Đồ Án Chi Tiết Máy: Thiết Kế Hệ Dẫn Động Băng Tải

• Đề tài: Thiết Kế Hệ Dẫn Động Băng Tải: Tính Toán và Lựa Chọn Động Cơ

• 1. PHẦN 1: CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ PHÂN PHỐI TỶ SỐ TRUYỀN
• 1.1. Chọn động cơ điện
• 1.2. Phân phối tỉ số truyền
• 1.2.1. Xác định tỉ số truyền chung của hệ thống
• 1.2.2. Phân phối tỉ số truyền cho hệ thống
• 1.3. Tính các thông số trên các trục
• 1.3.1. Số vòng quay
• 1.3.2. Công suất
• 1.3.3. Mômen xoắn trên các trục
• 1.4. Bảng thông số động học
• 2. PHẦN 2. TÍNH BỘ TRUYỀN
• 2.1. Tính bộ truyền trong hộp (bánh răng trụ)
• 2.1.1. Thông số đầu vào
• 2.1.2. Chọn vật liệu bánh răng
• 2.1.3. Xác định ứng suất cho phép
• 2.1.4. Xác định sơ bộ khoảng cách trục
• 2.1.5. Xác định các thông số ăn khớp
• 2.1.6. Xác định thông số động học và ứng suất cho phép
• 2.1.7. Kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng
• 2.1.8. Một vài thông số hình học của cặp bánh răng
• 2.2. Tính toán thiết kế bộ truyền đai thang
• 2.2.1. Các thông số yêu cầu
• 2.2.2. Chọn loại đai và thiết diện đai
• 2.2.3. Chọn đường kính hai bánh đai
• 2.2.4. Xác định khoảng cách trục
• 2.2.5. Tính số đai Z
• 2.2.6. Thông số cơ bản của bánh đai
• 2.2.7. Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục
• 2.2.8. Tổng hợp các thông số của bộ truyền đai
• 3. PHẦN 3. TÍNH TRỤC, CHỌN Ổ LĂN
• 3.1. Chọn khớp nối
• 3.1.1. Thông số đầu vào
• 3.1.2. Chọn khớp nối theo điều kiện
• 3.1.3. Kiểm nghiệm khớp nối
• 3.1.3.1. Điều kiện sức bền dập của vòng đàn hồi
• 3.1.3.2. Điều kiện bền của chốt
• 3.2. Tính sơ bộ trục
• 3.2.1. Chọn vật liệu chế tạo trục
• 3.2.2. Xác định sơ bộ đường kính trục
• 3.2.3. Chiều rộng ổ lăn trên trục
• 3.2.4. Xác định lực từ các chi tiết, bộ truyền tác dụng lên trục
• 3.2.5. Xác định khoảng cách giữa các điểm đặt lực
• 3.3. Tính phản lực cho trục I
• 3.3.1. Phương trình cân bằng
• 3.3.2. Sơ đồ đặt lực, biểu đồ mô men
• 3.4. Tính mô men tương đương
• 3.4.1. Momen tổng, momen uốn tương đương
• 3.4.2. Tính đường kính các đoạn trục
• 3.4.3. Chọn đường kính các đoạn trục
• 3.5. Chọn và kiểm nghiệm then
• 3.5.1. Chọn then
• 3.5.2. Kiểm nghiệm then theo độ bền dập và độ bền cắt
• 3.6. Kiểm nghiệm trục theo độ bền mỏi

I. Tổng quan thiết kế hệ dẫn động băng tải và vai trò động cơ

Thiết kế hệ dẫn động băng tải là một bài toán kỹ thuật cốt lõi trong ngành cơ khí và tự động hóa. Hệ thống này chịu trách nhiệm chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng để vận hành băng tải, di chuyển vật liệu một cách liên tục và hiệu quả. Một hệ dẫn động được thiết kế tối ưu không chỉ đảm bảo hiệu suất vận hành mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ thiết bị và chi phí năng lượng. Lựa chọn động cơ điện và các bộ phận truyền động phù hợp là khâu quyết định sự thành công của toàn bộ hệ thống. Các thành phần chính bao gồm động cơ giảm tốc, hộp giảm tốc, các bộ truyền như đai, xích và các cơ cấu phụ trợ như puly băng tải và trục dẫn động. Việc tính toán sai lệch có thể dẫn đến động cơ quá tải, hoạt động không ổn định hoặc lãng phí công suất, gây tốn kém chi phí đầu tư và vận hành.

