tiÕt quan träng nhÊt cña bé
phËn cung cÊp èng, trªn ®ã l¾p c¬ cÊu më miÖng èng vµ thanh ®iÒu khiÓn c¬ cÊu kÑp tói bÇu.
Khung tr−ît cã chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn lªn xuèng theo ph−¬ng th¼ng ®øng, ®−îc truyÒn ®éng tõ
trôc chÝnh nhê c¬ cÊu cam trô cÇn ®Èy con l¨n. S¬ ®å nguyªn lý lµm viÖc vµ cÊu t¹o cña bé phËn
cung cÊp èng ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 1 vµ h×nh 2.
8
4
3
2
1
9
10
H×nh 1. S¬ ®å nguyªn lý lµm viÖc cña bé phËn
cung cÊp èng: 1- Cam trô; 2- Trôc chÝnh; 3-
Khung tr−ît; 4- Côm n©ng èng; 5- MÆt bµn thao
t¸c; 6- Häng n¹p liÖu; 7- LÉy ®iÒu khiÓn c¬ cÊu
kÑp gi÷ miÖng èng; 8- Thanh ®iÒu khiÓn c¬ cÊu
kÑp tói bÇu; 9- Lâi chÌn; 10- èng nil«ng.
7 5
6
H×nh 2. CÊu t¹o cña bé phËn cung cÊp
èng: 1- Khung m¸y, 2- Cam trô, 3- Thanh
dÉn h−íng, 4- B¹c tr−ît, 5- Con l¨n, 6-
Khung tr−ît, 7- Thanh ®iÒu khiÓn c¬ cÊu
kÑp tói bÇu, 8- Lâi chÌn, 9- Dµn dì côm
n©ng èng
KÝch th−íc cña c¬ cÊu cam trô cã ¶nh h−ëng lín ®Õn viÖc bè trÝ c¸c bé phËn lµm viÖc kh¸c cña
m¸y vµ cÇn ph¶i nhá gän nhÊt cã thÓ trong khi ph¶i ®¶m b¶o cho khung tr−ît chuyÓn ®éng dÔ
dµng víi quy luËt chuyÓn ®éng cÇn thiÕt. §Ó gi¶i quyÕt tèt m©u thuÉn nµy trong qu¸ tr×nh tæng
hîp c¬ cÊu cam, vÊn ®Ò quan träng nhÊt lµ x¸c ®Þnh ®−îc gãc n©ng giíi h¹n cña cam trô.
2. Néi dung vµ ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu
§Ó thuËn tiÖn trong viÖc bè trÝ hÖ thèng truyÒn ®éng chung cho toµn m¸y, chän c¬ cÊu cam
trô cÇn ®Èy con l¨n. §Ó tr¸nh hiÖn t−îng th¸o khíp, sö dông cam r·nh.
Kh©u bÞ dÉn cña c¬ cÊu cam trô (h×nh 2) lµ khung tr−ît 6; tr−ît däc theo hai thanh dÉn
h−íng 3 trªn c¸c b¹c tr−ît 4.
KÕt cÊu cña khung tr−ît ®−îc x¸c ®Þnh theo yªu cÇu ®Æt ra ®èi víi bé phËn n©ng h¹
miÖng èng. Quy luËt chuyÓn ®éng cña khung tr−ît ®−îc x¸c ®Þnh theo yªu cÇu thùc hiÖn thao t¸c
cung cÊp èng trong quan hÖ chung víi c¸c bé phËn lµm viÖc kh¸c cña m¸y.
VÒ mÆt lý thuyÕt, gãc n©ng giíi h¹n cña cam trô ®−îc x¸c ®Þnh theo ®iÒu kiÖn tù h·m
cña khung tr−ît vµ phô thuéc nhiÒu yÕu tè, trong ®ã cã h×nh d¹ng vµ tr¹ng th¸i r·nh tr−ît, kÝch
th−íc khung tr−ît, c¸c yÕu tè cña lùc chñ ®éng vµ lùc c¶n ®Æt lªn khung tr−ît, v.v. (Юдин В. А.,
Петрокас Л. В.,1967; Кожевников С. Н. и др.,1976; §Æng ThÕ Huy, NguyÔn Kh¾c Th−êng,
1982). C¬ cÊu cam trô ®ang xÐt lµ c¬ cÊu cam kh«ng gian phøc t¹p, kh«ng cã c«ng thøc chung
®Ó t×m gãc n©ng giíi h¹n cña cam mµ viÖc x¸c ®Þnh gãc n©ng giíi h¹n ph¶i g¾n chÆt víi kÕt cÊu,
kÝch th−íc cô thÓ cña c¬ cÊu.
