Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hệ thống dẫn động thùng trộn là cơ cấu truyền động cơ khí được ứng dụng phổ biến trong cả lĩnh vực nông nghiệp lẫn công nghiệp. Trong nông nghiệp, hệ thống này đóng vai trò dẫn động các thiết bị phối trộn thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm. Trong sản xuất công nghiệp, thùng trộn được sử dụng để khuấy trộn hóa chất, dầu mỏ, xử lý nguyên liệu trong các dây chuyền chế biến thực phẩm và trộn bê tông xây dựng. Đặc tính vận hành của thiết bị đòi hỏi các thành phần nguyên liệu phải được định lượng chính xác và hòa trộn đồng đều với vận tốc quay ổn định dưới tác động của tải trọng xác định.

Đồ án môn học "Hệ thống truyền động" (mã số học phần ME3145) do sinh viên Phạm Mạnh Huy (MSSV: 1910214), Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thanh Long vào học kỳ 2 năm học 2021-2022. Đề tài thuộc Đề số 10 – Phương án 6 với nhiệm vụ: Thiết kế hệ thống dẫn động thùng trộn.

Hệ thống truyền động tổng thể được xác định gồm 5 thành phần chính bố trí nối tiếp:

  1. Động cơ điện.
  2. Bộ truyền đai thang ngoài.
  3. Hộp giảm tốc bánh răng côn răng thẳng 1 cấp.
  4. Khớp nối trục đàn hồi.
  5. Bộ phận công tác (Thùng trộn).

Các thông số kỹ thuật đầu vào phục vụ thiết kế bao gồm:

  • Công suất danh định trên trục thùng trộn: $P = 5\text{ kW}$.
  • Số vòng quay yêu cầu của trục thùng trộn: $n = 208\text{ vòng/phút}$.
  • Thời gian phục vụ định mức cho đến khi hỏng: $L_h = 10.000\text{ giờ}$.
  • Chế độ tải trọng: Tải trọng tĩnh, làm việc 1 chiều.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là kết cấu cơ khí của hệ thống dẫn động, trọng tâm là hộp giảm tốc 1 cấp bánh răng côn răng thẳng và các bộ truyền đi kèm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc tính toán động học, động lực học, tính toán thiết kế chi tiết máy (bộ truyền ngoài, bộ truyền trong, trục, then, ổ lăn, khớp nối, vỏ hộp và chi tiết phụ), lập thuyết minh tính toán và xây dựng bản vẽ kỹ thuật 2D (bản vẽ lắp hệ thống truyền động khổ A0, bản vẽ lắp hộp giảm tốc khổ A0 và bản vẽ chi tiết) trong thời gian thực hiện 15 tuần.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các tiêu chuẩn và phương pháp tính toán thiết kế chi tiết máy truyền thống theo chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật Cơ khí:

  • Giáo trình và tài liệu tra cứu: "Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí" (Tập 1 và Tập 2) của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển, cùng các tài liệu hướng dẫn thiết kế chi tiết máy của Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM.
  • Catalog tra cứu thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của vòng bi SKF và bảng tra động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện qua các bước giải tích và thực nghiệm tính toán cơ học:

  • Phương pháp tính toán động học và động lực học: Xác định hiệu suất tổng thể, tính toán công suất cần thiết, phân phối tỉ số truyền giữa bộ truyền đai ngoài và hộp giảm tốc bánh răng côn, từ đó suy ra mômen xoắn và số vòng quay trên từng trục.
  • Phương pháp tính toán độ bền tiếp xúc và độ bền uốn của bánh răng: Áp dụng lý thuyết tiếp xúc Hertz và các tiêu chuẩn kiểm nghiệm ứng suất uốn tại chân răng cho bộ truyền bánh răng côn răng thẳng.
  • Phương pháp thiết kế trục và kiểm nghiệm độ bền mỏi: Xác định sơ đồ đặt lực trong không gian 3 chiều, lập phương trình cân bằng tĩnh học để tìm phản lực liên kết tại các gối đỡ, vẽ biểu đồ mômen uốn ($M_x, M_y$) và mômen xoắn ($T$), tính toán đường kính trục sơ bộ và kiểm nghiệm hệ số an toàn mỏi tại các tiết diện nguy hiểm có rãnh then và bậc trục.
  • Phương pháp kiểm nghiệm then và nối trục: Kiểm tra ứng suất dập và ứng suất cắt trên các bề mặt làm việc của then bằng và vòng cao su đàn hồi của khớp nối.
  • Phương pháp tính toán chọn ổ lăn: Tính toán tải trọng động quy ước, tải trọng tĩnh và tuổi thọ ổ theo số triệu vòng quay dựa trên lực hướng tâm và lực dọc trục do bộ truyền bánh răng côn sinh ra.