1.1. Cấu trúc và thành phần chính của một hệ dẫn động băng tải

Một hệ dẫn động băng tải điển hình là một tổ hợp cơ khí phức tạp, có chức năng cung cấp momen và tốc độ cần thiết cho tang chủ động. Cấu trúc cơ bản bắt đầu từ nguồn cung cấp năng lượng là động cơ 3 pha. Động cơ này thường có tốc độ quay cao, không phù hợp với tốc độ băng tải yêu cầu, do đó cần một hộp giảm tốc. Hộp giảm tốc có nhiệm vụ giảm tốc độ quay và tăng momen xoắn. Giữa động cơ và hộp giảm tốc có thể là bộ truyền đai hoặc xích để phân phối sơ bộ tỷ số truyền. Sau hộp giảm tốc là trục dẫn động chính, kết nối với puly hoặc tang chủ động của băng tải. Các chi tiết phụ trợ nhưng không kém phần quan trọng bao gồm khớp nối trục để bù sai lệch tâm và giảm chấn, hệ thống ổ lăn để đỡ các trục quay, và vỏ hộp để bảo vệ các chi tiết bên trong. Một sơ đồ động học chi tiết là công cụ không thể thiếu để mô tả mối quan hệ chuyển động và phân phối công suất giữa các thành phần này.

1.2. Tầm quan trọng của việc tính toán và lựa chọn động cơ chính xác

Việc tính toán và lựa chọn động cơ là trái tim của quá trình thiết kế. Một lựa chọn chính xác đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, đạt được hiệu suất hệ thống cao và kéo dài tuổi thọ. Nếu công suất động cơ quá nhỏ, hệ thống sẽ không đủ lực kéo để thắng các lực cản, gây quá tải, nóng động cơ và có thể dẫn đến cháy. Ngược lại, nếu công suất quá lớn, chi phí đầu tư ban đầu sẽ tăng cao và động cơ hoạt động ở chế độ non tải, gây lãng phí điện năng. Việc tính toán chính xác công suất động cơ băng tải phải dựa trên các thông số thực tế như tải trọng băng tải, lực căng, ma sát và góc nghiêng của băng tải nghiêng. Bên cạnh công suất, các yếu tố như tốc độ đồng bộ, momen khởi động, và điều kiện làm việc (va đập, môi trường) cũng phải được xem xét kỹ lưỡng để chọn ra loại motor giảm tốc phù hợp nhất.

II. Thách thức khi tính toán hệ dẫn động băng tải công nghiệp

Quá trình tính toán và thiết kế hệ dẫn động băng tải không chỉ đơn thuần là áp dụng công thức. Nó đối mặt với nhiều thách thức thực tiễn đòi hỏi kinh nghiệm và sự phân tích sâu sắc. Một trong những khó khăn lớn nhất là xác định chính xác tổng lực cản của hệ thống, bao gồm lực ma sát giữa băng tải và con lăn, ma sát trong các ổ lăn, và lực cản do vật liệu gây ra. Các yếu tố này thường thay đổi tùy thuộc vào điều kiện vận hành và môi trường. Ngoài ra, việc cân bằng giữa các yếu tố kỹ thuật như độ bền, độ cứng và các yếu tố kinh tế như chi phí, hiệu suất năng lượng cũng là một bài toán phức tạp. Đặc biệt, việc đảm bảo một hệ số an toàn hợp lý cho tất cả các chi tiết, từ trục, bánh răng đến then và ổ lăn, là cực kỳ quan trọng để hệ thống hoạt động bền bỉ và an toàn trong suốt thời gian phục vụ dự kiến.

2.1. Xác định chính xác các loại lực cản và lực căng băng tải

Lực cản là yếu tố quyết định đến công suất động cơ cần thiết. Việc xác định sai lực cản sẽ dẫn đến toàn bộ chuỗi tính toán sau đó bị sai lệch. Các lực cản chính bao gồm: lực cản do ma sát lăn của các con lăn đỡ, lực cản do ma sát giữa vật liệu và bề mặt băng tải (đặc biệt với băng tải cao su hoặc băng tải PVC), lực cản do quán tính khi khởi động, và lực thành phần trọng lượng khi băng tải đặt nghiêng. Việc tính toán lực căng băng tải trên nhánh căng và nhánh chùng cũng rất quan trọng, vì nó không chỉ ảnh hưởng đến lực kéo yêu cầu mà còn quyết định độ bền của băng tải và tải trọng tác dụng lên các trục và ổ lăn. Các tài liệu chuyên ngành và kinh nghiệm thực tế là nguồn tham khảo quan trọng để xác định các hệ số ma sát và lực cản một cách chính xác nhất.