§Ó x¸c ®Þnh gãc n©ng giíi h¹n cña cam trô trong c¬ cÊu ®· nªu, cÇn viÕt ®−îc ph−¬ng tr×nh
c©n b»ng c¸c lùc ®Æt lªn khung ë tr¹ng th¸i lµm viÖc khã kh¨n nhÊt, kh¶o s¸t quy luËt thay ®æi gãc n©ng
giíi h¹n cña cam trô theo c¸c kÝch th−íc cña khung tr−ît. Tõ ®ã cã c¬ së lùa chän kÝch th−íc cña
khung tr−ît vµ cam trô sao cho phï hîp víi kÕt cÊu chung cña toµn m¸y.
§Ó gi¶i quyÕt bµi to¸n, ®· sö dông ph−¬ng ph¸p chung cña c¬ häc vµ c¸c phÇn mÒm trî
gióp (Excel, Inventor).
3. KÕt qu¶ nghiªn cøu
3.1 Gãc n©ng giíi h¹n cña khung tr−ît
Tõ kÕt cÊu cña bé phËn t¹o vá bÇu vµ bè côc
chung cña toµn m¸y, s¬ bé x¸c ®Þnh c¸c kÝch th−íc cÇn
thiÕt cña khung tr−ît, c¸c lùc t¸c dông lªn khung vµ x©y
dùng s¬ ®å tÝnh to¸n khung tr−ît, lµm c¬ së cho viÖc x¸c
®Þnh gãc n©ng giíi h¹n cña cam trô (h×nh 3).
Khung tr−ît cã chuyÓn ®éng lªn xuèng theo
chu kú. Trong chu kú chuyÓn ®éng cña khung tr−ît,
vÞ trÝ bÊt lîi nhÊt xÐt vÒ ®iÒu kiÖn tù h·m cña khung
lµ khi khung ®i lªn ®Õn gÇn ®iÓm chÕt trªn. Khi nµy
lùc t¸c dông lªn khung (bá qua c¸c lùc qu¸n tÝnh)
bao gåm:
Ptp- lùc toµn phÇn do mÆt cam t¸c dông lªn
trôc con l¨n.
Pk- Träng l−îng cña khung; ®Æt t¹i träng t©m
khung, n»m trong mÆt ph¼ng cña khung, h−íng
xuèng d−íi.
Pn- Tæng lùc c¶n khi n©ng miÖng èng; ®Æt t¹i
t©m bé phËn cung cÊp èng, c¸ch mÆt ph¼ng khung
a
b
λ
P
ng
P
®
P
k
P
tp
P
®k
O
c
e
P
n
y
z
d
H×nh 3. S¬ ®å lùc t¸c dông
lªn khung tr−ît
mét kho¶ng b»ng b, ng−îc chiÒu chuyÓn ®éng cña khung.
P®k- Lùc sinh ra khi ®iÒu khiÓn c¬ cÊu kÑp miÖng èng; ®Æt c¸ch mÆt ph¼ng khung mét kho¶ng
b»ng b, ng−îc chiÒu chuyÓn ®éng cña khung.
Do cã ma s¸t gi÷a con l¨n vµ trôc con l¨n, lùc toµn phÇn do mÆt cam t¸c dông lªn chèt
con l¨n th«ng qua con l¨n kh«ng trïng víi ph−¬ng ph¸p tuyÕn cña bÒ mÆt cam t¹i ®iÓm tiÕp xóc
mµ nghiªng ®i mét gãc b»ng gãc ma s¸t (Юдин В. А., Петрокас Л. В., 1967). Tuy nhiªn trong
c¬ cÊu ®ang xÐt, ma s¸t gi÷a con l¨n vµ chèt con l¨n lµ rÊt nhá nªn cã thÓ bá qua. Khi nµy, lùc
t¸c dông lªn chèt con l¨n sÏ ®i qua t©m chèt vµ vu«ng gãc víi bÒ mÆt cña cam trô t¹i ®iÓm tiÕp
xóc. Ph©n tÝch lùc nµy thµnh hai thµnh phÇn theo ph−¬ng tr−ît vµ vu«ng gãc víi ph−¬ng tr−ît, ta
®−îc lùc P® vµ lùc Png. Gi÷a chóng cã quan hÖ:
P® = Ptp. cosλ;
Png = Ptp.sinλ = P®. tgλ. (3.1)
ë ®©y, λ lµ gãc n©ng cña mÆt cam trô.
