Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hoạt động sản xuất công nghiệp, khâu đóng gói và hoàn thiện sản phẩm đóng vai trò quan trọng nhằm bảo vệ hàng hóa trong quá trình lưu kho và vận chuyển. Thùng carton là dạng bao bì phổ biến nhất hiện nay nhờ giá thành hợp lý và tính tiện dụng. Tuy nhiên, tại nhiều cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ, công đoạn gấp dán băng keo miệng thùng chủ yếu vẫn được thực hiện thủ công hoặc dùng thiết bị cầm tay, dẫn đến năng suất lao động thấp, đường dán không đồng đều và tốn nhiều nhân công. Để giải quyết vấn đề này, đề tài "Tính toán, thiết kế và chế tạo máy dán thùng carton" được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tính toán động học, động lực học và chế tạo mô hình thực nghiệm máy dán keo tự động hai mặt.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:

  1. Khảo sát, phân tích các dòng máy dán thùng carton thương mại trên thị trường và đặc tính kết cấu của thùng carton thông dụng.
  2. Phân tích, so sánh các phương án thiết kế kết cấu để lựa chọn giải pháp tối ưu cho mô hình.
  3. Tính toán động học, động lực học, chọn công suất động cơ và thiết kế các bộ truyền động cơ khí (bộ truyền đai, bộ truyền xích, hệ thống băng tải đáy).
  4. Tính toán động học và kết cấu của cơ cấu dán băng keo (cụm dán mặt trên và cụm dán mặt dưới) đảm bảo tự động dán và cắt băng keo khi thùng đi qua.
  5. Thiết kế hệ thống điều khiển điện và chế tạo mô hình thực nghiệm máy dán thùng carton.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống dẫn động băng tải và cơ cấu cơ khí dán băng keo tự động cho bao bì thùng giấy carton.
  • Phạm vi kỹ thuật: Hệ thống được thiết kế để xử lý các loại thùng carton có kích thước chiều dài từ 200 mm trở lên, chiều rộng từ 200 mm đến 500 mm, chiều cao từ 200 mm đến 500 mm, tải trọng thùng từ 1 kg đến 30 kg, với năng suất định mức 1500 thùng/giờ và dán đồng thời hai mặt trên - dưới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu sử dụng các cơ sở lý thuyết kỹ thuật cơ khí kinh điển và tài liệu chuyên ngành chuẩn mực để tính toán thiết kế máy:

  • Cơ sở tính toán máy vận chuyển liên tục: Sử dụng phương pháp tính toán lực cản chuyển động của băng tải cao su, xác định lực căng băng tại các điểm đặc trưng theo phương pháp Euler ($S_{vào} = S_{ra} \cdot e^{f\alpha}$), kiểm tra độ võng và độ bền lớp vải đệm bạt mác B-820.
  • Cơ sở tính toán hệ dẫn động cơ khí: Ứng dụng giáo trình thiết kế chi tiết máy và hệ dẫn động cơ khí để phân phối tỷ số truyền, tính toán bộ truyền đai thang loại O, tính toán trục theo độ bền uốn - xoắn kết hợp, kiểm nghiệm độ bền mỏi theo hệ số an toàn $s$, tính kiểm nghiệm then theo ứng suất dập $[\sigma_d]$ và ứng suất cắt $[\tau_c]$, tính chọn ổ bi đỡ một dãy cỡ 105.
  • Cơ sở động học cơ cấu phẳng: Áp dụng phương pháp phân tích vị trí và góc quay của cơ cấu thanh - đòn bẩy kết hợp lò xo hoàn lực trong cụm dán keo nhằm xác định hành trình nâng con lăn, độ giãn lò xo và vị trí nhả dao cắt.
  • Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp phương pháp giải tích (tính toán lý thuyết các thông số động lực học và độ bền), phương pháp so sánh lựa chọn phương án kỹ thuật và phương pháp thực nghiệm (chế tạo mô hình thực tế, lắp ráp và chạy thử nghiệm chức năng).
  • Nguồn dữ liệu tham khảo: Dữ liệu tra cứu từ giáo trình "Tính toán hệ dẫn động cơ khí" (Trịnh Chất - Lê Văn Uyển), "Máy vận chuyển liên tục" và thông số kỹ thuật thực tế của các dòng máy thương mại từ Chali, Wellpack, Mikyo và Siat Group.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy dán thùng carton được thiết kế dưới dạng dây chuyền cơ khí tích hợp, bao gồm các cụm kết cấu chính:

