Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp sản xuất và vận chuyển vật liệu rời, hệ thống băng tải đóng vai trò cốt lõi trong việc tự động hóa dây chuyền, nâng cao năng suất và giảm thiểu sức lao động thủ công. Nền tảng của một hệ thống băng tải vận hành ổn định là cụm dẫn động cơ khí, đòi hỏi sự phối hợp chính xác giữa động cơ điện, các bộ truyền giảm tốc và cơ cấu kéo. Đề tài "Thiết kế hệ dẫn động băng tải" (Đề số 2, Phương án 14) được thực hiện trong khuôn khổ Đồ án môn học Cơ sở thiết kế máy tại Khoa Cơ khí và Động lực, Trường Đại học Điện Lực, do sinh viên Lê Minh Thành (Lớp D13CODT2, Ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Việt Hưng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể theo các nội dung kỹ thuật sau:

  1. Tính toán chọn động cơ điện phù hợp với chế độ tải trọng và phân phối tỷ số truyền cho toàn bộ hệ thống dẫn động.
  2. Tính toán thiết kế hình học và kiểm nghiệm độ bền cho các bộ truyền hở ngoài hộp (bộ truyền xích) và các bộ truyền trong hộp giảm tốc (bộ truyền bánh răng trụ hai cấp khai triển).
  3. Xác định sơ đồ lực tác dụng lên các trục, thiết kế kết cấu trục, then, tính chọn ổ lăn và khớp nối đàn hồi.
  4. Lựa chọn vật liệu, kết cấu thân vỏ hộp giảm tốc, bu lông, các chi tiết phụ trợ, hệ thống bôi trơn và lập bảng dung sai lắp ghép.
  5. Xây dựng hồ sơ bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh gồm 01 bản vẽ lắp tổng thể A0 và 01 bản vẽ chi tiết A3 bằng phần mềm AutoCAD.

Đối tượng nghiên cứu là hệ dẫn động băng tải cơ khí vận hành một chiều với đặc tính tải va đập nhẹ. Phạm vi thiết kế áp dụng cho số liệu đề bài Phương án 14: lực kéo vòng trên băng tải $F = 8500\text{ N}$, vận tốc di chuyển $v = 1,15\text{ m/s}$, đường kính tang dẫn $D = 500\text{ mm}$, bước xích $p = 25,4\text{ mm}$, số răng đĩa xích tải $z = 25$ răng. Hệ thống làm việc trong thời gian phục vụ $L = 6\text{ năm}$ (mỗi năm làm việc 300 ngày, mỗi ngày 2 ca, mỗi ca 8 giờ) với chu kỳ thay đổi tải trọng: $T_1 = T$ trong thời gian $t_1 = 24\text{ s}$ và $T_2 = 0,85T$ trong thời gian $t_2 = 48\text{ s}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu sử dụng hệ thống lý thuyết và phương pháp tính toán tiêu chuẩn trong ngành kỹ thuật cơ khí chế tạo máy, dựa trên các tài liệu giáo trình và cẩm nang thiết kế cơ sở thiết kế máy / chi tiết máy của tác giả Trịnh Chất và Lê Văn Uyển:

  • Lý thuyết động học và động lực học máy: Xác định công suất cần thiết trên trục động cơ, hiệu suất truyền động của từng cụm chi tiết (khớp nối, bánh răng, ổ lăn, bộ truyền xích) và công thức tính toán tải trọng tương đương theo chế độ tải bậc.
  • Tiêu chuẩn tính toán độ bền mỏi tiếp xúc và độ bền uốn: Đánh giá khả năng làm việc của bánh răng trụ răng nghiêng, bánh răng trụ răng thẳng và bộ truyền xích theo các tiêu chuẩn ứng suất cho phép $[\sigma_H]$ và $[\sigma_F]$, xét đến hệ số chu kỳ ứng suất tương đương $N_{HE}, N_{FE}$, hệ số tập trung tải trọng và hệ số dạng răng.
  • Phương pháp tĩnh học và sức bền vật liệu: Lập các phương trình cân bằng mômen tĩnh và cân bằng lực trên hai mặt phẳng vuông góc ($Oxy$ và $Oxz$) nhằm xác định chính xác phản lực tại các gối đỡ ổ lăn; thiết lập biểu đồ mômen uốn tổng hợp và mômen xoắn tương đương $M_{td}$ để định kích thước tiết diện nguy hiểm của các đoạn trục.
  • Phương pháp tra cứu tiêu chuẩn cơ khí: Ứng dụng hệ thống bảng biểu tiêu chuẩn chế tạo máy Việt Nam (TCVN) để lựa chọn thông số động cơ điện, môđun bánh răng, quy cách xích con lăn, kết cấu then bằng, ổ lăn và dung sai hình học lắp ghép.

Nguồn dữ liệu tính toán được thiết lập từ các thông số định mức kỹ thuật của Phương án 14 và hệ thống bảng tra cứu cơ tính vật liệu cơ khí (thép C45 tôi cải thiện, gang đúc vỏ hộp).

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống dẫn động băng tải được tổ chức theo sơ đồ động học nối tiếp gồm 5 cụm bộ phận cơ bản:

  1. Động cơ điện 3 pha không đồng bộ: Nguồn động lực chính chuyển hóa điện năng thành cơ năng quay.
  2. Nối trục đàn hồi: Khớp nối linh động truyền mômen xoắn từ trục động cơ sang trục I của hộp giảm tốc, có khả năng giảm chấn và bù sai lệch tâm trục.
  3. Hộp giảm tốc bánh răng trụ 2 cấp khai triển: Đóng vai trò hạ số vòng quay và tăng mômen xoắn qua hai cấp truyền: cấp nhanh sử dụng cặp bánh răng trụ răng nghiêng nhằm tăng độ êm và khả năng chịu tải; cấp chậm sử dụng cặp bánh răng trụ răng thẳng để tối ưu hóa kết cấu và giảm lực dọc trục.
  4. Bộ truyền xích ống con lăn: Bộ truyền hở ngoài hộp truyền công suất từ trục III của hộp giảm tốc tới trục công tác của băng tải.
  5. Bộ phận công tác (Băng tải): Cơ cấu chấp hành tiếp nhận chuyển động để vận chuyển vật liệu.

Quy trình thiết kế kỹ thuật được triển khai qua các bước: tính toán chọn động cơ điện và xác định tỷ số truyền $\rightarrow$ tính toán thông số hình học và ứng suất bộ truyền xích $\rightarrow$ thiết kế chi tiết bộ truyền bánh răng cấp nhanh và cấp chậm $\rightarrow$ thiết kế trục, tính then và chọn ổ lăn $\rightarrow$ kết cấu vỏ hộp, bôi trơn và xác định dung sai lắp ghép.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Chọn động cơ và phân tỷ số truyền

Chương này tập trung xác định các thông số động học và động lực học cơ bản cho toàn bộ hệ thống dẫn động. Hiệu suất tổng thể của hệ thống được xác định qua tích hiệu suất các bộ phận cấu thành: $\eta = \eta_{kn} \cdot \eta_{br1} \cdot \eta_{br2} \cdot \eta_{ol}^4 \cdot \eta_x = 1 \cdot 0,96 \cdot 0,96 \cdot (0,99)^4 \cdot 0,93 \approx 0,824$. Công suất làm việc trên trục công tác được tính từ lực kéo và vận tốc: $P_{lv} = \frac{F \cdot v}{1000} = \frac{8500 \cdot 1,15}{1000} = 9,775\text{ kW}$.

