Đồ Án Môn Học: Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Băng Tải

• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Băng Tải
• Loại tài liệu: Đồ Án Kỹ Thuật Cơ Kỹ Thuật

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỒ ÁN
• 1.1. Giới thiệu hệ thống dẫn động băng tải
• 2. CHƯƠNG 2: CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ PHÂN PHỐI TỶ SỐ TRUYỀN
• 2.1. Công suất cần thiết của động cơ
• 2.2. Các thông số kỹ thuật của hệ thống truyền động
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CÁC BỘ TRUYỀN XÍCH
• 3.1. Số liệu ban đầu
• 3.2. Chọn số răng đĩa xích
• 3.3. Xác định bước xích
• 3.4. Xác định khoảng cách trục và số mắt xích
• 3.5. Kiểm nghiệm bước xích
• 3.6. Kiểm nghiệm hệ số an toàn
• 3.7. Kiểm nghiệm áp lực trong bản lề xích
• 3.8. Kiểm tra độ bền tiếp xúc
• 3.9. Thông số bộ truyền xích
• 3.10. Xác định kích thước bộ truyền xích
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CÁC BÁNH RĂNG
• 4.1. Số liệu ban đầu
• 4.2. Chọn vật liệu và ứng suất cho phép
• 4.3. Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng trụ cấp nhanh

I. Tổng quan về đồ án thiết kế hệ thống dẫn động băng tải

Một đồ án kỹ thuật về thiết kế hệ thống dẫn động băng tải là một bài tập học thuật toàn diện, giúp sinh viên hệ thống hóa kiến thức từ nhiều môn học nền tảng như Chi tiết máy, Vẽ kỹ thuật, và Cơ học vật rắn. Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế một hệ thống cơ khí hoàn chỉnh, có khả năng biến chuyển động quay từ động cơ điện 3 pha thành chuyển động tịnh tiến của băng tải để vận chuyển vật liệu. Cấu trúc của một hệ thống điển hình bao gồm động cơ, khớp nối trục, hộp giảm tốc, bộ truyền động ngoài (như bộ truyền xích), và cụm băng tải. Quá trình thực hiện đòi hỏi sinh viên phải nắm vững từ lý thuyết tính toán hệ dẫn động cơ khí đến kỹ năng thực hành trên các phần mềm CAD như AutoCAD hoặc Solidworks. Tầm quan trọng của đồ án không chỉ nằm ở việc áp dụng kiến thức lý thuyết vào một bài toán thực tế mà còn ở việc rèn luyện tư duy thiết kế, khả năng tra cứu tài liệu, và kỹ năng trình bày một thuyết minh đồ án băng tải chuyên nghiệp. Đây là bước đệm quan trọng, chuẩn bị cho các công việc kỹ thuật sau khi tốt nghiệp, nơi các hệ thống băng tải được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp từ khai khoáng, chế biến thực phẩm đến logistics. Việc hoàn thành tốt đồ án này chứng tỏ năng lực phân tích, tính toán và giải quyết vấn đề kỹ thuật một cách có hệ thống và khoa học, đồng thời chú trọng đến các yếu tố về an toàn lao động trong vận hành.

1.1. Phân tích cấu tạo hệ thống băng tải và nguyên lý vận hành

Một hệ thống dẫn động băng tải tiêu chuẩn có cấu tạo hệ thống băng tải gồm năm thành phần chính. Nguồn động lực là động cơ điện 3 pha không đồng bộ (1), cung cấp công suất cho toàn hệ thống. Động năng được truyền qua khớp nối trục đàn hồi (2) đến trục vào của hộp giảm tốc (3). Khớp nối có vai trò giảm chấn và bù sai lệch tâm giữa các trục. Hộp giảm tốc, thường là loại bánh răng trụ hai cấp, có nhiệm vụ thay đổi mô men xoắn và giảm tốc độ quay để đạt vận tốc phù hợp. Năng lượng tiếp tục được truyền ra ngoài qua bộ truyền xích ống con lăn (4), làm quay tang chủ động. Cuối cùng, chuyển động quay của tang được biến thành chuyển động tịnh tiến của băng tải (5), thực hiện nhiệm vụ vận chuyển vật liệu. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự truyền và biến đổi năng lượng cơ học một cách tuần tự, đảm bảo băng tải di chuyển với vận tốc và lực kéo theo yêu cầu thiết kế.