Chän hÖ trôc to¹ ®é Oxy cã vÞ trÝ nh− h×nh vÏ, gèc to¹ ®é O n»m t¹i träng t©m khung
tr−ît. XÐt c¸c lùc n»m theo ph−¬ng trôc Ox (h×nh 4):
Theo ph−¬ng nµy chØ cã lùc Png. Dêi Png vÒ gèc to¹ ®é, ta ®−îc 3 thµnh phÇn:
Lùc Png ®Æt t¹i ®iÓm O, Ðp khung vµo gi¸ ®ì theo ph−¬ng Ox.
M« men MzPng = Png.a, cã xu h−íng lµm khung quay quanh trôc Oz.
M« men MyPng = Png.e, cã xu h−íng lµm khung quanh quanh trôc Oy.
LËp c¸c ph−¬ng tr×nh c©n b»ng tÜnh häc, gäi XAPng, XBPng, XCPng, XDPng lµ c¸c ph¶n lùc t¹i
c¸c gèi ®ì A, B, C, D do thµnh phÇn lùc Png g©y ra, ta cã:
XAPng+XBPng+XCPng+XDPng=Png; (3.2)
Gäi YAMz , YBMz , YCMz , YDMz lµ c¸c ph¶n lùc t¹i c¸c gèi ®ì do m« men Mz g©y ra, ta cã:
YAMz+YBMz+YCMz+YDMz=2Mz/c; (3.3)
Gäi XA My, XBMy , XCMy , XDMy lµ c¸c ph¶n lùc t¹i c¸c gèi ®ì A, B, C, D do m« men My g©y
ra, ta cã:
XAMy+XBMy+XCMy+XDMy=2My/d; (3.4)
YD
Mx
λ
P
k
y
P
n
O
P®
R
Mx
D
C
B
A
YC
Mx
z
P
®k
YB
Mx
YA
Mx
H×nh 4. S¬ ®å x¸c ®Þnh ph¶n lùc
æ trôc do lùc Png g©y ra
a
λ
d
z
y
x
a
c
e
O
Pn
Mz
My
XB
Pn
g
A
B
C
D
XD
Pn
g
XC
Pn
g
XA
Pn
g
YC
Mz
YA
M
XB
M
y
YB
Mz
XA
M
y
XC
M
XD
M
y
H×nh 5. S¬ ®å x¸c ®Þnh ph¶n lùc æ trôc do
c¸c lùc P®, Pn, P®k g©y ra
T¹i vÞ trÝ ®ang xÐt, c¸c ph¶n lùc trªn cã ph−¬ng chiÒu nh− trªn h×nh 4.
Trong mÆt ph¼ng yOz (h×nh 5): C¸c lùc vµ lùc c¶n lµm viÖc n»m trong mÆt ph¼ng yOz
gåm cã P®, Pk, P®k , Pn. Dêi tÊt c¶ vÒ träng t©m O cña khung vµ hîp l¹i, ta ®−îc mét lùc R vµ mét
m« men Mx x¸c ®Þnh theo biÓu thøc:
R = P® - P®k - Pn - Pk ;
Mx = P®.a + (P®k+ Pn).b ; (3.5)
Lùc R cã xu h−íng lµm cho khung chuyÓn ®éng. M« men Mx lµm cho khung bÞ quay ®i
quanh trôc Ox.
Thµnh lËp ph−¬ng tr×nh c©n b»ng tÜnh häc cho khung, gäi YAMx, YBMx, YCMx, YDMx lµ c¸c
ph¶n lùc æ trôc do riªng Mx g©y ra , ta cã:
YAMx+ YBMx+ YCMx+ YDMx = 2Mx / d; (3.6)
Khi khung chuyÓn ®éng, t¹i c¸c æ trôc sÏ xuÊt hiÖn c¸c lùc ma s¸t. Lùc ma s¸t tæng céng
do c¸c ph¶n lùc YAMx, YBMx, YCMx, YDMx , nghÜa lµ lùc ma s¸t t¹i c¸c æ trôc do riªng m« men Mx
g©y ra, sÏ ®−îc tÝnh theo c«ng thøc:
FmsMx = (YAMx+ YBMx+ YCMx+ YDMx).f = (2Mx / d).f; (3.7)
LËp ph−¬ng tr×nh c©n b»ng h×nh chiÕu cña tÊt c¶ c¸c lùc t¸c dông lªn khung theo ph−¬ng
trôc Oz, gi¶ thiÕt r»ng tÊt c¶ c¸c ph¶n lùc t¹i c¸c gèi ®ì do c¸c lùc thµnh phÇn g©y ra kh«ng triÖt
tiªu lÉn nhau vµ bá qua c¸c lùc qu¸n tÝnh cña khung khi chuyÓn ®éng, ta ®−îc:
P® - P®k- Pn - Pk - Png.f – (2Mz/c).f – (2My/ d).f – (2Mx/ d) .f = 0; (3.8)
Thay c¸c trÞ sè cña Png, Mz, My theo P® vµo vµ biÕn ®æi, ta cã:
P® - P®. tgλ.f (1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d) = Pk+ (P®k+Pn). (1+2.b.f/d) ;
P® .[1 – f(1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d)tgλ] = Pk+ (P®k+Pn). (1+2.b.f/d) ; (3.9)
§Æt A = f(1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d).