2.2. Ảnh hưởng của chế độ làm việc và môi trường đến thiết kế

Chế độ làm việc (nhẹ, trung bình, va đập vừa, va đập mạnh) có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn hệ số an toàn và các hệ số động. Ví dụ, một hệ thống làm việc với 'va đập vừa' như trong tài liệu gốc đòi hỏi các chi tiết phải có độ bền cao hơn và hệ số an toàn lớn hơn so với chế độ làm việc êm. Môi trường làm việc (bụi bẩn, ẩm ướt, nhiệt độ cao) cũng tác động đến việc lựa chọn vật liệu, kiểu che chắn cho ổ lăn và cấp bảo vệ của động cơ điện. Việc bỏ qua các yếu tố này có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ của bộ truyền động và tăng chi phí bảo trì, sửa chữa trong quá trình vận hành.

III. Hướng dẫn tính công suất động cơ băng tải từ thông số gốc

Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong thiết kế là xác định công suất yêu cầu trên trục động cơ. Quá trình này bắt đầu từ các thông số đầu vào của băng tải như lực kéo và vận tốc, sau đó tính toán ngược về trục động cơ thông qua hiệu suất của các bộ truyền trung gian. Dựa trên tài liệu gốc 'ĐỒ ÁN CHI TIẾT MÁY', quy trình này được thực hiện một cách hệ thống. Công suất trên trục công tác được xác định trước, sau đó, công suất yêu cầu tại động cơ được tính bằng cách chia cho tổng hiệu suất của toàn hệ thống. Tổng hiệu suất này là tích của hiệu suất từng thành phần, bao gồm ổ lăn, hộp giảm tốc và bộ truyền đai. Việc xác định chính xác hiệu suất của từng bộ phận là yếu tố then chốt để có được công suất động cơ phù hợp, tránh lãng phí hoặc quá tải.

3.1. Áp dụng công thức tính công suất động cơ băng tải yêu cầu

Công suất yêu cầu trên trục động cơ (Pyc) được xác định dựa trên công suất trên trục công tác (Plv) và tổng hiệu suất của hệ thống (η). Công thức tính công suất động cơ băng tải cơ bản là Pyc = Plv / η. Trong đó, Plv = (F * v) / 1000 (kW), với F là lực kéo băng tải (N) và v là vận tốc băng tải (m/s). Ví dụ từ tài liệu gốc, với F = 650 N và v = 2,61 m/s, công suất trên trục công tác là Plv = 1,7 kW. Tổng hiệu suất η là tích của hiệu suất các bộ phận: η = η_ổ_lăn² * η_bánh_răng * η_đai * η_khớp_nối. Dựa trên các giá trị tiêu chuẩn, tổng hiệu suất được tính là η ≈ 0,894. Từ đó, công suất yêu cầu trên trục động cơ là Pyc = 1,7 / 0,894 = 1,9 kW. Dựa vào giá trị này, một động cơ tiêu chuẩn có công suất lớn hơn gần nhất sẽ được chọn, ví dụ như động cơ 2,2 kW để đảm bảo dự phòng.

3.2. Tính toán tốc độ và phân phối tỷ số truyền cho hệ thống

Sau khi có công suất, việc xác định tốc độ đồng bộ của động cơ và phân phối tỷ số truyền là bước tiếp theo. Tốc độ vòng quay của trục công tác (nlv) được tính từ tốc độ băng tải và đường kính tang: nlv = (60000 * v) / (π * D). Với v = 2,61 m/s và D = 375 mm, ta có nlv ≈ 133 vòng/phút. Động cơ điện tiêu chuẩn thường có tốc độ cao (khoảng 1420-1500 vòng/phút). Do đó, cần một tỷ số truyền chung uch = n_động_cơ / nlv. Trong ví dụ, uch ≈ 1420 / 133 = 10,68. Tỷ số truyền chung này sau đó được phân phối cho các bộ truyền trung gian. Ví dụ, phân phối cho bộ truyền đai (uđ) và bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc (ubr). Việc chọn sơ bộ uđ = 2,5 sẽ cho ra ubr = uch / uđ = 10,68 / 2,5 ≈ 4,27. Sự phân phối này ảnh hưởng đến kích thước, chi phí và đặc tính làm việc của từng bộ truyền động.