Nguồn dữ liệu tính toán hoàn toàn xuất phát từ số liệu đầu vào phương án 6 của đề tài kết hợp hệ thống bảng tra tiêu chuẩn kỹ thuật vật liệu (thép carbon kết cấu 45, gang xám GX15-32).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống dẫn động được triển khai tính toán chi tiết qua từng cụm cơ khí chức năng:

1. Phân phối động học và động lực học

Từ các hiệu suất thành phần gồm bộ truyền đai thang ($\eta_d = 0,95$), bộ truyền bánh răng côn kín ($\eta_{br} = 0,95$), khớp nối trục đàn hồi ($\eta_{kn} = 0,99$) và 2 cặp ổ lăn ($\eta_{ol} = 0,99$), hiệu suất toàn hệ thống được xác định: $$\eta = \eta_d \cdot \eta_{br} \cdot \eta_{kn} \cdot \eta_{ol}^2 = 0,95 \cdot 0,95 \cdot 0,99 \cdot 0,99^2 \approx 0,88$$

Công suất cần thiết trên trục động cơ: $$P_{ct} = \frac{P}{\eta} = \frac{5}{0,88} = 5,68\text{ kW}$$

Tác giả chọn động cơ điện ba pha kiểu K160S4 có công suất định mức $P_{dc} = 7,5\text{ kW}$ và tốc độ quay đồng bộ $n_{dc} = 1450\text{ vòng/phút}$. Tỉ số truyền chung của hệ thống là $u = 6,97$, được phân phối cho bộ truyền đai $u_d = 2,32$ và hộp giảm tốc bánh răng côn $u_{br} = 3,00$.

Thông số Trục Động cơ Trục I (Trục vào HGT) Trục II (Trục ra HGT) Trục III (Trục công tác)
Công suất $P$ (kW) 5,77 5,48 5,15 5,05
Tỉ số truyền $u$ — 2,32 3,00 1,00
Số vòng quay $n$ (v/ph) 1450,00 625,00 208,33 208,33
Mômen xoắn $T$ (Nmm) 38.002,41 83.734,40 236.079,78 231.495,70

2. Bộ truyền đai thang ngoài

  • Loại đai: Đai thang loại B ($b_p = 14\text{ mm}, b_0 = 17\text{ mm}, h = 10,5\text{ mm}, y_0 = 4,0\text{ mm}, A = 138\text{ mm}^2$).
  • Đường kính bánh dẫn: $d_1 = 180\text{ mm}$; vận tốc đai: $v_1 = 13,67\text{ m/s} < 25\text{ m/s}$.
  • Đường kính bánh bị dẫn: $d_2 = 400\text{ mm}$ (tỉ số truyền thực tế $u_d = 2,27$, sai lệch $2,16% < 4%$).
  • Khoảng cách trục: $a = 533,12\text{ mm}$; Chiều dài đai: $L = 2000\text{ mm}$.
  • Góc ôm bánh nhỏ: $\alpha_1 = 156,48^\circ \ge 120^\circ$; Số vòng chạy trong 1 giây: $i = 6,84\text{ s}^{-1} < [i] = 10\text{ s}^{-1}$.
  • Số dây đai: $z = 2$ đai; Chiều rộng bánh đai: $B = 44\text{ mm}$.
  • Lực căng ban đầu mỗi dây đai: $F_0 = 207\text{ N}$ (tổng $F_0 = 414\text{ N}$); Lực tác dụng lên trục: $F_r = 810,62\text{ N}$; Lực vòng có ích: $F_t = 422,09\text{ N}$.