Cụm chức năng Đặc tính kết cấu và thông số kỹ thuật chính
Khung máy và dẫn hướng Kết cấu thép định hình hàn, có trang bị hai thanh dẫn hướng điều chỉnh cữ theo chiều rộng thùng và trục vít me điều chỉnh độ cao cụm dán trên.
Hệ thống dẫn động Động cơ điện xoay chiều 3 pha kiểu 4A50A4Y3 ($N = 0{,}06\text{ kW}$, $n = 1378\text{ vg/ph}$), hộp giảm tốc hai cấp, bộ truyền đai thang loại O ($d_1 = 70\text{ mm}, d_2 = 200\text{ mm}$, khoảng cách trục $a = 228{,}8\text{ mm}, z = 1\text{ đai}$).
Hệ thống băng tải kéo Gồm 2 nhánh băng tải cao su bố vải bạt B-820 đặt song song ($B = 100\text{ mm}$, chiều dài tang $120\text{ mm}, D_{tg} = 125\text{ mm}$), vận tốc di chuyển $v = 0{,}17\text{ m/s}$, khoảng cách giữa các con lăn đỡ nhánh tải $l_{ct} = 94\text{ mm}$.
Cụm cơ cấu dán keo 02 cụm (trên và dưới), sử dụng cơ cấu tay đòn liên động kết hợp lò xo kéo hoàn lực, con lăn ép cao su ($D_{cl} = 38\text{ mm}, l_{cl} = 56\text{ mm}$), dao cắt răng cưa tự động nhả cắt khi mép sau của thùng vượt qua cữ gạt.
Hệ thống điện điều khiển Mạch điều khiển động lực và bảo vệ động cơ sử dụng nút nhấn Start/Stop, rơle nhiệt chống quá tải, công tắc hành trình và aptomat nguồn 220V/380V.

Quá trình triển khai chế tạo mô hình thực tế được hoàn thiện tại xưởng cơ khí, gia công các chi tiết trục tang, con lăn, cụm đỡ dao cắt, tiện ren trục vít điều chỉnh chiều cao và lắp ráp hoàn chỉnh thành máy thử nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan máy dán keo thùng carton

Chương này khảo sát thực trạng công nghệ đóng thùng carton, phân tích đặc điểm các loại vật liệu carton lượn sóng (sóng A: cao 4.7 mm chịu lực phân tán; sóng B: cao 2.5 mm chịu lực xuyên thủng; sóng C: cao 3.6 mm; sóng E: cao 1.5 mm; sóng kết hợp BC, AC). Đồng thời, tác giả khảo sát và lập bảng so sánh thông số kỹ thuật của 4 dòng máy dán thùng thương mại tiêu biểu:

Thông số kỹ thuật MODEL CXF-2 (Chali) WP-5050TB (Wellpack) MK-AS523S (Mikyo) MODEL S26 (Siat)
Xuất xứ Đài Loan Đài Loan Nhật Bản Ý
Nguồn điện 220V 220V 110/220-240V 220V
Công suất / Động cơ 2 motor 15 thùng/phút 0.18 kVA 0.13 HP
Tốc độ băng tải 20 m/phút 10 m/phút 20 m/phút 20 m/phút
Kích thước thùng lớn nhất D(...) x R500 mm L(100-500) mm W500 x H580 mm 650 x 700 mm
Kích thước thùng nhỏ nhất D120 mm L100 mm W100 x H100 mm 170 x 130 x 200 mm
Bề rộng băng dán 48, 60, 75 mm 48, 60 mm 36, 48, 50, 60 mm Tiêu chuẩn
Khối lượng máy 165 kg 100 kg 160 kg Không nêu

Chương 2: Phân tích và chọn phương án thiết kế

Tác giả đề xuất và đánh giá 4 phương án bố trí hệ thống truyền động và cơ cấu dán:

  • Phương án 1: Hệ thống dẫn động bằng 2 băng tải đáy đặt song song; cụm dán trên điều chỉnh chiều cao bằng vít me; hai bên thành thùng định vị bằng thanh dẫn hướng.
  • Phương án 2: Tương tự phương án 1 nhưng bổ sung thêm cụm băng tải ép mặt trên để tăng độ miết phẳng.
  • Phương án 3: Dẫn động kéo thùng bằng hai cụm băng tải ép ở hai bên hông thùng.
  • Phương án 4: Kết hợp dẫn động băng tải hai bên hông và băng tải ép phía trên.

Tác giả quyết định lựa chọn Phương án 1 để thiết kế và chế tạo mô hình vì ưu điểm kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, dễ gia công chế tạo, chi phí thấp nhưng vẫn thể hiện đầy đủ nguyên lý làm việc của máy dán tự động hai mặt.