1.2. Tầm quan trọng của đồ án chi tiết máy trong ngành cơ khí

Đồ án môn học, đặc biệt là đồ án chi tiết máy, đóng vai trò nền tảng trong chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí. Nó không chỉ là một bài kiểm tra kiến thức mà còn là một dự án mô phỏng quy trình thiết kế kỹ thuật thực tế. Thông qua việc thực hiện đồ án, sinh viên phải kết hợp kiến thức từ các môn như Vẽ kỹ thuật để tạo ra bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết, Sức bền vật liệu để chọn vật liệu chế tạo và kiểm nghiệm bền cho các chi tiết như trục, bánh răng. Quá trình này giúp sinh viên hiểu sâu sắc về mối liên hệ giữa lý thuyết và thực tiễn, từ việc tính toán công suất động cơ đến việc lựa chọn ổ lăn và các chi tiết tiêu chuẩn. Đây là cơ hội để sinh viên làm quen với việc tra cứu tiêu chuẩn, sổ tay kỹ thuật và áp dụng các quy trình tính toán phức tạp, qua đó nâng cao năng lực giải quyết vấn đề một cách toàn diện.

II. Cách xác định thông số đầu vào cho đồ án dẫn động băng tải

Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong mọi đồ án kỹ thuật là xác định chính xác các thông số đầu vào. Đối với thiết kế hệ thống dẫn động băng tải, các dữ liệu ban đầu thường bao gồm lực vòng trên băng tải (F) và vận tốc băng tải (v). Ví dụ, một đề tài có thể yêu cầu F = 8000 N và v = 0.9 m/s. Từ các thông số này, nhiệm vụ của người thiết kế là tiến hành tính toán hệ dẫn động cơ khí một cách chi tiết. Đầu tiên, cần tính toán công suất làm việc trên trục công tác (trục tang) và sau đó xác định công suất cần thiết trên trục động cơ bằng cách tính toán hiệu suất toàn hệ thống. Hiệu suất này là tích của hiệu suất các bộ phận riêng lẻ như bộ truyền xích, hộp giảm tốc, các cặp ổ lăn và khớp nối trục. Tiếp theo, cần xác định số vòng quay sơ bộ của động cơ dựa trên số vòng quay của trục công tác và tỷ số truyền chung của hệ thống. Dựa trên công suất cần thiết và số vòng quay sơ bộ, người thiết kế sẽ lựa chọn một động cơ điện 3 pha phù hợp từ catalog tiêu chuẩn. Việc lựa chọn chính xác các thông số ban đầu và tính toán sơ bộ này sẽ quyết định tính khả thi và hiệu quả của toàn bộ thiết kế, tạo tiền đề cho các bước thiết kế chi tiết các bộ truyền và chi tiết máy sau này.

2.1. Phương pháp tính toán công suất động cơ và hiệu suất hệ thống

Công suất trên trục công tác (P_ct) được xác định bằng công thức P_ct = (F * v) / 1000 (kW). Để tìm công suất cần thiết của động cơ (P_dct), phải tính đến hiệu suất toàn hệ thống (η). Hiệu suất này được tính bằng tích hiệu suất của các thành phần: η = η_khớp_nối * η_ổ_lăn^n * η_bánh_răng^m * η_xích. Các giá trị hiệu suất này được tra từ tài liệu kỹ thuật, ví dụ η_xích ≈ 0.93, η_bánh_răng_trụ ≈ 0.97, η_ổ_lăn ≈ 0.99. Sau khi có hiệu suất tổng, công suất động cơ được tính bằng: P_dct = P_ct / η. Quá trình tính toán công suất động cơ này đòi hỏi sự chính xác cao để đảm bảo động cơ được chọn không bị quá tải nhưng cũng không quá dư thừa gây lãng phí. Theo tài liệu gốc của SVTH Ngô Chí Dũng, với các thông số ban đầu, công suất cần thiết tính được là 9.026 kW.