3. Bộ truyền bánh răng côn răng thẳng một cấp

  • Vật liệu: Thép 45 tôi cải thiện. Bánh dẫn có độ rắn $HB_1 = 255$, giới hạn bền $\sigma_{b1} = 850\text{ MPa}$, giới hạn chảy $\sigma_{ch1} = 580\text{ MPa}$; bánh bị dẫn có độ rắn $HB_2 = 240$, $\sigma_{b2} = 192\text{ MPa}$, $\sigma_{ch2} = 240\text{ MPa}$.
  • Ứng suất tiếp xúc cho phép: $[\sigma_H] = 441,75\text{ MPa}$; Ứng suất uốn cho phép: $[\sigma_{F1}] = 262,29\text{ MPa}$, $[\sigma_{F2}] = 246,86\text{ MPa}$.
  • Kích thước hình học cơ bản:
    • Chiều dài côn ngoài: $R_e = 147,05\text{ mm}$.
    • Môđun vòng ngoài: $m_{te} = 3\text{ mm}$; môđun trung bình: $m_{tm} = 2,55\text{ mm}$.
    • Số răng: Bánh dẫn $z_1 = 31$, bánh bị dẫn $z_2 = 93$ ($u = 3$).
    • Chiều rộng vành răng: $b = 45\text{ mm}$.
    • Góc côn chia: $\delta_1 = 18,43^\circ$, $\delta_2 = 71,57^\circ$.
    • Đường kính chia ngoài: $d_{e1} = 93\text{ mm}$, $d_{e2} = 279\text{ mm}$.
    • Đường kính đỉnh răng ngoài: $d_{ae1} = 98,69\text{ mm}$, $d_{ae2} = 280,90\text{ mm}$.
  • Kết quả kiểm nghiệm bền:
    • Ứng suất tiếp xúc tính toán: $\sigma_H = 414,25\text{ MPa} \le [\sigma_H] = 441,75\text{ MPa}$ (thỏa mãn).
    • Ứng suất uốn tính toán: $\sigma_{F1} = 79,51\text{ MPa} \le [\sigma_{F1}]$; $\sigma_{F2} = 75,33\text{ MPa} \le [\sigma_{F2}]$ (thỏa mãn).

4. Kết cấu trục, then và gối đỡ ổ lăn

  • Vật liệu chế tạo trục: Thép 45 tôi, độ rắn $200\text{ HB}$, $\sigma_b = 850\text{ MPa}$, $\sigma_{ch} = 580\text{ MPa}$, $[\sigma] = 67\text{ MPa}$.
  • Kích thước các đoạn trục:
    • Trục I: $d_A = 25\text{ mm}$ (lắp bánh đai), $d_B = 30\text{ mm}$ (lắp ổ 0), $d_C = 30\text{ mm}$ (lắp ổ 1), $d_D = 25\text{ mm}$ (lắp bánh răng côn). Hệ số an toàn mỏi tại tiết diện nguy hiểm $C$: $s_{dC} = 4,70 \ge [s] = 2,5 \div 3$.
    • Trục II: $d_E = 40\text{ mm}$ (lắp bánh răng côn bị dẫn), $d_F = 50\text{ mm}$ (gờ chặn/vị trí nguy hiểm), $d_G = 40\text{ mm}$ (lắp ổ), $d_H = 32\text{ mm}$ (đầu trục ra lắp khớp nối). Hệ số an toàn mỏi tại tiết diện $F$: $s_{dF} = 4,38 \ge [s]$.
  • Kiểm nghiệm then bằng:
    • Then tại $A$ và $D$ (Trục I, $d = 25\text{ mm}$): $b \times h \times l_t = 8 \times 7 \times 36\text{ mm}$, $\sigma_d = 79,75\text{ MPa} \le 150\text{ MPa}$, $\tau_c = 29,91\text{ MPa} \le 60 \div 90\text{ MPa}$.
    • Then tại $F$ (Trục II, $d = 50\text{ mm}$): $b \times h \times l_t = 14 \times 9 \times 50\text{ mm}$, $\sigma_d = 74,95\text{ MPa}$, $\tau_c = 18,74\text{ MPa}$.
    • Then tại $H$ (Trục II, $d = 32\text{ mm}$): $b \times h \times l_t = 10 \times 8 \times 40\text{ mm}$, $\sigma_d = 140,52\text{ MPa}$, $\tau_c = 42,16\text{ MPa}$.
  • Chọn ổ lăn (SKF):
    • Trục I: Chọn 2 ổ đũa côn ký hiệu 32006 X ($d = 30\text{ mm}, D = 55\text{ mm}, B = 17\text{ mm}, C = 43,9\text{ kN}, C_0 = 44\text{ kN}$). Khả năng tải động tính toán $C_d = 21,95\text{ kN} < 43,9\text{ kN}$; tuổi thọ đạt $375\text{ triệu vòng}$ ($10.000\text{ giờ}$).
    • Trục II: Chọn 2 ổ đũa côn ký hiệu 32008 X ($d = 40\text{ mm}, D = 68\text{ mm}, B = 19\text{ mm}, C = 64,7\text{ kN}, C_0 = 71\text{ kN}$). Khả năng tải động tính toán $C_d = 11,29\text{ kN} < 64,4\text{ kN}$; tuổi thọ đạt $125\text{ triệu vòng}$ ($10.000\text{ giờ}$).

