I. Quy trình thiết kế chi tiết máy trong hệ thống dẫn động
Thiết kế chi tiết máy là một quá trình kỹ thuật quan trọng trong việc phát triển các hệ thống truyền động cơ khí. Quy trình này bao gồm nhiều bước thiết kế từ chọn động cơ, phân phối tỷ số truyền cho đến tính toán chi tiết từng bộ phận. Với công suất 4,4 kW và số vòng quay 50 vòng/phút, việc tính toán moment xoắn và tỷ số truyền trở nên cực kỳ quan trọng. Đối với thùng trộn có tải thay đổi theo bậc, cần phải tính toán tải tương đương để chọn động cơ phù hợp. Quá trình này đòi hỏi sự chính xác cao trong tính toán công suất cần thiết, xác định số vòng quay đồng bộ của động cơ, và lựa chọn các thông số kỹ thuật phù hợp.
1.1. Chọn động cơ điện và tính toán công suất cần thiết
Bước đầu tiên trong thiết kế chi tiết máy là xác định công suất cần thiết của động cơ. Với tải thay đổi theo bậc, ta cần tính tải tương đương sử dụng công thức căn bậc hai của tổng moment bình phương. Công suất cần thiết là Pct = 4,53 kW khi xét hiệu suất chung của hệ thống là 0,84. Động cơ được chọn loại K132M4 với công suất 5,5 kW, tốc độ quay 1445 vòng/phút, hiệu suất 86,0% đáp ứng đầy đủ yêu cầu của hệ thống dẫn động thùng trộn.
1.2. Phân phối tỷ số truyền cho các cấp truyền
Tỷ số truyền tính toán của bộ truyền là 28,9 được phân chia thành hai phần: bộ truyền đai với ud = 3,61 và hộp giảm tốc hai cấp với uhs = 8. Hộp giảm tốc được thiết kế với hai cấp: cấp 1-2 có u12 = 3,08 và cấp 2-3 có u23 = 2,60. Phân phối tỷ số truyền hợp lý giúp tối ưu hóa moment xoắn trên các trục, đảm bảo rằng trục 3 (trục thùng trộn) đạt được moment xoắn 733.733,49 N.mm cần thiết cho hoạt động ổn định.
II. Tính toán thông số trên các trục truyền động
Tính toán thông số trên các trục là bước quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của hệ thống dẫn động. Trên mỗi trục, ta cần xác định công suất truyền, số vòng quay, và moment xoắn tương ứng. Động cơ truyền công suất 5,5 kW với tốc độ 1445 vòng/phút vào trục 1. Qua bộ truyền đai, công suất giảm xuống 4,25 kW ở trục 1 với tốc độ 400,27 vòng/phút. Tiếp tục qua hộp giảm tốc cấp 1, công suất là 4,04 kW ở trục 2 với tốc độ 129,95 vòng/phút. Cuối cùng, tại trục 3 (thùng trộn), công suất là 3,84 kW với tốc độ 49,98 vòng/phút. Moment xoắn tăng lên khi số vòng quay giảm, đạt giá trị cực đại tại trục 3.
2.1. Công suất và số vòng quay trên từng trục
Công suất trên các trục được tính dựa trên hiệu suất của từng bộ truyền. Trục 1 (sau bộ truyền đai): P1 = 4,25 kW, n1 = 400,27 vòng/phút. Trục 2 (sau cấp giảm tốc thứ nhất): P2 = 4,04 kW, n2 = 129,95 vòng/phút. Trục 3 (trục công tác thùng trộn): P3 = 3,84 kW, n3 = 49,98 vòng/phút. Sự giảm công suất phản ánh các tổn thất ma sát trong quá trình truyền động, trong khi số vòng quay giảm dần theo tỷ số truyền.
2.2. Moment xoắn trên các trục trong hệ thống
Moment xoắn được tính bằng công thức T = 9,55 × P/n (N.mm). Trục 1: T1 = 101.400,30 N.mm. Trục 2: T2 = 296.898,80 N.mm. Trục 3: T3 = 733.733,49 N.mm. Sự gia tăng moment xoắn từ trục 1 đến trục 3 cho phép thùng trộn vận hành với lực xoắn lớn ở tốc độ thấp, đáp ứng yêu cầu trộn hỗn hợp hiệu quả.