2.2. Kỹ thuật phân phối tỷ số truyền cho toàn hệ thống dẫn động

Sau khi chọn được động cơ với số vòng quay đồng bộ (n_đb), bước tiếp theo là phân phối tỷ số truyền (U) cho toàn hệ thống. Tỷ số truyền chung được tính bằng U_chung = n_đb / n_ct, trong đó n_ct là số vòng quay trên trục công tác. Tỷ số truyền chung này sau đó được phân chia cho các bộ phận trung gian, bao gồm hộp giảm tốc (U_hgt) và bộ truyền xích ngoài (U_xích), sao cho U_chung = U_hgt * U_xích. Tỷ số truyền của bộ truyền xích thường được chọn sơ bộ trong khoảng 2 đến 5. Đối với hộp giảm tốc hai cấp, tỷ số truyền của hộp (U_hgt) lại được phân phối tiếp cho cấp nhanh (U_nhanh) và cấp chậm (U_chậm). Việc phân phối hợp lý đảm bảo kích thước các bộ truyền cân đối, tối ưu hóa kết cấu và hiệu quả làm việc. Đây là một bước quan trọng trong việc xây dựng sơ đồ động học cho hệ thống.

III. Hướng dẫn thiết kế các bộ truyền trong hệ dẫn động băng tải

Sau khi hoàn thành phân tích động học, giai đoạn tiếp theo là thiết kế chi tiết các bộ truyền, một phần cốt lõi trong thuyết minh đồ án băng tải. Quá trình này bắt đầu với việc thiết kế bộ truyền ngoài, thường là bộ truyền xích ống con lăn. Các bước tính toán bao gồm chọn số răng đĩa xích, xác định bước xích dựa trên công suất tính toán, và kiểm nghiệm độ bền của xích theo các điều kiện an toàn, áp suất bản lề và độ bền tiếp xúc. Tiếp theo là phần phức tạp nhất: thiết kế hộp giảm tốc. Đối với hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp, cần phải tính toán chi tiết cho cả hai cặp bánh răng cấp nhanh và cấp chậm. Quy trình bao gồm việc chọn vật liệu chế tạo (ví dụ thép 40Cr), xác định ứng suất cho phép, tính toán sơ bộ khoảng cách trục, và từ đó xác định các thông số hình học của bánh răng như mô-đun và số răng. Tất cả các thông số sau đó phải được kiểm nghiệm lại về độ bền tiếp xúc và độ bền uốn để đảm bảo khả năng làm việc lâu dài và an toàn. Các tính toán này đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác và khả năng tra cứu các bảng biểu, công thức tiêu chuẩn trong các tài liệu chuyên ngành về đồ án chi tiết máy.

3.1. Quy trình tính toán và thiết kế bộ truyền xích ống con lăn

Thiết kế bộ truyền xích bắt đầu bằng việc chọn số răng đĩa xích dẫn (z1), thường là một số lẻ để xích mòn đều. Từ tỷ số truyền đã phân phối, tính số răng đĩa bị dẫn (z2). Bước xích (p) được chọn dựa trên công suất tính toán (P_t), có xét đến các hệ số điều kiện làm việc. Sau đó, xác định khoảng cách trục (a) và số mắt xích (X). Cuối cùng, thực hiện các bước kiểm nghiệm quan trọng: kiểm nghiệm hệ số an toàn về tải trọng phá hủy, kiểm nghiệm áp suất trong bản lề và kiểm tra độ bền tiếp xúc bề mặt con lăn và răng đĩa. Các thông số hình học của đĩa xích như đường kính vòng chia, vòng đỉnh và vòng đáy cũng được xác định để phục vụ cho việc tạo bản vẽ chi tiết.