5. Khớp nối trục đàn hồi và vỏ hộp giảm tốc

  • Khớp nối trục đàn hồi: Mômen xoắn truyền động $T = 236.079,78\text{ Nmm}$, mômen danh định nối trục $250\text{ Nm}$, đường kính lỗ trục $d = 32\text{ mm}$, chốt ren M10 ($d_c = 14\text{ mm}, D_0 = 105\text{ mm}, Z = 6\text{ chốt}$). Ứng suất dập vòng cao su $\sigma_d = 2,29\text{ MPa} \le [\sigma_d] = 2 \div 4\text{ MPa}$; ứng suất uốn chốt $\sigma_u = 30,59\text{ MPa} \le [\sigma_u] = 60 \div 80\text{ MPa}$.
  • Vỏ hộp và phụ tùng:
    • Vật liệu đúc: Gang xám GX15-32.
    • Chiều dày thân hộp $\delta = 8\text{ mm}$, chiều dày nắp hộp $\delta_1 = 8\text{ mm}$, gân tăng cứng $e = 8\text{ mm}$, chiều cao gân $h = 58\text{ mm}$.
    • Kích cỡ bulông: Bulông nền $d_1 = 16\text{ mm}$, bulông cạnh ổ $d_2 = 12\text{ mm}$, bulông ghép bích nắp và thân $d_3 = 10\text{ mm}$, vít nắp ổ $d_4 = 8\text{ mm}$ (M8), vít nắp cửa thăm $d_5 = 8\text{ mm}$ (M8).
    • Phụ tùng: Bulông vòng M10 (khả năng nâng 80 kg); 2 chốt định vị côn kích thước $d = 6\text{ mm}, c = 1\text{ mm}, l = 35\text{ mm}$; cửa thăm kích thước $100 \times 75\text{ mm}$; nút thông hơi M27x2; nút tháo dầu M20x2; que thăm dầu dạng dẹt; ống lót gang GX15-32 dày $8,5\text{ mm}$.
    • Chế độ bôi trơn: Bôi trơn ngâm dầu bánh răng với dầu ô tô máy kéo AK-20 (vận tốc vòng $v = 3,04\text{ m/s}$), mức dầu ngập từ đáy bánh răng côn lớn từ $30\text{ mm}$ đến $45\text{ mm}$ (chọn mức cao $40\text{ mm}$, mức thấp $30\text{ mm}$).