IV. Phương pháp lựa chọn động cơ điện và hộp giảm tốc tối ưu

Sau khi hoàn thành các bước tính toán lý thuyết, giai đoạn lựa chọn thiết bị thực tế bắt đầu. Việc này đòi hỏi kỹ sư phải đối chiếu kết quả tính toán với các catalog của nhà sản xuất. Lựa chọn động cơ giảm tốc không chỉ dựa trên công suất và tốc độ đã tính mà còn phải xem xét các yếu tố khác như kiểu lắp, cấp bảo vệ, và đặc biệt là khả năng quá tải. Momen khởi động và momen cực đại của động cơ phải lớn hơn momen cản của hệ thống để đảm bảo băng tải có thể khởi động và vận hành ổn định dưới tải nặng. Tương tự, việc lựa chọn hộp giảm tốc cũng cần dựa trên tỷ số truyền, momen đầu ra cho phép và tuổi thọ thiết kế. Đây là bước kết nối giữa lý thuyết thiết kế và ứng dụng thực tiễn.

4.1. Tiêu chí chọn động cơ 3 pha dựa trên công suất và tốc độ

Dựa trên công suất yêu cầu đã tính (ví dụ: Pyc = 1,9 kW) và tốc độ đồng bộ mong muốn (ví dụ: khoảng 1500 vòng/phút), kỹ sư sẽ tra cứu bảng thông số động cơ. Theo tài liệu tham khảo, một động cơ 3 pha ký hiệu 4A90L4Y3 có công suất định mức 2,2 kW và tốc độ thực tế 1420 vòng/phút là một lựa chọn phù hợp. Lựa chọn này đáp ứng được yêu cầu về công suất (2,2 kW > 1,9 kW) và tốc độ. Ngoài ra, các thông số quan trọng khác như tỷ số momen cực đại Tmax/Tđn và momen mở máy Tmm/Tđn (trong ví dụ là 2,2 và 2,0) cần được kiểm tra để đảm bảo động cơ có khả năng khởi động băng tải từ trạng thái đứng yên và vượt qua các thời điểm quá tải đột ngột.

4.2. Cách tính toán momen xoắn và lựa chọn các bộ truyền động

Momen xoắn là đại lượng đặc trưng cho khả năng tải của trục. Tính toán momen xoắn trên từng trục là bước bắt buộc để kiểm tra độ bền và lựa chọn các chi tiết máy. Công thức chung là T = 9,55 * 10^6 * P / n (N.mm), với P là công suất (kW) và n là số vòng quay (vòng/phút). Dựa trên bảng thông số động học từ tài liệu gốc, momen trên trục động cơ là 12778 N.mm, trên trục trung gian của hộp giảm tốc là 30096 N.mm, và trên trục ra (trục công tác) là 122049 N.mm. Các giá trị momen này là cơ sở để thiết kế trục, chọn then, khớp nối trục và kiểm nghiệm bền cho các bộ truyền bánh răng, đảm bảo chúng không bị phá hủy dưới tác dụng của tải trọng xoắn trong quá trình làm việc.

V. Phân tích đồ án thiết kế hệ dẫn động băng tải thực tiễn

Việc phân tích một đồ án hoặc một dự án thực tế giúp củng cố lý thuyết và cung cấp cái nhìn sâu sắc về quy trình thiết kế hoàn chỉnh. Đồ án 'THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG BĂNG TẢI' là một ví dụ điển hình, trình bày chi tiết từ khâu chọn động cơ đến thiết kế và kiểm nghiệm từng chi tiết máy. Quá trình này không chỉ dừng lại ở các tính toán động học và động lực học mà còn bao gồm cả việc thiết kế kết cấu, chọn vật liệu, dung sai lắp ghép và phương pháp bôi trơn. Việc lập một thuyết minh đồ án băng tải chi tiết cùng với bản vẽ hệ dẫn động hoàn chỉnh là kết quả cuối cùng của quá trình thiết kế, thể hiện đầy đủ các giải pháp kỹ thuật đã được lựa chọn và tính toán.