3.2. Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng trụ trong hộp giảm tốc

Thiết kế bánh răng trong hộp giảm tốc là một công việc phức tạp. Đầu tiên, chọn vật liệu chế tạo và phương pháp nhiệt luyện để xác định ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép. Dựa trên mô men xoắn và tỷ số truyền của từng cấp, tiến hành tính toán sơ bộ khoảng cách trục (a_w). Từ đó, xác định mô-đun (m) và số răng (z) cho cặp bánh răng. Một khi các thông số hình học cơ bản đã được xác định, cần phải kiểm nghiệm lại độ bền. Ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn thực tế trên răng được tính toán và so sánh với giá trị cho phép. Quá trình này đảm bảo bánh răng không bị tróc rỗ bề mặt hoặc gãy vỡ trong quá trình làm việc, đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy cho toàn bộ hộp giảm tốc.

IV. Bí quyết thiết kế trục chọn ổ lăn và các chi tiết máy khác

Hoàn thiện thiết kế hệ thống dẫn động băng tải không chỉ dừng lại ở các bộ truyền mà còn bao gồm việc thiết kế các chi tiết máy quan trọng khác như trục và ổ lăn. Thiết kế trục là một bài toán tổng hợp, đòi hỏi phải xác định chính xác các lực tác dụng lên trục từ các bộ truyền bánh răng và xích. Dựa trên sơ đồ lực, người thiết kế sẽ vẽ biểu đồ mô men uốn và mô men xoắn dọc theo trục. Từ đó, đường kính tại các tiết diện nguy hiểm được tính toán sơ bộ. Sau khi định hình kết cấu trục, bước quan trọng nhất là kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi. Hệ số an toàn tại các vị trí lắp bánh răng, ổ lăn phải lớn hơn giá trị cho phép để đảm bảo trục không bị phá hủy sau một thời gian làm việc. Song song với thiết kế trục là việc lựa chọn ổ lăn (bạc đạn). Ổ lăn được chọn dựa trên đường kính trong (lắp với ngõng trục), tải trọng hướng tâm và tải trọng dọc trục. Khả năng tải động của ổ phải được kiểm tra để đảm bảo tuổi thọ làm việc yêu cầu. Các chi tiết phụ khác như then, khớp nối trục, vỏ hộp, và các chi tiết lắp ghép cũng cần được lựa chọn và thiết kế theo tiêu chuẩn, góp phần tạo nên một bản vẽ lắp hoàn chỉnh và chính xác.

4.1. Phương pháp thiết kế và kiểm nghiệm bền mỏi cho trục truyền

Quá trình thiết kế trục bắt đầu bằng việc tính toán sơ bộ đường kính dựa trên mô men xoắn truyền qua. Sau khi xác định các lực tác dụng từ bánh răng và đĩa xích, các phản lực tại gối đỡ (ổ lăn) được tính toán. Biểu đồ mô men uốn và mô men xoắn tổng hợp được xây dựng. Đường kính tại các tiết diện được tính toán lại dựa trên mô men tương đương. Bước quyết định là kiểm nghiệm bền mỏi. Tại các tiết diện có sự thay đổi đường kính hoặc có rãnh then, hệ số an toàn được tính toán theo công thức tổng hợp, có xét đến các yếu tố như hệ số tập trung ứng suất, kích thước và chất lượng bề mặt. Việc kiểm nghiệm này đảm bảo trục hoạt động ổn định dưới tải trọng dao động.