Nội dung chính theo từng chương

Xác định công suất động cơ và phân bố tỉ số truyền

Nội dung chương tập trung vào việc tính toán hiệu suất chung của toàn bộ hệ truyền động ($\eta = 0,88$), xác định công suất cần thiết trên trục động cơ ($P_{ct} = 5,68\text{ kW}$) và lựa chọn động cơ điện K160S4 ($7,5\text{ kW}, 1450\text{ v/ph}$). Tiếp đó, tác giả phân phối tỉ số truyền tổng ($u = 6,97$) thành $u_d = 2,32$ cho bộ truyền đai và $u_{br} = 3,00$ cho hộp giảm tốc, xây dựng bảng thông số công suất, tốc độ quay và mômen xoắn trên 4 trục (Động cơ, Trục I, Trục II, Trục III).

Thiết kế bộ truyền đai thang

Chương này thực hiện thiết kế chi tiết bộ truyền đai thang loại B. Các bước tính toán xác định đường kính bánh đai nhỏ $d_1 = 180\text{ mm}$, bánh đai lớn $d_2 = 400\text{ mm}$, khoảng cách trục $a = 533,12\text{ mm}$, chiều dài đai tiêu chuẩn $L = 2000\text{ mm}$. Số lượng dây đai được chọn là 2 dây nhằm đảm bảo khả năng truyền tải công suất $5,77\text{ kW}$ với góc ôm $\alpha_1 = 156,48^\circ$, lực căng ban đầu $F_0 = 414\text{ N}$ và lực tác dụng lên trục $F_r = 810,62\text{ N}$.

Thiết kế bộ truyền bánh răng côn một cấp

Chương trình bày việc lựa chọn vật liệu thép 45 tôi cải thiện cho cặp bánh răng côn răng thẳng, tính toán ứng suất cho phép theo độ bền tiếp xúc và độ bền uốn với thời gian làm việc $10.000\text{ giờ}$ tải tĩnh. Các thông số kích thước hình học được xác định cụ thể với $z_1 = 31, z_2 = 93, m_{te} = 3\text{ mm}, R_e = 147,05\text{ mm}, b = 45\text{ mm}$. Kiểm nghiệm cho thấy ứng suất tiếp xúc $\sigma_H = 414,25\text{ MPa} < 441,75\text{ MPa}$ và ứng suất uốn $\sigma_{F1} = 79,51\text{ MPa} < 262,29\text{ MPa}$, đảm bảo an toàn tuyệt đối. Đồng thời, chương đưa ra thông số bôi trơn ngâm dầu trong khoảng mức dầu $30 \div 45\text{ mm}$.

Thiết kế trục - chọn then

Nội dung chương giải quyết bài toán đặt lực và cân bằng tĩnh học không gian cho trục I và trục II. Bằng cách phân tích các lực ăn khớp bánh răng côn ($F_{t1} = F_{t2} = 2118,52\text{ N}$, $F_{r1} = F_{a2} = 731,53\text{ N}$, $F_{a1} = F_{r2} = 243,77\text{ N}$), lực đai ($F_d = 810,62\text{ N}$) và lực khớp nối ($F_{nt} = 1349,03\text{ N}$), tác giả xác định đường kính tại các tiết diện lắp ghép và kiểm nghiệm hệ số an toàn mỏi ($s_{dC} = 4,70$ và $s_{dF} = 4,38$). Hệ thống then bằng trên 4 vị trí then chốt đều được kiểm tra thỏa mãn điều kiện bền dập và bền cắt.

Tính toán và chọn ổ lăn, nối trục

Chương này thực hiện lựa chọn ổ đũa côn đỡ chặn SKF cho cả hai trục để tiếp nhận đồng thời lực hướng tâm và lực dọc trục do bánh răng côn sinh ra. Trục I sử dụng 2 ổ đũa côn mã 32006 X, trục II sử dụng 2 ổ mã 32008 X; kết quả tính toán tuổi thọ động quy ước đều vượt mức yêu cầu $10.000\text{ giờ}$ làm việc. Nối trục đàn hồi với mômen định mức $250\text{ Nm}$ được tính toán kiểm nghiệm đạt độ bền dập cho vòng cao su ($\sigma_d = 2,29\text{ MPa}$) và bền uốn cho chốt nối ($\sigma_u = 30,59\text{ MPa}$).