Dựa trên biểu đồ tải trọng thay đổi, hệ số chuyển đổi công suất làm việc sang đẳng trị đạt $0,903$. Số vòng quay của trục công tác đạt $n_{lv} = 43,927\text{ vg/ph}$. Sau khi tính toán công suất cần thiết và số vòng quay sơ bộ, tác giả đã chọn động cơ điện 3 pha không đồng bộ kiểu DK63-4 với các thông số định mức: công suất $P_{dc} = 14\text{ kW}$, số vòng quay $n_{dc} = 1460\text{ vg/ph}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,88$, tỷ số mômen khởi động $T_k/T_{dn} = 1,4$, tỷ số mômen cực đại $T_{max}/T_{dn} = 2,3$, khối lượng $190\text{ kg}$.

Tỷ số truyền chung của hệ thống được xác định: $u_{ht} = \frac{n_{dc}}{n_{lv}} = \frac{1460}{43,927} \approx 33,2$. Tác giả phân phối tỷ số truyền cho hộp giảm tốc $u_{hgt} = 10$ (gồm cấp nhanh $u_{nh} = 3,83$ và cấp chậm $u_{ch} = 2,61$) và bộ truyền xích ngoài $u_x = 3,32$. Bảng đặc tính kỹ thuật trên các trục được tổng hợp như sau:

Thông số Trục Động cơ Trục I Trục II Trục III Trục Công tác
Tỷ số truyền ($u$) - 1 3,83 2,61 3,32
Tốc độ quay $n$ (vg/ph) 1460 1460 381,2 146 43,927
Công suất $P$ (kW) 14 11,73 11,15 10,6 9,775
Mômen xoắn $T$ (Nmm) - 76.727 279.334 693.356 -

Chương 2: Tính toán thiết kế bộ truyền

Chương 2 là phần trọng tâm của thuyết minh, bao gồm tính toán chi tiết cho toàn bộ các bộ truyền và trục trong hệ thống:

1. Bộ truyền xích ống con lăn: Với công suất truyền $P_{III} = 10,6\text{ kW}$, tỷ số truyền $u_x = 3,32$, số vòng quay đĩa dẫn $n_{III} = 146\text{ vg/ph}$, tác giả lựa chọn xích con lăn 3 dãy với bước xích tiêu chuẩn $p_c = 25,4\text{ mm}$. Số răng đĩa xích dẫn $z_1 = 25$ răng, đĩa bị dẫn $z_2 = 83$ răng. Khoảng cách trục thiết kế $a = 775\text{ mm}$, số mắt xích $X = 118$, chiều dài xích $L = 2997,2\text{ mm}$. Đĩa xích được chế tạo bằng thép C45 tôi cải thiện đạt độ cứng HB170, ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_H] = 500\text{ MPa}$. Lực căng xích tác dụng lên trục đạt $F_r = 7864\text{ N}$.

2. Hộp giảm tốc - Cặp bánh răng trụ răng nghiêng cấp nhanh:

  • Vật liệu: Bánh dẫn dùng thép 45 tôi cải thiện đạt $250\text{ HB}$ ($\sigma_b = 850\text{ MPa}, \sigma_{ch} = 580\text{ MPa}$); Bánh bị dẫn dùng thép 45 tôi cải thiện đạt $240\text{ HB}$ ($\sigma_b = 750\text{ MPa}, \sigma_{ch} = 450\text{ MPa}$).
  • Thông số hình học: Khoảng cách trục $a_{w1} = 157\text{ mm}$, môđun pháp $m = 2,5\text{ mm}$, góc nghiêng răng $\beta = 17,17^\circ$, số răng bánh nhỏ $z_1 = 25$, số răng bánh lớn $z_2 = 95$, tỷ số truyền thực tế $u_m = 3,8$ (sai số $-0,78%$).
  • Kích thước: Đường kính chia $d_1 = 65,42\text{ mm}, d_2 = 248,58\text{ mm}$; bề rộng vành răng $b_w = 39,25\text{ mm}$.
  • Lực tác dụng lên bộ truyền: Lực vòng $F_{t1} = 2346\text{ N}$, lực hướng tâm $F_{r1} = 935\text{ N}$, lực dọc trục $F_{a1} = 725\text{ N}$. Ứng suất tiếp xúc tính toán $\sigma_H = 432\text{ MPa} \le [\sigma_H] = 458,2\text{ MPa}$; ứng suất uốn $\sigma_{F1} = 83,5\text{ MPa} \le [\sigma_{F1}] = 257,14\text{ MPa}$.