III. Bộ truyền đai trong thiết kế hệ thống
Bộ truyền đai thang được lựa chọn trong thiết kế chi tiết máy vì ưu điểm truyền động êm, an toàn, giá thành rẻ. Với công suất 4,25 kW và tốc độ 400,27 vòng/phút, chọn đai thang loại B có chiều rộng 14 mm. Đường kính bánh đai dẫn được tính toán để đảm bảo vận tốc đai nằm trong giới hạn 25-30 m/s. Với hệ số trượt tương đối 0,01 (2,21% < 5%), đường kính bánh đai bị dẫn được xác định dựa trên tỷ số truyền ud = 3,61. Khoảng cách trục được chọn sao cho độ dãn của đai thang phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật, thường chọn chiều dài đai chuẩn L = 2500 mm.
3.1. Lựa chọn loại đai và kích thước
Đai thang loại B có kích thước mặt cắt ngang 14 × 17 mm, chiều dài đai từ 800 đến 6300 mm. Loại đai này phù hợp với công suất 4,25 kW và tốc độ quay 400,27 vòng/phút. Điều kiện về vận tốc đai: v = π × d1 × n1 / 60000 (m/s) phải nằm trong khoảng 25-30 m/s để đảm bảo truyền động ổn định. Đường kính bánh đai dẫn d1 = 160 mm được chọn dựa trên công thức: d1 = 1000 × v / (π × n1).
3.2. Tính toán khoảng cách trục và kiểm nghiệm
Khoảng cách trục a = 653,92 mm được tính từ chiều dài đai chuẩn L = 2500 mm. Kiểm nghiệm điều kiện: 0,55(d1 + d2) + h ≤ a ≤ (d1 + d2)/2. Với d1 = 160 mm, d2 = 560 mm: 330,75 ≤ a ≤ 360 mm. Khoảng cách trục được điều chỉnh để đảm bảo độ dãn đai thang trong phạm vi cho phép, thường 2-4% chiều dài đai.
IV. Hộp giảm tốc và ứng dụng trong thực tế
Hộp giảm tốc hai cấp là thành phần chủ chốt trong hệ thống dẫn động thùng trộn, có tác dụng giảm tốc độ quay và tăng moment xoắn. Với tỷ số truyền tổng là 8, hộp giảm tốc được thiết kế thành hai cấp với u12 = 3,08 (cấp sóc xoắn) và u23 = 2,60 (cấp sóc xoắn). Đây là cấu trúc phổ biến trong các hộp giảm tốc công nghiệp vì tính chuyên dụng cao, độ tin cậy tốt, và khả năng truyền momen xoắn lớn. Trục 3 nhận được moment xoắn 733.733,49 N.mm, đủ để quay thùng trộn với tải nặng trong 2 ca làm việc hàng ngày. Việc thiết kế các bánh răng trong hộp giảm tốc phải tuân thủ tiêu chuẩn ISO, đảm bảo tuổi thọ 7 năm như yêu cầu đề tài.
4.1. Cấu trúc và tỷ số truyền của hộp giảm tốc
Hộp giảm tốc hai cấp sử dụng bánh răng sóc xoắn (helical gear) có ưu điểm truyền động mượt, ít tiếng ồn, độ kỳ cụ cao. Cấp 1-2: u12 = 3,08 giảm tốc độ từ 400,27 vòng/phút xuống 129,95 vòng/phút. Cấp 2-3: u23 = 2,60 tiếp tục giảm tốc độ từ 129,95 vòng/phút xuống 49,98 vòng/phút. Tỷ số truyền tổng: uhs = u12 × u23 = 8, phù hợp với yêu cầu của thùng trộn hoạt động ở tốc độ thấp.
4.2. Ứng dụng và yêu cầu trong thực tế sản xuất
Hộp giảm tốc được lựa chọn loại công nghiệp có khả năng chịu tải va đập nhẹ, làm việc 2 ca liên tục. Với moment xoắn lớn ở trục 3, hộp giảm tốc phải có độ cứng cao, các bánh răng được thiết kế với hệ số an toàn thích hợp. Tuổi thọ thiết kế 7 năm đòi hỏi chất lượng bôi trơn tốt, kiểm tra định kỳ, bảo dưỡng theo đúng lịch trình để đảm bảo hiệu suất ổn định.