4.2. Hướng dẫn chọn ổ lăn then và các chi tiết ghép nối tiêu chuẩn

Việc lựa chọn ổ lăn phụ thuộc vào tải trọng và số vòng quay. Dựa vào lực hướng tâm và dọc trục đã tính ở phần thiết kế trục, tải trọng động quy ước (Q) được xác định. Tuổi thọ làm việc yêu cầu (Lh, tính bằng giờ) được chuyển đổi thành số triệu vòng quay (L). Khả năng tải động tính toán (C_tính) được so sánh với khả năng tải động của ổ lăn trong catalog (C_catalog). Điều kiện là C_catalog ≥ C_tính. Đối với then, việc lựa chọn dựa trên đường kính trục và mô men xoắn. Kích thước then (b, h) được chọn theo tiêu chuẩn. Sau đó, then được kiểm nghiệm bền dập và bền cắt để đảm bảo không bị biến dạng hoặc phá hủy khi truyền tải.

V. Hoàn thiện đồ án Bản vẽ kỹ thuật và quy trình bảo trì

Giai đoạn cuối cùng của đồ án thiết kế hệ thống dẫn động băng tải là chuyển hóa các kết quả tính toán thành các sản phẩm kỹ thuật cụ thể, bao gồm bộ bản vẽ kỹ thuật và tài liệu thuyết minh đồ án băng tải. Việc xây dựng bản vẽ được thực hiện trên các phần mềm CAD chuyên dụng như AutoCAD hoặc Solidworks. Bộ bản vẽ phải bao gồm bản vẽ lắp chung của toàn bộ hệ thống, bản vẽ lắp hộp giảm tốc, và các bản vẽ chi tiết của những bộ phận quan trọng cần gia công như trục, bánh răng. Các bản vẽ này phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn về trình bày, kích thước, dung sai và yêu cầu kỹ thuật. Bên cạnh đó, nội dung thuyết minh cần trình bày đầy đủ các quy trình bôi trơn, quy cách lắp ghép, và đặc biệt là các biện pháp an toàn lao động trong vận hành. Một phần không thể thiếu là hướng dẫn bảo trì băng tải và hệ thống dẫn động, bao gồm các công việc kiểm tra định kỳ dầu bôi trơn, độ căng của bộ truyền xích, và tình trạng hoạt động của ổ lăn. Hoàn thành tốt giai đoạn này không chỉ thể hiện khả năng tính toán mà còn cả kỹ năng trình bày kỹ thuật và tư duy về vòng đời sản phẩm một cách chuyên nghiệp.

5.1. Kỹ thuật xây dựng bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết bằng CAD

Việc sử dụng phần mềm CAD như AutoCAD là kỹ năng bắt buộc. Bản vẽ lắp phải thể hiện được vị trí tương quan của tất cả các chi tiết, từ động cơ điện 3 pha, khớp nối trục, hộp giảm tốc đến cụm băng tải. Nó phải có bảng kê chi tiết, chỉ rõ tên gọi, số lượng và vật liệu chế tạo của từng bộ phận. Bản vẽ chi tiết dành cho các chi tiết gia công như trục và bánh răng, phải thể hiện đầy đủ các kích thước, dung sai hình học, độ nhám bề mặt và các yêu cầu kỹ thuật khác. Sự chính xác của các bản vẽ này quyết định trực tiếp đến khả năng lắp ráp và hoạt động chính xác của hệ thống trong thực tế.

5.2. Tầm quan trọng của bôi trơn bảo trì và an toàn lao động

Một thiết kế tốt phải đi kèm với một kế hoạch vận hành hiệu quả. Việc lựa chọn phương pháp bôi trơn (ngâm dầu, phun dầu) cho hộp giảm tốc và bộ truyền xích là tối quan trọng để giảm mài mòn và tăng tuổi thọ. Lịch trình bảo trì băng tải định kỳ, bao gồm kiểm tra mức dầu, độ chùng xích, và tình trạng của các con lăn đỡ băng, giúp ngăn ngừa sự cố và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Cuối cùng, các quy định về an toàn lao động trong vận hành như che chắn các bộ phận chuyển động, quy trình khởi động và dừng máy an toàn phải được nêu rõ trong tài liệu thuyết minh. Đây là những yếu tố thể hiện trách nhiệm và sự chuyên nghiệp của người kỹ sư thiết kế.