3. Hộp giảm tốc - Cặp bánh răng trụ răng thẳng cấp chậm:

  • Vật liệu: Thép 45 tôi cải thiện ($250\text{ HB}$ và $235\text{ HB}$).
  • Thông số hình học: Khoảng cách trục $a_{w2} = 225\text{ mm}$, môđun $m = 2,5\text{ mm}$, góc nghiêng $\beta = 0^\circ$, số răng $z_1 = 50, z_2 = 130$, tỷ số truyền thực tế $u_m = 2,6$ (sai số $-0,38%$).
  • Kích thước: Đường kính chia $d_1 = 125\text{ mm}, d_2 = 325\text{ mm}$; bề rộng vành răng $b_w = 67,5\text{ mm}$.
  • Lực tác dụng lên bộ truyền: Lực vòng $F_{t2} = 4469\text{ N}$, lực hướng tâm $F_{r2} = 1626\text{ N}$. Ứng suất tiếp xúc tính toán $\sigma_H = 432\text{ MPa} \le [\sigma_H] = 438\text{ MPa}$; ứng suất uốn $\sigma_{F1} = 87\text{ MPa} \le [\sigma_{F1}] = 257,14\text{ MPa}$.

4. Thiết kế trục, then và tính chọn ổ lăn: Trục được chế tạo từ vật liệu thép C45. Đường kính sơ bộ xác định theo mômen xoắn thuần túy: $d_I = 30\text{ mm}, d_{II} = 45\text{ mm}, d_{III} = 50\text{ mm}$. Sau khi phân tích lực tác dụng trong không gian 3 chiều và lập phương trình cân bằng tĩnh học:

  • Trục I: Chịu lực ăn khớp bánh răng cấp nhanh và lực khớp nối $F_{kn} = 432,3\text{ N}$. Phản lực gối đỡ: $F_{A1x} = 940,4\text{ N}, F_{A1y} = 402,9\text{ N}; F_{C1x} = 973,3\text{ N}, F_{C1y} = 532,1\text{ N}$. Đường kính các đoạn trục được quy chuẩn: $d_{A1} = 25\text{ mm}, d_{B1} = 30\text{ mm}, d_{C1} = 25\text{ mm}, d_{D1} = 22\text{ mm}$.
  • Trục II: Chịu tải đồng thời từ bánh răng nghiêng cấp nhanh và bánh răng thẳng cấp chậm. Phản lực gối đỡ: $F_{A2x} = 3808,1\text{ N}, F_{A2y} = 1253,6\text{ N}; F_{D2x} = 3006,9\text{ N}, F_{D2y} = 562,6\text{ N}$. Đường kính các đoạn trục: $d_{A2} = 35\text{ mm}, d_{B2} = 42\text{ mm}, d_{C2} = 40\text{ mm}, d_{D2} = 35\text{ mm}$.
  • Trục III: Chịu lực ăn khớp bánh răng cấp chậm và lực căng xích ngoài $F_r = 7864\text{ N}$. Phản lực gối đỡ: $F_{B3x} = 3077,7\text{ N}, F_{B3y} = 12099,7\text{ N}; F_{D3x} = 1391,3\text{ N}, F_{D3y} = 2609,7\text{ N}$.
  • Đồ án tiến hành kiểm nghiệm độ bền tĩnh, độ bền mỏi cho trục, chọn then bằng cho các vị trí lắp ghép may-ơ và chọn ổ bi/ổ đũa đỡ chặn đáp ứng khả năng tải động và tuổi thọ yêu cầu.

