Đồ án hệ thống truyền động thùng trộn - Thiết kế và tính toán

• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Thùng Trộn Tại Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM
• Địa điểm: TP.HCM

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. PHẦN I – TÌM HIỂU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG MÁY
• 2. PHẦN II – CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ PHÂN PHỐI TỈ SỐ TRUYỀN
• 2.1. I – THÔNG SỐ BAN ĐẦU
• 2.2. II – CHỌN ĐỘNG CƠ
• 2.3. III – PHÂN PHỐI TỈ SỐ TRUYỀN
• 2.4. IV – LẬP BẢNG ĐẶC TÍNH BỘ TRUYỀN
• 3. PHẦN III – TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN XÍCH ỐNG CON LĂN
• 3.1. I – THÔNG SỐ ĐẦU VÀO
• 3.2. II. TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN XÍCH
• 3.3. KIỂM NGHIỆM ĐỘ BỀN CỦA BỘ TRUYỀN XÍCH
• 3.4. KIỂM NGHIỆM ĐỘ BỀN TIẾP XÚC
• 3.5. THÔNG SỐ BỘ TRUYỀN XÍCH
• 4. PHẦN IV – TÍNH TOÁN HỘP GIẢM TỐC 1 CẤP – BÁNH RĂNG CÔN RĂNG THẲNG
• 4.1. I. THÔNG SỐ ĐẦU VÀO
• 4.2. II. CHỌN VẬT LIỆU
• 4.2.1. 1. Chọn vật liệu bánh dẫn
• 4.2.2. 2. Chọn vật liệu bánh bị dẫn
• 4.3. III. TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT CHO PHÉP
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Toàn cảnh đồ án thiết kế hệ thống truyền động thùng trộn

Bài viết này phân tích chi tiết quy trình thiết kế hệ thống truyền động thùng trộn dựa trên các yêu cầu của Đồ án số 9. Mục tiêu là tạo ra một hệ thống cơ khí hoàn chỉnh, có khả năng biến đổi chuyển động từ động cơ để cung cấp moment xoắn và tốc độ quay phù hợp cho thùng trộn. Hệ thống này là một kết cấu cơ khí điển hình, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như xây dựng (máy trộn bê tông), thực phẩm (máy trộn thực phẩm), và hóa chất (máy khuấy hóa chất). Quá trình thiết kế bao gồm nhiều giai đoạn, từ việc phân tích yêu cầu, lựa chọn phương án, tính toán các chi tiết máy quan trọng như hộp giảm tốc, bộ truyền xích, trục, ổ lăn, cho đến việc hoàn thiện bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết bằng các phần mềm chuyên dụng như Autocad và Solidworks. Trọng tâm của đồ án là đảm bảo hiệu suất truyền động cao, kết cấu gọn nhẹ, vận hành ổn định và an toàn. Mỗi thành phần, từ động cơ điện 3 pha đến các chi tiết phụ, đều được tính toán và kiểm nghiệm cẩn thận để đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật. Việc tuân thủ quy trình thiết kế chuẩn mực không chỉ đảm bảo chất lượng sản phẩm mà còn giúp sinh viên củng cố kiến thức nền tảng về nguyên lý máy và chi tiết máy.

1.1. Phân tích nguyên lý và cấu tạo hệ thống dẫn động

Hệ thống dẫn động thùng trộn hoạt động dựa trên nguyên tắc giảm tốc và tăng moment. Nguồn động lực chính là một động cơ điện 3 pha. Chuyển động quay từ trục động cơ được truyền qua một khớp nối đàn hồi đến trục vào của hộp giảm tốc. Bên trong hộp giảm tốc một cấp, bộ truyền bánh răng côn răng thẳng thực hiện nhiệm vụ giảm tốc độ quay lần đầu và tăng moment xoắn. Sau đó, chuyển động được truyền từ trục ra của hộp giảm tốc đến thùng trộn thông qua một bộ truyền xích ống con lăn, tiếp tục giảm tốc độ và tăng moment để đạt được số vòng quay yêu cầu của thùng trộn. Hiệu suất truyền động của toàn hệ thống phụ thuộc vào hiệu suất của từng bộ phận: khớp nối, các cặp ổ lăn, bộ truyền bánh răng và bộ truyền xích. Cấu trúc này được lựa chọn vì tính phổ biến, khả năng chịu tải tốt và dễ dàng trong việc chế tạo, lắp đặt và bảo dưỡng.