Chương 3: Chọn động cơ

Chương này thực hiện chuỗi tính toán động học và động lực học băng tải:

  • Thời gian vận chuyển 1 thùng: $t = \frac{3600}{1500} = 2{,}4\text{ s}$.
  • Với khoảng cách giữa hai thùng $a = 400\text{ mm}$, vận tốc băng tải được tính ra: $v = 0{,}17\text{ m/s}$.
  • Năng suất khối lượng cực đại: $Q = \frac{30 \times 1500}{1000} = 22{,}5\text{ tấn/giờ}$.
  • Tải trọng thùng trên 1 mét băng: $q_{vl} = 37{,}5\text{ kg/m}$; khối lượng 1 mét băng vải cao su ($B = 100\text{ mm}, i = 3\text{ lớp}$): $q_b = 0{,}605\text{ kg/m}$.
  • Tính toán lực căng băng tại các điểm qua 4 đoạn chu tuyến: $S_1 = 2{,}9\text{ kg}$, $S_2 = 3{,}117\text{ kg}$, $S_3 = 3{,}335\text{ kg}$, $S_4 = 10{,}185\text{ kg}$.
  • Lực kéo tiếp tuyến trên tang dẫn động: $W_T = 7{,}685\text{ kg} = 76{,}85\text{ N}$.
  • Đường kính tang dẫn $D_{tg} = 125\text{ mm}$, số vòng quay trục tang $n_{tg} = 26{,}5\text{ vg/ph}$.
  • Công suất yêu cầu trên trục động cơ: $N = 0{,}03\text{ kW}$.
  • Động cơ được chọn: Động cơ 3 pha kiểu 4A50A4Y3, công suất định mức $0{,}06\text{ kW}$, tốc độ quay $n_{đc} = 1378\text{ vg/ph}$, $\cos\varphi = 0{,}6$.

Chương 4: Tính toán bộ truyền đai

  • Tỷ số truyền chung của hệ dẫn động: $u_t = \frac{1378}{26{,}5} = 52$.
  • Phân phối tỷ số truyền: chọn tỷ số truyền bộ truyền đai $u_đ = 3$.
  • Thiết kế bộ truyền đai thang loại O:
    • Đường kính bánh đai nhỏ: $d_1 = 70\text{ mm}$.
    • Đường kính bánh đai lớn: chọn theo tiêu chuẩn $d_2 = 200\text{ mm}$.
    • Chiều dài đai tiêu chuẩn: $l = 900\text{ mm}$, tính lại khoảng cách trục $a = 228{,}8\text{ mm}$.
    • Góc ôm trên bánh nhỏ: $\alpha_1 = 147{,}6^\circ$.
    • Số đai tính toán $z = 0{,}24 \rightarrow$ lấy $z = 1\text{ đai}$.
    • Lực tác dụng lên trục: $F_r = 1222\text{ N}$.

Chương 5: Tính toán thiết kế băng tải

Chương 5 tập trung tính toán độ bền chi tiết trục tang dẫn động, kiểm nghiệm mỏi, kiểm nghiệm then và chọn ổ lăn:

  • Vật liệu chế tạo: Trục tang chủ động dùng thép 45 ($\sigma_b = 600\text{ MPa}$, ứng suất cho phép $[\sigma] = 63\text{ MPa}$). Trục tang bị động dùng thép 45XH.
  • Mômen xoắn trên trục chủ động: $T = 10811\text{ Nmm}$.
  • Xác định đường kính trục tại các tiết diện nguy hiểm: chọn $d_A = 20\text{ mm}, d_B = 20\text{ mm}, d_C = 30\text{ mm}, d_D = 20\text{ mm}, d_E = 20\text{ mm}$.
  • Kiểm nghiệm độ bền mỏi trục tang chủ động: Hệ số an toàn mỏi cho phép $[s] = 2$. Kết quả tính toán hệ số an toàn thực tế:
Tiết diện trục Đường kính $d$ (mm) Mômen cản uốn $W$ ($\text{mm}^3$) Mômen cản xoắn $W_0$ ($\text{mm}^3$) Hệ số an toàn $s$ Đánh giá
A 20 776,7 1562,1 24,5 Đạt bền mỏi
B 20 1533,98 3067,96 10,4 Đạt bền mỏi
C 30 2636,9 5287,6 12,2 Đạt bền mỏi
D 20 1533,98 3067,96 10,4 Đạt bền mỏi
E 20 776,7 1562,1 24,5 Đạt bền mỏi
  • Kiểm nghiệm mối ghép then: Then bằng trên trục ($b \times h = 6 \times 6\text{ mm}$ và $8 \times 7\text{ mm}$) đạt độ bền dập ($\sigma_d = 6 \div 16\text{ MPa} \le [\sigma_d] = 150\text{ MPa}$) và độ bền cắt ($\tau_c = 2{,}22 \div 6{,}7\text{ MPa} \le [\tau_c] = 60\text{ MPa}$).
  • Chọn ổ lăn: Chọn ổ bi đỡ một dãy cỡ đặc biệt nhẹ mã hiệu 105 ($d = 20\text{ mm}, D = 47\text{ mm}, C = 7{,}9\text{ kN}, C_0 = 5{,}04\text{ kN}$).
  • Con lăn đỡ: Đường kính con lăn $d_{cl} = 49\text{ mm}$, trục con lăn $d_{tcl} = 12\text{ mm}$, bước đặt con lăn $l_{ct} = 94\text{ mm}$.