Chương 3: Chọn thân máy, bu lông và các chi tiết phụ

Chương 3 trình bày các tính toán cấu tạo cơ khí và dung sai kỹ thuật:

  • Kết cấu vỏ hộp giảm tốc: Vỏ hộp đúc bằng gang xám, chia làm hai phần gồm thân hộp và nắp hộp ghép với nhau qua mặt phẳng đi qua tâm các trục. Tác giả tính toán xác định chiều dày thành thân hộp, thành nắp hộp, bề dày gân tăng cứng, chiều rộng mặt bích và khoảng cách giữa các tâm bu lông theo công thức kinh nghiệm.
  • Bu lông và liên kết ghép: Xác định đường kính và số lượng bu lông nền, bu lông ghép nắp và thân, bu lông nắp ổ lăn, vít ghép nắp cửa thăm.
  • Hệ thống bôi trơn: Ứng dụng phương pháp bôi trơn ngâm dầu cho các bộ truyền bánh răng trong hộp (độ sâu ngâm ngập răng hợp lý) và bôi trơn định kỳ bằng mỡ cho các gối đỡ ổ lăn.
  • Các chi tiết phụ trợ: Thiết kế và bố trí que thăm dầu để kiểm tra mức dầu, nút thông hơi trên nắp cửa thăm để cân bằng áp suất bên trong hộp, nút tháo dầu dưới đáy thân hộp, chốt định vị hình côn để đảm bảo vị trí tương quan chính xác giữa nắp và thân hộp sau khi gia công và tháo lắp.
  • Dung sai lắp ghép: Thiết lập hệ thống dung sai lắp ghép bề mặt bánh răng trên trục, vòng trong và vòng ngoài ổ lăn, vòng chắn dầu, then bằng lắp với rãnh trục và rãnh may-ơ theo hệ thống lỗ cơ bản / trục cơ bản.

Kết quả và đóng góp

Hồ sơ thuyết minh và bản vẽ của đồ án đã hoàn thành đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật phục vụ chế tạo hệ dẫn động băng tải:

  • Thiết lập hoàn chỉnh bảng thông số động học và động lực học từ động cơ đến cơ cấu chấp hành.
  • Lựa chọn thành công động cơ điện DK63-4 ($14\text{ kW}, 1460\text{ vg/ph}$) đảm bảo khả năng khởi động và vận hành liên tục dưới tải thay đổi.
  • Tính toán kích thước chuẩn hóa của hai cấp bánh răng trong hộp giảm tốc ($a_{w1} = 157\text{ mm}, a_{w2} = 225\text{ mm}$) và bộ truyền xích 3 dãy ($p_c = 25,4\text{ mm}, a = 775\text{ mm}$), tất cả đều vượt qua các bước kiểm nghiệm ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn và hệ số an toàn bền mỏi.
  • Xác định chính xác kết cấu trục bậc, kiểm nghiệm then bằng và lựa chọn ổ lăn cùng các chi tiết phụ đồng bộ.