1.2. Xác định thông số kỹ thuật đầu vào của Đồ án số 9

Mọi quy trình thiết kế đều bắt đầu từ các thông số kỹ thuật đầu vào. Đối với Đồ án số 9, các thông số ban đầu được xác định rõ ràng: công suất trên trục thùng trộn là Plv = 3 kW và số vòng quay yêu cầu là nlv = 168 vòng/phút, với chế độ tải trọng tĩnh. Dựa trên các thông số này, nhiệm vụ của người thiết kế là tính toán ngược để lựa chọn động cơ điện có công suất phù hợp và phân phối tỷ số truyền hợp lý cho toàn bộ hệ thống. Các yếu tố như hiệu suất truyền động của bộ truyền xích (ηx = 0.91), bộ truyền bánh răng côn (ηbr = 0.96), các cặp ổ lăn (ηol = 0.99) và khớp nối (ηnt = 0.98) được sử dụng để tính toán công suất cần thiết trên trục động cơ. Đây là bước nền tảng, quyết định đến toàn bộ các tính toán thiết kế chi tiết máy về sau.

II. Bí quyết chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền tối ưu

Việc lựa chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền là một trong những giai đoạn quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống truyền động thùng trộn. Một lựa chọn tối ưu sẽ đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và có tuổi thọ cao. Quá trình này không chỉ dựa trên các công thức lý thuyết mà còn cần đến kinh nghiệm thực tiễn và khả năng tra cứu tài liệu kỹ thuật. Công suất cần thiết của động cơ được xác định dựa trên công suất yêu cầu tại thùng trộn và tổng hiệu suất truyền động của hệ thống. Số vòng quay sơ bộ của động cơ được ước tính để từ đó chọn ra loại động cơ đồng bộ phù hợp. Sau khi chọn được động cơ cụ thể, tỷ số truyền chung của hệ thống sẽ được tính lại một cách chính xác. Tỷ số này sau đó được phân phối cho các bộ truyền thành phần, bao gồm hộp giảm tốc và bộ truyền xích, sao cho hợp lý về mặt kết cấu và động học. Một bảng đặc tính bộ truyền, bao gồm công suất, số vòng quay và moment xoắn trên từng trục, sẽ được lập ra để cung cấp cái nhìn tổng quan và là cơ sở cho các bước tính toán trục và chọn ổ lăn sau này.

2.1. Phương pháp tính toán công suất động cơ cần thiết

Để chọn được động cơ phù hợp, bước đầu tiên là tính công suất cần thiết trên trục động cơ (Pccn). Công suất này được tính bằng cách lấy công suất trên trục công tác (Plv = 3 kW) chia cho tổng hiệu suất truyền động (ηch). Trong đồ án này, ηch được tính toán dựa trên hiệu suất của từng thành phần: bộ truyền xích, hộp giảm tốc bánh răng côn, 3 cặp ổ lăn và 2 khớp nối, cho kết quả ηch = 0.8141. Từ đó, công suất cần thiết được xác định là Pccn = 3 / 0.8141 ≈ 3.68 kW. Dựa trên công suất này và số vòng quay sơ bộ (nsb ≈ 1260 vòng/phút), động cơ 3K112M4 với công suất 4 kW và tốc độ quay 1435 vòng/phút được lựa chọn. Việc chọn động cơ có công suất lớn hơn một chút so với tính toán đảm bảo hệ thống có đủ khả năng vận hành ổn định và bù đắp cho các tổn thất không lường trước.

2.2. Lập bảng đặc tính cho hệ thống truyền động cơ khí

Sau khi chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền (uhgt = 2.5 cho hộp giảm tốc và ux = 3.42 cho bộ truyền xích), việc lập bảng đặc tính bộ truyền là bước cần thiết. Bảng này tổng hợp các thông số quan trọng trên từng trục, từ trục động cơ đến trục công tác (thùng trộn). Các thông số bao gồm: công suất (kW), tỷ số truyền, số vòng quay (vòng/phút), và moment xoắn (Nmm). Ví dụ, moment xoắn trên trục I (trục vào hộp giảm tốc) là TI = 24024.74 Nmm, trong khi trên trục III (trục lắp thùng trộn) là TIII = 175819.2 Nmm. Bảng đặc tính này cung cấp một cái nhìn trực quan về sự biến đổi năng lượng qua từng cấp truyền động, giúp kiểm tra tính đúng đắn của quá trình phân phối tỷ số truyền và là dữ liệu đầu vào không thể thiếu cho các giai đoạn thiết kế chi tiết máy tiếp theo như tính toán trục và kiểm nghiệm bền.