Pk+ (P®k+Pn). (1+2.b.f/d)
Tõ (3.9), chó ý gi¸ trÞ cña A, ta cã P® = ------------------------------------------------- ; ( 3 . 1 0 )
1 – A. tg λ
BiÓu thøc (3.10) chÝnh lµ ph−¬ng tr×nh c©n b»ng, còng cã thÓ xem lµ ph−¬ng tr×nh chuyÓn
®éng, cña khung. Khi lùc P® lín h¬n gi¸ trÞ cña biÓu thøc bªn vÕ ph¶i, khung sÏ chuyÓn ®éng theo
chiÒu lùc P®. Víi mét kÕt cÊu x¸c ®Þnh, gi¸ trÞ cña vÕ ph¶i trong biÓu thøc (3.10) cã mét gi¸ trÞ x¸c
®Þnh. Khi λ cµng nhá, lùc cÇn thiÕt ®Ó khung chuyÓn ®éng sÏ cµng nhá vµ ng−îc l¹i, khi λ cµng lín th×
lùc cÇn thiÕt ®Ó lµm cho khung chuyÓn ®éng sÏ cµng lín.
Khi thµnh phÇn (1- A.tgλ) → 0 th× vÕ ph¶i cña biÓu thøc (3.10) →∞, nghÜa lµ lùc cÇn
thiÕt ®Ó khung chuyÓn ®éng ®−îc lµ v« cïng lín. Nãi c¸ch kh¸c, khi (1- A.tgλ) = 0 th× khung bÞ
tù h·m: Lùc P® dï cã lín ®Õn ®©u còng kh«ng lµm cho khung chuyÓn ®éng ®−îc. Gãc n©ng giíi
h¹n ®−îc x¸c ®Þnh theo ®iÒu kiÖn:
1 – A. tg λgh = 0; (3.11)
Tõ ®ã ta cã: λgh= Arctg(1/A), víi A= f(1 + 2.a/ c +2.e/d +2.a/d). (3.12)
a. Kh¶o s¸t sù thay ®æi cña gãc n©ng giíi h¹n theo sù thay ®æi cña c¸c kÝch th−íc cña
khung tr−ît
Gãc n©ng giíi h¹n cña cam trô phô thuéc theo c¸c kÝch th−íc cña khung tr−ît (c«ng
thøc 3.12) cã thÓ ®−îc thÓ hiÖn qua ®å thÞ (h×nh 6).
Qua c¸c ®å thÞ trªn h×nh 6, cã thÓ thÊy khi t¨ng kÝch th−íc gi÷a c¸c æ trôc cña khung
tr−ît (t¨ng c¸c kÝch th−íc c, d) hoÆc khi ®Æt con l¨n cµng gÇn träng t©m cña khung (gi¶m c¸c
kÝch th−íc a, e) th× gãc n©ng giíi h¹n t¨ng lªn. C¸c ®å thÞ còng cho thÊy ¶nh h−ëng cña kho¶ng
c¸ch a vµ e ®Õn gãc n©ng giíi h¹n m¹nh h¬n ¶nh h−ëng cña c¸c kÝch th−íc c, d; nghÜa lµ ®Ó t¨ng
gãc n©ng giíi h¹n cña cam trô th× viÖc gi¶m c¸c kÝch th−íc a, e cã hiÖu qu¶ h¬n lµ t¨ng c¸c kÝch
th−íc c, d. C¨n cø theo ®Þnh h−íng trªn, chó ý ®Õn kÕt cÊu cña c¸c bé phËn kh¸c cña m¸y vµ kÕt