Về mặt đóng góp, đề tài cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán hệ dẫn động cơ khí tải trọng trung bình, chuẩn hóa phương pháp giải tích biểu đồ mômen nội lực nhiều trục kết hợp tra cứu tiêu chuẩn kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Đồ án được xây dựng dựa trên phương pháp tính toán bán thực nghiệm và công thức kinh nghiệm cổ điển, chưa áp dụng các công cụ mô phỏng số phần tử hữu hạn (FEA) để phân tích tập trung ứng suất tại các góc lượn trục hoặc tối ưu hóa hình học vỏ hộp giảm tốc.
  • Hướng mở rộng có thể thực hiện là ứng dụng phần mềm CAD/CAE chuyên dụng (như SolidWorks, ANSYS) để mô phỏng động lực học chuyển động và kiểm nghiệm nhiệt độ dầu bôi trơn khi hệ thống vận hành liên tục trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu học thuật có giá trị thực tiễn cao đối với:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy khi làm Đồ án Chi tiết máy, Đồ án môn học Cơ sở thiết kế máy hoặc Khóa luận tốt nghiệp về trạm dẫn động cơ khí.
  • Giảng viên và người học cần tài liệu đối sánh chi tiết về các bước lập phương trình cân bằng mômen tĩnh, vẽ biểu đồ nội lực không gian cho hệ trục 3 cấp và phương pháp tra cứu dung sai lắp ghép cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ điện được chọn cho hệ thống có mã hiệu và thông số định mức nào? Động cơ điện được chọn là loại 3 pha không đồng bộ kiểu DK63-4, công suất định mức $14\text{ kW}$, tốc độ quay định mức $1460\text{ vg/ph}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,88$, mômen khởi động $T_k/T_{dn} = 1,4$, mômen cực đại $T_{max}/T_{dn} = 2,3$, khối lượng $190\text{ kg}$.

2. Tỷ số truyền của hộp giảm tốc và toàn hệ thống được phân phối cụ thể ra sao? Tổng tỷ số truyền của hệ thống là $u_{ht} \approx 33,2$. Trong đó, hộp giảm tốc có tỷ số truyền $u_{hgt} = 10$ (phân chia thành cấp nhanh bánh răng nghiêng $u_{nh} = 3,83$ và cấp chậm bánh răng thẳng $u_{ch} = 2,61$), bộ truyền xích ngoài có tỷ số truyền $u_x = 3,32$.

3. Bộ truyền xích ngoài sử dụng quy cách gì và có kích thước cơ bản như thế nào? Bộ truyền xích sử dụng xích con lăn 3 dãy với bước xích tiêu chuẩn $p_c = 25,4\text{ mm}$, số răng đĩa dẫn $z_1 = 25$ răng, số răng đĩa bị dẫn $z_2 = 83$ răng, khoảng cách trục thiết kế $a = 775\text{ mm}$, số mắt xích $X = 118$ mắt, chiều dài dây xích $L = 2997,2\text{ mm}$.

4. Kích thước khoảng cách trục và môđun của hai cấp bánh răng trong hộp giảm tốc là bao nhiêu? Cả hai cấp bánh răng đều sử dụng môđun tiêu chuẩn $m = 2,5\text{ mm}$. Cấp nhanh có khoảng cách trục $a_{w1} = 157\text{ mm}$, góc nghiêng răng $\beta = 17,17^\circ$; cấp chậm là bánh răng trụ răng thẳng với khoảng cách trục $a_{w2} = 225\text{ mm}$.

5. Kết cấu đường kính danh nghĩa các trục của hộp giảm tốc được xác định ra sao? Sau các bước tính toán theo mômen xoắn và mômen uốn tổng hợp, đường kính danh nghĩa các trục được quy chuẩn: Trục I có các đoạn đường kính từ $22\text{ mm}$ đến $30\text{ mm}$; Trục II có các đoạn đường kính từ $35\text{ mm}$ đến $42\text{ mm}$; Trục III có đường kính ngõng trục và lắp may-ơ từ $45\text{ mm}$ đến $50\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ dẫn động băng tải" của sinh viên Lê Minh Thành đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế kỹ thuật cơ khí cho hệ thống dẫn động băng tải công nghiệp theo Phương án 14. Toàn bộ các bộ truyền xích, bánh răng nghiêng, bánh răng thẳng và hệ trục - ổ lăn đều được tính toán kiểm nghiệm độ bền đạt yêu cầu kỹ thuật theo các tiêu chuẩn hiện hành. Công trình thể hiện tính khoa học, mạch lạc trong phương pháp giải tích và cung cấp bộ số liệu thiết kế chuẩn xác, hoàn chỉnh cả về phần thuyết minh lẫn bản vẽ kỹ thuật.