Chọn thân máy và các chi tiết khác

Chương mô tả kết cấu vỏ hộp giảm tốc đúc bằng gang xám GX15-32 với bề dày thân và nắp $8\text{ mm}$, gân tăng cứng dày $8\text{ mm}$ cao $58\text{ mm}$. Xác định chi tiết thông số kích thước hệ thống bulông nền (M16), bulông cạnh ổ (M12), bulông ghép bích (M10), cùng các chi tiết phụ tùng hoàn thiện hộp giảm tốc như bulông vòng M10, chốt định vị côn $\phi 6$, cửa thăm $100 \times 75\text{ mm}$, nút thông hơi M27x2, nút tháo dầu M20x2, que thăm dầu và ống lót gối đỡ ổ lăn.

Dung sai lắp ghép và thiết kế bộ phận công tác

Dựa trên cấu trúc mục lục được giao, phần này định hướng xác định cấp chính xác gia công cơ khí, lập bảng dung sai và lựa chọn kiểu lắp ghép tiêu chuẩn cho các mối ghép then, ổ lăn, vòng chắn dầu và bề mặt lắp ghép vỏ hộp, đồng thời phác thảo phương án kết cấu cho thùng trộn và trục khuấy công tác.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật chính

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ hệ thống tính toán kỹ thuật cho trạm dẫn động thùng trộn công suất $5\text{ kW}$, vận tốc quay trục ra $208\text{ vòng/phút}$, vận hành ổn định $10.000\text{ giờ}$. Các chỉ số kỹ thuật then chốt được tổng hợp như sau:

Bộ phận kết cấu Quy cách / Mã hiệu Thông số kỹ thuật cốt lõi Trạng thái kiểm nghiệm
Động cơ điện K160S4 $P = 7,5\text{ kW}$, $n = 1450\text{ v/ph}$ Đạt ($P_{ct} = 5,68\text{ kW}$)
Bộ truyền ngoài Đai thang loại B 2 dây đai, $d_1 = 180\text{ mm}, d_2 = 400\text{ mm}, a = 533,12\text{ mm}$ Đạt góc ôm $\alpha_1 = 156,48^\circ$
Bộ truyền trong HGT Bánh răng côn răng thẳng $z_1 = 31, z_2 = 93, m_{te} = 3\text{ mm}, b = 45\text{ mm}, R_e = 147,05\text{ mm}$ Đạt bền tiếp xúc & uốn
Trục dẫn (Trục I) Thép 45 tôi $d_A=25, d_B=30, d_C=30, d_D=25\text{ mm}$ Hệ số an toàn mỏi $s = 4,70 \ge 2,5$
Trục bị dẫn (Trục II) Thép 45 tôi $d_E=40, d_F=50, d_G=40, d_H=32\text{ mm}$ Hệ số an toàn mỏi $s = 4,38 \ge 2,5$
Ổ lăn Trục I SKF 32006 X Ổ đũa côn ($d=30, D=55, B=17\text{ mm}$) Đạt tải động ($C_d = 21,95 < 43,9\text{ kN}$)
Ổ lăn Trục II SKF 32008 X Ổ đũa côn ($d=40, D=68, B=19\text{ mm}$) Đạt tải động ($C_d = 11,29 < 64,4\text{ kN}$)
Khớp nối đầu ra Khớp nối trục đàn hồi Mômen $250\text{ Nm}$, 6 chốt M10 Đạt bền cao su & chốt
Vỏ hộp giảm tốc Gang xám GX15-32 Chiều dày $\delta = 8\text{ mm}$, bôi trơn dầu AK-20 Đạt điều kiện ngâm dầu

2. Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Sử dụng cặp ổ đũa côn SKF (32006 X và 32008 X) lắp theo sơ đồ bố trí gối đỡ nhằm triệt tiêu hoàn toàn lực dọc trục phát sinh từ góc nghiêng mặt côn của bánh răng côn ($\delta_1 = 18,43^\circ, \delta_2 = 71,57^\circ$).
  • Bố trí ống lót gối đỡ bằng gang GX15-32 chiều dày $8,5\text{ mm}$ cho trục I để tạo thuận lợi trong việc lắp ráp, tháo dỡ và căn chỉnh vị trí ăn khớp của cặp bánh răng côn trong không gian vỏ hộp.
  • Lựa chọn dầu bôi trơn ô tô máy kéo AK-20 với chiều sâu ngâm dầu đáy bánh răng lớn từ $30\text{ mm}$ đến $40\text{ mm}$, kết hợp nút thông hơi M27x2 trên nắp cửa thăm để cân bằng áp suất bên trong hộp giảm tốc khi làm việc sinh nhiệt.