III. Hướng dẫn thiết kế hộp giảm tốc và bộ truyền xích chuẩn

Thiết kế bộ truyền ngoài (bộ truyền xích) và bộ truyền trong (hộp giảm tốc) là phần lõi của đồ án thiết kế hệ thống truyền động thùng trộn. Đây là hai cơ cấu chính thực hiện nhiệm vụ giảm tốc và truyền tải công suất. Bộ truyền xích ống con lăn được chọn cho khả năng làm việc ở khoảng cách trục trung bình và tỷ số truyền không quá lớn. Quá trình thiết kế bộ truyền xích bao gồm chọn số răng đĩa xích, xác định bước xích, tính toán khoảng cách trục và kiểm nghiệm độ bền. Đối với hộp giảm tốc một cấp bánh răng côn răng thẳng, đây là giải pháp cho các trục giao nhau. Việc thiết kế tập trung vào việc lựa chọn vật liệu chế tạo (Thép C45), xác định các thông số hình học của cặp bánh răng trụ (thực chất là bánh răng côn), và quan trọng nhất là kiểm nghiệm bền cho bánh răng theo hai chỉ tiêu chính: bền tiếp xúc và bền uốn. Các tính toán này đòi hỏi sự chính xác cao và phải dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo hộp giảm tốc hoạt động ổn định và bền bỉ trong suốt thời gian yêu cầu.

3.1. Tính toán chi tiết bộ truyền xích ống con lăn

Thiết kế bộ truyền xích bắt đầu bằng việc chọn số răng đĩa xích dẫn (z1 = 25 răng) và bị dẫn (z2 = 86 răng) để đảm bảo tỷ số truyền yêu cầu (u = 3.44). Dựa trên công suất tính toán (Pt = 5.85 kW), bước xích pc = 15.875 mm được chọn. Các thông số khác như khoảng cách trục (a = 634 mm) và số mắt xích (X = 138) được xác định để đảm bảo bộ truyền hoạt động có độ chùng cần thiết. Sau khi có các thông số cơ bản, bộ truyền được kiểm nghiệm về độ bền. Hệ số an toàn theo tải trọng phá hủy (c = 20) lớn hơn nhiều so với hệ số an toàn cho phép ([c] = 9.3), cho thấy xích đủ bền. Đồng thời, ứng suất tiếp xúc trên mặt răng (σH1 = 585.33 MPa) cũng nhỏ hơn ứng suất cho phép ([σH] = 600 MPa), khẳng định bộ truyền xích thỏa mãn mọi điều kiện làm việc.

3.2. Quy trình thiết kế hộp giảm tốc bánh răng côn răng thẳng

Trong thiết kế hệ thống truyền động thùng trộn, hộp giảm tốc đóng vai trò trung tâm. Quy trình thiết kế bắt đầu với việc chọn vật liệu chế tạo, cụ thể là thép 45 thường hóa cho cả bánh dẫn và bánh bị dẫn, với độ rắn bề mặt khác nhau (HB1=210, HB2=195) để tránh mài mòn. Tiếp theo, ứng suất cho phép về tiếp xúc và uốn được xác định. Các thông số hình học cơ bản như chiều dài côn ngoài (Re = 97.06 mm) và mô đun (mne = 2.3 mm) được tính toán sơ bộ và sau đó chuẩn hóa. Từ đó, một bảng thông số hình học chi tiết của cặp bánh răng côn được lập ra, bao gồm số răng (z1=32, z2=80), đường kính các vòng, chiều rộng vành răng và các góc côn. Quá trình này đảm bảo cặp bánh răng ăn khớp đúng, truyền động êm và đạt được tỷ số truyền chính xác là u = 2.5.

3.3. Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn của bánh răng

Đây là bước quan trọng để đảm bảo tuổi thọ của hộp giảm tốc. Đầu tiên, kiểm nghiệm bền tiếp xúc được thực hiện. Ứng suất tiếp xúc thực tế xuất hiện trên mặt răng được tính toán (σH = 359.13 MPa) và so sánh với ứng suất tiếp xúc cho phép ([σH] = 376.36 MPa). Vì σH < [σH], bánh răng thỏa mãn điều kiện bền tiếp xúc. Tương tự, kiểm nghiệm bền uốn được tiến hành. Ứng suất uốn trên chân răng của bánh dẫn (σF1 = 80 MPa) và bánh bị dẫn (σF2 = 76 MPa) được tính toán. Cả hai giá trị này đều nhỏ hơn đáng kể so với ứng suất uốn cho phép tương ứng ([σF1] = 222.48 MPa, [σF2] = 206.59 MPa). Kết quả kiểm nghiệm khẳng định rằng cặp bánh răng côn được thiết kế có đủ khả năng chịu tải và sẽ không bị phá hủy do mỏi trong quá trình làm việc.