5.1. Ứng dụng công thức tính vào dự án với lực kéo 650N

Dự án cụ thể trong tài liệu gốc với các thông số đầu vào rõ ràng (lực kéo F = 650 N, vận tốc v = 2,61 m/s) là một case study hoàn hảo. Các bước tính toán được trình bày tuần tự. Đầu tiên, công suất trên trục công tác được tính là 1,7 kW. Sau khi xác định hiệu suất toàn hệ thống, công suất động cơ yêu cầu được xác định là 1,9 kW, dẫn đến việc chọn động cơ 2,2 kW. Tỷ số truyền chung 10,68 được phân phối thành u_đai = 2,5 và u_bánh_răng = 4,27. Các thông số này sau đó được sử dụng để thiết kế chi tiết bộ truyền đai thang và bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng, thể hiện sự liên kết chặt chẽ giữa các bước trong một quy trình thiết kế thực tế.

5.2. Quy trình kiểm nghiệm độ bền mỏi trục và lựa chọn ổ lăn

Sau khi xác định được các lực tác dụng lên trục từ bộ truyền đai và bánh răng, bước tiếp theo là thiết kế và kiểm nghiệm trục. Trục dẫn động được kiểm nghiệm về độ bền mỏi tại các tiết diện nguy hiểm (nơi lắp ổ lăn, bánh răng, có rãnh then). Hệ số an toàn về mỏi được tính toán và so sánh với giá trị cho phép (thường từ 1,5 đến 2,5) để đảm bảo trục không bị gãy sau một thời gian làm việc. Dựa trên đường kính trục và tải trọng hướng tâm, hướng trục, việc lựa chọn ổ lăn phù hợp được tiến hành. Ổ lăn phải được kiểm nghiệm về khả năng tải động (tuổi thọ) và khả năng tải tĩnh để đảm bảo hoạt động bền bỉ, tin cậy. Đây là các bước kiểm nghiệm quan trọng, đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho toàn bộ hệ dẫn động băng tải.

VI. Xu hướng mới trong thiết kế và vai trò của biến tần

Ngành công nghiệp băng tải đang chứng kiến những bước tiến mới nhằm tối ưu hóa hiệu suất và linh hoạt trong vận hành. Thay vì chỉ sử dụng các hệ thống có tốc độ cố định, các giải pháp điều khiển hiện đại ngày càng được ưa chuộng. Việc tích hợp các thiết bị điện tử công suất như biến tần và sử dụng các công cụ mô phỏng số đang thay đổi cách tiếp cận truyền thống trong thiết kế. Những công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn cho phép hệ thống băng tải đáp ứng linh hoạt với các yêu cầu sản xuất thay đổi, giảm hao mòn cơ khí và tăng cường độ an toàn. Đây là hướng phát triển tất yếu để xây dựng các hệ thống vận chuyển vật liệu thông minh và hiệu quả hơn.

6.1. Tích hợp biến tần cho băng tải để tối ưu hóa vận hành

Việc sử dụng biến tần cho băng tải mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Biến tần cho phép điều chỉnh vô cấp tốc độ băng tải, giúp đồng bộ hóa với các dây chuyền sản xuất khác. Quan trọng hơn, chức năng khởi động mềm và dừng mềm của biến tần giúp giảm sốc cơ khí lên hộp giảm tốc và các chi tiết khác, qua đó kéo dài tuổi thọ của hệ thống. Nó cũng giúp giảm dòng khởi động của động cơ, tiết kiệm điện năng và bảo vệ lưới điện. Trong nhiều ứng dụng, biến tần còn có các chức năng bảo vệ quá tải, quá dòng, mất pha, giúp tăng cường độ an toàn và tin cậy cho toàn bộ hệ thống. Việc lựa chọn biến tần phù hợp với công suất động cơ là một phần quan trọng trong thiết kế hiện đại.

6.2. Sử dụng phần mềm thiết kế băng tải trong mô phỏng hệ thống

Các phần mềm thiết kế băng tải và mô phỏng cơ khí (như SolidWorks, Inventor, ANSYS) đang trở thành công cụ đắc lực cho kỹ sư. Thay vì chỉ dựa vào các công thức lý thuyết, kỹ sư có thể xây dựng mô hình 3D của toàn bộ hệ dẫn động băng tải, sau đó thực hiện các phân tích động lực học và phân tích phần tử hữu hạn (FEA). Các phần mềm này cho phép mô phỏng chính xác ứng suất, biến dạng trên các chi tiết như trục, bánh răng dưới điều kiện tải trọng thực tế. Kết quả mô phỏng giúp phát hiện sớm các điểm yếu trong thiết kế, tối ưu hóa hình dạng và kích thước chi tiết để giảm khối lượng vật liệu mà vẫn đảm bảo độ bền. Điều này giúp rút ngắn thời gian thiết kế, giảm chi phí chế tạo mẫu thử và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.