3. Đóng góp về mặt học thuật và đào tạo

Đồ án cung cấp một bộ hồ sơ tính toán hoàn chỉnh, logic và nhất quán từ lý thuyết đến thực hành thiết kế cơ khí cho hệ thống truyền động bánh răng côn 1 cấp, tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn tính toán thiết kế máy của Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

  • Tính toán thiết kế chỉ thực hiện cho trường hợp tải trọng tĩnh, làm việc một chiều với hệ số chế độ tải trọng ổn định; chưa xét đến các điều kiện tải trọng va đập, tải trọng dao động hoặc quá trình đảo chiều quay trong thực tế thùng trộn.
  • Bề mặt vỏ hộp và kết cấu các chi tiết phụ được xác định chủ yếu dựa trên công thức kinh nghiệm đúc gang xám GX15-32, chưa có tính toán mô phỏng trường nhiệt và biến dạng nhiệt của vỏ hộp khi vận hành liên tục.
  • Văn bản thuyết minh trích đoạn tập trung chủ yếu vào phần tính toán động lực học, bộ truyền, trục, ổ và vỏ hộp; các nội dung về bảng dung sai lắp ghép chi tiết và kết cấu cánh khuấy thùng trộn công tác mới chỉ dừng lại ở danh mục mục lục nhiệm vụ.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng tính toán độ bền mỏi và tuổi thọ cho hệ thống truyền động dưới các chế độ tải trọng biến đổi theo chu kỳ trộn thực tế của từng loại vật liệu (bê tông, hạt ngũ cốc, hóa chất lỏng).
  • Ứng dụng các công cụ mô phỏng số 3D (CAD/CAE/FEA) để phân tích phân bố ứng suất, độ võng trục và kiểm tra dao động riêng của hệ thống dẫn động.
  • Tính toán tối ưu hóa hình học cánh khuấy và kết cấu thùng trộn nhằm nâng cao hiệu suất hòa trộn và giảm tiêu hao năng lượng truyền dẫn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật thực tế cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử: Tham khảo trực tiếp phương pháp trình bày, trình tự các bước tính toán động học, thiết kế bộ truyền đai thang, bộ truyền bánh răng côn và thiết kế trục trong đồ án môn học "Chi tiết máy" hoặc "Hệ thống truyền động cơ khí".
  • Kỹ sư thiết kế cơ khí chế tạo: Sử dụng làm tài liệu tra cứu các công thức giải tích, phương pháp tính lực ăn khớp không gian của bánh răng côn răng thẳng, lựa chọn ổ đũa côn đỡ chặn và xác định kích thước vỏ hộp giảm tốc tiêu chuẩn đúc bằng gang xám.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Quy trình giải tích lực không gian 3 chiều và bài toán kiểm nghiệm độ bền mỏi của trục chịu đồng thời mômen uốn, mômen xoắn và lực dọc trục lớn, đi kèm phương pháp tra cứu lựa chọn ổ lăn SKF chính xác theo tải trọng động và tĩnh.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ điện được chọn cho hệ thống dẫn động thùng trộn là loại nào và có thông số kỹ thuật ra sao?

Tác giả đã lựa chọn động cơ điện không đồng bộ ba pha kiểu K160S4 với công suất định mức $P_{dc} = 7,5\text{ kW}$ và vận tốc quay đồng bộ $n_{dc} = 1450\text{ vòng/phút}$ (tra theo bảng phụ lục P1.1). Động cơ này đáp ứng điều kiện công suất cần thiết trên trục động cơ là $P_{ct} = 5,68\text{ kW}$.