Chương 6: Tính toán hệ thống dán keo

Chương này giải quyết bài toán hình học và động học của các khâu trong cụm dán keo:

  • Thông số cuộn băng keo: chiều dài $1500\text{ m}$, khối lượng $8{,}6\text{ kg}$, bề rộng băng $48\text{ mm}$. Con lăn dán có $D_{cl} = 38\text{ mm}$, chiều dài $l_{cl} = 56\text{ mm}$.
  • Yêu cầu chiều dài mép dán gập ở hai đầu thùng: $70\text{ mm}$.
  • Khi thùng đẩy vào con lăn dán đầu tiên, khâu nâng quay một góc $54{,}1^\circ$, góc kiểm tra quay về đạt $88{,}5^\circ < 90^\circ$ (thỏa mãn điều kiện tự hồi vị).
  • Khâu truyền động liên động làm con lăn sau quay góc $64{,}6^\circ$, thanh truyền nâng lên $7{,}3\text{ mm}$, làm lò xo kéo giãn một đoạn cực đại $\Delta l_{max} = 16{,}4 + 27{,}9 = 44{,}3\text{ mm}$.
  • Khâu mang dao cắt xoay góc $\beta = 20^\circ$, được giữ bởi cữ gạt và tự động hạ dao cắt đứt băng dính khi thùng vừa di chuyển qua cữ cách mép thùng đúng khoảng cách $70\text{ mm}$.

Chương 7: Thiết kế mạch điện điều khiển

Chương này xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển động cơ dẫn động băng tải, tích hợp các phần tử đóng cắt, nút nhấn dừng khẩn cấp và bảo vệ quá nhiệt động cơ.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Hoàn thành đầy đủ các bước tính toán thiết kế máy công cụ - bao bì theo phương pháp luận cơ khí chế tạo máy, từ khâu xác định tải trọng, chọn động cơ, tính toán truyền động đai, thiết kế trục, ổ bi, then đến tính toán động học các khâu đòn bẩy cụm dán keo.
  • Xác lập được bộ thông số kết cấu chuẩn cho máy dán thùng carton năng suất 1500 thùng/giờ với vận tốc băng chuyền $0{,}17\text{ m/s}$, động cơ $0{,}06\text{ kW}$, đai thang bản O ($l = 900\text{ mm}$), trục tang thép 45 đạt hệ số an toàn mỏi cao ($s \ge 10{,}4$).
  • Tính toán chính xác thông số hình học của cụm dán keo tự động, đảm bảo mép dán gập chuẩn $70\text{ mm}$ ở hai đầu thùng và độ giãn lò xo $\Delta l_{max} = 44{,}3\text{ mm}$.
  • Chế tạo thành công mô hình vật lý thực tế của máy dán thùng carton, đóng góp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh gồm tập bản vẽ chi tiết gia công và bản vẽ lắp máy phục vụ nghiên cứu, học tập tại bộ môn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung thực hiện được trình bày trong văn bản:

  • Hạn chế: Mô hình lựa chọn Phương án 1 (chỉ có băng tải đáy, không có cụm băng tải ép mặt trên) nên đối với các thùng carton có khối lượng quá nhẹ hoặc bề rộng quá nhỏ, lực ép miết mặt trên chưa thực sự chặt, có thể tạo bọt khí trên đường băng dán; việc thay đổi chiều rộng thùng và chiều cao cụm dán trên vẫn phải thao tác thủ công bằng cữ dẫn hướng và vít me.
  • Hướng phát triển: Nghiên cứu nâng cấp bổ sung cụm băng tải dẫn động ép mặt trên (như Phương án 2) để tăng độ phẳng mịn của đường keo; tích hợp cảm biến kích thước và cơ cấu chấp hành khí nén/servo để tự động điều chỉnh khoảng cách dẫn hướng và chiều cao cụm dán theo kích cỡ thùng tự động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử trong quá trình thực hiện Đồ án Chi tiết máy, Đồ án Thiết kế máy và Đồ án Tốt nghiệp kỹ sư.
  • Người làm đề tài nghiên cứu liên quan đến máy đóng gói, máy dán băng dính tự động, hệ thống băng tải công nghiệp nhẹ.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo cao gồm: quy trình tính toán lực căng băng tải chi tiết theo từng đoạn chu tuyến (Chương 3), phương pháp kiểm nghiệm mỏi trục theo tiêu chuẩn cơ khí (Chương 5), và phương pháp giải tích hình học - động học cơ cấu đòn bẩy cụm dán keo tự động (Chương 6).

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ dẫn động của máy được chọn theo những căn cứ nào và có thông số ra sao?
Động cơ được chọn dựa trên tính toán tổng lực cản và lực kéo tiếp tuyến trên tang dẫn động ($W_T = 7{,}685\text{ kg}$), vận tốc băng tải ($v = 0{,}17\text{ m/s}$), công suất yêu cầu trên trục tang ($N = 0{,}03\text{ kW}$). Tác giả đã chọn động cơ 3 pha kiểu 4A50A4Y3 có công suất định mức $0{,}06\text{ kW}$, tốc độ quay đồng bộ $1500\text{ vg/ph}$, tốc độ định mức $1378\text{ vg/ph}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0{,}6$.

2. Tại sao tác giả chọn Phương án 1 thay vì các phương án có băng tải hông hoặc băng tải ép trên?
Phương án 1 (dẫn động bằng 2 băng tải đáy song song, dẫn hướng bằng thanh định vị hai bên, chỉnh cao bằng trục vít) được chọn vì có kết cấu cơ khí đơn giản, chi phí chế tạo thấp, dễ gia công lắp ráp và thể hiện rõ ràng các nguyên lý làm việc cốt lõi của máy dán thùng carton, phù hợp với điều kiện chế tạo mô hình thí nghiệm trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp.

3. Cơ cấu cắt băng keo hoạt động theo nguyên lý nào để đảm bảo mép dán đúng 70 mm?
Cơ cấu dán sử dụng khâu đòn bẩy mang dao cắt răng cưa và lò xo kéo. Khi thùng carton đi qua, thân thùng nâng khâu gạt lên một góc $\beta = 20^\circ$. Khi mép sau của thùng vừa vượt qua điểm tỳ cữ, lò xo kéo lập tức kéo khâu dao rơi trở lại vị trí ban đầu và cắt đứt băng keo. Điểm đặt dao cách cữ nhả một đoạn $lN_1P' = 70\text{ mm}$ giúp tạo ra phần mép dán gập chuẩn xác $70\text{ mm}$ ở đuôi thùng.

4. Kết quả kiểm nghiệm độ bền mỏi của trục tang chủ động đạt hệ số an toàn bao nhiêu?
Trục tang chủ động chế tạo từ thép 45 ($\sigma_b = 600\text{ MPa}$) được kiểm tra mỏi tại 5 tiết diện nguy hiểm (A, B, C, D, E). Kết quả cho thấy hệ số an toàn mỏi $s$ tại các tiết diện dao động từ $10{,}4$ đến $24{,}5$, đều lớn hơn nhiều so với hệ số an toàn cho phép $[s] = 2$, đảm bảo trục làm việc an toàn lâu dài không bị phá hủy mỏi.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán, thiết kế và chế tạo máy dán thùng carton" của nhóm sinh viên Nguyễn Quang Ngọc và Nguyễn Quý Tâm (ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật từ thiết kế lý thuyết đến chế tạo mô hình thực nghiệm. Hệ thống đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về năng suất 1500 thùng/giờ, dán đồng thời hai mặt trên - dưới cho dải kích thước thùng từ 200 mm đến 500 mm. Các phép tính toán cơ khí về bộ truyền đai, băng tải, trục tang, kiểm nghiệm mỏi và động học cụm dán keo được thực hiện chi tiết, logic và có độ tin cậy cao. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên và kỹ sư ngành công nghệ chế tạo máy và thiết kế máy bao bì công nghiệp.