IV. Cách tính toán trục then và chọn ổ lăn cho hệ thống

Trục, then và ổ lăn là các chi tiết máy nền tảng, đảm bảo sự liên kết và chuyển động quay ổn định trong hệ thống truyền động. Giai đoạn này của đồ án thiết kế hệ thống truyền động thùng trộn tập trung vào việc định hình kết cấu và đảm bảo độ bền cho các chi tiết này. Quá trình tính toán trục bắt đầu bằng việc xác định sơ bộ đường kính dựa trên moment xoắn truyền qua. Sau đó, chiều dài các đoạn trục được xác định dựa trên kích thước của các chi tiết lắp trên nó như bánh răng, ổ lăn, đĩa xích. Lực tác dụng lên trục được phân tích để vẽ biểu đồ moment uốn và moment xoắn. Từ đó, đường kính trục tại các tiết diện nguy hiểm được tính toán chính xác và kiểm nghiệm bền mỏi và bền tĩnh. Song song đó, việc chọn ổ lăn được thực hiện dựa trên đường kính trục, tải trọng hướng tâm và dọc trục. Cuối cùng, then được tính toán và kiểm nghiệm bền dập, bền cắt để đảm bảo khả năng truyền tải moment xoắn từ trục sang các chi tiết máy khác một cách an toàn.

4.1. Xác định sơ bộ đường kính và chiều dài các trục

Việc tính toán trục bắt đầu với việc chọn vật liệu là thép C45 thường hóa. Đường kính sơ bộ của từng trục được xác định dựa trên công thức kinh nghiệm liên quan đến moment xoắn và ứng suất xoắn cho phép. Ví dụ, đường kính sơ bộ của Trục II là d2 ≥ 24.25 mm (chọn 30 mm), và Trục III là d3 ≥ 35.29 mm (chọn 40 mm). Sau khi có đường kính sơ bộ, chiều dài các đoạn trục được xác định. Chiều dài này phụ thuộc vào chiều rộng của các chi tiết lắp trên trục như mayơ bánh răng, mayơ đĩa xích, chiều rộng ổ lăn, và các khoảng cách lắp ghép tiêu chuẩn. Việc xác định chính xác kích thước trục là tiền đề để phân tích lực và kiểm nghiệm bền ở các bước tiếp theo.

4.2. Kiểm nghiệm độ bền mỏi và bền tĩnh cho trục

Sau khi xác định được các lực tác dụng và vẽ biểu đồ moment, trục phải được kiểm nghiệm bền. Kiểm nghiệm bền mỏi là quan trọng nhất, nhằm đảm bảo trục không bị phá hủy dưới tác dụng của tải trọng thay đổi theo chu kỳ. Hệ số an toàn về bền mỏi tại các tiết diện nguy hiểm (thường là vị trí lắp ổ lăn hoặc rãnh then) được tính toán. Ví dụ, tại tiết diện C của Trục III, hệ số an toàn tính được là s = 4.9, lớn hơn hệ số an toàn cho phép ([s] = 2.5 ÷ 3), do đó trục đạt yêu cầu. Ngoài ra, kiểm nghiệm bền tĩnh cũng được thực hiện để đề phòng trường hợp quá tải đột ngột khi khởi động máy. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy cả ba trục trong hệ thống đều thỏa mãn điều kiện bền tĩnh, đảm bảo an toàn tuyệt đối trong vận hành.

4.3. Lựa chọn và tính toán ổ lăn nối trục đàn hồi

Việc chọn ổ lăn phụ thuộc vào tải trọng và điều kiện làm việc. Do có lực dọc trục từ bộ truyền bánh răng côn, ổ đũa côn được chọn cho Trục I và Trục II để chịu cả lực hướng tâm và dọc trục. Đối với Trục III, chỉ chịu lực hướng tâm nên ổ bi đỡ một dãy được sử dụng. Quá trình tính toán kiểm tra khả năng tải động của ổ, đảm bảo tuổi thọ yêu cầu (Lh = 10000 giờ) được đáp ứng. Ví dụ, ổ đũa côn 7205 được chọn cho Trục II, với khả năng tải động tính toán là Cd = 10.4 kN, nhỏ hơn khả năng tải động danh nghĩa của ổ C = 23.5 kN, do đó ổ đạt yêu cầu. Đối với khớp nối đàn hồi, việc lựa chọn dựa trên moment xoắn và đường kính trục. Các khớp nối được kiểm nghiệm bền dập cho vòng đàn hồi và bền uốn cho chốt, đảm bảo truyền động an toàn và êm ái.

V. Hoàn thiện đồ án Thiết kế vỏ hộp và chi tiết phụ

Giai đoạn cuối cùng của đồ án thiết kế hệ thống truyền động thùng trộn là hoàn thiện các yếu tố cấu trúc và tài liệu kỹ thuật. Việc thiết kế vỏ hộp giảm tốc không chỉ mang tính bao che mà còn đảm bảo vị trí tương đối chính xác giữa các chi tiết máy và khả năng tản nhiệt. Vật liệu chế tạo vỏ hộp thường là gang xám (GX15-32) do khả năng đúc tốt và chịu nén. Các kích thước cơ bản của vỏ hộp như chiều dày thân, nắp, mặt bích được xác định theo công thức kinh nghiệm. Các chi tiết phụ như nắp thăm, nút thông hơi, que thăm dầu, nút tháo dầu đều có vai trò quan trọng trong quá trình vận hành và bảo dưỡng. Việc lựa chọn dung sai lắp ghép phù hợp cho các mối ghép then, ổ lăn, và bánh răng là cực kỳ quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác. Cuối cùng, toàn bộ thiết kế được thể hiện qua các bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết sử dụng phần mềm CAD/CAM như Autocad và Solidworks, tạo thành bộ tài liệu hoàn chỉnh cho việc chế tạo và lắp ráp.

5.1. Thiết kế vỏ hộp giảm tốc và các chi tiết phụ trợ

Vỏ hộp giảm tốc được thiết kế từ vật liệu gang xám GX15-32. Các kích thước chính như chiều dày thân hộp (δ = 6 mm), chiều dày nắp (δ1 = 6 mm), và đường kính các loại bu lông được tiêu chuẩn hóa để dễ chế tạo. Bề mặt lắp ghép giữa nắp và thân được bố trí đi qua đường tâm các trục. Các chi tiết phụ trợ được thiết kế theo tiêu chuẩn: nắp cửa thăm để kiểm tra và đổ dầu, nút thông hơi để cân bằng áp suất trong hộp, que thăm dầu để kiểm soát mức dầu, và nút tháo dầu để thay dầu định kỳ. Các chi tiết này đảm bảo việc bôi trơn hộp giảm tốc được thực hiện dễ dàng và hiệu quả, góp phần tăng tuổi thọ cho hệ thống.

5.2. Lựa chọn dung sai lắp ghép và phương pháp bôi trơn

Lựa chọn dung sai lắp ghép quyết định đến tính năng làm việc của các mối ghép. Đối với mối ghép giữa bánh răng và trục, kiểu lắp trung gian H7/k6 được chọn để vừa đảm bảo độ đồng tâm, vừa có thể tháo lắp khi cần. Đối với ổ lăn, vòng trong quay nên được lắp theo kiểu lắp trung gian (k6) với trục, và vòng ngoài đứng yên được lắp lỏng (H7) với vỏ hộp. Phương pháp bôi trơn cho hộp giảm tốc được chọn là ngâm dầu, phù hợp với vận tốc vòng của bánh răng (v = 5.11 m/s). Dầu tuabin có độ nhớt phù hợp được lựa chọn để đảm bảo bôi trơn tốt và làm mát cho các cặp bánh răng trong quá trình làm việc.

5.3. Vai trò của bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết trong đồ án

Trong một đồ án kỹ thuật, bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết là kết quả cuối cùng và quan trọng nhất. Bản vẽ lắp cung cấp cái nhìn tổng thể về kết cấu cơ khí của hệ thống truyền động, thể hiện vị trí tương quan và cách lắp ghép giữa các chi tiết. Nó là tài liệu hướng dẫn cho quá trình lắp ráp. Trong khi đó, bản vẽ chi tiết mô tả đầy đủ hình dạng, kích thước, dung sai lắp ghép, yêu cầu kỹ thuật và vật liệu chế tạo của từng chi tiết riêng lẻ. Đây là tài liệu cốt lõi dùng cho việc gia công, chế tạo. Việc sử dụng các phần mềm CAD/CAM như Autocad và Solidworks giúp quá trình thiết kế và tạo bản vẽ trở nên chính xác, nhanh chóng và chuyên nghiệp, là kỹ năng không thể thiếu của một kỹ sư.