2. Tỉ số truyền của toàn bộ hệ thống được phân phối cụ thể như thế nào giữa các bộ truyền?

Tỉ số truyền chung của hệ thống là $u = 6,97$. Tác giả phân phối cho bộ truyền đai thang ngoài tỉ số truyền $u_d = 2,32$ và hộp giảm tốc bánh răng côn 1 cấp tỉ số truyền $u_{br} = 3,00$. Tốc độ quay tương ứng giảm từ $1450\text{ v/ph}$ (động cơ) xuống $625\text{ v/ph}$ (trục I) và đạt $208,33\text{ v/ph}$ (trục II và trục III thùng trộn).

3. Cặp bánh răng côn răng thẳng trong hộp giảm tốc có những thông số hình học cơ bản nào?

Cặp bánh răng côn răng thẳng có tỉ số truyền $u = 3$, góc nghiêng răng $\beta = 0^\circ$, môđun vòng ngoài $m_{te} = 3\text{ mm}$, môđun trung bình $m_{tm} = 2,55\text{ mm}$, chiều dài côn ngoài $R_e = 147,05\text{ mm}$, bề rộng vành răng $b = 45\text{ mm}$. Số răng bánh dẫn $z_1 = 31$, số răng bánh bị dẫn $z_2 = 93$, đường kính chia ngoài lần lượt là $d_{e1} = 93\text{ mm}$ và $d_{e2} = 279\text{ mm}$, góc côn chia $\delta_1 = 18,43^\circ$ và $\delta_2 = 71,57^\circ$.

4. Loại ổ lăn nào được sử dụng trên trục I và trục II của hộp giảm tốc?

Do trục chịu lực dọc trục phát sinh từ cặp bánh răng côn ($F_{a1} = 243,77\text{ N}$ trên trục I và $F_{a2} = 731,53\text{ N}$ trên trục II), tác giả sử dụng toàn bộ ổ đũa côn SKF:

  • Trục I: Sử dụng 2 ổ đũa côn mã 32006 X (đường kính ngõng trục $d = 30\text{ mm}$, tải trọng động tính toán $C_d = 21,95\text{ kN} < 43,9\text{ kN}$).
  • Trục II: Sử dụng 2 ổ đũa côn mã 32008 X (đường kính ngõng trục $d = 40\text{ mm}$, tải trọng động tính toán $C_d = 11,29\text{ kN} < 64,4\text{ kN}$).

5. Hệ thống bôi trơn của hộp giảm tốc sử dụng loại dầu gì và mức dầu được kiểm soát như thế nào?

Hộp giảm tốc sử dụng phương pháp bôi trơn ngâm dầu cho bộ truyền bánh răng với vận tốc vòng $v = 3,04\text{ m/s}$, loại dầu được chọn là dầu ô tô máy kéo AK-20 (tra theo bảng 18.11). Mức dầu quy định ngập tối thiểu $2/3$ bề rộng bánh răng lớn và không vượt quá bề rộng bánh răng lớn tính từ đáy, tương ứng mức dầu cao là $40\text{ mm}$ và mức dầu thấp là $30\text{ mm}$. Việc kiểm tra và cân bằng áp suất được thực hiện qua que thăm dầu và nút thông hơi ren M27x2.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống dẫn động thùng trộn" của sinh viên Phạm Mạnh Huy đã hoàn thành trọn vẹn việc tính toán thiết kế kỹ thuật cho trạm dẫn động công suất $5\text{ kW}$ theo đúng các yêu cầu công nghệ đặt ra. Toàn bộ các cụm chi tiết máy gồm bộ truyền đai thang loại B (2 dây), hộp giảm tốc bánh răng côn răng thẳng 1 cấp ($u=3$), hệ thống trục thép 45, ổ đũa côn SKF và khớp nối trục đàn hồi đều được kiểm nghiệm thỏa mãn tuyệt đối các chỉ tiêu về độ bền tiếp xúc, độ bền uốn, độ bền mỏi và tuổi thọ làm việc $10.000\text{ giờ}$. Kết quả đồ án thể hiện tính chuẩn xác trong phương pháp tính toán cơ học truyền thống, cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật tin cậy phục vụ công tác gia công chế tạo và là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí.